下肢外骨骼机器人人机约束模型建立及分析

段启超，赫东峰，刘波，张君安

(西安工业大学 机电工程学院，陕西 西安710021)

    设计了一种下肢助力外骨骼机器人，建立了人体下肢与外骨骼机器人的人机系统模型，提出两种人机约束方案，并建立了D-H坐标系，根据同一约束点在不同坐标系变换后相对于原点距离不变的原理，建立了各人机约束方案的约束方程，从理论上分析了下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随效果。分析结果表明，通过这种方法可以得到不同约束情况下下肢外骨骼机器人对人体运动的跟随情况，合理设计人机约束方案，能够实现下肢外骨骼机器人对人体运动的同步跟随。

    外骨骼机器人是一种可以让人直接穿戴的动力机械智能设备,它将人的智能与机器人的“体力”结合在一起,以人的智力控制为主导,结合机器人的动力设备来增强人体的防御、行走、负重等生理机能,进而提高使用者的作业能力［1］。其中下肢助行外骨骼机器人用于辅助正常人的行走、跑步、登山等运动，提高人们行走的能力和速度，缓解人在大负重和长时间行走的情况下极易出现的疲劳感。因此，下肢外骨骼机器人在军事、科考、旅游、交通、救灾等各方面，具有广泛的应用前景［2］。

    人体外骨骼机器人作为一种可穿戴型机构，人与机构之间的相互作用尤为重要，目前对于人机约束的研究还比较缺乏。人机约束设计直接影响穿戴舒适性和运动特性。人机约束指的是穿戴的连接模型，是关联人机运动的重要形式。若人机约束机构选取合理，可以使人机系统运动协调，保证穿戴紧凑。约束选取不合理会造〖HJ*5/9〗成对应运动的失效，例如：约束过度，人机运动会出现干涉；约束不足，运动中人机对应运动副偏移而使人机不协调，运动难以预测［3-4］。人机约束的选取要求是，在保证机构可运动的前提下，使人体骨骼运动较好地跟随外骨骼机构运动。

1助力外骨骼机器人机构设计

    本文设计的人体外骨骼机器人共有6个自由度，其中髋关节具有3个自由度，分别为髋关节的屈伸、内摆外摆、内旋外旋，膝关节具有1个屈伸自由度，踝关节具有屈伸与内摆外摆2个自由度。髋关节的屈伸与膝关节的屈伸为主动自由度，由液压缸控制运动，其余4个自由度为被动关节［5］。总体机构设计方案和三维模型如图1所示。

图1下肢外骨骼机器人机构设计

2约束方案

    人机系统简图如图2所示。

    图中A、B、C分别代表了人体髋关节、膝关节与踝关节，其中髋关节与踝关节简化为球轴，膝关节简化为一个转动副。D、E、F、G、H、I分别代表外骨骼机器人的髋关节内摆外摆、屈伸、内旋外旋关节、膝关节屈伸关节、踝关节内旋外旋和屈伸关节......

作者简介:段启超（1987—），男，陕西西安人，西安工业大学硕士研究生，主要研究方向为机械制造及其自动化。
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