Top
技術趨勢
串聯彈性致動器於復健機器人之應用
2018.06.15∣瀏覽數:87

文 ◆ 成功大學機械系 藍兆杰教授
為滿足工業需求,工業型機器人須具備高輸出扭矩以及高準確性與速率之位置控制,因 此設計致動器時,以剛性為訴求,若剛性致動器與外界撞擊時,易造成致動器本身與外 界接觸物體之損害。隨著服務型機器人的崛起,人機親和互動的需求增加,高準確性的 力量控制、良好的反向驅動能力、具衝擊保護與可變勁度之功能,成為提升人機互動親 和性的重要課題。


串聯彈性致動器利用彈簧等彈性元件串 接馬達與負載,如圖1所示,透過彈簧傳遞 力量,以位移計感測並馬達控制彈簧的變形量,以間接控制馬達輸出至負載的力量。使用串聯彈性致動器可將力量控制問題轉化成位置控制問題,因此相較於一般的剛性致動
器,不需使用昂貴的力感測器,而是以低成本之位移感測達到更準確的順向及逆向力量控制。串聯彈性致動器還具有儲能及衝擊保護能力,因此普遍應用於需與人或環境互動接觸的機器人,例如人形機器人及復健機器 人,以確保協動安全。如圖2所示為目前工業 機器人常見之力量控制方法,加入力感測器於馬達與負載之間,由於力感測器之剛性非 常大,變形量約為10μm等級,若要一般馬達 在這變形量內去控制0到100N的力量非常困 難,所以不夠準確。而圖1的串聯彈性致動器 彈簧剛性較小,變形量約為1mm等級,所以 馬達可在這變形量內輕易控制0到100N的力量,因此串聯彈性致動器能夠達到精準的力量控制。

機器人具備智慧感知能力為未來發展的趨勢,工業機器人的力量感知及控制目的為偵測外界之突發不當受力,並即時減小施力及速度,以避免與工件或人員碰撞造成損傷,確保安全,因此所需之力量控制準確度不高,使用剛性力感測器或力觀察器即可。而
復健機器人之力量控制是勁度、阻抗及導納控制之基礎,需透過不同的控制策略以配合患者之主被動復健,進行不同軌跡之順逆向驅動,因此需更準確之力量控制。

串聯彈性致動器的優勢
使用串聯彈性致動器進行力量控制,除了不需額外加裝力感測器外,串聯彈性致動器相較於剛性致動器進行力量控制時,其優點如下:

(1)增加致動器被動順應性:在理想情況, 力量控制之致動器其機械阻抗應為零,亦即致動器能反向驅動,以及具有完全被動順應性。但實際上,致動器為了驅動較大重量負載,傳動機構必須減速將力量放大,特別是電磁式的致動器,需要更高之減速比;若減 速比為N,致動器動子慣量在負載端等效之 反映慣量將放大為N2倍,且使用高減速比 傳動機構會產生摩擦力,這兩個因素皆會使致動器機械阻抗提高。串聯彈性致動器由於在負載端前串聯彈性元件,相較於剛性致動器,能降低前述之反映慣量及傳動機構摩擦之高機械阻抗問題,增加致動器被動順應性。

(2)低通濾波效果:串聯彈性致動器彈性元 件可視為一力量低通濾波器,對致動器端而言,在控制上可降低外在環境擾動之影響,另外也可過濾致動器輸出之力量漣波及傳動機構產生之摩擦力,亦即在串聯彈性致動器裡,對於致動器力量漣波大小及傳動機構準確度要求程度降低;對負載端而言,若負載端與高勁度環境產生接觸,彈性元件也可減緩接觸時之抖動。

(3)安全性:減速比越大之致動器,其機械阻抗越高,越容易因外在撞擊而損壞。由於彈性元件為力量低通濾波器,因此可以緩衝來自負載端之撞擊,避免致動器及傳動機構損壞,特別是使用高減速比傳動之致動器,加入串聯彈性元件能有效提高致動器安全
性。

(4)力量控制準確性:串聯彈性致動器即 使致動器本身力量輸出準確度不高,也能達成準確力量控制。其原因為串聯彈性致動器於負載端之力量輸出並非直接來自致動器之力量,而是彈性元件之力量,所以即使致動器力量準度不高,只要控制彈性元件之變形量,即可達成力量控制。控制彈性元件變形量,比起控制致動器力量較為簡單,因此串聯彈性致動器相較剛性致動器,更能達成準確之力量控制。

