下肢外骨骼机器人系统设计与试验分析

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动规律,研究基于人机交互作用原理的力随动控制算法,进行外骨骼机器人样机开发与性能验证,并对其 运动特性和助力性能进行评估.
1柔性外骨骼系统的硬件设计
1.1外骨骼系统结构设计 本文设计的外骨骼系统，由柔性驱动关节、柔性支撑杆和柔性支架构成，柔性外骨骼虚拟样机、实物及
中图分类号:TP2；TH13
文献标志码:A
文章编号：1007-855X(2021)03 -0071 -10
Design and Experimental Analysis of Lower Limb Exoskeleton Robot System
ZHANG Fujie1, LI Zijian1, ZHAO Jianghai2, CHEN Shuyan2, CHEN Danhui2, YU Zhipeng2
自2004年美国加州伯克利大学研制出了第一款液压驱动外骨骼机器人BLEEX以来⑷，国外学者陆 续研发出多款适用于各领域的外骨骼机器人，如日本筑波大学Yoshiyuki Sankai研究团队研制的HAL外骨 骼机器人⑷，适用于脑卒中、肢体残障认识或老年行动机能衰退的患者的康复训练;以色列ReWalkrobotics 研发的ReWalk下肢外骨骼助力机器人和美国伯克利仿生技术公司研发的eLEGS外骨骼系统，都是采用 电池供电的仿生机械腿,在智能手杖的辅助下，协助下肢瘫痪的病人能够再次站立行走⑷；日本Honda Walking Assist辅助装置和韩国SeoKeehong团队研发的轻便外骨骼机器人Gems,结构部件大都采用轻便 的碳纤维材料，总重量均小于4 kg,在髓关节处安装微型电机提供抬腿助力辅助老年人日常行走，用以提 高老年人步态功能和中风患者复健国；美国哈佛大学设计的柔性外骨骼Soft Exosuit,与传统刚性外骨骼不 同，驱动方式采用了气动肌肉,大量取消了刚性元件,实现运动过程中对人体运动的干涉最小化同；与有动 力源的外骨骼机器人不同，无源被动式外骨骼机器人主要通过机械支架牵引和弹性元件储能，将人体运动 过程中的能量循环利用，从而降低穿戴者自身的能量消耗，如加拿大的Mawashi公司为美国海豹突击队研 制的超轻被动型士兵外骨骼系统UPRIS和俄罗斯驻叙利亚的工兵执行扫雷任务用的K-2单兵外骨骼系 统⑺；国外研发的外骨骼机器人还包括新加坡南洋理工大学的LEE、美国Parker公司的Indego、美国Ekso Bionic公司商业化的Ekso等外骨骼机器人囲.
收稿日期：2020-10-15 基金项目:江苏省产业前瞻与共性关键技术重点项目(BE2017007) 作者简介:张付杰(1977-),男，博士，副教授.研究方向:农业装备自动化E-niail：20030a31@kust.edgcn 通信作者:赵江海(1974 -),男，博士，研究员，博士生导师 主要®I究方向:机电控制与自动化技术.E - mail:jhzhao@ iamt. ca. cn
Jun. 2021 No. 3 Vol. 46
下肢外骨骼机器人系统设计与试验分析
张付杰打李子建赵江海2,陈淑艳2,陈丹惠2,俞志鹏2
(1.昆明理工大学农业与食品学院，云南昆明650500 ； 2.常州先进制造技术研究所，江苏常州213164)
摘要:针对老龄人士和残障人士助力助行问题,设计了 一款柔性下肢外骨骼机器人.该机器人采用中
Key words:exoskeleton robot； electric joint； servo control； wearable test； heart rate detection
o引言
我国人口老龄化日趋严重，国家统计局提供的近5年国民经济和社会发展统计公报数据表明，我国65 周岁以上老龄人口构成从10.5%升至12.6% ,预计未来20年将会有超过4亿老龄人口⑷•这类人群中由 于生理机能衰退、重大疾病后遗症以及意外事故等带来的身体运动失能,使得致残率越来越高，这已经逐 步成为我国必须重点关注的社会问题之一 •因此为人体负重运动提供支撑、辅助和保护功能的穿戴式外骨 骼机器人技术日益受到重视，成为国内外研究的热门领域.
