作品名稱：下肢助力外骨骼機器人
學校名稱：運城學院
參賽隊伍：陌上花開
參賽學生：劉嘉華 張政陽 賈鵬程
指導老師：王新海
隨著世界范圍的人口老齡化問題，醫療康復問題以及全球地質災害頻發等，各應用領域對外骨骼助力機器人的·研究都日趨迫切和深入。下肢外骨骼機器人是一種供人穿戴的人機一體化機械裝置，通過機器人提供動力以增強人體機能，非常適合助老助殘或輔助重體力勞動者的日常作業；還可以作為一個子系統被應用于多個領域，如地質救援系統、單兵作戰系統、極地科考系統等。我國是世界上地質災害最嚴重的國家之一，地震瞬間破壞的橋梁、道路、建筑物等，嚴重阻礙了救援儀器和物資的運輸。研制一種復雜路面環境下，輔助救援人員背負相關設備長途行走的可穿戴式下肢外骨骼，具有重要的研究價值和現實意義。目前國內外雖然已存在下肢外骨骼機器人樣機，但具有大負載能力，能夠適應野外復雜地形的研究成果相對較少；相應的機器人設計方法、人機交互方法及人機協調運動控制方法等，還有待更深入的研究。為了設計出能夠與人體下肢運動相協調的外骨骼構架，首先結合具體的功能需求，確立了人機運動學同構的擬人化設計理念。通過人體下肢生理學結構及行走機制分析，結合相關CGA數據，初步確定了擬人化的下肢主力外骨骼機器人的關節轉動范圍 ，在此基礎上，多種下肢外骨骼機器人的擬人化構型設計方案，通過對比分析選擇了相對較優的設計方案，為下一步的外骨骼機器人的結構設計奠定基礎。在仿生構型設計的基礎上，分別針對“準擬人化”和“完全擬人化”倆種相對較優的方案進行具體的結構設計，綜合比較最終選擇了重量更輕、包絡尺寸更加緊湊的“準擬人化”外骨骼結構。設計的外骨骼樣機總重43kg，其中電源模塊4.5kg。折疊后的包絡尺寸為86.5*50*36.5cm，可以更方便的放入拉箱內。機器人結構本體包括軀干部分、大小腿部分，以及具有多種傳感檢測功能的外骨骼傳感靴。其中，在后背和腳底設計有六維力傳感器進行人機交互力檢測。對于髖、膝關節主動驅動單元的設計，采用模塊化的設計方法，并具有較大的輸出扭矩，以滿足大負載下的助力需求。機器人的電氣系統包括分層的控制硬件體系結構，以及通信系統和能源系統。下肢助力外骨骼機器人具有時變的拓撲幾何結構，并且含有大量的被動多余關節，給機器人的運動學和動力學分析帶來極大挑戰。我們總結人體下肢運動的特點，對其進行合理的簡化，建立了能夠表征下肢行走運動特點的矢狀面雙腿支持相、額狀面單腿支撐相、以及外骨骼雙腿騰空相共5種基本運動學形態，分別建立了相應的拉格朗日動力學方程，并進行了外骨骼不同運動構型判斷準則的設計，以及相互之間過度觸發機制的制定，為機器人的運動控制研究奠定基礎。 針對復雜地形中人體下肢運動的姿態多樣性和隨意性的特點，通過對外骨骼后背和腳底的人機交互力信息，以及關節角度、姿態、觸地狀態等信息進行綜合處理，進行人體下肢運動趨勢的辨識。采用基于人機后背和腳底交互力反饋的外骨骼直接力控制方法，進行運動學末端的零力跟蹤控制，實現了外骨骼負重條件下穩定連續的助力行走。從穿戴者的主觀感受和一些客觀的評價指標出發，建立多元化的評價體系，對外骨骼機器人的實際助力效果進行綜合評價。
首先，通過外骨骼的自主穿戴/脫卸測試、不同路面環境行走測試，以及復雜動作下的外骨骼協調運動能力測試，驗證 HIT-LEX 下肢助力外骨骼的穿戴舒適性和環境適應性；通過與人體自然行走步態的對比，分析穿戴下肢助力外骨骼后對人體行走步態的影響。
其次，客觀評價指標方面，進行了最大有效負載測試、人體實際負重感測試，以及外骨骼的自身能耗及續航能力測試。結果表明，外骨骼施加到人體后背的力遠小于背部負載的重力，說明外骨骼具有良好的助力效果；此外，外骨骼滿足最大負載 50kg、最大速度 5km/h、續航距離 5km、續航時間 2h 等設計指標。
