概述

步行助力外骨骼是一種穿戴在人體下肢的人機一體化機械裝置。它的優(yōu)越性在于能將支撐、運動、防護三項功能緊密結(jié)合，通過同步“跟隨”人體運動，輔助人體負重行走，有效提升使用者的負載行動能力。在康復(fù)訓(xùn)練中它能夠替代醫(yī)療人員進行反復(fù)的康復(fù)工作，并能夠提供精準的關(guān)節(jié)運動姿態(tài)和保護。 國內(nèi)下肢外骨骼系統(tǒng)的發(fā)展尚處于研究試驗階段，其技術(shù)難點在于外骨骼對于人體運動的順應(yīng)性即外骨骼機器人的柔性。針對上述問題，研發(fā)了一種步行助力外骨骼機器人，該機器人具有如下功能： （1）穿戴在人體腰部及下肢，可實現(xiàn)坐下/站起及負重行走。 （2）膝關(guān)節(jié)機構(gòu)能夠模擬人體膝關(guān)節(jié)的變速運動，具有更好的順應(yīng)性。 （3）通過安裝在人體的IMU系統(tǒng)及力傳感器，可以實時檢測人體步態(tài)、下肢姿態(tài)及人機交互力，實現(xiàn)人機協(xié)同控制。
本文所研發(fā)的外骨骼機器人預(yù)期成果為： （1）設(shè)計膝關(guān)節(jié)變瞬心機構(gòu)模擬人體膝關(guān)節(jié)的變瞬心運動； （2）采用繩驅(qū)動將驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開，減小關(guān)節(jié)質(zhì)量和慣量，增加關(guān)節(jié)柔性； （3）設(shè)計基于IMU系統(tǒng)和力位信息的滑模控制器，實現(xiàn)外骨骼機器人的人機協(xié)同行走，可用于人體下肢康復(fù)訓(xùn)練。

主要創(chuàng)新點

根據(jù)該類機器人現(xiàn)狀，考慮現(xiàn)有機器人的不足，本文研制了步行助力外骨骼機器人，主要完成以下內(nèi)容：首先設(shè)計機器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，其次分析正常人步行時的基本步態(tài)并通過IMU進行檢測，再者完成基于力位信息的模糊滑模控制，接著進行機器人樣機試驗，最后總結(jié)。 主要創(chuàng)新點如下： （1）設(shè)計膝關(guān)節(jié)變瞬心機構(gòu)模擬人體膝關(guān)節(jié)的變瞬心運動； （2）采用繩驅(qū)動將驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開，減小了關(guān)節(jié)質(zhì)量和慣量，增加了關(guān)節(jié)柔性； （3）設(shè)計基于IMU系統(tǒng)和力位信息的滑模控制器，實現(xiàn)外骨骼機器人的人機協(xié)同行走，可用于人體下肢康復(fù)訓(xùn)練。

系統(tǒng)架構(gòu)

1.步行助力外骨骼機器人設(shè)計需求與總體方案

1.1 設(shè)計需求分析

1.1.1運動需求分析

本文研制的外骨骼機器人針對下肢步行助力及重量傳遞兩種使用環(huán)境。在人前進過程中，下肢通過腿肌帶動各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而進行雙腿的彎曲和伸直，人體整體始終處于平衡——重心前移——失衡——支撐平衡的運動狀態(tài)。因此人在運動過程中無論是慢走還是跑步都包含著抬腿與支撐兩項助力項，對應(yīng)著各關(guān)節(jié)的正逆旋轉(zhuǎn)運動。下肢關(guān)節(jié)包含著髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，下肢結(jié)構(gòu)解剖圖如圖2-1所示。

步行需要全身的大部分肌肉共同配合才能實現(xiàn)。整個步行過程由重心的位移、骨盆翻轉(zhuǎn)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的組合運動以及上肢的平衡調(diào)節(jié)運動組合而成，從而實現(xiàn)人體的向前行走。人體的一個步態(tài)周期是指人在行走時一只腳的腳跟和地面接觸到該腳的腳跟再次和地面接觸的過程。根據(jù)上述人體運動學(xué)的分析，機器人的運動需要滿足以下需求。

