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下肢骨骼机器人在民用领域有非常广阔的市场，应用较为广泛，主要包括协助下肢瘫痪患者进行康复训练、为残障人士及老年人的日常生活提供辅助功能等。随着全球人口老龄化问题的日益严重，以及发达国家劳动力的缺失，欧美、日本等国，尤其是日本，对各种辅助机器人的研究表现出极大的兴趣。 美国Berkeley Bionics以HULC外骨骼模型为基础，开发了eLegs（Ekso）外骨骼系统，于2011年应用于部分康复中心，可能在2013年上市销售。 以色列埃尔格医学技术公司机械长裤ReWalk的研发主要是希望瘫痪病人能够摆脱轮椅，像正常人一样行走。这套装置已于2011年开始在世界范围内发售。 日本筑波大学开发的HAL系列下肢运动辅助外骨骼，是目前研究较为成熟的下肢柔性外骨骼系统。该系统能探查到大脑传出的微弱的肌肉信号，进而控制肌肉运动。可以预见，在老龄化现象日趋严重的今天，这种助力机器人将拥有非常广阔的市场空间。基于这种需求，中科院集成所团队开发了这款下肢外骨骼机器人方案。 方案构架：本体 控制部分 传感 该项目的研究目标是研制能够辅助老人以及体弱者正常行走的穿戴式下肢外骨骼机器人样机，并且通过与医疗结构合作将其应用于下肢残障人士的康复工程。它主要分为机器人本体和控制部分，传感部分三大部分。 A.机器人本体： 如上图所示，下肢助行外骨骼机器人由2大部分组成，主体结构和辅助设备。主体结构为“穿戴”在人体身上的外骨骼机械结构。主体结构有6个关节，共具有10个自由度，其中膝关节和髋关节的前后运动是主动运动，由电机驱动，脚踝关节和髋关节的左右运动为被动运动。背部固定有控制装置以及电源系统。机器人整体结构紧凑轻巧，结构设计合理。 B.控制系统： 本项目的目标下肢外骨骼机器人将具备安全可靠的行走步态控制技术。首先通过放置于足底的压力传感器以及髋、膝关节的角加速度传感器，对机器人的步态稳态、动态进行精确的判断，然后通过额外的压力传感器，获取机器人与人体的相对状态，由于机器人与人体相当于两个相连的独立转动系统，我们需要采用阻抗控制来强化机器人对人体关节运动的增益作用，同时遏制机器人对人体关节运动的阻碍作用，最后，通过路径控制器实现机器人的轨迹跟踪，从而建立完整的闭环控制结构。 C.传感系统： 1.人体足底与外骨骼鞋底之间的压变电阻式压力传感器； 2.小腿与外骨骼之间的高灵敏度压力传感器； 3.膝关节角加速度传感器； 4.髋关节角加速度传感器。 方案功能 在下肢外骨骼机器人上实现以下主要功能： （a）通过对人体下肢运动特征的采集和分析，该机器人可以模拟人体的完整步态； （b）通过控制机器人关节处的伺服电机，结合符合人体工学的设计，实现对老人以及体弱者行走助力； （c）通过与医疗结构的合作，充分考虑医护人员与病患的需要，可以应用于下肢残障人士的康复训练； （d）在主体架构、控制算法等软硬件设计层面加入多重安全防护功能，建立包括危险预防和危险应急处理的综合安全保护策略； （e）通过智能拐杖等外部辅助设备，提高穿戴者的使用体验，并提供一个可扩展的平台，针对老人、体弱者及残障人士集成跌倒检测、危险报警、智能遥控等实用功能。 |
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