下肢外骨骼助力裝置設(shè)計

伍宏芳等

摘 要：下肢外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴在操作者身體外部的一種機(jī)械裝置，它可給穿戴外骨骼的人提供支撐、保護(hù)，及增強(qiáng)運動能力。文章闡述了下肢外骨骼機(jī)器人的研究意義，介紹了下肢外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實驗仿真為驅(qū)動電機(jī)的選型提供了理論依據(jù)。提出了一種實時性的外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過各種傳感器及時收集機(jī)器人的運動和位置信息，信息經(jīng)CAN總線傳輸至處理器，處理器能夠有效地分析和識別人的運動意圖，并做出準(zhǔn)確的預(yù)判，從而配合人體做出相應(yīng)的動作，實現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)，最終提高人體的行走能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；外骨骼；控制；助力

前言

作為人機(jī)一體化技術(shù)的重要組成部分，可穿戴式的下肢外骨骼技術(shù)已越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。既可用作康復(fù)輔具，輔助下肢殘障人士行走，也可用作負(fù)載行走時的助力裝置，在民用及軍用領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景[1]。該領(lǐng)域的研究涉及機(jī)器人學(xué)、人體工程學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、模式識別等。

國外對助力外骨骼機(jī)器人的研究起步較早，研究成果比較前沿的是美國、日本、以色列等國家。日本外骨骼機(jī)器人HAL3由筑波大學(xué)研發(fā)，功能為：幫助人實現(xiàn)行走、起立、坐下等下肢動作。該助力機(jī)器人采用了角度傳感器、肌電信號傳感器和地面接觸力傳感器等傳感設(shè)備來獲得外骨骼和操作者的狀態(tài)信息。它將所有的電機(jī)驅(qū)動器、測量系統(tǒng)、計算機(jī)和無線局域網(wǎng)絡(luò)，以及動力供應(yīng)設(shè)備都整合到背包中[2]。以色列埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研發(fā)的“ReWalk”用一副拐杖幫助維持身體平衡。該裝置由電動腿部支架、身體感應(yīng)器和一個背包組成，背包內(nèi)有一個計算機(jī)控制盒以及可再充電的蓄電池。使用者可以用遙控腰帶選定某種設(shè)置，如站、坐、走、爬等，然后向前傾，激活身體各部分所安裝的感應(yīng)器，使機(jī)械腿處于運動之中。裝置主要用來幫助癱瘓者恢復(fù)行走能力。

國內(nèi)對下肢外骨骼機(jī)器人的研究起步較晚，還處在基礎(chǔ)研究階段。目前國內(nèi)幾所高校也開始了對人體下肢外骨骼的探索。中科院合肥智能機(jī)械研究所研制的下肢步行助力外骨骼機(jī)器人雙下肢共有12個自由度，髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)屈伸為主動關(guān)節(jié)，共由4個伺服電機(jī)驅(qū)動。其下肢康復(fù)助行機(jī)構(gòu)，主要包括穿戴在身上的助行行走機(jī)構(gòu)和抬升機(jī)構(gòu)。通過這兩個裝置， 使得病人能夠在無他人幫助的情況下， 進(jìn)行功能鍛煉以恢復(fù)健康[3]。但是在研究的深度和廣度上，與國外相比還有相當(dāng)?shù)牟罹唷?/p>

1 下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

行走的實現(xiàn)是依靠髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動協(xié)作來完成的。從人體的運動學(xué)步態(tài)來看，人體單下肢共有7個自由度，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各有3個自由度，分別是圍繞運動軸的屈/伸和跖屈/背屈運動，外展內(nèi)收，旋內(nèi)/旋外運動，膝關(guān)節(jié)有1個繞運動軸的屈/伸運動[4]。而人體在行走過程中驅(qū)動力主要是由髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供，因此，文章的下肢外骨骼助力機(jī)器人在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)分別安裝了直流推桿電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

外骨骼機(jī)器人的設(shè)計目的是為了幫助人體下肢助力行走，機(jī)械結(jié)構(gòu)示于圖1。其結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：腰部支撐結(jié)構(gòu)，目的是輔助支撐人的身體，腰部支持鉸接，以減少負(fù)重機(jī)器人對人體腰部的壓力，具有一定的承載能力；髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)，為人體的行走提供原始的助力；股骨連桿和小腿連桿，這兩個部分都起到支撐和連接的作用，它方便安裝和調(diào)試各種傳感器，通過安裝在大腿骨連桿上的調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)幫助他們調(diào)整高度，適應(yīng)不同身高的人穿著這款助力機(jī)器人；腳踝和腳踏板，將人體重量傳遞到地面。

2 機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計模型

通過各種傳感器采集到的人體的運動和位置信息首先由微處理器進(jìn)行預(yù)處理，然后傳輸?shù)娇偪刂破鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，總控制器處理的結(jié)果由總控制器傳輸至微處理器，再由微處理器對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出具體控制命令，實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制的目的。

