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1、第7章柔性外骨骼机器人柔性外骨骼机器人与传统增力型机器人相比，具有高度的柔顺性和安全性，因而成为 外骨骼机器人研究方面的热点。为了实现柔性外骨骼机器人的“柔性”，就必需从机械结构和控制策略两方面出发，提高操作者的舒适性。i机械结构设计为确保柔性外骨骼在操作的舒适性和安全性，柔性外骨骼与人的接触位置应选择人体上 承压能力较好的区域以及不影响关节运动的区域。同时可以通过采用小质量/惯量运动零件、柔性关节、安全限位等安全设计方法，减少意外碰撞过程中外骨骼对人的冲击力。并且通过对意外碰撞过程中外骨骼对人的冲击力与人的安全临界冲击力之间比较，可以对柔性外骨骼人机智能技术的安全性能进行评价。首先，柔性外骨
2、骼系统的设计必须充分考虑柔性外骨骼与人的作用方式。在体现仿生学 和人机工程学的基础上，尽量采用拟人化的设计手段。这一点不仅应该体现在具体的结构设 计上,而且还要体现在目标功能的实现上。一方面，柔性外骨骼系统的结构应该尽可能的模拟 真实的人体运动关节，特别是在各个关节位置的布置和自由度的分配上，尽可能地满足人体关节全范围活动的要求；另一方面，外骨骼上驱动元件的布置也要参考人体运动关节中代表性肌 肉的分布，从而模拟人体关节运动过程中这些肌肉的相应功能。同时，驱动元件和传感器件的数量也要尽可能少，以达到增加系统鲁棒性和降低系统成本的目的。只有在满足这些条件的 前提下，所设计的柔性外骨骼系统才有可能和
3、操作者协调运动且保证两者之间的相互干涉最 小。其次，柔性外骨骼系统的机械结构应该具有长度可调节性，即身材兼容性。由于不同的人的身材不同，即有高矮胖瘦之差，相应地，其肢体的几何尺寸也不尽相同，因此，所设计的柔性外 骨骼系统的尺寸应该允许在一定范围内可以进行调节，从而可以满足大多数人的使用要求，使其适用面更广。再次，柔性外骨骼系统应该具有坚固、耐用、轻巧、便携的特点。柔性外骨骼系统在使 用过程中，其机械结构不仅要能承载柔性外骨骼系统自身和穿戴者的重量，而且能够承受外界较大的刚性冲击，因此机械结构必须具有足够的刚度。除此之外，对于能源“自给式”的柔性外骨骼系统，除了需要携带各种常规的仪器和工具之外，
4、还需要随身携带其自身必须的能量供 给系统和控制系统，所以要求柔性外骨骼系统的结构在满足刚度要求的情况下要尽可能的轻，提高携带有效载荷的能力。第四，柔性外骨骼系统必须安全可靠，应保证系统无论在正常和故障情况下，均能很好地 保证穿戴者的人身安全。系统需要采用可靠性设计，在主要运动关节设置安全防护。另外，要求所用材料无腐蚀性、无毒。应考虑柔性外骨骼具有一定的散热性能和抗辐射能力以及绝性 能。2控制策略开发人机交互控制是柔性外骨骼人机智能系统中体现人机智能揭合的重要组成部分，为此需要人和柔性外骨骼在相互平等的条件下实现感知层中人机信息感知、交互与融合，决策层人机协调控制决策以及执行层人机交互动作。根据
5、下肢外骨骼不同的使用情况 ，设计被动控制、半主动控制以及主动控制三种康复训练控制策略。A. 被动控制策略被动控制策略是下肢康复训练外骨骼所采用的一套基本控制策略阵。浙江大学博士学 位论文柔性外骨骼智能控制方法研究患者完全由外骨骼带动，根据程序规划的步态运动进行被动的步行训练。显然，从整个系统角度而言，被动步态位置控制模式是一种开环的控制策略 上位机根据事先设定并选择的步态曲线将步态数据下发给下位机，实时地显示下位机反馈回来的关节位置、运动速度、加速度等信息，但并不将这些信息作为反馈，干预下位机对关节位置的控制。而下位机处于位置控制环中，通过运动信息的反馈与对应的关节电机构成闭环控制。B. 半主
6、动控制策略针对被动控制策略中步态轨迹非柔性规划的缺点，我们提出了半主动控制策略。这种训练模式通过安装在下肢外骨骼各个运动关节上的力传感器实际获取的关节驱动力矩信息与 5杆模型的仿真计算所获得关节驱动力矩的比较，判别患者对于前期标准步态曲线的排斥程度。经过一套基于模糊控制的判别比较算法，逐步地根据排斥程度定量地对前期的标准步态曲线进行修正，使其逐步与患者所习惯的步态曲线更为吻合。显然，与前面所描述的被动控制策略相比，半主动控制策略中增加了人机系统5杆运动学动力学模型以及步态修正算法两个环节。C. 主动控制策略随着康复训练的进行，卒中和偏瘫患者下肢肌肉力量及神经功能逐步恢复，康复训练的方式也可逐步
7、地由被动或是半主动控制策略转为主动控制策略。在主动控制策略中，不再由下肢外骨骼主动提供康复训练轨迹患者被动执行，而是根据患者的主动运动趋势来进行自主的控制。外骨骼在此过程中只是跟随患者下肢的运动趋势，根据设定的百分比提供患者运动所需的关节力矩，起到助力作用。主动控制系统的反馈包含了下肢外骨骼运动物理量和患者生理数据两部分。通过下肢 外骨骼上的运动传感器获得人体下肢的运动状态，作为闭环控制反馈输入到人机系统5杆模型，通过动力学逆解求得带动患者所需的关节驱动力矩Tn:od。比例系数K(O<:K<I)可以根据设定值进行调整驱动力矩的比例。另一方面通过对患者生理数据进行监测和分析，包括EM
8、G、EEG和ICo等，提取患者运动的生理信号，对患者的运动趋势作出预测。通过感知层的数据融合模糊神经网络算法将这些反馈信号进行统一处理，产生相应的下肢外骨骼运动步态轨迹曲线。综上所述，被动控制策略的优点是简单可靠，控制精度高，但由于只能跟随指定的运动轨 迹训练，忽略了每个人行走习惯上的差异，很大程度上限制了病人的自主能力，不利于病人的逐步恢复，因此，该策略仅适用于早期的康复训练或者较严重的病情。半主动控制策略给下肢外骨骼的控制增加了柔性，病人再也不必强迫性跟随某一个所谓标准步态轨迹。然而由于参考轨迹没有改变，病人仍然在训练期间感受到阻力，容易引起疲劳。主动控制策略则对系统提出了更高要求。在这一
9、策略中下肢外骨骼不再作为运动的主 导者，而是帮患者承担独立行走所需的部分动力。3.柔性机械机构A缓冲机构注意到人在步行过程中，人体躯干在竖直方向上有微小的移动，因此在下肢外骨骼中设计了弹簧缓冲机构，能够顺应人体躯干在竖直方向上的位置变化。同时弹簧缓冲机构也承担 了下肢外骨骼的重量，因而无需患者在康复训练时承受下肢外骨骼的重量B安全机构在生理上，人体髓关节和膝关节的活动范围是有限制的，因此，外骨骼的髓膝关节在工作时应与人体关节的活动范围保持一致，最大的活动范围不应过多超出步行活动的范围，以避免由于误操作或系统故障造成使用者的不适，甚至伤害。在下肢外骨骼系统中，主要通过机械、电气的硬限位以及软件限位三重措施来保证患者进行训练时的安全。