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

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。

作者：DongJin Hyun, PhD - Hyundai Motor Company

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。

图1.穿戴式机器人系统配置

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)。

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

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：
a.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
b.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
c.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

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

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。