下肢外骨骼助力装置设计.pdfVIP

科技创新与应用I2014~9应用科技

下肢外骨骼助力装置设计

伍宏芳王佳流史腾达侯俊鹏闫磊

(北京林业大学，北京100083)

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

前言的人体的运动和位置信息首先由微处理器进行预处理，然后传输到总

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控制器进行数据分析和处理，总控制器处理的结果由总控制器传输至

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，辅助下肢微处理器，再由微处理器对电机驱动系统发出具体控制命令，实现实时

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监测和控制的目的。

有较好的应用前景目。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目。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。图2总控制结构

国内对下J技外骨骼机器人的研究起步较晚，还处在基础研究阶段。2．1传感器

目前国内几所高校也开始了对人体下肢外骨骼的探索。中科院合肥智根据外骨骼机器人功能和应用场合的需求，采集系统需要以下四

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个自类传感器：压力传感器，加速度传感器，重力感应器和陀螺仪。压力传感

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。其下器安装在左侧和右侧脚的鞋底，作用是用来测量足底压力；加速度传感

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。通器安装在两腿中间，用于测量人体抬步时的加速度；陀螺仪安装在腰部

过这两个装置，使得病人能够在无他人帮助的情况下，进行功能锻炼以的中间部位，重力感应器安装在髋关节，两种传感器相互结合被用来确

恢复健康日。但是在研究的深度和广度上，与国外相比还有相当的差距。定人体的中心重心位置和判断身体是否处于平衡状态。四种类型的传

1下肢外骨骼机器^结构设计感器之间的协调配合，能有效检测人体的运动状况和预测有意的人体

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。运动，然后提供^体实时的援助。

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Z2控制总线与驱动系统

节各有3个自由度，分别是围绕运动轴的屈f／申和跖屈膺屈运动，外展下肢外骨骼通常使用的驱动方式有三种：液压传动，气压传动与电

内收，旋内旋外运动，膝关节有1个绕运动轴的屈胂运动日。而^体在行机驱动。f电1门各有优点和缺点。液压驱动单位质量输出功率大，传动平

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