可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现(硕士论文)
浙江大学
硕士学位论文
可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现
姓名：牛彬
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：杨灿军
20060101
１９９０Ｇｅｂｈｉｌｆｅ，开发于１９９０年。
１．２．２下肢外骨骼研究现状
（１）日本筑波（Ｔｓｕｌｍｂａ）大学的ⅡＡＬ系列下肢外骨骼嘲【刀嗍咖
由日本筑波大学的山海嘉之（Ｙｏ蛳ｙｕｌ【ｉＳａｎｋａｉ）教授所领导的ＣｙｂｅｍｉｃｓＬａｂ开发的ＨＡＬ（ＨｙｂｒｉｄＡｓＨｓｆｉｖｅＬｉｍｂ）系列下肢外骨骼用于协助步态紊乱的病人行走。它采用了角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼和操作者的状态信息。它的所有的电机驱动器、测量系统、计算机和无线局域网络，以及动力供应设备都整合到背包中。使用装在腰间的电池进行供电。ＨＡＬ拥有混合控制系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒适助力控制器。
图１．１ＨＡＬ－３和ＨＡＬ－５
图１．１左图所示为ＨＡＬ－３，它是山海嘉之教授历时十年研究的成果。ＨＡＬ－３是套下肢装，专门设计来帮助下肢残障者或是老人们，能更方便地进行日常生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等等。在２００５年日本爱知世博会上展出了ＨＡＬ－４和ＨＡＬ－５的原型，这些机型不但能帮助使用者走路，还有上半部能辅助使用者的手臂，使用者穿戴上这种装置，就能提起比原本所能负荷还要更重４０公斤的东西。同时，更新的ＨＡＬ－４不需要使用背包，而是将计算机和无线网络
装置缩小，以塞进这套装备的腰带里面。在ＨＡＬ５上则有更小的马达空间，好让装备的髋部和膝盖部分体积更小，如图１．１右图所示。在重量上，ＨＡＬ－３重２２公斤，ＨＡＬ－４重１７公斤，而ＨＡＬ－５仅重１５公斤，但使用者几乎是感受不到这个重量的，因为装备的脚跟部分会吸收这些重量，而这套装备提供的协助绝对足以补偿重量上的负担。目前，山海教授成立的公司已经实现了ＨＡＬ的商业化，每套ＨＡＬ都会针对个别使用者的需求及体能状态而特别订制，售价约为１４０００美元到１９０００美元。
（２）美国ＤＡＲＰＡ的ＥＨＰＡ研究项目
美国国防部高级研究项目局（１）ｅｆｃｎｓｅＡｄｖａｎｃｅｄＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｓＡｇｅｎｃｙ，ＤＡＲＰＡ）于２０００年出资五千万美元用于资助对能够增强人体机能的外骨骼（ＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｆｏｒＨｕｍａｎＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｕｇｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ＥＨＰＡ）的研究与开发“”，准备在近几年研制一种穿戴式的，具有自适应能力的外骨骼系统，使士兵在穿着外骨骼后，行军能力大大提高，可以肩负４００磅（１８１公斤）的军用设备，连续运行至少４个小时。在战争中，外骨骼可以使士兵作战能力大大增强，同时在士兵受伤后，可以起到一定的保护作用。
图１．２ＢＬＥＥＸ下肢外骨骼