1）機器人需要實現(xiàn)人體下肢步行時的基本運動，包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的運動，同時要進行關(guān)節(jié)運動限位以保障穿戴者的安全。

2） 減輕外骨骼的質(zhì)量與體積，輕量化外骨骼同時也是為了使外骨骼更加緊湊，提高控制的精確度和更優(yōu)的人機交互性能。 3）外骨骼機器人應(yīng)具備一定的柔性，盡量順應(yīng)人體運動趨勢，能實現(xiàn)各關(guān)節(jié)“同步”伴隨運動，不應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生阻礙運動，同時具備一定的緩沖性能。

1.1.2控制系統(tǒng)需求

本文設(shè)計的外骨骼機器人控制系統(tǒng)需求如下： 1）步行軌跡：控制機器人完成模仿人體步態(tài)的步行運動 2）人機交互：可以改變機器人的工作狀態(tài)，對機器人的速度，步態(tài)相進行有效控制，并進行人機協(xié)同。 3）步態(tài)檢測：可以實時獲取機器人和使用者所處的步態(tài)相和下肢姿態(tài)。 4）系統(tǒng)可擴展性，兼容性：預(yù)留一定的接口方便其余子模塊接入系統(tǒng)并且具有一定的兼容性。 1.2 外骨骼機器人總體方案外骨骼機器人系統(tǒng)的總體設(shè)計直接影響到機器人的使用性能和工作效率，需要以系統(tǒng)全面的觀點來進行綜合考慮。考慮到通信、能源供給等需求，本文的外骨骼機器人系統(tǒng)總體設(shè)計方案采用了無線式機器人設(shè)計方案。該方案的特點是：機器人采用無線作業(yè)方式，外骨骼機器人的能源供給通過隨身蓄電池實現(xiàn)，運動控制以及陀螺儀信號的傳輸通過無線模塊實現(xiàn)，并由后續(xù)儀器設(shè)備進行相應(yīng)地處理。按照該方案，外骨骼機器人系統(tǒng)主要由外骨骼機器人本體、機器人控制系統(tǒng)、上位機等部分組成。

1.2.1外骨骼機器人本體總體方案

將髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)進行關(guān)節(jié)模塊化設(shè)計，使不同關(guān)節(jié)可以進行自由度的增減配置，同時可以方便對故障關(guān)節(jié)進行針對性修復(fù)及調(diào)試。每個關(guān)節(jié)模塊由機械部分和控制部分構(gòu)成。機械模塊集成了Maxon伺服電機與編碼器、陀螺儀、行星齒輪減速器、傳動零件和零位開關(guān)；控制模塊由驅(qū)動器、通信接口、傳感器信號處理器和控制器組成。驅(qū)動器使用并行通信的方式與電機和編碼器進行連接，機器人控制器通過CAN總線與驅(qū)動器連接，通過驅(qū)動電機帶動關(guān)節(jié)運動；控制器獲取機器人傳感器信息，實時監(jiān)控關(guān)節(jié)運動參數(shù)。1）自由度配置及關(guān)節(jié)限位根據(jù)人體下肢運動機理的分析，將機器人的關(guān)節(jié)設(shè)置為髖關(guān)節(jié)三個自由度，膝關(guān)節(jié)一個自由度（電機驅(qū)動）以及踝關(guān)節(jié)兩個自由度。同時由于膝關(guān)節(jié)的變速運動特性，需要設(shè)計一種能夠模擬人體膝關(guān)節(jié)運動特性的機構(gòu)。另外為了人體關(guān)節(jié)運動的安全性和機器人的承重能力，需要在關(guān)節(jié)處進行限位。所有的機械限位均根據(jù)人體下肢各關(guān)節(jié)運動范圍進行設(shè)計。2）柔性繩驅(qū)方案
為了避免關(guān)節(jié)慣量過大，在膝關(guān)節(jié)采用繩驅(qū)動，將電機和減速器布置在大腿（后期置于腰部），通過鮑登線傳遞動力。采用該種驅(qū)動方式能夠在有效減小機械結(jié)構(gòu)尺寸和降低復(fù)雜性的同時，提高機械系統(tǒng)的可靠性。3）人機連接方案
人機交互是上肢康復(fù)外骨骼機器人系統(tǒng)的一個典型特征，人機交互的兩個最主要的目標就是實現(xiàn)舒適性和安全性，安全性主要依賴機器人結(jié)構(gòu)本身的限位以及機器人的運動控制等方面，舒適性在很大程度上依賴于穿戴者下肢和下肢外骨骼機器人的固定裝置方案。本文為了減輕質(zhì)量，采用單邊固定形式，即外骨骼機器人與穿戴者下肢之間的約束形式為單邊固定，這樣的固定方式存在的缺點是上肢會相對機器人轉(zhuǎn)動。為了解決該問題，設(shè)計弧形固定和多處固定，更容易和上肢緊密貼合。

