1 引言

　　可穿戴型下肢助力機器人是輔助型康復機器人的一種，是一種幫助人們擴展下肢運動能力的助力裝置，其基本原理是在基于人體運動行為意識信息的基礎上，由安裝在腿部關節(jié)（髖關節(jié)及膝關節(jié)）處的伺服電機驅(qū)動關節(jié)運動，通過各關節(jié)角度、速度值的改變來達到與人體腿部的協(xié)調(diào)運動并提供助力，降低人在負重或長時間行走情況下的運動強度，對那些有異樣運動行為的人提供治療和矯形，與人體組成了一個協(xié)調(diào)而且完美的整體。
?????? 目前，世界上大約有10余家實驗室從事可穿戴型人體助力機器人的研究，其中日本和美國走在前列，國內(nèi)尚未見相關報道。日本筑波大學（Tsukuba University）在2002年研制開發(fā)了機器人裝混合助力腿（hyhrid assis-tive limb，HAL），機械外骨骼綁縛在人腿的兩側，利用貼在腿部皮膚上的EMG傳感器檢測肌肉的電流，控制電動馬達驅(qū)動機械外骨骼運動以輔助腿部的動作。美國加州大學伯克利分校機器人和人體工程實驗室研制出美軍“伯克利下肢外骨骼”（Berkeley lower extremity exoskeleton， BLE-EX），由背包式外架、金屬腿及相應的液壓驅(qū)動設備組成，機械系統(tǒng)采用了與類人形結構相似的設計，背包式外架能夠使操縱者攜帶一定載荷，其有效作用力不經(jīng)過穿戴者而直接經(jīng)由外骨骼傳至地面。下肢外骨骼能夠攜帶外部負載和自身的重量（包括操縱者的重量）在崎嶇路面遠距離行走，能使帶有全副武裝的士兵增強負重能力和提高行軍速度。然而上述裝置存在著共同的缺點，由于肌電傳感器是根據(jù)肌肉活動時皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏?a target="_blank">信號或肌肉的軟硬程度來推斷人的行為意識，導致所采用的大部分傳感器要與人體肌膚直接接觸并粘貼在肌膚上，需要特別的固定裝置，這樣直接導致穿戴上的不便;人體分泌的汗液、傳感器安裝的好壞等將影響所獲取信息的穩(wěn)定與準確性，而且信息量大而復雜，易受干擾，從而使控制難度加大。因此，本文設計一種新型的可穿戴型下肢助力機器人感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于獲取人體下肢和機器人外骨骼之間的接觸力，利用這些力信息和關節(jié)角度信息控制機器人外骨骼以實現(xiàn)對人體下肢運動的助力。

　　2 助力機器人系統(tǒng)

　　可穿戴型下肢助力機器人主要由機械、傳感和控制三大部分組成。機器人外骨架包含12個自由度，每只腿有6個自由度，髖關節(jié)包含3個自由度，膝關節(jié)、踝關節(jié)和腳底各包含1個自由度，該設計要求不僅符合以往的擬人機器人行走機構的設計要求，又達到與人體腿部運動相協(xié)調(diào)、互不產(chǎn)生運動干涉的設計要求，如圖 1所示。

　　執(zhí)行部分主要指直流伺服電機，該系統(tǒng)需要4個，它們分別固定在兩腿髖關節(jié)和膝關節(jié)上。可穿戴型下肢助力機器人控制系統(tǒng)主要采用PC104嵌入式控制系統(tǒng)板和PC104CAN卡，整個系統(tǒng)的控制結構見圖2。