人体下肢外骨骼仿生

人体下肢外骨骼机理分析xx（xx,xxxx,xxxx）摘 要：本论文研究穿戴型下肢外骨骼机器人机构。所研究的外骨骼是一种可以穿戴于人体的机械装置。这种外骨骼依靠人的运动信息来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的远行、负重等任务。这种外骨骼也可以用来检测人体运动信息，作为康复医疗器械使用。下肢穿戴外骨骼机器人是一种具有双足步行特征的典型的人机一体化系统。关键词： 穿戴外骨骼；助力机器人；机构设计；仿真分析ANALYSIS AND DESIGN OF LOWER EXTREMITY EXOSKELETON(Mechanical Manufacturing and Automation.,No.:xxxxxxxx,Email:, phone:xxxxxxxxxxx)Abstract：This paper researched a kind of wearable lower extremity exoskeleton robot. The exoskeleton is a mechanism which could match the human body. It relied on human motion information to control the robot, and accomplish the travel, loading and other tasks that can not be completed by peoples own capacity lonely. The exoskeleton can also be used to detect human motion information, and as the rehabilitation of medical devices. Lower extremity exoskeleton robot is a kind of typically man-machine integrated system with some biped walking robots characters.Keywords：Wearable exoskeletons; Assist robot; Mechanical design; Simulation andAnalyze1引言（Introduction）外骨骼是一种给人穿戴的人机一体化智能机械装置，它将人类的智力和机械装置的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机械装置，通过机械装置来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。下肢外骨骼是一种用来辅助人们行走的人机系统，它将人和两足步行机器人结合在一起，利用人的运动控制能力来控制机器人的行走，简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题，同时它又为人类的行走提供动力协助，增强人类行走的能力和速度，特别是能够缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人类的运动范围，能够增强个人在完成某些任务时的能力。人体下肢外骨骼作为单兵系统的一部分，起到了提高士兵承载能力的作用，避免了士兵由于沉重负荷而导致的身体机能的下降，从而提高了士兵的抵抗能力，对最终提高士兵的战斗力和生存力起到了重要作用。故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。2人体外骨骼的研究背景（The background of exoskeletons）人体下肢外骨骼机器人成为机器人领域的一个热门分支，已越来越受到学术界和工业界关注。目前，国外特别是美国、日本在这方面已经取得了巨大的进展，并逐步商业化，成为新兴产业。但国内仅有少数科研单位从事可穿戴助力机器人的研究，起步较晚，基本处在实验室试制阶段，离实用还有一定的距离。2.1国外研究背景（1）通用电气公司的可佩戴单兵装备1960 年通用电气公司最早研制出一款可佩戴的单兵装备 Hardiman-（1Human Augmentation Research and Development Investigation）。此项研究的首要目的是缓解士兵长距离负重行军引起的疲劳，它体积巨大、重约 680kg，采用主-从控制模式，非常不稳定、对操作员不安全且只能代替人的一只手。它是用液压作为动力来实现助力的。图2-1 通用电气的Hardiman机器人Fig.2-1 Hardiman robot of General electric（2）MIT 军用外骨骼机器人麻省理工学院从 1978 年开始，从事外骨骼机器人项目的研究。