1.2.2外骨骼機器人控制系統(tǒng)方案

為了滿足控制系統(tǒng)需求，將控制系統(tǒng)劃分為三個獨立的工作層，三個工作層從高到低依次為人機交互層、主控層和功能層，后兩層位于機器人移動載體中，不同層之間通過通訊來實現(xiàn)信息交換。三個工作層分別有如下特點：

圖2-2 控制系統(tǒng)總體框圖 1）人機交互層:人機交互層是控制系統(tǒng)提供給使用者的操作接口，操作者可以通過該接口對機器人進行模式設(shè)定、功能選擇、數(shù)據(jù)顯示等功能，同時可以獲取機器人運動過程中反饋的各種信息。 2）主控層:主控層主要包括兩個方面：其一是作為人機交互層與功能層的信息橋梁，操作者的指令通過主控層傳遞給功能層，實現(xiàn)相應(yīng)的動作；其二是為控制系統(tǒng)提供大量其他功能模塊的接口。 3）功能層:功能層是控制系統(tǒng)的核心，執(zhí)行操作者相應(yīng)的控制指令，包括對電機驅(qū)動器的控制、傳感器信號的采集與處理等。
機器人控制系統(tǒng)的總體框圖如圖2-2所示，人機交互層與主控層通過以太網(wǎng)或者無線通訊相連，系統(tǒng)在主控層與功能層之間采用基于CAN協(xié)議總線的通訊方式實現(xiàn)信息交互。 2.步行助力外骨骼機器人控制系統(tǒng)搭建2.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計外骨骼機器人控制系統(tǒng)框圖如圖2-3所示，主要分為以下六個模塊： 1）驅(qū)動執(zhí)行模塊：驅(qū)動執(zhí)行模塊是實現(xiàn)運動控制的核心，為外骨骼機器人運動提供動力。對于本控制系統(tǒng)，驅(qū)動執(zhí)行模塊主要由電機、減速器、編碼器和相應(yīng)的驅(qū)動器組成； 2）傳感器模塊：外骨骼機器人通過傳感器模塊檢測機器人姿態(tài)信息和其所處步態(tài)相，為機器人各種運動控制策略的實現(xiàn)提供判斷依據(jù)； 3）控制器模塊：各個工作層在其主控制器的控制下，通過信息交互實現(xiàn)系統(tǒng)對任務(wù)的綜合協(xié)調(diào)與分配； 4）上位機模塊：實現(xiàn)人與機器人的信息交互以及操作者對機器人運動的有效控制，并時刻了解機器人的運行狀態(tài)； 5）供電系統(tǒng)：供電系統(tǒng)為控制系統(tǒng)中所有硬件的正常工作提供能量，為機器人運動的穩(wěn)定性提供保障；

設(shè)計演示

1.單關(guān)節(jié)空載實驗

搭建完成后外骨骼機器人實驗平臺后，需要對外骨骼機器人基本運動功能進行測試，以檢驗實驗平臺運行的安全性和可用性，為此進行了外骨骼單關(guān)節(jié)運動測試，以及運動范圍的測試,。