ＤＡＲＰＡ的该项目总共资助了多家研究机构，其中有四家负责设计和研制出整套的外骨骼系统，他们分别为加州大学伯克利分校的人体工程实验室（ＨＥＬ），ＳＡＲＣＯＳ机器人公司【１１】，橡树岭国家实验室（ＯＲＮＬ）１１２］和ＭｉｌｌｅｎｎｉｕｍＪｅｔ公司，其他一些获得资助的研究机构主要负责开发适用于外骨骼的动力供应设型’３１。其中，加州大学伯克利分校的人体工程实验室率先在２００４年推出了他们的ＢＬＥＥＸ（ＢｅｒｋｅｌｅｙＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）外骨骼系统【１４Ｊ，如图１．２所示。该系统由两条动力驱动的仿生金属腿、一个动力供应单元和一个用于负重的背包架组成。该系统使用混合动力，即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身携带的计算机供应电能。外骨骼上共安装有４０多个传感器和液压驱
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动器，它们共同构成了一个局域网络，该网络向计算机提供必要的信息，计算
机根据这些信息了解操作者当前的状态，并据此对人的负载情况实时进行必要的调整。实验表明，操作者身着重达１００磅的外骨骼，同时背上７０磅的背包在房间里行走，他所感觉到的重量只有５磅。
（３）新加坡南洋理工大学的ＮＴｕＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ
目前，新加坡南洋理工大学的罗锦发教授（ＬｏｗＫｉｎ－ＨｕａＯ也在研究和开发一种可以增强人体速度、力量和耐力的下肢外骨骼，目标是使其能够帮助诸如步兵一样的操作者进行大负重、长距离的徒步行走。图１．４左图所示是他们的整个外骨骼系统的概念设计；右图则是他们现阶段已经开发出来的原型系统，该系统主要由两个部分所组成：内侧外骨骼和外侧外骨骼。其中，内侧的外骨骼绑缚在人的下肢上，利用关节处的编码器来测量行走时的关节角度信号；外侧的外骨骼
用来提供助力，根据内侧外骨骼测得的关节角度值通过电机来提供动力。他们的另外一个主要工作在该原型系统上利用零力矩点（删Ｐ）理论进行了外骨骼行走稳定性方面的研究“”。
图１．３ＮＴＵＬｏｗｅｒＥｘｔｒｅｍｉｔｙＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ的概念设计和原型系统
（４）日本神奈』ｆ『（Ｋａｎａｇａｗａ）工科大学的ＷｅａｒａｂｌｅＰｏｗｅｒＡｓｓｉｓｔＳｕｉｔＩⅧ切为了给护士们开发一套可穿在身上的助力装置，用于给她们提供额外的力气来搬运病人，神奈川工科大学的Ｙａｍａｍｏｔｏ教授在他１９９１年研制出的气动助力上肢的基础上增加了腰部和腿部装置，开发了一套独立式的可穿着的助力外套，如图１．４所示。该外套选用了微型气泵、便携式镍镉电池和嵌入式微处理器使系统的动力提供和控制系统极其小型化。整个装置的金属结构由硬铝合金加工而成，重约３０公斤。肘部、腰部和膝部的关节驱动采用新式的可直接驱动的旋转位移式气动驱动器，肌肉力量信号的采集采用布置于上臂、大腿和腰部的肌肉硬度传感器测得。微处理器在收到传感器的输出信号之后，计算出保持某个姿势的所需的关节力矩，然后输出控制信号给ＰＷＭ驱动电路，以驱动旋转气缸的动作。
图１．４身穿ＷｅａｒａｂｌｅＰｏｗｅｒＡｓｓｉｓｔＳｕｉｔ的护士
（５）韩国西江（Ｓｏｇａｎｇ）大学的ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＷａｌｋｉｎｇＡｓｓｉｓｔｉｖｅＲｏｂｏｔ“”“”
韩国西江大学的外骨骼设计初衷是为了方便体弱和行走不便的老人，扩大他们的运动范围和活动能力。如图１．５所示，该外骨骼结构上的显著特点是整个装置由两个部分组成：外骨骼和手推车。所有的驱动元件，包括电池和马达，及控制器等较重的周边设备都布置在手推车中，这样一方面可以减轻操作者的负担，另一方面亦可以保证老年人的行走平衡。在控制方面，他们采用类似于机电信号（ＥＭＧ）的肌纤维膨胀信号，利用绑在大腿和小腿上的气囊内的气体的压力变化来测得，而在人腿自由摆动，即肌纤维不膨胀时，则利用关节处的电位计式角度传感器的信号来触发驱动器的动作。传感器信号的熔合和处理是通过便携式计算机中的模糊控制算法来实现的。
