挑戰:
開發一種系統來處理復雜的控制算法，用以同時遠程捕獲來自各種傳感器的數據并實時控制穿戴式機器人裝置的多個致動器來實現步行輔助。

解決方案:
LabVIEW RIO平臺包含了CompactRIO嵌入式系統和實時控制器，采用了基于Single-Board RIO的FPGA控制架構來采集來自各種傳感器的數據并控制外設設備、高速通信設備和致動器；同時使用LabVIEW軟件來采集可靠的數據，執行實時分析并應用各種機器人控制算法，以顯著縮短開發時間。

作者：DongJin Hyun, PhD - Hyundai Motor Company

現代汽車公司的中央高級研究與工程研究所研發了未來移動技術。 這個研究中心不再為客戶提供傳統汽車產品，而是開發了新的移動設備，為各類人士提供了不同的移動速度，包括老年人和殘疾人。 隨著社會日益老齡化，人們對移動輔助系統的需求日益增加。 因此，我們正在使用NI嵌入式控制器開發穿戴式外骨骼機器人，以幫助老年人和脊髓損傷患者。

在可穿戴機器人領域，人體和機器人之間的物理連接會導致機械設計、控制架構和致動算法設計等方面的各種工程問題。 電氣設備之間可允許的空間和重量是極其有限的，因為可穿戴機器人需要像穿西裝那樣穿上去。 此外，機器人的總體控制采樣速率應足夠快才能不妨礙人的運動，并可以正確響應外力。 同時，雖然許多機器人研究人員經過不斷研發已經成功實現穿戴式機器人，但是可穿戴機器人的人類機能增進和輔助控制算法仍存在許多問題。 因此，我們小組在選擇用于穿戴式機器人的主控制器主要考慮以下幾個要求：

高速處理從各種傳感器獲得的數據

尺寸和重量

實時數據可視化以開發控制算法

連接到其他智能設備以提供更多便捷的功能

系統配置

實時控制和FPGA硬件環境通過提供可兼容各種機器人控制設備的I/O來確保可靠性和穩定性。 例如，在開發穿戴式機器人的過程中，由于傳感器的替換或者通信控制方法的改變，整體的控制架構有可能發生巨大的變化。 然而，NI產品提供了獨特的實時控制器和FPGA功能板載組合，使得我們能夠及時管理這些變化，這有助于縮短我們的開發周期。

此外，采用緊湊型sbRIO-9651模塊系統(SOM)設備幫助我們將機器人的重量降低到低于10kg，同時通過低功率基本系統配置來最大化電池的效率。

圖1.穿戴式機器人系統配置

為什么我們選擇LabVIEW

我們需要大量增加機器人傳感器和致動器的數量才能實現更復雜的任務，而且控制算法的復雜性也呈指數級增長。 因此，在機器人開發過程中我們面臨的主要挑戰之一是同步處理多個傳感器傳輸的所有數據并向多個致動器發出指令。LabVIEW支持并行可視化，可以幫助我們對機器人上安裝的傳感器進行直觀的信號處理并在實驗階段進行深入的控制算法設計。 最后，NI產品均具有可擴展性和兼容性，所以未來我們可以使用智能設備作為用戶界面(UI)。

圖2. 機器人控制的LabVIEW前面板

圖3.機器人控制的LabVIEW程序框圖

穿戴式步行輔助機器人

到目前為止，我們已經開發了以下類型的穿戴式機器人：
a.髖關節模塊化外骨骼 - 為髖關節不適的病人提供步行輔助的模塊化機器人
b.膝關節模塊化外骨骼 - 為膝關節不適的病人提供步行輔助的模塊化機器人
c.生活護理外骨骼 - 將髖關節和膝關節相結合為老年人或者下半身行動不便的患者提供步行輔助的模塊化機器人

圖4.現代下肢外骨骼

圖5.模塊化外骨骼和下肢外骨骼概念

利用物聯網技術來實現未來發展

我們的科研計劃包括將智能設備集成到用戶界面，以應對未來的挑戰。 目前，為下半身不便的病人提供幫助的機器人使用拐杖作為無線用戶界面來調整配置，例如步行、坐、爬或下樓梯以及正常模式的轉換。 將智能設備嵌入到此類用戶界面可以幫助用戶調整其他參數，包括步幅、走一步樓梯的時間或坐在椅子的深度/寬度。 此外，步行模式或正常活動范圍相關的數據對于治療或康復非常有用。 康復專家或醫生可以配置更高級的參數，如強制步行時間或調整關節運動??以便繼續治療病人。

我們基于無線技術開發了下一代外骨骼機器人，使得步態分析成為可能。 當有人穿著這種機器人，系統就能夠采集地面和腳底之間的區域的數據，從而確定意圖和步行狀態。 目前已經有通過無線ZigBee通信來發送數據的技術。 這項技術現在可以借助物聯網(IoT)技術進一步擴大。 換句話說，您可以將采集的信息以無線方式發送給機器人，使其協助步行者的動作。 此外，收集相關數據可以幫助用戶根據位置識別個人的活動范圍和狀況，而且該信息可以集成到機器人中，以提供更全面的服務。 如果患者穿戴這個機器人來進行康復治療，醫生可以在康復過程中監測病人和機器人的狀況，并提供實時訓練或調整來提高治療的效率和效果，這也是數據信息技術的典型應用案例之一。