现代​汽车​基于​LabVIEW​和​LabVIEW RIO​架构​开发​了​穿戴​式​步行​辅助​机器人

DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

"LabVIEW​和​LabVIEW RIO​架构​帮助​我们​仅​用​了​一周​的​时间​就​完成​了​一个​新​机器​人​控制​算法​的​开发​和​测试,​如果​使用​基于​文本​的​方法​则​需要​花费​一个​月。 我们​能够​更​快速​地​开发​软件​和​硬件​的​原型,​并​能够​更​快速​适应​不断​变化​的​控制​需求。"

- DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

挑战

开发​一种​系统​来​处理​复杂​的​控制​算法,​用以​同时​远程​捕获​来自​各种​传感器​的​数据​并​实​时​控制​穿戴​式​机器​人​装置​的​多个​致​动​器​来​实现​步行​辅助。

解决​方案

LabVIEW RIO​平台​包含​了​CompactRIO​嵌入式​系统​和​实​时​控制器,​采用​了​基于​Single-​Board RIO​的​FPGA​控制​架构​来​采集​来自​各种​传感器​的​数据​并​控制​外​设​设备、​高速​通信​设备​和​致​动​器;​同时​使用​LabVIEW​软件​来​采集​可靠​的​数据,​执行​实​时​分析​并​应用​各种​机器​人​控制​算法,​以​显​着​缩短​开发​时间。

现代​汽车​公司​的​中央​高级​研究​与​工程​研究所​研发​了​未来​移动​技术。 这个​研究​中心​不再​为​客户​提供​传统​汽车​产品,​而是​开发​了​新的​移动​设备,​为​各类​人士​提供​了​不同​的​移动​速度,​包括​老年人​和​残疾​人。 随着​社会​日益​老​龄​化,​人们​对​移动​辅助​系统​的​需求​日益​增加。 因此,​我们​正在​使用​NI​嵌入式​控制器​开发​穿戴​式​外​骨骼​机器​人,​以​帮助​老年人​和​脊髓​损伤​患者。


在​可​穿戴​机器​人​领域,​人体​和​机器​人​之间​的​物理​连接​会​导致​机械​设计、​控制​架构​和​致​动​算法​设计​等​方面​的​各种​工程​问题。 电气​设备​之间​可​允许​的​空间​和​重量​是​极其​有限​的,​因为​可​穿戴​机器​人​需要​像​穿​西装​那样​穿上​去。 此外,​机器​人的​总体​控制​采样​速率​应​足够​快​才能​不​妨碍​人的​运动,​并​可以​正确​响应​外力。 同时,​虽然​许多​机器​人​研究​人员​经过​不断​研发​已经​成功​实现​穿戴​式​机器​人,​但是​可​穿戴​机器​人的​人类​机能​增进​和​辅助​控制​算法​仍​存在​许多​问题。 因此,​我们​小组​在​选择​用于​穿戴​式​机器​人的​主​控制器​主要​考虑​以下​几个​要求:

  • 高速​处理​从​各种​传感器​获得​的​数据
  • 尺寸​和​重量
  • 实​时​数据​可​视​化​以​开发​控制​算法
  • 连接​到​其他​智能​设备​以​提供​更多​便捷​的​功能

 

系统​配置

实时控制和FPGA硬件​环境​通过​提供​可​兼容​各种​机器​人​控制​设备​的​I/​O​来​确保​可靠性​和​稳定​性。 例如,​在​开发​穿戴​式​机器​人的​过程​中,​由于​传感器​的​替换​或者​通信​控制​方法​的​改变,​整体​的​控制​架构​有​可能​发生​巨大​的​变化。 然而,​NI​产品​提供​了​独特​的​实​时​控制器​和​FPGA​功能​板​载​组合,​使得​我们​能够​及时​管理​这些​变化,​这​有助​于​缩短​我们​的​开发​周期。

 

此外,​采用​紧凑型sbRIO-9651模​块​系统​(SOM)​设备​帮助​我们​将​机器​人的​重量​降低​到​低于​10kg,​同时​通过​低​功率​基本​系统​配置​来​最大​化​电池​的​效率。

 

