下肢辅助外骨骼机器人研究

2024年3月29日发(作者：上海公积金电话)

2021.09科学技术创新

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下肢辅助外骨骼机器人研究

崔润扬杨熹辛光红曹文

(三亚学院袁海南三亚572000冤

摘要:本项目研究的下肢辅助外骨骼机器人通过简化人体下肢运动力学模型袁应用D-H发用矩阵表示机器人运动参数从

而推导出机器人的运动方程袁研究了下肢外骨骼的运动控制方法遥在研究了XOS-外骨骼机器人和LOPES-悬挂式康复机器人的

设计原理基础上袁设计了新型下肢辅助外骨骼机器人袁其利用电动推杆设计的连杆结构具备结构简单尧低成本易量产的特点遥主

控应用了Adunio开源平台袁方便后期扩展遥设计的行走尧蹲起尧攀爬三种模式袁通过测试基本具备辅助行走和康复训练的功能遥

关键词:下肢辅助曰外骨骼曰Arduino曰步态控制

Abstract:Lowerextremityassistedexoskeletonrobotstudiedinthisprojectsimplifiesthehumanlowerextremitymotion

mechanicalmodel,andderivesthemotionequationoftherobotbyusingD-Hdevelopmentmatrixtoreprenttherobotmotion

parameters,ntherearchofthedesignprinciples

ofXOS-exoskeletonrobotandLOPES-suspendedrehabilitationrobot,anewtypeoflowerlimbauxiliaryexoskeletonrobotis

nectingrodstructuredesignedbyelectricpushrodhasthecharacteristicsofsimplestructure,lowcostandeasy

ncontrolapplicationofAdunioopensourceplatform,ignedthree

modesofwalking,squattingandclimbingbasicallyhavethefunctionsofassistingwalkingandrehabilitationtrainingthrough

testing.

Keywords:LowerLimbAssist;Exoskeleton;Arduino;GaitControl

中图分类号院TP242文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2021冤09-0187-03

1概述

近年来袁关于仿人型机器人的科学研究已经成为机器人研

究领域的热门方向袁其研发水平已取得很大的进步袁研制了各式

各样尧不同用途的仿人型机器人袁并已将其运用到实际生活中遥

动力外骨骼机器人是一种可以穿戴的机器人袁它通过模仿人体

的下肢结构进行设计袁它不仅能帮助因先天或者疾病造成的肌

肉损伤残疾人恢复行走能力袁还有可以改善心脏健康状况尧锻炼

肌肉强度遥本项目设计的新型动力外骨骼机器人袁是在研究一

种单兵野XOS要外骨骼机器人冶和一种医用野LOPES-悬挂式康复

机器人冶的基础提出的全新有机融合袁弥补了两种外骨骼机器人

的不足遥其结构主要由外骨骼机械主体尧控制系统尧传感器系统尧

电源系统尧动力系统组成遥下肢辅助外骨骼机器人可以帮助患

者进行步行医疗康复训练袁为不能自主行走的患者或老人提供

图2小腿力学简化模型

辅助运动和康复训练

[1]

遥

2下肢辅助外骨骼运动受力分析

外骨骼机器人的动力学是解决机器人的力与力矩与运动关

系的方法遥根据人体解剖学袁人体可分为三个互相垂直的基本

面袁如图1所示袁额状面尧水平面以及矢状面对应有三个互相垂

直的基本轴院矢状轴尧垂直轴与额状轴遥人体的各种运动都可以

视为肢体绕三个基本轴的运动遥而因为动力外骨骼主要针对腰

部及下肢进行动力学分析

[2]

袁如图1遥

下肢受力分析主要包括小腿受力分析尧大腿受力分析与运

动步态受力分析遥进行力学分析时袁将下肢外骨骼模型进行了简

化遥小腿受力模型简化为图2袁其中小腿尧小腿连杆的质量分别

为m

1

,m

2

,m

3

遥首先求解出整体质心所在的位置袁由于脚部的质

量相对于整体质量较小袁对分析影响不大袁可在分析过程中忽

图1人体的基本面与基本轴

基金:2019年海南省大学生创新创业训练项目,项目号:S2遥

作者简介:崔润扬(1998-),男,籍贯院河北保定,学士,研究方向:机械设计遥

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科学技术创新

略质心处于杆件之外的部分遥经推导其惯量和角度之间的关系数从而推导出机器人的运动方程遥外骨骼摆动腿D-H坐标系示

为院意图4遥T

1

尧T

2

和T

3

分别是外骨骼机械腿髋关节尧膝关节和踝关

节的转矩曰m

1

,m

2

和m

3

分别是大腿连杆尧小腿连杆和踝关节以

下连杆的质量曰d

1

尧d

2

尧和d

3

分别表示各连杆质心距离对应关节

的距离遥由于踝关节以下连杆和足底不转动袁就相当于固定在

小腿末端的质量块遥这样处理之后袁外骨骼机械腿就相当于一

个两连杆机构袁其系统动能与运动所需力矩表达如下院

大腿受力模型简化为图3袁大腿外部构建的重量为m

2

,大腿

对大腿连杆院

的质量为m

1

,大腿重心距离髋关节的距离为l

2c

袁大腿的重心距离

髋关节距离为l

1c

遥

对小腿连杆院

图3大腿受力简化模型

K

1

K

2

尧P

1

P

2

分别表示系统动能尧势能袁T

1

院髋关节屈伸运动

所需力矩袁T

2

:膝关节屈伸运动所需力矩

[2]