(5)降低控制所需取樣頻率:使用剛性致動 器進行力量控制,致動器少許位移量就能使力感測器力量值產生大幅變化,因此力量控制會有抖動現象且系統不易穩定。為了解決此問題,必須提高控制器取樣頻率,且控制器負回饋增益必須設定在較小之數值,但增益過小會有系統反應時間過長以及對於微小力量變化較不敏感之缺點。相較於剛性致動器,相同力量變化下串聯彈性致動器需要較大位移量,此增加之位移量使串聯彈性致動器能在較低取樣頻率下完成力量控制,降低力量控制之難度,而且控制參數增益可以設定在較大之數值而不失控,增加控制系響應速度。

(6)儲存能量:串聯彈性致動器之彈性元件 可以儲存能量,對於需要往返之簡諧運動,串聯彈性致動器有較高之效率。另外,動物身上的肌肉也有類似儲存能量的機制,來降低運動所需之總能量,因此與動物肌肉特性相仿之串聯彈性致動器可被使用於各種仿生應用,增加串聯彈性致動器之應用範圍。

實驗室之串聯彈性致動器及復健機器人 相關研究成果
為了使復健機器人的馬達具有智慧感知與驅動能力,本實驗室這幾年內發展出兩個版本的直線式串聯彈性致動器,具有高扭矩重量比。工業機器人之運動強調速度及剛性,因此需使用較為龐大沉重的驅動器。相較之下,復健機器人之運動速度及剛性需求不若工業機器人高,但為了在醫院等場所應用普及,特別強調移動性及人機親和性,因此復健機器人之馬達設計需有不同的思維,尤其應以輕量化之馬達模組為主要設計考量,因此需選用高扭矩重量比的馬達。但目前復健機器人之馬達設計仍沿用工業機器人之思維,以直流有刷或無刷馬達為主。步進馬達之扭矩重量比較其他直流馬達大,最多可差 到6倍,因此本研究的串聯彈性致動器使用步 進馬達,能比前人的串聯彈性致動器具有更高的扭矩重量比,為本技術的首要創新性,未見於前人之研究中。使用步進馬達除了有高扭矩重量比外,其價格也較便宜,可靠度高,因此有極大的優勢可作為復健機器人之驅動模組。

步進馬達傳統上以開迴路之脈波信號控制,但負載過大時會造成位置及扭矩反應的波動,為了克服此問題,本實驗室使用閉迴路控制方法,可準確且連續控制步進馬達轉子角度,使其反應接近於直流有刷或無刷馬達,其追蹤準確度、速度及平順度結果驗證
了此方法的有效性。步進馬達之速度雖然較直流無刷馬達慢,但仍足以應付一般的復健運動所需。

版本1之串聯彈性致動器如圖3所示,致動 器之體積為157×57×57mm3,重量為0.87 kg,使用Haydon步進馬達,具有導螺桿機 構,不需額外的機構就可將馬達的旋轉運動變成線性運動,再串聯至一個市售的螺旋彈 簧,致動器之最大出力為900N,扭矩重量比 為0.705Nm/kg,使用可變電阻或光學尺量 測彈簧變形轉成力量,力量控制準確度可達 1N,此串聯彈性致動器被應用於本實驗室發 展的肩復健機器人,如圖4所示,使用兩組串 聯彈性致動器並排安裝於人體背部,透過曲柄滑塊機構傳輸至球面五連桿並聯機構,提 供肩膀的屈曲/伸張及外展/內收兩個方向的力 量感知及驅動,由於不需額外安裝多軸力感測器,且經由靜平衡機構可大幅降低致動器扭矩需求,因此可大幅降低成本,達到尺寸小,輕量化之優勢。前人的上肢復健機器人大多使用串聯式機構設計,因此尺寸較大較重,且沒有串聯彈性致動器達到力量感知與控制,因此比較起來,本實驗室發展的新型復健機器人較有優勢。

一般工業機器人之驅動器具有高減速比,因此難以逆向驅動,而應用於復健機器人的驅動器需具有良好的逆向驅動能力。本實驗室所發展的串聯彈性致動器經實驗驗證可順 利完成逆向力量控制。如圖5所示分別為版 本1之串聯彈性致動器以0.4Hz之逆向弦波擾 動進行逆向驅動實驗,負載端給定逆向弦波 擾動為Da,串聯彈性致動器控制彈簧變形量 f為零,以達到全逆向驅動的模式,可觀察到 圖5的殘餘力量方均根值都很小,為0.8N, 因此逆向驅動幾乎無阻力,達成零阻抗的條件,若逆向驅動的阻力為零,則可達成理想的機器透明度。由於串聯彈性致動器的力量控制問題本質上是位置控制問題,因此本實驗室之研究以雙質量動力模型為基礎,使用 PID控制器即可達成準確的順向及逆向力量 控制,並可依力量控制為基礎發展阻抗及導納控制。

