基于運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的可穿戴下肢助力機(jī)器人

　　對(duì)可穿戴型助力機(jī)器人控制策略進(jìn)行分析。 根據(jù)研究目的及人體結(jié)構(gòu)和功能的特殊性和復(fù)雜性，通過(guò)將人體下肢作適當(dāng)簡(jiǎn)化及必要的假設(shè)，提出基于骨－肌肉功能模型的下肢助力機(jī)器人控制方法，該方法通過(guò)對(duì)骨－肌肉模型中的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)的調(diào)節(jié)能為人體下肢運(yùn)動(dòng)提供助力支持。 同時(shí)，通過(guò)人－機(jī)間交互力信息實(shí)現(xiàn)人體下肢的運(yùn)動(dòng)預(yù)判。

　　利用機(jī)器增強(qiáng)人類肌肉的力量和感知能力，同時(shí)保留人的靈活性和直接操作的感覺(jué)是機(jī)器人研究領(lǐng)域之一。 人體的所有運(yùn)動(dòng)都與力及其控制有關(guān)，助力系統(tǒng)利用特定裝置給人提供一定的力補(bǔ)償，降低人自身能量的消耗，或是對(duì)那些有異樣運(yùn)動(dòng)行為的人提供治療或矯形。

　　根據(jù)助力對(duì)象的不同，可穿戴型助力機(jī)器人可分為兩類：1）直接式：直接給使用者提供動(dòng)力，如下肢助力、背部助力及上肢助力等，這種情況下，助力裝置的運(yùn)動(dòng)需超前于人體相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。 2）間接式：分擔(dān)使用者的勞動(dòng)負(fù)荷，諸如背負(fù)的重物、搬運(yùn)的貨物等，從而達(dá)到減輕使用者勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，這種模式需要機(jī)器與使用者同步運(yùn)動(dòng)。

　　由于助力裝置基本是剛性體，整體柔順性差，這樣人與裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)造成不協(xié)調(diào)與不自然，這便涉及到關(guān)節(jié)自由度的確定及其驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。 在運(yùn)動(dòng)辨識(shí)上，國(guó)外多數(shù)采用肌電信息作為人體運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)方法，這就要求搞清人體各肌肉塊的功能，選擇最能反應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)狀況的肌肉塊，但很多動(dòng)作通常是靠肌肉群來(lái)完成，一塊肌肉的收緊與松弛并不能完成全部動(dòng)作，這給電極的安放及信號(hào)的提取帶來(lái)很大的困難，肌電信號(hào)是人體的生理反映，它會(huì)受到人自身狀況及環(huán)境因素的影響，如汗液的分泌、衣服厚薄、松緊等。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外可穿戴型助力機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合多維力傳感器方面的研究成果，提出基于人－機(jī)交互力信息的運(yùn)動(dòng)信息獲取方法及肌肉功能模型的控制方法。

　　1 人體運(yùn)動(dòng)的描述和人體簡(jiǎn)化模型

　　人是人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)中的主導(dǎo)因素。 在人體運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)中，高速攝影機(jī)實(shí)地拍攝是最常用的方法。 由于這種方法是非接觸式的記錄，因此不影響人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，最能真實(shí)反映人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。 對(duì)于該文的研究來(lái)說(shuō)，上述檢測(cè)系統(tǒng)顯得過(guò)于龐大，且受到空間的約束，顯然不適用。 因此，采用一種即實(shí)用又簡(jiǎn)捷的運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)系統(tǒng)是該文研究中必要環(huán)節(jié)。從研究方法來(lái)說(shuō)，對(duì)對(duì)象進(jìn)行研究離不開(kāi)對(duì)對(duì)象進(jìn)行合理的抽象，當(dāng)分析各種動(dòng)作時(shí)，姿勢(shì)分析特別是人體各部分之間的相對(duì)位置分析是關(guān)鍵，將特定時(shí)刻各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置連接起來(lái)，就能形成棍狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，將人體下肢簡(jiǎn)化為一個(gè)多桿多關(guān)節(jié)棍狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，也就是一個(gè)具有有限運(yùn)動(dòng)自由度的系統(tǒng)，如圖 1 所示，以此結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型對(duì)人體各部的運(yùn)動(dòng)和整體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。 表 1 為各關(guān)節(jié)活動(dòng)度信息。

　　2 運(yùn)動(dòng)分析

　　髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)屈伸運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)人行走功能的前提，助力機(jī)器人的助力腿可以看作為一個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu)。 它是由一系列連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的。 通過(guò)自主軌跡規(guī)劃，助力機(jī)構(gòu)可以完成類似雙足機(jī)器人的動(dòng)作，如行走、跨越障礙等動(dòng)作。表 2 為各桿 D－H 參數(shù)和關(guān)節(jié)變量。

　　由表 2 中的參數(shù)，可求出末端的位姿矩陣：

(1)

　　當(dāng)步行助力機(jī)器人提供 100%助力時(shí)，這意味著助力機(jī)器人系統(tǒng)完全成為一個(gè)搭載器，對(duì)于下肢助力機(jī)器人來(lái)說(shuō)，人的下肢就是其負(fù)載，人體下肢各段分散于裝置各段連桿之上，這點(diǎn)與普通操作臂型機(jī)器人不同（負(fù)載主要集中在末端）。 圖 2 為人體下肢與機(jī)器人混合圖，圖 3 為機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)效果圖。由圖 2 中參數(shù)，利用二階拉格朗日方法得髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處力矩 T1和 T2的動(dòng)力學(xué)方程式：

(2)

　　其中： D 系數(shù)是與質(zhì)量、速度、加速度等有關(guān)的函數(shù)。