下肢外骨骼機(jī)器人步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柴 虎，侍才洪，陳 煒，張西正

（1. 南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州 510515；2. 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161；3. 天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300184；4. 軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津 300161）

0 引言

外骨骼機(jī)器人是一種結(jié)合了人的智力和機(jī)器人動(dòng)力的人機(jī)一體化可穿戴智能裝置，能夠輔助或增強(qiáng)人體的生理機(jī)能，如防御、行走、負(fù)重等，提高使用者的作業(yè)能力。外骨骼機(jī)器人是一門(mén)新興的機(jī)器人技術(shù)，已經(jīng)成為國(guó)際上研究熱點(diǎn)之一。外骨骼機(jī)器人技術(shù)可以應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、旅游、救災(zāi)等眾多領(lǐng)域，有著很好的應(yīng)用前景，因此許多國(guó)家開(kāi)展外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究工作，并成功研制出外骨骼機(jī)器人。例如美國(guó)伯克利大學(xué)的BLEXX系列下肢外骨骼機(jī)器人、洛克希德公司的HULC外骨骼、美國(guó)雷神公司的XOS系列外骨骼、日本筑波大學(xué)研制的HAL系列商業(yè)外骨骼等[1,2]。

外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中，人是控制中心，外骨骼控制器利用置于人體和外骨骼機(jī)器人上的壓力傳感器、傾角傳感器、力矩傳感器、肌電傳感器、加速度傳感器、編碼器等檢測(cè)元件來(lái)獲取人體及外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需力矩大小，進(jìn)而控制相應(yīng)部位的驅(qū)動(dòng)模塊工作，同時(shí)控制器對(duì)人體和外骨骼的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行比較分析，形成反饋量，從而確保外骨骼能夠快速精確地響應(yīng)人體動(dòng)作[3]。其中人體的運(yùn)動(dòng)信息是外骨骼系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)信號(hào)，因此，在外骨骼系統(tǒng)中對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集的系統(tǒng)十分重要。

這里針對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中的人體，以單片機(jī)C8051F040為處理核心，利用壓力傳感器和傾角傳感器，設(shè)計(jì)了一款下肢外骨骼系統(tǒng)中人體行走運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)人體行走中足底壓力和下肢各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度變化，識(shí)別當(dāng)前人體行走步態(tài)，為下肢外骨骼機(jī)器人的行走控制提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和理論基礎(chǔ)。

1 人體行走步態(tài)周期及劃分

人體在正常行走時(shí)，一個(gè)步態(tài)周期可定義為從一側(cè)腳跟著地起到同側(cè)腳跟再次著地結(jié)束，其中每條腿可分為支撐相和擺動(dòng)相。支撐相指一條腿的腳跟著地到該側(cè)腿的腳尖離地的這段時(shí)間，即足部與地面接觸的時(shí)間，約占整個(gè)步態(tài)周期的60%；擺動(dòng)相指一條腿的腳尖離地到該側(cè)腿腳跟著地這段時(shí)間，即足部離開(kāi)地面的時(shí)間，約占整個(gè)步態(tài)周期的40%。人體行走步態(tài)周期的劃分對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人行走控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要的意義，這里將人體正常行走步態(tài)周期劃分為四個(gè)部分：1）右單支撐；2）右雙支撐；3）左單支撐；4）左雙支撐，其中雙腿支撐狀態(tài)時(shí)間很短，約占別為左腳第一趾骨部位、第五趾骨部位和左腳跟部位處的壓力傳感器壓力值變化變量；right_1、right _2和right _3分別為右腳第一趾骨部位、第五趾骨部位和右腳跟部位處的壓力傳感器壓力值變化變量。在表中1～6列中，變量輸出‘0’表示壓力值減?。弧?’表示壓力值增大；‘Nu ll’表示該部位壓力值無(wú)明顯變化。第7列中，‘leg_angle’代表左髖關(guān)節(jié)與右髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，‘1’表示左大腿在右大腿前方或處于兩腿平行；‘0’表示左大腿在右大腿后方。Gait變量為當(dāng)前程序檢測(cè)步態(tài)的返回編碼值；第9列為各個(gè)編碼代表的行走步態(tài)。

表2 步態(tài)識(shí)別程序運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中的人，設(shè)計(jì)了一種人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微處理器C8051F040為中心，通過(guò)分析處理人體行走中腳底壓力和關(guān)節(jié)角度信號(hào)變化，確定當(dāng)前人體行走狀態(tài)。通過(guò)試驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到人體行走中體行走中腳底壓力和關(guān)節(jié)角度信息，并能識(shí)別人體當(dāng)前行走步態(tài)，為下肢外骨骼機(jī)器人行走控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)提供參考，進(jìn)而為今后下肢外骨骼機(jī)器人的研究打下基礎(chǔ)。

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