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下肢外骨骼助力装置设计
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