下肢外骨骼机器人步态检测系统的设计

柴 虎，侍才洪，陈 炜，张西正

（1. 南方医科大学 生物医学工程学院，广州 510515；2. 军事医学科学院 卫生装备研究所，天津 300161；3. 天津理工大学 机械工程学院，天津 300184；4. 军事交通学院 军事物流系，天津 300161）

0 引言

外骨骼机器人是一种结合了人的智力和机器人动力的人机一体化可穿戴智能装置，能够辅助或增强人体的生理机能，如防御、行走、负重等，提高使用者的作业能力。外骨骼机器人是一门新兴的机器人技术，已经成为国际上研究热点之一。外骨骼机器人技术可以应用于军事、医疗、旅游、救灾等众多领域，有着很好的应用前景，因此许多国家开展外骨骼机器人技术的研究工作，并成功研制出外骨骼机器人。例如美国伯克利大学的BLEXX系列下肢外骨骼机器人、洛克希德公司的HULC外骨骼、美国雷神公司的XOS系列外骨骼、日本筑波大学研制的HAL系列商业外骨骼等[1,2]。

外骨骼机器人系统中，人是控制中心，外骨骼控制器利用置于人体和外骨骼机器人上的压力传感器、倾角传感器、力矩传感器、肌电传感器、加速度传感器、编码器等检测元件来获取人体及外骨骼机器人的运动信息，计算出各个关节运动所需力矩大小，进而控制相应部位的驱动模块工作，同时控制器对人体和外骨骼的运动状况进行比较分析，形成反馈量，从而确保外骨骼能够快速精确地响应人体动作[3]。其中人体的运动信息是外骨骼系统的运动的基础信号，因此，在外骨骼系统中对人体运动信号进行采集的系统十分重要。

这里针对下肢外骨骼机器人系统中的人体，以单片机C8051F040为处理核心，利用压力传感器和倾角传感器，设计了一款下肢外骨骼系统中人体行走运动信息的检测系统，用于检测人体行走中足底压力和下肢各个关节运动角度变化，识别当前人体行走步态，为下肢外骨骼机器人的行走控制提供实验平台和理论基础。

1 人体行走步态周期及划分

人体在正常行走时，一个步态周期可定义为从一侧脚跟着地起到同侧脚跟再次着地结束，其中每条腿可分为支撑相和摆动相。支撑相指一条腿的脚跟着地到该侧腿的脚尖离地的这段时间，即足部与地面接触的时间，约占整个步态周期的60%；摆动相指一条腿的脚尖离地到该侧腿脚跟着地这段时间，即足部离开地面的时间，约占整个步态周期的40%。人体行走步态周期的划分对下肢外骨骼机器人行走控制系统的设计有着重要的意义，这里将人体正常行走步态周期划分为四个部分：1）右单支撑；2）右双支撑；3）左单支撑；4）左双支撑，其中双腿支撑状态时间很短，约占别为左脚第一趾骨部位、第五趾骨部位和左脚跟部位处的压力传感器压力值变化变量；right_1、right _2和right _3分别为右脚第一趾骨部位、第五趾骨部位和右脚跟部位处的压力传感器压力值变化变量。在表中1～6列中，变量输出‘0’表示压力值减小；‘1’表示压力值增大；‘Nu ll’表示该部位压力值无明显变化。第7列中，‘leg_angle’代表左髋关节与右髋关节运动状态，‘1’表示左大腿在右大腿前方或处于两腿平行；‘0’表示左大腿在右大腿后方。Gait变量为当前程序检测步态的返回编码值；第9列为各个编码代表的行走步态。

表2 步态识别程序运行结果

4 结束语

文中针对下肢外骨骼机器人系统中的人，设计了一种人体运动信号实时检测系统。该系统以微处理器C8051F040为中心，通过分析处理人体行走中脚底压力和关节角度信号变化，确定当前人体行走状态。通过试验证明该系统可以实时检测到人体行走中体行走中脚底压力和关节角度信息，并能识别人体当前行走步态，为下肢外骨骼机器人行走控制系统分析设计提供参考，进而为今后下肢外骨骼机器人的研究打下基础。

[1] 张佳帆,陈鹰,杨灿军.柔性外骨骼人机智能系统[M].北京:科学出版社,2011:11-20.

[2] 李会营,王惠源,张鹏军,赵鑫,李传才.外骨骼机器人发展趋势研究[J].机械工程师,2011,(8):9-10.

[3] 杨智勇,张静,归丽华,张远山,杨秀霞.外骨骼机器人控制方法综述[J].海军航空工程学院学报,2009,24(5):520-526.

[4] I.P.I.Pappas,M.R.Popovic,T.Keller,et al.A reliable gait phase detection system[J].IEEE Transactions on Neural System s and Rehabilitation Engineering,2001,9(2):113-125.

[5] 曹恒,孟宪伟,凌正阳,秦颖颀,贺成坤.两足外骨骼机器人足底压力测量系统[J].传感技术学报,2010,23(3):326-330.

[6] 曹恒,贺成坤,孟宪伟,凌正阳.下肢外骨骼服传感靴的结构优化分析[J].工程设计学报,2010,17(1):35-40.

[7] 张培仁,孙力.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2009:7-61.