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)動能力的助力裝置，其基本原理是在基于人體運(yùn)動行為意識信息的基礎(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)動關(guān)節(jié)運(yùn)動，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)動并提供助力，降低人在負(fù)重或長時間行走情況下的運(yùn)動強(qiáng)度，對那些有異樣運(yùn)動行為的人提供治療和矯形，與人體組成了一個協(xié)調(diào)而且完美的整體。目前，世界上大約有10余家實驗室從事可穿戴型人體助力機(jī)器人的研究，其中日本和美國走在前列，國內(nèi)尚未見相關(guān)報道。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傳感器檢測肌肉的電流，控制電動馬達(dá)驅(qū)動機(jī)械外骨骼運(yùn)動以輔助腿部的動作。
美國加州大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實驗室研制出美軍“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，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)肌肉活動時皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏餍盘柣蚣∪獾能浻渤潭葋硗茢嗳说男袨橐庾R，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)器人外骨骼以實現(xiàn)對人體下肢運(yùn)動的助力。
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個自由度，每只腿有6個自由度，髖關(guān)節(jié)包含3個自由度，膝關(guān) 節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳底各包含1個自由度，該設(shè)計要求不僅符合以往的擬人機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求，又達(dá)到與人體腿部運(yùn)動相協(xié)調(diào)、互不產(chǎn)生運(yùn)動干涉的設(shè)計要求， 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，它們分別固定在兩腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)上?？纱┐餍拖轮C(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，整個系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)見圖2。
3 機(jī)器人感知模塊
3.1 人機(jī)系統(tǒng)接觸信息
可穿戴型下肢助力機(jī)器人主要利用人體下肢運(yùn)動信息提供助力，這些運(yùn)動信息主要包括人體與外骨骼機(jī)器人的腿部接觸力信號、腳底力信號，膝關(guān)節(jié)和踝 關(guān)節(jié)的角度信號等。為了獲取這些運(yùn)動信息，設(shè)計一套基于CAN總線的多傳感器感知系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的傳感器通信方式(主要是指RS-232和RS- 485)中主節(jié)點(diǎn)單一和實時性差等問題。該系統(tǒng)由電機(jī)碼盤、安裝在腿部的2個二維力傳感器和安裝在腳底的6個一維力傳感器組成。腿部力傳感器固定在人腿膝 關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上部，用于測量人體與外骨骼之間的接觸力；腳底力傳感器安裝在腳尖和腳跟，用于測量地面反力；電機(jī)碼盤用于測量髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，如圖 1所示。
3.2 系統(tǒng)設(shè)計
腿部二維力傳感器是用于測量機(jī)器人外骨骼和人體之間的接觸力大小的傳感器，其測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對助力機(jī)器人的控制有重要的意義。腿部力傳感 器主要是由2個二維力傳感器組成，用于測量人體大、小腿與機(jī)器人外骨骼之間的接觸力，該接觸力包括沿人體腿部的力(X方向)和垂直腿部的力(Y方向)。在 下肢助力機(jī)器人的控制中，除了要知道人體腿部與機(jī)器人的作用力之外，還需要知道人體腳底對機(jī)器人的作用力，而腳部力傳感器是測量地面對人機(jī)系統(tǒng)的作用反 力。人體落腳對地面的著力點(diǎn)可以用三個支撐點(diǎn)表示，這三個支撐點(diǎn)的位置分別位于第一跖骨根部和第五跖骨根部以及后腳跟，人體靠這三點(diǎn)間產(chǎn)生的足弓支撐身 體，而身體的重量經(jīng)由這三點(diǎn)傳遞到地面。為了準(zhǔn)確獲取行走時腳底的力信息，腳底力傳感器的安裝位置就定在這三點(diǎn)的位置上，每只腳需要安裝3個一維力傳感 器，共需要6個一維力傳感器，具體安裝位置見圖3。由于腳底機(jī)械部分的限制，傳感器彈性體體積比較小，其本體機(jī)械尺寸φ40 mm(直徑)×8 mm(厚度)，量程為1000 N。