哈尔滨工程大学硕士学位论文行训练康复机器人【１８，１９］，如图１．４所示，其机械结构如『图１．５所示。该机器人采用的基本控制思想是吊绳减重原理，使用时患者被悬吊于空中，在ＬＯＫＯＭＡＴ辅助带动下完成步态训练。它可以模拟正常人行走的步态规律和下肢重心的运动规律，实现对下肢各个自由度的康复运动训练。图１．４Ｌｏｋｏｍａｔ康复机器人图１．５Ｌｏｋｏｍａｔ机械结构示意图美国Ｄｅｌａｗａｒｅ大学机械系统实验室开发的用于下肢康复的重力平衡下肢外骨骼【２０１，在被动医疗康复外骨骼式机器人研究领域是极具代表性的，如图１．６所示。重力平衡下肢外骨骼的工作原理是通过机械结构使下肢重力达到平衡状态，工作目标是帮助有轻微偏瘫的患者减轻或消除腿部重力对其正常步行运动的阻力作用，进而达到辅助患者进行平稳步行训练的目的。机器人工作时首先确定使用者和外骨骼机器人的重心位置，然后通过在重心位置上添加相应的弹簧，从而达到使下肢在其步态运动过程中各个位姿上的重力平衡的目的。图１．６重力平衡下肢外骨骼４第１章绪论日本ＴｓｕｋｕｂａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（筑波大学）Ｃｙｂｅｍｉｃｓ实验室在２００２年研制开发了世界上第一种商业外骨骼机器人装混合助力腿（ＨｙｂｒｉｄＡｓｓｉｓｔｉｖｅＬｉｍｂ，ｒＩＡＬ）［１３－１７】。它能协助使用者完成爬楼运动和以４ｋｍ／ｈ的速度行走，并能辅助步态紊乱的患者进行行走康复训练。其系统组成包括背囊、计算机、感应控制设备和电传装置，电传装置对应分布在髋关节和膝身：节的两侧。控制系统的操作由使用者自主进行，完全脱离上位机等操纵台和外部控制设备。ＨＡＬ外骨骼助力系统能够根据使用者的生理反馈信号，通过动力辅助控制器调整使用者的姿态，是一个便携式混可控制系统，使用了地面传感器、肌电传感器等，背包中配备有动力驱动系统、测量系统、计算机和无线网络等，充分体现了机器人设计的舒适性和安全性。ＨＡＬ设计目标是通过于伺服电动机做功来降低使用者本身的肌肉的负苻，为从事重体力劳动的工人带来帮助。重量上，ＨＡＬ一３，如图１．２所示，重２２公斤，ＨＡＬ－＿４重１７公斤。经过深入研究并且改良以后代号为“ＨＡ卜５”在２００５年爱知世博会上首次展出，如图１．３所示，根据堡．载大小的不同，电池工作时间也随之改变，一般电池充电一次可连续工作两个小时以上。控制系统与前几代ＨＡＬ机器人相同，都是通过挤电信号反馈给计算机，进而监测肌肉运动情况，机器人的重量和机构也逐渐变得合理化、简单化。图１．２ＨＡＬ一３图１．３ＨＡＬ一５瑞士苏黎士联邦大学近年来一直致力于腿部康复机构和步态分析等方面得研究工作，并取得了一定的科研成果，在２００１年汉诺威世界工业展览会上展出的Ｌｏｋｏｍａｔ步３第１章绪论重力平衡下肢外骨骼系统结构主要由连杆和弹簧组成，没有任何的主动力驱动装置，整个训练过程完全是被动的，因此安全性很高，并且它能通过人机接口快捷地匹配不同穿戴者个体的几何尺寸和惯量等参数特征，大大提高了其适用范围。美国德拉维尔大学机械工程系机械系统实验室基于人机工程学和人体生物学，模拟正常人体下肢生理结构特点，研制开发了一套可穿戴式下肢外骨骼支具【２１１，整个外骨骼系统结构如图１．７所示。该系统主要设计髋关节和膝关节各屈伸运动两个自由度，每个关节都设有一个带编码器的直线驱动器，来提供关节转动的主动力。通过对电机速度和加速度的计算和各个关节的转角变化位置曲线进行轨迹规划，模拟人体下肢运动规律，这也对本课题起到了很大的启发作用。其中Ａ：支撑髋关节吊杆。Ｂ：髋关节驱动器。Ｃ：弹簧支撑滑动绞车。