机械工程导论》专题论文题目 外置机械框架的应用与探索姓名 班级机械制造及其自动化一班学号 1303110131 并联机构用于外骨骼设计 随着对外骨骼机器人的不断研究与认识，人们对于其机构与控制方面的发计要求也越 来越高，更加着重于追求人机一体化的设计思想于是为了使得外骨骼机器人与人体更加耦 合，并联机构出现在人们的视线中韩国利学技术研究院提出了一种外骨骼机器人设计方法(图1.6(a》[191该方案在肩 关节和于腕处都利用一个3RPS并联机构和一个转动机构取代了这些关节的串联机构；韩国 东义大学发计了一种腕部并联助力机构DULEX[201,该装置利用三个气动肌肉完成对腕部活 动的助力外置骨骼的潜在隐患外骨骼系统与其它自动化系统一样，都存在着随时发生故障的可能，因此，系统应具有 及时预测和处理故障的能力，这主要包括：①故障防范；②故障消除；③故障检测和隔离; ④故障容错；⑤故障预报其中，故障防范和故障消除主要通过各种有效检测手段和维护方 法避免故障的发生在人机智能系统设计过程中，应严格遵循设计和制造标准，并在实际用 之前，系统需要通过严格的功能测试和安全鉴定：但要做到完全避免故障的发生是不可能的， 这就要对故障进行实时地监测，及时报告故障的发生，记录故障的类型以及发生的模 块。
同时对于已经发生的故障应该及时处理和分析，建立相应的专家知识库．对潜在的故障 隐患进行预报此外，系统的冗余和容错也是提高系统可靠性的有效方法，这使得系统或系 统某些模块突然发生一些次要日不影响系统基本功能的故障时，外骨骼仍能克服这些负面因 素的影响，完成任务或是回复到安全状态，提高整个系统的鲁棒性和冗余性为了确保系统可靠，在人机系统中，常采用模块化或者层次化的控制结构这样做既方 便对各个组成部分分析测试，又可以在某些部分发生故障时，将其隔离而不影响整个系统基 本功能的实现，，例如，在下肢步行外骨骼设计中．通常将整个控制结构自上而下分为：行 走规划层、步态综合层和关节控制层柔性外骨骼系统在行走规划层中，通过传感器获取操 作者的行走意图，并将信息送与步态综合层，由步态综合层完成步态的拟合，并将步态周期 中各个关节的角度关系发送剑关节控制层中，由关节控制层实时地对关节上的运动驱动器进 制层中，由关节控制层实时地对关节上的运动驱动器进行闭环控制同时为r避免由于备之 问网络延时或足通讯故障造成的数据延时或丢失从而导致层与层之间非同步以及系统不稳 定问题，基于事件的控制结构等控制方法提供了很好地解决途径。
在基于事件的控制结构系 统中，层与层之间不再以时间t作为动作的参考，而是以事件变量s作为动作参考由于s 不仅是t的单调函数，而且叉直接和系统的状态相关，因此对于系统中多个需要海调控制的 层而言，基于事件的控制结构很好地保证了系统的同步性，使系统更加稳定外置骨骼的现实应用 由美国国防高级研究计划局提供经费，美国加州大学伯克利分校研制成功了一种能使人 长距离轻松搬运重物或背重物上楼梯的机械装备一伯克利下肢末端外骨骼 Berkeley Lower Ext BLE EX（图1 4（a）、（b》它的主干部分为一对由合成金属制成的机械腿；在整个机械 腿上安装了四十多个传感器，用于模仿人体的神经系统，不断地分析检测人体负重与守间位 置；日本筑波大学研制出了世界上第一套用丁商业的外骨骼助力机器人，并且已经开始量产， 名称为Hybrid Assistive Leg-混合助力腿，简称HALHAL是一种可穿戴助力装置，它利 用肌电传感器感知人体的肌肉的活动信息，然后通过固定在皮带r的微型电机控制驱动电机 为穿戴者提供助力它可以按照穿着者的意志而动作，使得人的腩神经和肌肉系统与外骨骼 机器人成为一个整体结构，并可以作为人体的一部分，帮助人体发挥相应的功能。
另外，无论采用何种控制结构，都需要加入独立的安全监测模块，在系统运行过程中对 整个系统的安全性进行实时监测，尤其是对底层，即运动控制层进行监测，避免柔性外骨骼 处于不安全的运行状态安全可靠的外骨骼系统能够提升人的能力，协助人完成许多靠人自身无法完成的工作 但是任何事物的发展总是具有两面性，外骨骼系统在促进社会进步的同时也必将与传统的社 会伦理产生矛盾，这在基因工程、核工程、药物等科学技术的发展中均得到了充分地证实 利用研究人员的价值观和科研道德以及其所设计制造的外骨骼系统所应用的领域．将直接影 响柔性外骨骼技术的发展趋势，所以需要建立相关的伦理准则，对外骨骼 系统的设计和应周进行约束在与之较为接近的智能机器人领域中，基于阿西奠夫著名的“机器人三大定律”的精神．2007 年4月，日本的经济产业省已经出台了《下一代机器人安全问题指导方针（草案》）在这份 全文长达60多页，由一包括食业界人士、科学家、政府官员以及律师在内的专业团队起草 完成的文件中，未来机器人的设计和应用将受严格限制，同时规定所有机器人的中央数据库 中必须载有机器人伤害人类的所有事故记录，避免类似事故的重演韩国也正在制订《机器 人道德法》，作为韩国机器人制造者、使用者以及机器人本身的道德标准和行为准 则。
同时，欧洲的科学家也存意大利罗马举行会议，商讨制订欧洲机器人的伦理守则在日常生活中人们可以通过秉性外骨骼的帮助，增强自身的能力，这便不可避免的加大 人类个体之间的能力差异，产生不和谐的潜在威胁因素更进一步，若将这种能力无限制的 开发，并最终被应用于一些不正当领域的话，这就必将和传的社会伦理道德发生冲突，形成 新的伦理矛盾2000 年曲社会伦理道德发生冲突，形成新的伦理矛盾2000 年美国国防部 高级研究项目局（DARPA）出资5000万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼（EHPA）进 行研究与开发 13.14］，用于提高士兵的行军能力和作战能力，这也许标志着布不久的将来 柔性外骨骼将广泛地应用于军事领域这将可能最终导致不公平的战争，同时也会对传统的 道德伦理提出新的挑战并随着柔性外骨骼技术的发展不断对其进行补充、完善这无疑将对这项技术快速、健康的 发展起到重大的作用，(1)采用层次化或模块化控制框架可确保在系统或系统部分子系统出现错误时，不影响 系统整体性能和安全功能，保证系统可靠运行依靠系统多传感器信息融合技术和系统故障 预警与处理体制，减少系统事故的发生或及时对发生的故障进行处置，提高系统运行的可靠 性。
2)为避免外骨骼系统因大幅增强操作者的能力从而加大人类个体之间的能力差异，或 是其被广泛应用于军事领域，引起新的社会伦理矛盾，应制订一套科学、系统的伦理准则， 对外骨骼系统的设计和应用进行约束，保证其良好、健康、快速的发展。