下肢外骨骼机器人的现状与展望

下肢外骨骼机器人的现状与展望

程素华

泽普（青岛）医疗科技有限公司 山东 266107

摘要：机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物，在工业、医学、农业、服务业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。主要针对中风偏瘫患者的下肢外骨骼康复训练的机器人用于患者的下肢辅助练习或替代截肢者恢复行走能力。以智能/机械化的方式控制训练。该研究运用了控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学相关理论建立了下肢外骨骼三维模型，并设计了外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等重点关节结构。

关键词：下肢外骨骼；康复机器人

引言

助力行走型下肢外骨骼机器人是一种可穿戴式助力装备，其结合了先进的控制技术、通信技术以及轻便的结构，主要用于辅助下肢生理功能退化的穿戴者行走，以提升其运动机能，这大大促进了智能化机器与人类的力量结合。近20年来，越来越多的老人和残障人士遭遇了下肢生理功能退化问题。由2019年联合国经济和社会事务部调查结果可知，日本的老年人口占比居世界之最，其次是意大利、德国、法国、英国、加拿大和中国等，这些国家的老年人口占比均超过了10%。可想而知，随着年老、体弱人群的日益增多，失能或半失能人群的照料与护理已成为重要的社会问题。在下肢外骨骼助力机器人的辅助下，老年人或有运动功能障碍的人群可实现正常行走。关节驱动力矩作为运动或保持某种姿态的重要参数，其已成为下肢外骨骼助力机器人稳定性判定和控制方面的研究重点和热点。

1髋关节和膝关节设计

髋关节类似于机械上接触副的球副，具有3个自由度，因此本文中将外骨骼机器人的髋关节拟定为3个自由度。球副在外骨骼机器人中被进行了高副低代，就是将3自由度的球副分解为3个单自由度的旋转副。原则上髋关节的3个自由度的中心轴线应该紧密重合，但是这种设计方案会使人体与外骨骼产生跟随误差，在行走过程中容易出现奇点。本方案将髋关节的内收/外展自由度设置在腰部，并与腰部调整机构相连，使髋关节与腰部一起作内收/外展运动，减小关节运动的跟随误差。膝关节能够进行屈伸运动，并能够进行角度很小的转动，由于在日常工作及生活中，膝关节主要通过屈伸运动完成日常行为，因此可以将膝关节视为一个单自由度的铰链关节。在本文外骨骼机器人设计中，设计一个与人体膝关节屈伸运动相同的旋转运动来实现膝关节的屈伸运动，并且该屈伸运动设计成主动驱动。另外由于转动副之间的结构相似，髋关节和膝关节结构，如图1所示。

图1髋关节和膝关节结构

2多传感器外骨骼机器人

不同于鲍登绳结构外骨骼机器人，图2所示为一种多传感器外骨骼机器人。这款外骨骼机器人的主体躯干结构与传统的鲍登绳结构的外骨骼机器人的结构类似，但是他优化了其中的鲍登绳材料，取消了鲍登绳和弹簧的柔性缓冲结构，替换成了谐波减速器和电机作为运动的驱动力，使其在运动的过程中相应速度提升，同时增加了机器人的整体使用寿命。其中倾角传感器、角度传感器、角加速度传感器等多传感器构成传感器系统，传感器系统采集人体躯干的倾角、髋关节的运动角度信息、膝关节和踝关节的运动角度信息以及足底压力传感器进行人体的步态分析。

图2多传感器外骨骼机器人实物

其中倾角传感器测得人体躯干的倾斜角度，实时反馈人体运动时的身体倾斜情况，防止运动时摔倒。通过足底的压力传感器信息得到人在进行周期性行进动作时对应的相位动作信息，推断出下一次落脚位置和时间等物理信息。角加速度传感器和角度传感器所测得角加速度和旋转的角度对应着髋关节、膝关节、踝关节在人体行进中的运动角度和速度，通过这些信息结合设备本身的尺寸可以反推出各个关节点的运动轨迹，用来模拟正常人行走的步态信息。采集到这些信息之后在电脑芯片中进行模型的训练就可以帮助穿戴者在运动中节省人体的机能消耗，也可以用于医疗设备中帮助残疾病人进行康复性训练实现正常的行走。