图１．５韩国西江大学的ＩｎｔｅｎｉｇｅｎｔＷａｌｋｉｎｇＡｓｓｉｓｔｉｖｅＲｏｂｏｔ
图２．４髋关节ｍ
股直肌（ＲｅｃｔｕｓＦｅｍｏｒｉｓ）臀大肌（ＧｌｕｔｅｕｓＭａｘｉｍｕｓ）
图２．５产生髋关节屈伸运动的主要屈肌和伸肌
（２）膝关节
膝关节（图２．６）由股骨的内外侧髁关节面、髌面、胫骨的内外侧髁的关节面和髌骨的后面所构成，是人体中最复杂的～个关节。膝关节的关节面是椭圆形的，股骨髌面是滑车形的，因此它是椭圆滑车形的关节面，而膝关节的关节窝是胫骨髁上面微凹的关节面。两骨关节面形成椭圆状关节面。髌骨后面与股骨的髌面则形成一滑车关节。小腿围绕膝关节的额状轴可作屈伸运动。在小腿屈曲后，可绕垂直轴作微小的旋转运动。由于加固这个关节的韧带多而强，关节囊也很紧，因此绕垂直轴的运动幅度不大。在伸直时，韧带牵拉更紧，故不能作任何旋转运动。引起膝关节屈伸运动的典犁屈肌和伸肌如图２．７所示。
图２．６膝关节
股二头肌（ＢｉｃｅｐｓＦｅｍｏｒｉｓ）股内侧肌Ｏ／ａｓｔｕｓＭｅｄｉａｌｉｓ）
图２．７产生膝关节屈伸运动的主要屈肌和伸肌
（３）踝关节
踝关节（图２．８）由胫骨下关节面、内踝关节面与外踝关节面共同形成的一个叉状关节窝和以距骨上方的滑车关节面为关节头而连结形成的一个滑车关节。这个关节只有一个运动轴，绕额状轴可作屈伸运动（足向下为屈，足向上为伸）。由于距骨的滑车关节面前宽后窄，当足屈时，滑车关节面较窄的部分未能填满关节窝（窝大头小，存有空隙），因而踝关节可绕矢状轴作微小的外展和内收运动。
图２．８踝关节
２．３人体下肢肌肉骨骼运动原理
正常人体下肢由骨骼、关节和骨骼肌组成，它起着支撑人体体重，推动人体行走（包括跑、跳、转等）的作用。行走是下肢的基础功能，主要体现在人体的前进、转向或后退。人的行走过程是依靠骨骼、肌肉以及控制肌肉的神经系统来进行的，因此人体下肢是一个高度复杂的自动调节系统。在这个系统中，骨骼是运动的杠杆，关节用于运动的联系，神经系统来控制，肌肉收缩为动力，从而实现下肢的行走及全身的空问运动［２２１。
相对于人的上肢而言，下肢的运动更具有约束性、周期性和可重复的特点，也存在一些如正常步态周期等标准运动（ｓｔａｎｄａｒｄａｃｔｉｖｉｔｙ）。人体下肢运动常见的有行走、跑步、蹬自行车、跳跃、踢等等，其中行走、跑步和蹬自行车为周期运
动，跳跃和踢为非周期运动［２３１。
平地行走是下肢运动的最基本形式，也是下肢外骨骼的主要模拟目标和评定指标。图２．９为正常人体的步行过程及其对应的髋、膝和踝关节的转角变化曲线。如图２．１０所示，人体下肢每个步态周期可从参考肢的足跟触地开始，到同一足跟再次触地结束。正常步态周期可分为两个相位：站立相和摆动相。站立相（ｓｔａｎｄｐｈａｓｅ，也叫支撑相）是指从足跟着地到足尖离地，即足部支撑面接触的时间，约占步态周期的６０％；摆动相（ｓｗｉｎｇｐｈａ嘲则是从足尖离地到足跟着地，即足部离开支撑面的时间，约占步态周期的４０％。站立相具有承重特性，可分为若干阶段，其中有双肢触地阶段又称为双支承相，分别出现在站立相初期和末期，其持续时间与步行速度有关，步行越快，持续时间越短，在常速下占步态周期的２０％～２７％。按照运动学特征，摆动相可分为摆动早期、摆动中期和摆动后期三部分。
图２．９人体步态周期内的下肢各关节角度变化
人类步态包含一连串多环节的旋转动作，这种动作以节省能量的方式产生一种稳定向前的推力（图２．１０）。肌肉力与身体重力以及运动惯性交互作用引起关
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右支撑相（８０％）ｌ右摆动撩＜柏冀）
图２．１０正常步态周期时相图∞１