遥

3机械结构设计

根据上述力学分析袁外骨骼机器人的机械结构可以看作是

由一系列连杆通过旋转关节渊或移动关节冤连接起来的开式运

动链袁一般机械设计主要是强度设计袁外骨骼机械设计既要满

足强度要求袁还要考虑刚度和精度设计袁与一般机械相比袁机器

人的机械设计在结构的紧凑性尧灵巧性等方面有更高的要求

[3]

遥

本项目的机械设计结构如图5所示院

图4D-H坐标模型

经推导可得院

D-H法是利用基本齐次变换矩阵表示两个相邻杆件位置

关系的一种常用的运动学分析方法袁用矩阵表示机器人运动参

渊1冤结构简图

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图6驱动控制结构图

制遥蹲起模式可以帮助实现人体本身的一个下肢运动袁控制人

的下肢做蹲下起立的动作袁当模式切换到蹲起模式的时候袁电

机会驱动人体下肢进行蹲起袁使人体的腿部神经进行运动遥当

模式切换到攀爬模式时袁机器人可推动腿部进行向上抬起袁穿

戴者可以正常上下楼梯袁对于一些登山运动员也可以达到助力

的效果遥目前设定了以上三种模式袁后期根据不同需要的病人袁

可以根据所需设定的康复训练系统遥使下肢辅助外骨骼机器人

最大程度上达到服务于人的目的

[4]

遥

6创新与总结

下肢辅助外骨骼机器人的机械外形设计袁采用了韧度好尧重

量轻的铬合金袁相较于美国的野XOS要外骨骼机器人冶有更灵活

轻便的机械本体袁电动推杆带动机械杆件运动袁不会有以液动

气动为动力源的外骨骼机器人所产生巨大噪音遥相较于

野LOPES-悬挂式康复机器系统冶袁下肢辅助外骨骼机器人采用

500N和200N推力的电动推杆作用在机械杆件上袁在不用复杂

且笨重的气动尧液动动力装置的同时,提供主动力辅助穿戴者独

立行走袁还可依靠外骨骼机器人负重行走遥推杆式的电机设计

相比于行星减速机的扭矩力电机本设备成本低袁实用性强袁更

加符合大众的消费水平袁有利于该设备的推广遥

参考文献

[1]李龙飞袁朱凌云袁苟向锋.可穿戴下肢外骨骼康复机器人研究

现状与发展趋势[J].医疗卫生装备,2019(12):89-97.

[2]王强.可穿戴下肢外骨骼康复机器人机械设计与研究[D].成

都院电子科技大学,2014.

[3]贾丙琪袁毕文龙袁魏笑袁徐国鑫袁赵彦峻.一种多功能下肢外骨

骼机器人的设计与仿真分析[J].机械传动,2021(1):59-64.

[4]糜思尧.外骨骼式老年人辅助行走装置设计研究[J].工业设计,

2016(6):109+111.

(2)测试实物图

标记说明院1大腿支杆2小腿支杆3脚板4髋关节5膝关节6踝关节7

拉伸弹簧8固定环9长度调节槽10踝关节锁死孔11第一电动推杆12曲

杆13第二电动推杆14髋支架15连接板16装载板17夹层18腰围板19

肩带支架20肩带21腰带22裆部兜带遥

图5

4驱动与控制设计

本外骨骼机器人的驱动系统采用的是直流推杆电机袁考虑

到髋关节与膝关节运动时角速度与负载的不同袁髋关节驱动的

电机推力为院500N速度为院40MM/S行程院100MM曰膝关节驱动

的电机推力为院200N速度为院80MM/S行程院100MM遥质量推杆

电机驱动模块模块支持电压范围7-24V袁具有欠压保护功能遥双

路电机接口袁每路额定输出电流7A曰瞬间峰值电流可达50A遥

每路都支持三线控制调速尧正反转及刹车遥控制信号使用灌电

流驱动方式袁支持绝大多数单片机直接驱动并使用光耦对全部

控制信号进行隔离袁避免电机动作时的回流电流对控制信号造

成干扰遥模块具有静电泄放回路袁避免了因静电造成危险遥本项

目控制器选用Arduino开源平台袁Arduino可以接收来自各种传

感器的输入信号从而检测出运行环境袁并通过控制光源袁电机

以及其他驱动器来影响其周围环境遥项目驱动和控制结构图如

6所示遥控制逻辑如表1遥其中0为低电平尧1为高平尧×为任意

电平袁悬空时为低电平遥

表1推杆控制逻辑

控制反馈采三轴加速度传感器MMA7361芯片袁在姿态控

制之外还可用于外骨骼跌倒检测尧倾斜度测量等场合袁在本机

械外骨骼机器人设计中起到检测平衡的作用遥

5应用模式

本设计可进行三种模式转换袁通过手动控制端进行行走模

式尧蹲起模式和攀爬模式三者之间的不同模式切换遥

行走模式是可以帮助穿戴者步行助力袁可以达到腿部神经

肌肉的训练袁机器人可以通过传感器系统进行人体步态的控