2.1 傳感器

根據(jù)外骨骼機(jī)器人功能和應(yīng)用場合的需求，采集系統(tǒng)需要以下四類傳感器：壓力傳感器，加速度傳感器，重力感應(yīng)器和陀螺儀。壓力傳感器安裝在左側(cè)和右側(cè)腳的鞋底，作用是用來測量足底壓力；加速度傳感器安裝在兩腿中間，用于測量人體抬步時的加速度；陀螺儀安裝在腰部的中間部位，重力感應(yīng)器安裝在髖關(guān)節(jié)，兩種傳感器相互結(jié)合被用來確定人體的中心重心位置和判斷身體是否處于平衡狀態(tài)。四種類型的傳感器之間的協(xié)調(diào)配合，能有效檢測人體的運動狀況和預(yù)測有意的人體運動，然后提供人體實時的援助。

2.2 控制總線與驅(qū)動系統(tǒng)

下肢外骨骼通常使用的驅(qū)動方式有三種：液壓傳動，氣壓傳動與電機(jī)驅(qū)動。他們各有優(yōu)點和缺點。液壓驅(qū)動單位質(zhì)量輸出功率大，傳動平穩(wěn)，主動性高，且易于控制。但也有在控制響應(yīng)速度和精度方面的不足。氣動驅(qū)動器使用安全，維護(hù)簡單，但它的信號傳遞比較慢。電機(jī)驅(qū)動控制模式簡單，直接，易于保證控制精度，運動精度高，響應(yīng)快，方便維護(hù)和使用等諸多優(yōu)點，因此文章設(shè)計的外骨骼機(jī)器人采用推桿電機(jī)驅(qū)動。

CAN代表“控制器局域網(wǎng)絡(luò)”，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[5]。CAN具有優(yōu)異的特性和高可靠性，這使得它非常適合工業(yè)過程監(jiān)控互連設(shè)備和智能機(jī)器人控制領(lǐng)域。鑒于在此，驅(qū)動系統(tǒng)采用CAN總線來控制電機(jī)驅(qū)動器。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息如加速度、重心等均傳送至AtmegalCAN128單片機(jī)，單片機(jī)將信息整理后通過CAN總線傳輸至微處理器，微處理器充分發(fā)揮預(yù)處理能力將收到的數(shù)據(jù)提煉和加工，加工完成后把形成的新數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳送到總控制器，經(jīng)C++編寫的應(yīng)用算法程序來分析人的運動狀態(tài)和識別運動意圖，然后發(fā)出實時控制信號來控制電機(jī)，進(jìn)而達(dá)到實時準(zhǔn)確控制的目的。

3 實驗仿真

外骨骼機(jī)器人在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)分別安裝了推桿驅(qū)動電機(jī)，這種電機(jī)將直線運動轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動，此運動形式更加接近于關(guān)節(jié)的運動模式。從圖3和圖4大腿和小腿的運動分析圖可以看出，人體在行走過程中，關(guān)節(jié)屈/伸運動擺動幅度α和θ和驅(qū)動器的行程有一定的關(guān)系。

利用外骨骼機(jī)器人的幾何尺寸和大腿繞髖關(guān)節(jié)運動的角度（α角） 、小腿繞膝關(guān)節(jié)運動的角度（θ角） ，我們借助matlab編程求出邊長AD到AD的變化范圍，DD就是所求驅(qū)動電機(jī)的行程。得出的電機(jī)驅(qū)動器行程和腿部關(guān)節(jié)運動角度的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，要想使關(guān)節(jié)的運動角度為0.15π rad時，驅(qū)動電機(jī)的行程大約為0.159m，這可以為電機(jī)的行程控制和選型提供一定的理論依據(jù)。

4 總結(jié)

文章主要介紹了下肢外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制模型的設(shè)計和分析。有效的信息通過各種傳感器收集到控制器進(jìn)行運動狀態(tài)和意圖的分析，然后準(zhǔn)確地實施行走援助。通過實驗和驗證，證明了該機(jī)器人可以實時監(jiān)測人體運行狀況以及實時控制的能力。我們的外骨骼機(jī)器人的設(shè)計目的是為下肢行走提供助力，并對后續(xù)研究具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]王志鵬，郭險峰.穿戴式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計[D].北京航空航天大學(xué).2012

[2]丁兆義.外骨骼機(jī)器人設(shè)計和控制系統(tǒng)研究[D].東南大學(xué).碩士學(xué)位論文.2008

[3]吳鍵波.下肢助力機(jī)械腿孔空間力系機(jī)械研究[D].華南理工大學(xué).碩士學(xué)位論文.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]韓成浩，高曉紅.CAN總線技術(shù)及其應(yīng)用[D].吉林建筑工程學(xué)院，2010.