下肢輔助外骨骼機器人研究

崔潤揚 楊 熹 辛光紅 曹 文

(三亞學院，海南 三亞572000）

1 概述

近年來，關于仿人型機器人的科學研究已經成為機器人研究領域的熱門方向，其研發水平已取得很大的進步，研制了各式各樣、不同用途的仿人型機器人，并已將其運用到實際生活中。動力外骨骼機器人是一種可以穿戴的機器人，它通過模仿人體的下肢結構進行設計，它不僅能幫助因先天或者疾病造成的肌肉損傷殘疾人恢復行走能力，還有可以改善心臟健康狀況、鍛煉肌肉強度。本項目設計的新型動力外骨骼機器人，是在研究一種單兵“XOS—外骨骼機器人”和一種醫用“LOPES-懸掛式康復機器人”的基礎提出的全新有機融合，彌補了兩種外骨骼機器人的不足。其結構主要由外骨骼機械主體、控制系統、傳感器系統、電源系統、動力系統組成。下肢輔助外骨骼機器人可以幫助患者進行步行醫療康復訓練，為不能自主行走的患者或老人提供輔助運動和康復訓練[1]。

圖1 人體的基本面與基本軸

圖2 小腿力學簡化模型

2 下肢輔助外骨骼運動受力分析

外骨骼機器人的動力學是解決機器人的力與力矩與運動關系的方法。根據人體解剖學，人體可分為三個互相垂直的基本面，如圖1 所示，額狀面、水平面以及矢狀面對應有三個互相垂直的基本軸：矢狀軸、垂直軸與額狀軸。人體的各種運動都可以視為肢體繞三個基本軸的運動。而因為動力外骨骼主要針對腰部及下肢進行動力學分析[2]，如圖1。

下肢受力分析主要包括小腿受力分析、大腿受力分析與運動步態受力分析。進行力學分析時，將下肢外骨骼模型進行了簡化。小腿受力模型簡化為圖2，其中小腿、小腿連桿的質量分別為m1, m2, m3。首先求解出整體質心所在的位置，由于腳部的質量相對于整體質量較小，對分析影響不大，可在分析過程中忽略質心處于桿件之外的部分。經推導其慣量和角度之間的關系為：

大腿受力模型簡化為圖3，大腿外部構建的重量為m2,大腿的質量為m1,大腿重心距離髖關節的距離為l2c，大腿的重心距離髖關節距離為l1c。

圖3 大腿受力簡化模型

圖4 D-H 坐標模型

經推導可得：

D-H 法是利用基本齊次變換矩陣表示兩個相鄰桿件位置關系的一種常用的運動學分析方法，用矩陣表示機器人運動參數從而推導出機器人的運動方程。外骨骼擺動腿D-H 坐標系示意圖4。T1、T2和T3分別是外骨骼機械腿髖關節、膝關節和踝關節的轉矩；m1, m2和m3分別是大腿連桿、小腿連桿和踝關節以下連桿的質量；d1、d2、和d3分別表示各連桿質心距離對應關節的距離。由于踝關節以下連桿和足底不轉動，就相當于固定在小腿末端的質量塊。這樣處理之后，外骨骼機械腿就相當于一個兩連桿機構，其系統動能與運動所需力矩表達如下：

對大腿連桿：

對小腿連桿：

K1K2、P1P2分別表示系統動能、勢能，T1：髖關節屈伸運動所需力矩，T2:膝關節屈伸運動所需力矩[2]。

3 機械結構設計

根據上述力學分析，外骨骼機器人的機械結構可以看作是由一系列連桿通過旋轉關節（或移動關節）連接起來的開式運動鏈，一般機械設計主要是強度設計，外骨骼機械設計既要滿足強度要求，還要考慮剛度和精度設計，與一般機械相比，機器人的機械設計在結構的緊湊性、靈巧性等方面有更高的要求[3]。本項目的機械設計結構如圖5 所示：

圖5

4 驅動與控制設計

本外骨骼機器人的驅動系統采用的是直流推桿電機，考慮到髖關節與膝關節運動時角速度與負載的不同，髖關節驅動的電機推力為：500N 速度為：40MM/S 行程：100MM；膝關節驅動的電機推力為：200N 速度為：80MM/S 行程：100MM。質量推桿電機驅動模塊模塊支持電壓范圍7-24V，具有欠壓保護功能。雙路電機接口，每路額定輸出電流7A；瞬間峰值電流可達50A。每路都支持三線控制調速、正反轉及剎車?？刂菩盘柺褂霉嚯娏黩寗臃绞?，支持絕大多數單片機直接驅動并使用光耦對全部控制信號進行隔離，避免電機動作時的回流電流對控制信號造成干擾。模塊具有靜電泄放回路，避免了因靜電造成危險。本項目控制器選用Arduino 開源平臺，Arduino 可以接收來自各種傳感器的輸入信號從而檢測出運行環境，并通過控制光源，電機以及其他驅動器來影響其周圍環境。項目驅動和控制結構圖如6 所示。控制邏輯如表1。其中0 為低電平、1 為高平、×為任意電平，懸空時為低電平。

表1 推桿控制邏輯

控制反饋采三軸加速度傳感器MMA7361 芯片，在姿態控制之外還可用于外骨骼跌倒檢測、傾斜度測量等場合，在本機械外骨骼機器人設計中起到檢測平衡的作用。

5 應用模式

本設計可進行三種模式轉換，通過手動控制端進行行走模式、蹲起模式和攀爬模式三者之間的不同模式切換。

圖6 驅動控制結構圖

行走模式是可以幫助穿戴者步行助力，可以達到腿部神經肌肉的訓練，機器人可以通過傳感器系統進行人體步態的控制。蹲起模式可以幫助實現人體本身的一個下肢運動，控制人的下肢做蹲下起立的動作，當模式切換到蹲起模式的時候，電機會驅動人體下肢進行蹲起，使人體的腿部神經進行運動。當模式切換到攀爬模式時，機器人可推動腿部進行向上抬起，穿戴者可以正常上下樓梯，對于一些登山運動員也可以達到助力的效果。目前設定了以上三種模式，后期根據不同需要的病人，可以根據所需設定的康復訓練系統。使下肢輔助外骨骼機器人最大程度上達到服務于人的目的[4]。

6 創新與總結

下肢輔助外骨骼機器人的機械外形設計，采用了韌度好、重量輕的鉻合金，相較于美國的“XOS—外骨骼機器人”有更靈活輕便的機械本體，電動推桿帶動機械桿件運動，不會有以液動氣動為動力源的外骨骼機器人所產生巨大噪音。相較于“LOPES-懸掛式康復機器系統”，下肢輔助外骨骼機器人采用500N 和200N 推力的電動推桿作用在機械桿件上，在不用復雜且笨重的氣動、液動動力裝置的同時,提供主動力輔助穿戴者獨立行走，還可依靠外骨骼機器人負重行走。推桿式的電機設計相比于行星減速機的扭矩力電機本設備成本低，實用性強，更加符合大眾的消費水平，有利于該設備的推廣。