67、基于气囊的运动意图识别与七自由度半外骨骼上肢机器人设计

基于气囊的运动意图识别与七自由度半外骨骼上肢机器人设计

在人机协作与康复训练领域，准确识别人类运动意图以及设计高效的康复机器人至关重要。本文将介绍基于气囊的运动意图识别方法和七自由度半外骨骼上肢机器人的设计与控制。

基于气囊的运动意图识别

气囊结构与制造

气囊是一个由软材料制成的封闭气室，内部安装有气压传感器用于测量气压。当气囊充气时，外部力会影响其内部气压，气压随外力增加而上升，随外力减小而下降，因此可作为力传感器使用。

为降低成本并便于批量生产，采用尼龙TPU复合面料制造气囊。制造过程如下：
1. 选用尼龙表面覆盖一层TPU塑料的复合面料，这种面料密封性能好，常用于气垫床、充气船等。
2. 通过激光切割得到中间有孔的面料。
3. 利用超声波焊接将TPU连接器与TPU层结合。
4. 将面料对折并加热边缘，形成密封气室。
5. 进行水下测试确保气密性。复合面料价格低（$6/m²）且加工方便，显著降低了设备成本。

工作原理

基于气囊的运动意图识别（MIR）方法中，四个气囊均匀分布在环形手臂支架内表面。
- 空闲状态 ：气囊抽气收缩至支架内表面，用户可轻松将手臂穿过。
- 激活状态 ：机器人工作时，气囊逐渐充气，填充不同尺寸手臂与支架间的间隙，直至建立稳定舒适的连接。此时四个气囊的压力分别记为$p_{i0}$（$i = 1, 2, 3, 4$）。
- 工作状态 ：相互作用力计算公式为$\tilde{F} = k\sum_{i