此设备的优点比较于鲍登绳外骨骼机器人是添加了外骨骼机器人的智能性，使他不再单一于减轻人体的运动时的消耗。结合了多种传感器，通过传感器的反馈信息可以对人体的运动进行分析和预测，不仅可以提高机器人在运动中的相应速度，还可以保证机器人在长期使用中的损耗时精度不受影响。此设备大大优化了鲍登绳结构外骨骼机器人存在的缺陷，在其中添加了多个角度传感器，通过提取人体运动时的关节角速度与角加速度这两个物理量，结合人体的步态规划可以动态地分析人体运动中的意图，即角加速度判断下肢的运动是加速还是减速预测下一步的运动意图，提升了外骨骼机器人的性能，但在其相应的快速性上始终存在不足，这种设备的信息传递始终是人体作用于刚性的机械设备产生相互作用力之后传递的信息，此信息滞后于人体的运动，在运动之后才能通过传感器传递人体的信息，从而进行下一步的运动分析和预测工作，这是这套设备存在的缺陷。

3踝关节设计

考虑到脚踝外侧空间位置与脚踝的连接，尽量使设计紧凑、贴近人体，从而减少偏差。踝关节不参与下肢行走的主运动，因此在此处没有添加驱动。如果行走过快，则会出现重心不稳，因此在两侧添加了拉伸弹簧，有效保证了行走时的稳定。踝关节包括：固定弹簧的弹簧上架、小腿杆连接件、踝关节关节轴、深沟球轴承、屈/伸运动件、调整垫片、轴承盖、拉伸弹簧、脚板连接件、脚板。弹簧上架通过两个平行螺栓和小腿杆连接；小腿杆连接件和屈/伸运动件用关节轴连接；脚板连接件和脚板用螺栓连接；在弹簧上架和脚板连接件上开有通孔，用圆柱销将两个拉伸弹簧分别挂住，同时在小推杆连接件上加工出限位凸台装置，防止拉伸弹簧出现压缩情况。

4运动模式信息特征提取

传感器采集到的运动信息做预处理后，进一步将人行走过程中的膝关节角度和角速度、髋关节角度和角速度、大腿角速度各个数值进行平均值、均方差、均方根、相关系数、偏度的数学处理，得到各个动作对应的特征数值为运动模式识别做数据基础。表面电极片采集到的运动信息做预处理后，通过肌肉电极激活度测得人体肌肉的收缩力大小，再根据人体肌肉的长度，表达出关节的力矩和关节转角。此部分的处理在于肌电信号在时域上划分处理，划分出不同运动过程中的表面肌电电机的数值，得出相应动作时的电极数值，为后续的运动模式识别打下数据基础。

结语

外骨骼机器人的运动信息的采集大多数还是使用传感器，传感器的使用简单普遍，提取的信息也很直观和准确，这些都归功于现在传感器设备的不断更新换代，设备的精度和效率越来越高，大大提升了机器人运动应用方面的快速性和准确性。但其本身固有存在着的物理信息延时性的特点是无法通过传感器的升级换代和软件的优化消除掉的，所以人们在寻找着肌电信号的生物信息这种新型的信号应用于外骨骼机器人中来解决这方面的问题，使得人机交互更加紧密和迅速，让机器人的运动更加贴合人体的需求，达到人机一体的目的。目前的方式应当着眼于优化肌电信号的提取分析，不断明确人体运动对应的不同肌电信号，才能以此来控制机器人的运动。虽然目前对于的肌电信号的研究还没有那么彻底，但是已经有了肌电信号控制单一关节的成果，可以在此基础上利用肌电信号优先于人体动作的特点，再结合传感器等其他设备来控制其他的关节运动，可以优化延时性的问题，提高机器人的响应速度，解决目前存在的一些问题。

参考文献

[1]李宏凯,戴振东,石爱菊,等.大壁虎在垂直面和水平上小跑和行走的关节角度观测[J].科学通报,2008,53(22):2697-2903.

[2]陈峰.可穿戴型助力机器人技术研究［D］.北京:中国科学技术大学,2007.