目前，在五角大楼“增强人体机能的外骨骼”计划框架内，在完全(包括腿和手)的、可帮助举重若轻、健步如飞、可携载更多弹药和更重武器装备的军用外骨骼机器人研制方面，进展比较缓慢，不过，单个外骨骼机器人组件方面的研究还是有所进展。在控制上，通过控制类被动的外骨骼，分析人体行走过程中的动力学与运动学参数变化，调节外骨骼的弹簧与阻尼系数，达到助力的目的。实验结果表明，该装置能成功地支撑 36kg 的负载保持 1m/s 的速度行走，在单腿摆动过程中，能把80%的负载传递在地面上。图2-2 1978年MIT研制的外骨骼机器人Fig.2-2 The exoskeletons robot researched by MIT in 1978（3）美国的 DARPA 的 EHPA 研究项目美国“国防远景研究计划署”在 2000 年从事“增强人体机能的外骨骼”（Exoskeleton for Human PerformanceAugmentation, EHPA）的研究与开发，计划研制一种机器骨骼，提高士兵在军事作战方面的能力。在五角大楼国防高级研究计划局的资助下，从事外骨骼机器人研制的单位主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、OakRidge 国家实验室、盐湖城人体机能研究所、Millennium Jet 公司、SARCOS 公司等。其中，加州大学伯克利分校率先在 2004年研制成一种能使人长距离轻松搬运重物或背重物上楼梯的机械服装助力机械服装 BLEEX（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton）。这种装置由背包式外架、金属腿及相应动力设备组成，使用背包中的液压传动系统和箱式微型控速传感仪作为液压泵的能量来源。这项计划目的在于，研制能使带有全副武装的士兵增加负重和提高行军速度的外骨架，以全面增强人体机能。其主干部分是一对合成金属制成的不锈钢机械腿，在携带者的臀部装有一台小型发动机，提供行走所需动力。臀部后方延伸出一个精致的折叠式小钢架，方便士兵把军用背包、武器等物品背负于身后。机械腿的下端连着一双经过专家改进的美军制式陆战靴，使用 BLEEX 的人要穿上专门的高帮皮鞋，然后将皮鞋扣紧在机械服装的裤脚上。不需要控制算法训练，蹲着的时候服装便会倾斜和翻转，这套系统设计得非常巧妙。整个仿生机械腿上看不到操纵杆和键盘，也没有开关。一旦安装在携带者腿上，仿生机械腿与人体组成了一个协调而且完美的整体。图 2-3 伯克利下肢末端外骨骼 Fig.2-3 The end of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton（4）日本筑波(Tsukuba)大学的 HAL 系列下肢外骨骼日本筑波大学 Cybernics 实验室的科学家和工程师们，研制出了世界上第一种商业外骨骼机器人(HybridAssistive Leg，HAL)6-12，准确地说，是自动化机器人腿：混合辅助腿。这种装置能帮助人们以每小时 4 公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯，HAL 机器腿的运动完全由使用者通过自动控制器来控制，不需要任何操纵台或外部控制设备。HAL 由背囊、内装计算机和电池的一组感应控制设备、4 个电传装置(对应分布在髋关节和膝关节两侧)组成。这种帮助人行走的外骨骼动力辅助系统，配备较多的传感器，如角辨向器、肌电传感器、地面接触力传感器等，所有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中，电池挂在腰部，是一个可佩戴的混合控制系统，根据生理反馈和前馈原理研制的动力辅助控制器可以调整人的姿态，使其感到舒适。HAL 机器人是一种“穿”在人身上的特殊构架，固定在皮带上的微型计算机根据皮肤电脉冲收集有关肌肉活动的信息，然后借助于伺服电动机加强动作，以此降低肌肉的负荷，从而帮助工人和体力活动受限制者。2005 年，经改良后代号为“HAL-5”在爱知世博会上首次亮相，其重量约 15 公斤，电池供电，一次充电可工作两个小时和更多时间（取决于负载大小）。同样通过肌电信号在皮肤表面的变化中探测到肌肉的运动，然后将运动的力量放大。借助这种机器装置的帮助，一个弱不禁风的小女子也能提起几十公斤的重物。与 HAL-3 不同之外在于 HAL-5 增加了上肢支持系统。图 2-4 HAL外骨骼机器人Fig.2-4 HAL exoskeletons robot2.2国内研究背景（1）浙江大学可穿戴式下肢外骨骼研究浙江大学流体与传动控制国家重点实验室采用气动系统设计了一套用于增强人体步行的可穿戴式下肢外骨骼，采用基于自适应模糊神经网络(ANFIS)控制理论，开展了下肢外骨骼的人机耦合控制策略研究，并且在上述理论研究的基础上，开发出了一套下肢步行外骨骼的原型试验系统。