檢測外骨骼膝關(guān)節(jié)的運動范圍，測試結(jié)果表明當(dāng)穿戴外骨骼時的運動角度要小于人體膝關(guān)節(jié)運動極限，這樣能夠較好地保證穿戴者的安全。

2.人機固定軌跡跟隨實驗

固定軌跡是一個預(yù)先設(shè)定好的、與正常穿戴者動作相仿的運動軌跡。由于 助力外骨骼機器人也能夠面向康復(fù)使用，因此有必要進行固定軌跡下的跟隨實驗，同時為了測試第四章所提出的模糊增益滑模控制，與一般的 PID 控制做對比。實驗過程如圖 5-2 所示，將下肢外骨骼機器人用架子掛起，穿戴者的一條腿穿戴好外骨骼，上電后隨外骨骼腿進行固定軌跡的跟蹤。

首先基于普通PID 算法對CGA 軌跡進行跟蹤，實驗完畢后，記錄實驗誤差，分析實驗數(shù)據(jù)。 40.9cos(1.04t ?0.208)+157cos(5.82t ?0.047) +82.3cos(7.49t ?4.13) （5-1） 在該實驗中，設(shè)置 PD 參數(shù)為K p = diag(50,50)，Kd = diag(50,50)。從圖中可以看出，軌跡跟蹤曲線與指令曲線基本吻合，這表明人體穿戴上外骨骼后仍能很好地實現(xiàn)預(yù)訂軌跡的執(zhí)行，證明 PID 控制方法在該系統(tǒng)中已經(jīng)能夠達到一定效果。但由于模型不精確、外界干擾大等因素，還是存在一定的誤差，因此還需要進一步使用自適應(yīng)算法進行跟蹤。

如圖5-3 所示，膝關(guān)節(jié)最大跟蹤誤差為2.35°，由此看來應(yīng)用普通PID 控制已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的估計跟蹤，但是存在較大的跟蹤誤差。作為比較，我們使用所提出的模糊增益滑模算法進行軌跡的跟蹤，跟蹤曲線如圖5.4 所示。在該實驗中，設(shè)置滑模面參數(shù)為A= diag(50,50)，K =diag(100,100)。如圖5-4 所示，膝關(guān)節(jié)最大跟蹤誤差為 0.86°，由此可見，所提出的模糊增益滑模控制能夠較大程度地降低跟蹤誤差，顯示出對于較強的不準確模型參數(shù)的適應(yīng)性，因此，最終實驗結(jié)果證明所提出的模糊增益滑模控制策略在本系統(tǒng)的使用中非常有效，滿足使用要求。

3.基于力位信息控制的隨動行走實驗基于第三章所提出的力位信息控制算法，對下肢外骨骼樣機系統(tǒng)進行測試。實驗人員穿戴好下肢外骨骼機器人，將膝關(guān)節(jié)調(diào)整至外骨骼關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心與人體旋轉(zhuǎn)中心重合，穿戴者系緊肩帶與腰封，并綁緊壓力鞋綁帶，啟動電氣開關(guān)，使用整個下肢外骨骼機器人上電，記錄此時各傳感器初始數(shù)據(jù)，行走過程如圖5-5 所示。

通過電機編碼器記錄行走過程中髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的位置、速度和控制力矩曲線，如圖 5-6 所示。

從圖5-6 (a)和(b)的關(guān)節(jié)角度曲線可以看出，HEXO 具有良好行進效果，行走過程比較平穩(wěn)，其曲線與 CGA 曲線基本吻合。外骨骼機器人能夠隨穿戴者以較快速度行進，行進速度最高可達到 4km/h。從圖 5-6(c)中可以看出，驅(qū)動關(guān)節(jié)的峰值力矩都 50Nm 左右，在驅(qū)動模塊的承載范圍之內(nèi)，行進過程中阻力較小，穿戴者可以較輕松地完成行走動作。從圖 5-6 (d)中可以看出，髖關(guān)節(jié)的最大功率在 140W 左右，膝關(guān)節(jié)的最大功率在 95W 左右，所使用的驅(qū)動電機的功率為150W，能夠滿足最大速度行進的要求。