Ｄ：支撑设备小车。Ｅ：跑步机。Ｆ：髋关节。Ｇ：髋关节力传感器。Ｈ：膝关节驱动器。Ｉ：膝关节。Ｊ：膝关节力传感器。该系统能够很好的实现下肢步态运动轨迹跟踪控制和定点控制，从而达到辅助下肢运动的作用。４。ＢＣＦＧＨＩＤＪＥ图１．７Ｆ肢外骨骼系统１．２．２国内发展现状国内从事康复机器人和外骨骼式机器人的科研机构有限，相对比于国外而言，在这方面的科研工作起步较晚。近年来，随着科学技术的发展和社会需求的不断增长，下肢外骨骼式机器人的研究在国内也得到了越来越广泛的开展和重视，如浙江大学、清华大学等，并取得了一些有价值的科研成果。浙江大学机械电子控制工程研究所基于自适应模糊神经网络（ＡＮＦＩＳ）控制理论，对；篁ｉｉｉｉｉ宣暑宣宣暑墨ｉｉｉｉｉｉｉｉ暑置薯ｉｉｉｉｉｉｉ暑；鲁；暑置暑ｉｉｉｉｉｉ；；毒昌暑宣誓ｉｉｉｉｉｉｉｉ；；ｉ置盏；；；ｉｉｉ；篁；；ｉｉｉ哈尔滨工程大学硕士学位论文下肢外骨骼的人机耦合控制策略开展了大量的研究工作，并且开发研制出了一套下气动下肢外骨骼假肢［２２，２３１。如该假肢结构采用拟人化设计，整体结构的三维图如图１．８所示，实物图如图１．９所示。机器人控制系统主要以肌电信号作为反馈，对整个系统的运动进行控制，从而达到人机一体化的运动协调控制的目的。图１．８浙江大学外骨骼三维图图１．９外骨骼助力机器人实物图中国科学技术大学自动化学院、中科院合肥智能机械研究所和日本鹿岛大学基于拟人化思想联合设计开发了一套下肢外骨骼助力机器人系统【２４粕】，如图１．１０所示。机器人采机器人单侧腿包括髋关节３ＤＯＦ，膝关节１ＤＯＦ，踝关节１ＤＯＦ，共５个自由度。整个机器人系统以电池为能源，通过安装在外骨架上的多种传感器反馈信息，控制伺服电机驱动关节角度和速度值模拟正常人体下肢步态运动轨迹，与人协调运动，降低人正常行走下的运动强度，从而达到人机一体化的助力目的。上晦大学机电工程与自动化学院设计研制了一套结果简单有效，控制系统稳定的外骨骼式机械腿【２７１。机器人单侧腿有髋关节和膝关节的屈／伸两个主要表现下肢运动特征的自由度，关节处主动力由电动缸驱动提供，结构简单方便，这种结构思想也对本课题有很大帮助，如图１．１１所示。６第１章绪论图１．１０外骨骼助力机器人图１．１１外骨骼助力机械腿１．３下肢外骨骼助力机器人技术难点分析下肢外骨骼助力机器人系统的研究，受到很多因素的共同影响和作用，主要包括设计合理化、轻便化的拟人下肢外骨骼机构、人体下肢各关节的运动分析，合理高效的控制系统和控制算法等［２８，２９１，而且从人性化的角度出发，还要具有一定舒适度和安全性。综合这些因素，才能开发出适合辅助人体下肢运动的外骨骼系统，从而提高人体下肢的运动能力。概括起来主要为以下几点：（１）根据人体生物学的骨骼机构的合理设计，机构不仅要使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围，而且还要具有一定的安全性，这也对外骨骼机器人的材料上提出了一定的要求，在满足外骨骼机器人轻巧、舒适、强度高的同时，并能较长时间、较长距离行走，真正达到简单有效的助力目的。（２）实现机器人对不同人群的适应能力。由于不同的人的生理结特征不同，行走也存在着个体化差异，而且路况信息也实时改变的，如ｆ果仅仅使用一个固定的模式来描述下肢行走运动过程，很难满足不同使用者的要求。这就需要在必要的时候机器人能够做出一定的调整，来提高机器人系统的适应能力。（３）人体行走步态分析。要实时分析人体下肢运动各阶段的信息，合理规划外骨骼机器人步态轨迹，使其能够平稳可靠。７
下肢外骨骼助力机器人系统研究
