王長劍，趙一平

(淮北師范大學 體育學院，安徽 淮北 235000)

體育運動強度的增大有時候會導致人體機能損傷，尤其是競技性非常強的運動，如短跑、足球等，極易發(fā)生運動損傷，尤其是下肢的損傷.下肢外骨骼機器人是一種模擬人體下肢運動的機器人，可以設計好程序助力恢復期的運動員進行恢復性的練習及生活，會幫助運動員進行傷后康復.

下肢外骨骼機器人是一種可以供人穿戴，對人體起到保護、保溫的作用或是仿制人體結構構造來完成的機械裝置.下肢外骨骼機器人通過模仿人體的行走過程，提前調試機器人的運動狀態(tài)響應，使其完全符合人體的行走軌跡.在未來，它們不僅將在運動康復領域有良好的發(fā)展，而且在生物學等領域具有廣闊的發(fā)展前景.

下肢外骨骼機器人最早由國外研發(fā)生產，被用來輔助人體傷后的康復，它能夠在短期內提高人的運動機能以及突破人體某些運動極限，因此許多國家對其研發(fā)給予高度重視.外骨骼機器人最早主要是為了增強體能從而提高單兵的作戰(zhàn)能力.在21世紀初，世界上許多國家都加大推進軍事機器人研發(fā)，主要目的是為了提升國家的軍事力量.下肢外骨骼機器人又被用于醫(yī)療康復領域，如荷蘭科學家設計的LOPES機器人，瑞士研制的LOKOMAT機器人，以色列設計的Rewalk機器人，都可以用來幫助腿腳不便的人行走和促進治療后病人的康復，甚至可以讓癱瘓的病人重新站立行走.鑒于其重要的實用價值，世界上很多國家和地區(qū)開始全面研究下肢外骨骼機器人技術.

我國從20世紀70年代開始研究，研究機構主要在一些知名高校.1981年中國人工智能學會的成立，標志著我國下肢外骨骼機器人的研究走向正軌.我國科學家經過40年的艱苦奮斗，目前我國在下肢外骨骼機器人領域的研究水平正在向世界領先國家追趕.2006年，清華大學開始對下肢外骨骼機器人進行研究，設計了一種安裝驅動電機的下肢外骨骼設備；浙江大學設計了一種采用模糊神經網絡算法等控制的下肢外骨骼機器人來幫助下肢受損的患者進行康復；電子科技大學設計了一種通過采集人大腦的信息來控制行走的下肢外骨骼機器人；2018年3月，由西北機電工程研究所研制的一款軍民兩用“星云外骨骼助力系統(tǒng)”在中國某兵器工業(yè)集團展出，此款外骨骼系統(tǒng)屬于中國最新一代外骨骼系統(tǒng)，相較于第一代傳統(tǒng)外骨骼系統(tǒng)，這款外骨骼系統(tǒng)結構十分精簡，裝備到人體上，感覺就像一個輕背包，去掉沉重的金屬骨架后，使其更貼近于實戰(zhàn)應用.

近年來，針對下肢外骨骼機器人的研發(fā)已經取得了很大的成就，主要是仿PD關節(jié)控制和魯棒自適應控制，由于這些方法都存在一定的局限性.因此設計一種新型的、更加穩(wěn)定的下肢外骨骼機器人控制系統(tǒng)有很強的實用性和研究價值.

1 下肢外骨骼機器人的發(fā)展趨勢

目前，下肢外骨骼機器人存在著驅動效率低、體積大、協(xié)調性差等問題.隨著科學技術的不斷發(fā)展和機器人研發(fā)技術水平的不斷提高，下肢外骨骼機器人的發(fā)展將會更加全面、智能化、輕便和易穿戴，更高效、更可靠、更安全、更穩(wěn)定，功能也將多樣化.

由于下肢外骨骼機器人是多種技術的綜合和集成，目前也僅僅在實驗的初級階段，其穩(wěn)定性還有待提高，此外，下肢外骨骼康復機器人技術還尚未成熟，還沒有廣泛應用于普通人的生產生活中，這也是下肢外骨骼機器人售價昂貴和使用者少的原因之一.加強對下肢外骨骼技術的改進是未來研究的熱點,此項目的研發(fā)會給老百姓帶來實實在在的福音.

1.1 下肢外骨骼機器人的未來發(fā)展趨勢

1) 良好的團隊合作

充分發(fā)揮團隊智慧,在未來，高度智能的類人機器人應該也有能力相互合作.

2) 結構輕巧

由于下肢外骨骼機器人是可以穿戴的結構，因此要考慮穿戴者的舒適度，要設計的輕巧、方便、舒適，做到穿戴方便、綠色環(huán)保，盡量減少能源的使用.

3) 相互干擾性小

主要從解決對人體各個方面限制的角度去考慮.應該加大減少人與下肢外骨骼機器人的正面接觸，減少人機互相干擾.

4) 低成本

成本要盡可能低，功能要全面，滿足廣大運動員的需求.

5) 更加智能化和擬人化

由于下肢外骨骼機器人的任務是完成人在某些特殊情況下不能完成的任務，因此其在結構上更加擬人化，隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展，下肢外骨骼機器人將會更加智能化.

