下肢外骨骼助力装置设计

伍宏芳等

摘 要：下肢外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置，它可给穿戴外骨骼的人提供支撑、保护，及增强运动能力。文章阐述了下肢外骨骼机器人的研究意义，介绍了下肢外骨骼机器人的机械结构，实验仿真为驱动电机的选型提供了理论依据。提出了一种实时性的外骨骼机器人控制系统，通过各种传感器及时收集机器人的运动和位置信息，信息经CAN总线传输至处理器，处理器能够有效地分析和识别人的运动意图，并做出准确的预判，从而配合人体做出相应的动作，实现人机协调，最终提高人体的行走能力。

关键词：机器人；外骨骼；控制；助力

前言

作为人机一体化技术的重要组成部分，可穿戴式的下肢外骨骼技术已越来越受到学术界和工业界的关注。既可用作康复辅具，辅助下肢残障人士行走，也可用作负载行走时的助力装置，在民用及军用领域均有较好的应用前景[1]。该领域的研究涉及机器人学、人体工程学、控制理论、传感器技术、信息处理技术、模式识别等。

国外对助力外骨骼机器人的研究起步较早，研究成果比较前沿的是美国、日本、以色列等国家。日本外骨骼机器人HAL3由筑波大学研发，功能为：帮助人实现行走、起立、坐下等下肢动作。该助力机器人采用了角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼和操作者的状态信息。它将所有的电机驱动器、测量系统、计算机和无线局域网络，以及动力供应设备都整合到背包中[2]。以色列埃尔格医学技术公司研发的“ReWalk”用一副拐杖帮助维持身体平衡。该装置由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。使用者可以用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等，然后向前倾，激活身体各部分所安装的感应器，使机械腿处于运动之中。装置主要用来帮助瘫痪者恢复行走能力。

国内对下肢外骨骼机器人的研究起步较晚，还处在基础研究阶段。目前国内几所高校也开始了对人体下肢外骨骼的探索。中科院合肥智能机械研究所研制的下肢步行助力外骨骼机器人双下肢共有12个自由度，髋关节及膝关节屈伸为主动关节，共由4个伺服电机驱动。其下肢康复助行机构，主要包括穿戴在身上的助行行走机构和抬升机构。通过这两个装置， 使得病人能够在无他人帮助的情况下， 进行功能锻炼以恢复健康[3]。但是在研究的深度和广度上，与国外相比还有相当的差距。

1 下肢外骨骼机器人结构设计

行走的实现是依靠髋关节、膝关节和踝关节的运动协作来完成的。从人体的运动学步态来看，人体单下肢共有7个自由度，髋关节和踝关节各有3个自由度，分别是围绕运动轴的屈/伸和跖屈/背屈运动，外展内收，旋内/旋外运动，膝关节有1个绕运动轴的屈/伸运动[4]。而人体在行走过程中驱动力主要是由髋关节和膝关节提供，因此，文章的下肢外骨骼助力机器人在髋关节和膝关节分别安装了直流推杆电机作为驱动电机。

外骨骼机器人的设计目的是为了帮助人体下肢助力行走，机械结构示于图1。其结构主要由以下几部分组成：腰部支撑结构，目的是辅助支撑人的身体，腰部支持铰接，以减少负重机器人对人体腰部的压力，具有一定的承载能力；髋关节和膝关节关节驱动电机，为人体的行走提供原始的助力；股骨连杆和小腿连杆，这两个部分都起到支撑和连接的作用，它方便安装和调试各种传感器，通过安装在大腿骨连杆上的调节升降机构帮助他们调整高度，适应不同身高的人穿着这款助力机器人；脚踝和脚踏板，将人体重量传递到地面。

2 机器人的控制系统设计模型

通过各种传感器采集到的人体的运动和位置信息首先由微处理器进行预处理，然后传输到总控制器进行数据分析和处理，总控制器处理的结果由总控制器传输至微处理器，再由微处理器对电机驱动系统发出具体控制命令，实现实时监测和控制的目的。