图 2-5 浙江大学的可穿戴式下肢外骨骼Fig.2-5 Wearable lower extremity exoskeleton of Zhejiang university(2) 中科院合肥智能所可穿戴型助力机器人（WPAR）自 2004 年起，合肥智能所机器人传感实验室致力于开展可穿戴智能助力机器人的研究，在国家自然科学基金项目“可穿戴型智能助力机器人技术研究”（No.）与国家 863 计划“可穿戴型助老助残机器人示范平台”（No.2006AA）的资助下，采用理论研究、仿真分析、模型试验研究相结合的方法，对可穿戴步行助力机器人的构型、感知和控制方法等进行了分析，取得了一定的研究成果，并研制出一款可穿戴型步行助力机器人原型样机，可为使用者提供额外动力，帮助使用者扩展其下肢运动能力。人体上肢、腰部的可穿戴式助力装置研究也在进行之中。图 2-6 智能所研制可穿戴助力机器人Fig.2-6 Wearable power robot developed by Intelligence have此外，北京理工大学和天津大学在气动人工肌肉方面也取得了一定的成果。3人体下肢外骨骼工作机理（working mechanism of the lower extremity exoskeleton）3.1 工作原理装备下肢外骨骼的人员在此机构的帮助下能够轻松实现负重长途行军，跋涉于车辆不易行驶的路面，完成侦察、作战等任务。外骨骼与操作员人机合一，人提供智慧，外骨骼提供承载能力，即所谓的“人在回路中”，充分发挥人与机器各自的优势。外骨骼全身布置了传感器，通过安装在各部位的传感器获得各项数据（包括各种能量及角度以及扭矩等）并传递到中央控制处理器，中央控制处理器经过计算来调整外骨骼的动作，通过驱动装置使其完成与士兵相同的一系列下肢动作。下肢外骨骼工作原理如图3-1 所示。图3-1 外骨骼工作原理图Fig.3-1 Working principle diagram of exoskeletons3.2 下肢外骨骼组成下肢外骨骼组成及概念图如图3-2所示。其机械结构由与人类同步行走的两条金属的腿、将重力传递到地面的脚、能够实现转身动作的腰部以及放置重物的后背托架四部分组成，其中包括传感、动力输出装置及执行元件、控制系统以及能源系统等都是实现外骨骼与士兵共同完成负重行军任务所不可缺少的。图3-2 外骨骼概念图Fig.3-2 Exoskeletons concept map4人体行走机理分析（The human body walk mechanism analysis）人机一体化的下肢外骨骼与人同步行走，产生与穿着者相同幅度的动作，因此，对于下肢外骨骼的研究就必须从对人的步态研究开始。4.1人类骨、关节特点及自由度分析了解人的步态，首先要了解人的下肢骨结构特点及骨关节的运动。通过分析人的下肢骨结构，可知髋关节为球状关节，股骨头和髋臼具有朝各个方面活动能力，从形状来看该关节是个典型的球窝关节，其运动本该相当灵活，但由于它要支持上身体重，所以要求该关节相应牢固。膝关节为滑车椭圆关节，是人体中最复杂的一个关节。踝关节是滑车关节。人体下肢骨通过关节、韧带等连结在一起，才使人能够实现灵活、高效、稳定的步行。图4-1出示了人体下肢实现的动作。图4-1 人类下肢实现动作Fig.4-1 Human lower limbs movement外骨骼与人并联同步行走，从仿生学的角度出发，依据人类下肢自由度为下肢外骨骼设计自由度。髋关节三个自由度，分别实现身体的弯曲/直立，左右的转身，以及大腿的外展/内收。膝关节设置一个自由度，实现小腿与大腿间的弯曲运动，忽略小腿屈曲后的微小的旋转运动。外骨骼踝关节处可设置三个自由度，分别实现脚围绕踝关节的上下转动，外展/内收以及旋转运动。下肢外骨骼每条腿有七个自由度，加之脚上的一个自由度共八个自由度。图3-4 出示了下肢外骨骼理想自由度配置。图4-2 下肢理想自由度Fig.4-2 Lower limb ideal freedom4.2 人类步态及稳定性分析双足行走具有不稳定性，但是人类却能灵活而稳定地行走，研究人类步行特点从而找出双足步行实现稳定行走的条件，这对研究双足步行机械是必要的一步。前人对此做了大量的研究。步态是指在运动过程中，步行者肢体的协调关系。我们总能看到，人行走、跑时双腿交替迈步，支撑点在双足间也交替轮换，上身及上肢会左右摇摆以保持平衡。图4-3、图4-4分别为人类行走、跑的步态。从理论上讲，为了保证双足步行稳定，必须满足南斯拉夫麦沃曼尔.伍科布拉托维奇提出的双足稳定步行理论，他指出：为了保持双足步行的身体平衡,必须保证所承受的所有外力之合力的作用线通过支撑足,并处在支撑足与地面接触的区域内。亦即当ZMP 点落在脚板支撑范围之内时，人运动是稳定的。因此可以利用ZMP点来衡量双足行走的稳定性。公式(1)、(2)描述了ZMP 点计算方法。