可穿戴型下肢助力機(jī)器人感知系統(tǒng)研究

　　1 引言

　　可穿戴型下肢助力機(jī)器人是輔助型康復(fù)機(jī)器人的一種，是一種幫助人們擴(kuò)展下肢運(yùn)動(dòng)能力的助力裝置，其基本原理是在基于人體運(yùn)動(dòng)行為意識(shí)信息的基礎(chǔ)上，由安裝在腿部關(guān)節(jié)（髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)）處的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，通過各關(guān)節(jié)角度、速度值的改變來達(dá)到與人體腿部的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并提供助力，降低人在負(fù)重或長(zhǎng)時(shí)間行走情況下的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)那些有異樣運(yùn)動(dòng)行為的人提供治療和矯形，與人體組成了一個(gè)協(xié)調(diào)而且完美的整體。
?????? 目前，世界上大約有10余家實(shí)驗(yàn)室從事可穿戴型人體助力機(jī)器人的研究，其中日本和美國(guó)走在前列，國(guó)內(nèi)尚未見相關(guān)報(bào)道。日本筑波大學(xué)（Tsukuba University）在2002年研制開發(fā)了機(jī)器人裝混合助力腿（hyhrid assis-tive limb，HAL），機(jī)械外骨骼綁縛在人腿的兩側(cè)，利用貼在腿部皮膚上的EMG傳感器檢測(cè)肌肉的電流，控制電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械外骨骼運(yùn)動(dòng)以輔助腿部的動(dòng)作。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室研制出美軍“伯克利下肢外骨骼”（Berkeley lower extremity exoskeleton， BLE-EX），由背包式外架、金屬腿及相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成，機(jī)械系統(tǒng)采用了與類人形結(jié)構(gòu)相似的設(shè)計(jì)，背包式外架能夠使操縱者攜帶一定載荷，其有效作用力不經(jīng)過穿戴者而直接經(jīng)由外骨骼傳至地面。下肢外骨骼能夠攜帶外部負(fù)載和自身的重量（包括操縱者的重量）在崎嶇路面遠(yuǎn)距離行走，能使帶有全副武裝的士兵增強(qiáng)負(fù)重能力和提高行軍速度。然而上述裝置存在著共同的缺點(diǎn)，由于肌電傳感器是根據(jù)肌肉活動(dòng)時(shí)皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏?a target="_blank">信號(hào)或肌肉的軟硬程度來推斷人的行為意識(shí)，導(dǎo)致所采用的大部分傳感器要與人體肌膚直接接觸并粘貼在肌膚上，需要特別的固定裝置，這樣直接導(dǎo)致穿戴上的不便;人體分泌的汗液、傳感器安裝的好壞等將影響所獲取信息的穩(wěn)定與準(zhǔn)確性，而且信息量大而復(fù)雜，易受干擾，從而使控制難度加大。因此，本文設(shè)計(jì)一種新型的可穿戴型下肢助力機(jī)器人感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于獲取人體下肢和機(jī)器人外骨骼之間的接觸力，利用這些力信息和關(guān)節(jié)角度信息控制機(jī)器人外骨骼以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體下肢運(yùn)動(dòng)的助力。

　　2 助力機(jī)器人系統(tǒng)

　　可穿戴型下肢助力機(jī)器人主要由機(jī)械、傳感和控制三大部分組成。機(jī)器人外骨架包含12個(gè)自由度，每只腿有6個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)包含3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳底各包含1個(gè)自由度，該設(shè)計(jì)要求不僅符合以往的擬人機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，又達(dá)到與人體腿部運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)、互不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的設(shè)計(jì)要求，如圖 1所示。

　　執(zhí)行部分主要指直流伺服電機(jī)，該系統(tǒng)需要4個(gè)，它們分別固定在兩腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)上。可穿戴型下肢助力機(jī)器人控制系統(tǒng)主要采用PC104嵌入式控制系統(tǒng)板和PC104CAN卡，整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)見圖2。