为什么​我们​选择​LabVIEW

我们​需要​大量​增加​机器​人​传感器​和​致​动​器​的​数量​才能​实现​更​复杂​的​任务,​而且​控制​算法​的​复杂​性​也​呈​指数​级​增长。 因此,​在​机器​人​开发​过程​中​我们​面临​的​主要​挑战​之一​是​同步​处理​多个​传感器​传输​的​所有​数据​并​向​多个​致​动​器​发出​指令。LabVIEW支持​并行​可​视​化,​可以​帮助​我们​对​机器​人​上​安装​的​传感器​进行​直观​的​信号​处理​并​在​实验​阶段​进行​深入​的​控制​算法​设计。 最后,​NI​产品​均​具有​可​扩展​性​和​兼容​性,​所以​未来​我们​可以​使用​智能​设备​作为​用户​界面​(UI)。

 

穿戴​式​步行​辅助​机器人

到​目前为止,​我们​已经​开发​了​以下​类型​的​穿戴​式​机器​人:

  1. 髋​关节​模​块​化​外​骨骼 - 为​髋​关节​不适​的​病人​提供​步行​辅助​的​模​块​化​机器人
  2. 膝​关节​模​块​化​外​骨骼 - 为​膝​关节​不适​的​病人​提供​步行​辅助​的​模​块​化​机器人
  3. 生活​护理​外​骨骼 - 将​髋​关节​和​膝​关节​相​结合​为​老年人​或者​下半身​行动​不便​的​患者​提供​步行​辅助​的​模​块​化​机器人

 

利用​物​联​网​技术​来​实现​未来​发展

我们​的​科研​计划​包括​将​智能​设备​集成​到​用户​界面,​以​应对​未来​的​挑战。 目前,​为​下半身​不便​的​病人​提供​帮助​的​机器​人​使用​拐杖​作为​无线​用户​界面​来​调整​配置,​例如​步行、​坐、​爬​或​下​楼梯​以及​正常​模式​的​转换。 将​智能​设备​嵌入​到​此类​用户​界面​可以​帮助​用户​调整​其他​参数,​包括​步​幅、​走​一步​楼梯​的​时间​或​坐在​椅子​的​深度/​宽度。 此外,​步行​模式​或​正常​活动​范围​相关​的​数据​对于​治疗​或​康复​非常​有用。 康复​专家​或​医生​可以​配置​更​高级​的​参数,​如​强制​步行​时间​或​调整​关节​运动​​以便​继续​治疗​病人。

 

我们​基于​无线​技术​开发​了​下一代​外​骨骼​机器​人,​使得​步​态​分析​成为​可能。 当​有人​穿着​这种​机器​人,​系统​就​能够​采集​地面​和​脚​底​之间​的​区域​的​数据,​从而​确定​意图​和​步行​状态。 目前​已经有​通过​无线​ZigBee​通信​来​发送​数据​的​技术。 这项​技术​现在​可以​借助​物​联​网​(IoT)​技术​进一步​扩大。 换句话说,​您​可以​将​采集​的​信息​以​无线​方式​发送​给​机器​人,​使​其​协助​步行​者​的​动作。 此外,​收集​相关​数据​可以​帮助​用户​根据​位置​识别​个人​的​活动​范围​和​状况,​而且​该​信息​可以​集成​到​机器​人中,​以​提供​更​全面​的​服务。 如果​患者​穿戴​这个​机器​人​来​进行​康复​治疗,​医生​可以​在​康复​过程​中​监测​病人​和​机器​人的​状况,​并​提供​实​时​训练​或​调整​来​提高​治疗​的​效率​和​效果,​这​也是​数据​信息​技术​的​典型​应用​案例​之一。

 

作者​信息

DongJin Hyun, PhD
Hyundai Motor Company
​37, Cheoldobangmulgwan-​ro
​Uiwang-​si, Gyeonggi-​do 437-815
​South Korea
​Tel: +82 (031) 596 0920
mecjin@hyundai.com

图​1. ​ ​穿戴​式​机器​人​系统​配置 ​
Figure 2. ​ ​Real-​time processing, offered by the CompactRIO platform, enabled Hyundai to address one of their greatest challenges–​recognizing human intention. ​
图​2. ​ ​机器​人​控制​的​LabVIEW​前​面板 ​
图​3. ​ ​机器​人​控制​的​LabVIEW​程序​框​图 ​
图​4. ​ ​现代​下肢​外​骨骼 ​
图​5. ​ ​模​块​化​外​骨骼​和​下肢​外​骨骼​概念 ​
Figure 7. ​ ​Life-​Caring Exoskeleton in Use ​
​ ​Hyundai wearable robotics are designed to offer users a better quality of life. ​
​ ​The NI System on Module (SOM) provides Hyundai a powerful heterogeneous architecture in a small form factor to control their wearable robotics. ​
​ ​Hyundai used CompactRIO to quickly implement and adjust to rapidly changing control requirements. ​