2 人體步行下肢各關節(jié)的運動學規(guī)律分析

2.1 分析目的

要了解下肢外骨骼機器人的運動規(guī)律，必須要先了解人的步態(tài)信息.外骨骼機器人本質上依賴于關節(jié)坐標值(即關節(jié)轉角值)的變化.例如，預先記錄教學機器人各位置關節(jié)的轉角，當任務結束時，控制器給出每個關節(jié)的旋轉角度來記錄數據，使機器人能夠按照預定的位置和定位姿態(tài)有序地完成運動.

2.2 步態(tài)分析系統(tǒng)

本文采用Cortex軟件和三維紅外被動式光學動作捕捉系統(tǒng)對人體的步態(tài)數據進行采集.首先將兩個位置傳感器分別置于人體下肢的髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)上，通過模擬信號的形式將采集到的部分信息實時發(fā)送出去，然后進行模數轉換，將傳感器中人體的運動信息傳輸給計算機，按照接收到的信號計算運動過程中的參數.該方法速度較快,精度很高,但也有一些缺陷,對人在行走過程中步行速度的要求相對嚴格,必須放慢速度,收集的數據也可能會丟失,需要修復的后期獲得理想的步態(tài)信息,傳感器的位置安放也比較麻煩.由于場地的局限性和相機位置改變可能出現(xiàn)擾動、熒光點的抖動與衣物的遮擋人體步行速度不易控制，導致MATLAB最后成型圖像較為雜亂，鋸齒較多，因此采用最小二乘濾波法進行處理，使成像曲線顯得更為圓滑，方便后期實驗的進行.

3 動力學分析與建模

機器人的控制問題是研究下肢外骨骼機器人的主要問題.根據建立的動力學模型和其動態(tài)特性，選擇合適的控制器讓下肢外骨骼機器人的關節(jié)變量可以跟隨期望軌跡，并通過仿真驗證可行性.

研究關節(jié)機器人動力學的主要方法有拉格朗日分析力學方法、牛頓-歐拉公式等.由于拉格朗日方法的概念簡單，可以在參考坐標系的系統(tǒng)模式下獨立推進，指導運動方程，因此本文使用拉格朗日公式.

3.1 拉格朗日方程

拉格朗日函數L被定義為系統(tǒng)動能K和勢能P之差，如下所示：

L=K-P

(1)

3.2 下肢外骨骼機器人連桿系統(tǒng)拉格朗日方程

人體下肢可以等效為下圖所示的一個二連桿模型：

圖1 二連桿等效圖

設大腿長度為L1，質量為m1，小腿長度和質量為L2,m2；θ1,θ2分別表示髖關節(jié)和膝關節(jié)旋轉的角度，質心C1(x1,y1),C2(x2,y2)，質心距離O的距離分別為d1,d2

則

x1=d1cosθ1

(2)

y1=d1sinθ1

(3)

x2=L1cosθ1+d2cos(θ1+θ2)

(4)

y2=L1sinθ1+d2sin(θ1+θ2)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Ek=Ek1+Ek2

(10)

(11)

(12)

Ep=Ep1+Ep2

(13)

又拉格朗日函數的表達式為：

L=Ek-Ep

(14)

拉格朗日方程定義為：

(15)

由以上式子得：

=m1gd1cosθ1

(16)

(17)

簡化后，動力學矩陣方程為：

(18)

3.3 外骨骼機構與人體協(xié)同的仿真驗證

圖2 魯棒自適應控制框圖

圖3 關節(jié)角度跟蹤曲線 圖4 關節(jié)角速度跟蹤曲線

通過建立的拉格朗日方程，可以為我們接下來選取控制器做準備，基于建立的動力學模型，本文設計了一種魯棒自適應控制與PD控制結合的控制器，并進行了仿真.

4.3.1 仿真實例

根據建立的動力學模型及下肢外骨骼機器人的動態(tài)特性，本文采用了一種魯棒自適應控制與PD控制相結合的魯棒自適應PD控制，并在MATLAB環(huán)境中對其進行仿真，見圖2～4.

由仿真可以看出，采用魯棒PD自適應控制的下肢外骨骼模型的角速度和關節(jié)角度與預期相當接近，證明了本文設計的模型在運動員下肢損傷康復中的應用是可行的.

4 總結

本文主要針對運動員下肢受傷后康復的問題提出了一種將正常人的步態(tài)作為輸入的運動康復機器人康復訓練方法.通過使用 CORTEX 軟件跟三維紅外被動式光學動作捕捉系統(tǒng)組合,捕捉受試者走動時動作數據采集、分析，實現(xiàn)對人體步態(tài)的三維分析.本文首先分析人體的運動過程，然后利用三維紅外光學被動式運動捕捉器采集人體步態(tài)數據，再對其進行運動學分析，掌握其運動學規(guī)律，并對其進行動力學建模進行了仿真.

1)了解目前該問題的研究重點和難點.本文對國內外主要科研機構和高校外骨骼機器人的研究進展進行了調查分析，明確了下肢外骨骼機器人的主要研究內容和需要解決的問題，并設計了研究方案.

2)采集了多組人體步態(tài)數據，利用MATLAB軟件對步態(tài)原始數據進行最小二乘法濾波，繪制并分析了人體各關節(jié)在行走過程中的動態(tài)曲線.

3)分析下肢外骨骼機器人的結構與機理，并用拉格朗日法對下肢外骨骼建立動力學模型，為后續(xù)的控制器設計做準備.

4)通過仿真實驗證明了本文設計的采用魯棒自適應PD控制的下肢外骨骼機器人對運動員損傷后的康復是非常有幫助的.