2.1 传感器

根据外骨骼机器人功能和应用场合的需求，采集系统需要以下四类传感器：压力传感器，加速度传感器，重力感应器和陀螺仪。压力传感器安装在左侧和右侧脚的鞋底，作用是用来测量足底压力；加速度传感器安装在两腿中间，用于测量人体抬步时的加速度；陀螺仪安装在腰部的中间部位，重力感应器安装在髋关节，两种传感器相互结合被用来确定人体的中心重心位置和判断身体是否处于平衡状态。四种类型的传感器之间的协调配合，能有效检测人体的运动状况和预测有意的人体运动，然后提供人体实时的援助。

2.2 控制总线与驱动系统

下肢外骨骼通常使用的驱动方式有三种：液压传动，气压传动与电机驱动。他们各有优点和缺点。液压驱动单位质量输出功率大，传动平稳，主动性高，且易于控制。但也有在控制响应速度和精度方面的不足。气动驱动器使用安全，维护简单，但它的信号传递比较慢。电机驱动控制模式简单，直接，易于保证控制精度，运动精度高，响应快，方便维护和使用等诸多优点，因此文章设计的外骨骼机器人采用推杆电机驱动。

CAN代表“控制器局域网络”，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络[5]。CAN具有优异的特性和高可靠性，这使得它非常适合工业过程监控互连设备和智能机器人控制领域。鉴于在此，驱动系统采用CAN总线来控制电机驱动器。

2.3 数据处理系统

所有传感器采集到的数据信息如加速度、重心等均传送至AtmegalCAN128单片机，单片机将信息整理后通过CAN总线传输至微处理器，微处理器充分发挥预处理能力将收到的数据提炼和加工，加工完成后把形成的新数据进一步传送到总控制器，经C++编写的应用算法程序来分析人的运动状态和识别运动意图，然后发出实时控制信号来控制电机，进而达到实时准确控制的目的。

3 实验仿真

外骨骼机器人在髋关节和膝关节分别安装了推杆驱动电机，这种电机将直线运动转换成关节的旋转运动，此运动形式更加接近于关节的运动模式。从图3和图4大腿和小腿的运动分析图可以看出，人体在行走过程中，关节屈/伸运动摆动幅度α和θ和驱动器的行程有一定的关系。

利用外骨骼机器人的几何尺寸和大腿绕髋关节运动的角度（α角） 、小腿绕膝关节运动的角度（θ角） ，我们借助matlab编程求出边长AD到AD的变化范围，DD就是所求驱动电机的行程。得出的电机驱动器行程和腿部关节运动角度的关系如图5所示。从图中可以看出，要想使关节的运动角度为0.15π rad时，驱动电机的行程大约为0.159m，这可以为电机的行程控制和选型提供一定的理论依据。

4 总结

文章主要介绍了下肢外骨骼机器人的机械结构和控制模型的设计和分析。有效的信息通过各种传感器收集到控制器进行运动状态和意图的分析，然后准确地实施行走援助。通过实验和验证，证明了该机器人可以实时监测人体运行状况以及实时控制的能力。我们的外骨骼机器人的设计目的是为下肢行走提供助力，并对后续研究具有一定的参考价值。

参考文献

[1]王志鹏，郭险峰.穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计[D].北京航空航天大学.2012

[2]丁兆义.外骨骼机器人设计和控制系统研究[D].东南大学.硕士学位论文.2008

[3]吴键波.下肢助力机械腿孔空间力系机械研究[D].华南理工大学.硕士学位论文.2012

[4]H Kazerooni，Jean-Louis Charles Racine，Lihua Huang，RyanSteger. On the Control of Berkeley Lower Extremity Exoskeleton（ BLEEX）[C]/ /Proceedings of the 2005 IEEE International Con-ference on Robotics and Automation，Barcelona，Spain，2005.

[5]韩成浩，高晓红.CAN总线技术及其应用[D].吉林建筑工程学院，2010.