在国内，中科院合肥物质科学研究院对外骨骼的构型、感知和控制方法等进行了分析研究，研发了康复 下肢可穿戴助力机器人Exop -1，设备重19.6 kg,装有22个传感器何；电子科技大学机器人实验室开发的外 骨骼机器人也成功地实现了助力行走,但在人机协调、运行噪声和续航方面有待进一步提高a〕；清华大学仿 生机械系和德国亚琛工业大学共同研制的由齿轮减速电机驱动的下肢外骨骼 LLE,被用特殊环境下辅助截瘫 和脊髓损伤患者恢复运动能力,为实现外骨骼机器人轻量化，该团队提出覩、膝关节和腰部支撑紧凑化模块化 设计⑴］;此外西安交通大学、东南大学、海军航空工程学院等相关科研机构也开展了外骨骼机器人样机的设 计与开发，如北京交通大学郭盛教授团队研制的基于肌电控制下肢气动外骨骼机器人，为外骨骼机器人柔性 化提供了一种参考，但是运动范围受到气源和气泵的局限卫］;下肢外骨骼机器人驱动控制大都基于机构动力 学,结合运动学分析位置、速度和加速度与输出扭矩之间的关系期，驱动关节采用PID控制，通过PID算法能 够实现对步态曲线的跟踪，但在曲线拐点位置不能完全贴合,会导致跟踪曲线滞后刚；东北大学研制的模糊 PID外骨骼机器人，通过模糊自适应控制改善传统PID算法带来的跟踪滞后，获得了较为良好的跟随效 果⑴］;哈尔滨工业大学研制了多传感器混合相位控制下肢外骨骼机器人，采用惯性传感器IMU、足底压力传 感器、背部扭矩传感器等采集运动信号，能够准确地进行人体行走步态识别3 ,以自适应阻抗控制方法提高 姿态阶段的稳定性和抗冲击性以及主动干扰「"I,但是多传感器耦合增加了控制系统的设计难度，且机械结构 笨重以及大量的走线及数据接口也不符合轻量化、小型化的发展.
空走线结构的电动关节，利用小型扭矩传感器、磁编码器采集人体运动意图；根据外骨骼机器人的动
力学模型，设计基于最小作用力的控制算法并进行运动学逆解，得出各关节转动参量，实现外骨骼机
器人随动控制；通过优化外骨骼机器人机械结构并运用轻量化材料,使得机器人样机重量减轻到10.2
kg;在外骨骼机器人进行穿戴试验中，我们采集典型动作运动时的扭矩、位置、速度和加速度等数值， 其结果表明所设计的外骨骼机器人随动运动时冲击小，步姿切换时传感器信号跟随良好，电机响应扭
(1. Faculty of Agriculture and Food, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China； 2. Changzhou Institute of Advanced Manufacturing Technology, Changzhou, Jiangsu 213164, China)
针对传统刚性外骨骼结构笨重的问题,本文分析人体膝关节柔性产生机理，并提出一种基于串型弹性 驱动器的外骨骼柔性关节，提出使用轻型扭矩传感器、磁编码器和陀螺仪取代传统复杂的多传感器耦合系 统采集人体运动参数•根据人体下肢的关节转角、关节转矩等运动学及动力学参数，结合人体步态特征运
第3期
张付杰，李子建,赵江海,等:下肢外骨骼机器人系统设计与试验分析
2021年6月 第3期第46卷
昆明理工大学学报(自然科学版) Journal of Kunming University of Science and Technology( Natural Sciences)
doi: 10.16112/j. cnki. 53 - 1223/n. 2021.03.132
Abstract: To solve the problem of assisting mobility for the elderly and the handicapped, this paper designs a
flexible lower extremity exoskeleton robot, which uses an electric joint with a hollow wiring structure, a small torque sensor, and a magnetic encoder to collect human movement intentions. According to the dynamic model of the exoskeleton robot, the control algorithm of the minimum force is designed, and the inverse kinematics solution is performed to obtain the rotation parameters of each joint, which can realize the follow - up control of the exo­ skeleton robot. By optimizing the mechanical structure of the exoskeleton robot and using lightweight materials, the weight of robot is reduced to 10. 2 kg. During the wear test of the exoskeleton robot, the values of the torque, position, speed, acceleration and other parameters of the robot in typical movements are collected. The experi­ mental results show that the proposed exoskeleton robot has a small impact when it moves, and the sensor signal follows well when the step is switched. The response time of the motor to the torque sensor is 0. 02 s, which meets the actual needs of walking, and verifies the feasibility of the system. The power 一 assisted effect test re­ sults show that the average peak torque of the fast walking and slow walking modes after wearing the exoskeleton robot is 18. 2 N • m and 15. 3 N • m respectively, and the heart rate is reduced by 1% to 7% , and the power 一
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昆明理工大学学报（自ຫໍສະໝຸດ 科学版）第46卷assisting effect of fast walking is more obvious than slow walking. This research provides a reference for the light­ weight research of exoskeleton robots.
矩传感器时间为0.02 s,能达到实际行走的需求，从而验证了该系统的可行性;助力试验结果显示，穿
戴外骨骼机器人后快走和慢走模式助力平均峰值扭矩分别为1&2 N - m和15.3 N - m,心率降低1%
~ 7%，且快走比慢走的助力效果更明显.本研究为外骨骼机器人轻量化研究提供了 一种参考.
关键词：外骨骼机器人；电动关节；随动控制；穿戴试验;心率检测