图4-3人类行走步态Fig.4-3 Human walking gait图4-4 人类跑步态示意图Fig.4-4 Human run gait schemes5结构分析、设计（The structure analysis and design）由前面对人体骨、关节以及运动的分析，由此确定了外骨骼自由度，从而为其结构设计打下了基础。根据下肢外骨骼适应的条件和对它的要求，设计人体下肢外骨骼。髋关节和膝关节设置驱动以使大腿、小腿抬起实现迈步。为了简化设计与制造，髋部三个自由度分别设置在不同位置，例如外展/内收的关节设在了后背部。膝关节只有一个自由度，在设计时要考虑到外骨骼膝关节转动的角度范围。踝关节处需要有驱动器，完成脚的曲/伸运动。踝关节自由度分别为屈/伸轴通过人的踝关节轴，外展/内收和旋转轴设计在脚底处，虽然设计在不同的位置但能达到相同的目的。由于踝关节的外展/内收运动同髋关节在垂直轴上的旋转需要很小的力，所以都不施加驱动，在设计时要考虑设置有合适的阻抗。后背架设置有计算机和用于放置计算机等设备的能量装置托架。后背架通过液压驱动装置与髋关节的外展/内收关节相连，驱动髋关节的外展/内收运动。采用线性驱动装置对各关节施加驱动力，不但起到施加动力的作用，还对各关节起到了一定的缓冲作用，避免关节受到强大振动力的冲击。操作人员穿的马夹穿过外骨骼从而使得二者相连，在人体与外骨骼接触处辅加以弹性塑料，以增加人的舒适度。根据以上的分析与研究，初步设定下肢外骨骼自由度的实现方法如图5-1所示，总体结构如图5-2所示。各部分结构设计简图如图5-3 所示。图5-1 下肢外骨骼自由度确定Fig.5-1 Freedom of lower extremity exoskeleton图5-2 下肢外骨骼总体结构Fig.5-2 General structure of lower extremity exoskeleton图5-3 下肢外骨骼腰部结构简图Fig.5-3 Waist structure diagram of lower extremity exoskeleton6结论（Conclusion）人机一体化的人体下肢外骨骼能大大提高人类的承载能力，它不论在军事、民用方面都有广泛的应用范围和前景。本文从分析人类下肢关节的结构特点、人类的步态及下肢自由度入手，结合下肢外骨骼实现的功能、工作原理、结构组成，设计了其结构。欧美国家在该方面的研究已经有了相当的成果，并成功应用在了军事作战、医疗救助、抢险救灾等多行业各领域，而相对于欧美日本等发达国家，我国在人体下肢外骨骼方面的研究起步较晚，基础较薄弱，技术较弱后，而人体下肢外骨骼机器人在各行各业中的应用将越来越广泛，尤其是应用于军事用途后，将会让整体的军事实力有很大提升。因此展望下未来，我们国家应该多立项，加紧在这方面的投入，争取早日赶超欧美等发达国家，早日研制成功应用在各行各业包括军事用途的人体外骨骼机器人。参 考 文 献 (References) 1 Hiroaki KAWAMOTO, Yoshiyuki SANKAI. Power Assist Method Based on Phase Sequence Driven by Interaction between Human and Robot Suit D. JAPAN: University of Tsukuba, 1-1-1Tennodai, Tsukuba, 305-8573, 2004.2 Sarah Yang. UC Berkeley researchers developing robotic exoskeleton that can enhance human strength and endurance R/OL. Media Relations o3 March, 2004. .3 K H Low, Xiaopeng Liu, Hao Yong Yu, Hendra S Kasim. Development of a Lower Extremity Exoskeleton Preliminary Study for Dynamic Walking C/ 2004 8th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, Kunming, China, 6-9th December, 2004: 1343-1349.4 Yand Can-jun, Niu Bin, Chen ying. Adaptive neuro-fuzzy control based development of a wearable exoskeleton leg for human walking power augmentation C/ Proceedings of the 2005 IEEE/ASME international conference on advanced intelligent mechatroincs, Monterey, California, USA, 24-28, July