圖6之版本2串聯彈性致動器為本實驗室近期之研究成果,使用Oriental PKP225的兩 相混合式步進馬達,此馬達的扭矩重量比為 0.95Nm/kg,搭配導程為2mm的滾珠螺桿, 行程沒有限制,可達最大出力為600N,此 致動器尺寸較小,可配合上肢復健機器人的設計。為了展示此串聯彈性致動器的動靜態特性,在此進行順向控制頻寬測試,參考命 令為振幅100N的弦波,可得到其最大頻寬為 10.5Hz,由於人體上肢運動的頻率極限約為 2到5Hz,因此本技術所使用的步進馬達足以 應付復健運動所需。圖7所示為此版本二的虛 擬勁度控制圖,使用阻抗控制器,並將虛擬 勁度設定在10、20、40、60 N/mm的數值, 以逆向驅動,可觀察到勁度追蹤的很好,誤 差約為2%,並沒有明顯的遲滯現象,跟前人 的研究成果相比,本技術提出的串聯彈性致動器具有良好的勁度控制能力,所以此串聯彈性致動器可用於各類的主被動復健命令建立。

為了展示所開發的版本2線性串聯彈性致動器,本實驗室設計並製作一個前臂多自由度復健機器,能夠同時輔助進行肘部的屈曲 /伸張(EFE)及外旋/內旋(IE),以及腕部的尺 偏/橈偏(RU)、屈曲/伸張(WFE)及旋前/旋後 (PS),共計五個空間自由度。使用線性及 旋轉串聯彈性致動器技術,搭配球面五連桿機構及曲柄滑塊機構,達到輕量化及緊湊空間布置的目標,並具有力量回饋控制功能,可進行順向及逆向復健運動。全機器以鋼鐵人概念打造設計,未來搭配虛擬實境互動遊戲,可增加復健運動的樂趣,避免枯燥乏 味。圖8所示為此前臂多自由度復健機器的 模型圖,此復健機器包含肘部模組及腕部模 組,分別重量為1.5kg,可分開或合併使用。 肘部模組由一個旋轉串聯彈性致動器及一個 線性串聯彈性致動器組成,提供肘部的屈曲/ 伸張及外旋/內旋所需的兩個自由度。腕部模 組由一個旋轉串聯彈性致動器及二個線性串 聯彈性致動器組成,提供腕部的尺偏/橈偏、 屈曲/伸張及旋前/旋後所需的三個自由度。此復健機器共有五個步進馬達,總重0.48kg, 這五個馬達的旋轉軸都跟前臂或上臂平行,且互相緊密排列,這樣的新穎設計可使整體尺寸縮小,減少突出物,且因使用步進馬達,整體的扭矩重量比可提高,使用方便性 可大為提升。如圖8所示,不管是在運動範 圍、平均扭矩輸出、或是重量方面,本實驗室提出的前臂復健機器性能都比前人成果優越許多,因此驗證了使用本實驗室所開發的串聯彈性致動器的優越性。為了展示主動式復健的功能,使用零阻抗控制器進行前臂復健機器的測試,以一健康測試者穿戴此復健機器,並週期性的轉動其手腕及手肘,以逆向驅動前臂復健機器,再使用串聯彈性致動器控制馬達位移並記錄手腕及手肘旋轉角度及扭矩,因為阻抗值設定為零,因此測試者 將感覺到極小的阻力,在速度為每秒70度的 情況下,肘部屈曲/伸張平均扭矩、腕部屈曲 /伸張平均扭矩、及腕部尺偏/撓偏平均扭矩 分別為0.017Nm、0.018Nm、及0.034Nm,如圖9所示,此阻扭力值比目前文獻中許多復 健機器人的實驗結果來的小很多,因此驗證了使用此串聯彈性致動器技術的優勢,此前臂復健機器也可設定在不同的虛擬勁度及阻尼,以達到阻力復健訓練的效果。

不同於以往工業機器人使用串聯機構、諧 波齒輪、及直流有刷/無刷馬達來組成,本 串聯彈性致動器及復健機器人技術使用並聯式機構、國產滾珠螺桿及交叉滾住軸承、步進馬達、彈簧來組成,具有輕巧、高扭矩密度、零件可靠度高、效率高等優勢,而此研究成果之各國專利也正在申請中。除了復健機器人以外,本研究所開發的串聯彈性致動器,已展示各不同規格的力量控制能力,因此可應用於需力量控制之機器人,取代目前普遍需使用力量感測器的情況,因力量感測器技術掌握於國外大廠,對國內發展智慧機器人技術將受限,使用串聯彈性致動器將可克服此限制,增加國內現有機器人產業的競爭性。
 

TMTS 展前記者會