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[摘 要]外骨骼机器人是一门新兴起的机器人技术，是目前国内外研究的热点之一.外骨骼主要用于两类，一是用于助残用，用于给双腿有残疾的患者使用。另一类是用于加强个人能力用，比如用于战场的单兵作战，通过外骨骼来增强人的行走、负重能力。本文结合目前市面上已有的外骨骼控制系统，利用压力传感器、角度传感器、关节编码器等传感器，通过采集使用者的关节信息来进行步态信息的分析，为执行步态动作时程序的转换提供更为明确的信号。
[关键词]外骨骼；压力；步态
中图分类号：TH784 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
0 引言
伴隨着科技的不断发展，外骨骼在国内外的研究越来越多。外骨骼常用于帮助下肢残疾的患者行走或是用于给特殊工作的人使用，如搬运工等长期做强度较高工作的人或是士兵等，用于增强自身的能力。但是当前的外骨骼的控制系统，一般利用检测元件（肌电、脑电、位移）等来采集信号，但是这几种方法都存在一定的技术缺陷，比如脑电会影响使用者对其他动作的控制、肌电信号的要求条件高、硬件复杂程度高等，本文拟采用压力传感器，根据使用者在不同步伐时产生的不同肌肉压力信号来控制外骨骼。
1 人体步态分析
通过对人体行走过程的研究，可以对外骨骼系统提供必要的理论、数据依据。步态可以分为非常态步态和常态步态，当使用者穿戴的下肢外骨骼关节在电机的带动下抬高或放下时，如果这个动作并不是来自于使用者自己的主动动作，就被称作为非常态动作。步态是由人行走产生的，正常的行走通过人的髋关节、膝关节、踝关节以及足趾的连续动作组成。步态主要可以由行走動作、动作持续时间、步幅大小等组成。
常见的研究方法是用跟踪标记，通过记录正常人行走时，标记在空间位置的变化，形成正常人常态步伐的过程，包括正常人走路时，各个环节的步伐大小、步伐速度、步伐宽度、各个关节角度、人体倾斜程度以及人体脚底受力情况等。据观察发现，人体的步伐一般可以简单的分为双腿受力、单腿与脚趾骨受力、单腿受力、单腿与后跟受力、双腿受力，至此完成一套的单腿跨步的过程，当然这个过程可以再细分下去。而步伐大小、步伐速度、步伐宽度与每个人的身体体型、身心状况都有关系，不同的状态有不同的情况。
2 运动控制
虽然可以通过对人的运动分析确定人步态的过程，因为外骨骼服务对象的特殊性，在满足效率的同时必须保证使用者的安全以及舒适性。当人步行时，还必须要结合路况，比如底面高低不平、上下台阶等因素，必须要对外骨骼的系统控制程序给予一定的调整。使外骨骼能满足不同的使用环境，即在工作时必须要有一定的柔性。
2.1 控制方案研究
本文研究的外骨骼使用者是指有一定肌力，意识清楚的使用者。常见的外骨骼使用安全带将使用者的关键部位与外骨骼支架绑在一起，通过外骨骼上关节的转动，带动使用者关节的运动。外骨骼通常采用固定的非常态步态，但这并不适用于不同的路面以及不同体型的使用者的使用需要。
在各种不同的使用环境以及不同的体型的使用者，如果能捕捉到步伐的各个动作意图开始信号以及动作结束的反馈信号，就可以达到外骨骼控制系统快速、准确的反映，同时不会再受预设步伐无法适应不同外在条件问题的影响。因此我们设计了如下图1所示的控制方案。
2.2 外骨骼的控制系统
本文所描述的外骨骼控制系统的步伐控制信号输入由压敏传感器，角度传感器来输入。
角度传感器用于检测外骨骼角度。装在使用者上身与外骨骼固定的位置，通过确定上身的角度来确定使用者与外骨骼的倾斜程度，并实时传递到控制器。角度传感器如图2所示。
压敏传感器是将被测应变转变为一种电信号的敏感器件。用于安装在大腿和小腿上，当使用者的下肢进行步行动作时，大腿和小腿的肌肉会作出相应的动作，压敏传感器接收到动作将其传递到控制系统中。在步行动作时，受力腿足底上的足跟与脚趾骨起人体主要的承重作用，压敏传感器接收到动作将其传递到控制系统中去。压敏传感器如图3所示。
3 运动控制方式
如上文所述，人的步伐可以分为简单的分为双腿受力、单腿与腿趾骨受力、单腿受力、单腿与后跟受力、双腿受力。当使用者双腿受力时，足底上的足跟与脚趾骨承受身体的主要重力，因此在这个情况时，足底上的压敏传感器会反馈较大的压力，当使用者单腿用力，准备抬起一只脚的时候，首先大腿的肌肉会给在对应的压敏传感器一个压力信号，信号传递到控制器，使控制器根据输入的压力控制电机转速，驱动大腿的抬起。此时足底后跟先离地，因此后跟处压敏传感器值首先降低至0，到达单腿与腿趾骨受力这一步。根据这个方式可以控制和检测使用者整个步行过程。
由角度传感器实时传递到控制系统使用者当前角度，由控制器判断使用者是否会出现摔倒的意外等，若是出现使用者倾斜程度过大，外骨骼强制做出一些动作调整使用者的姿态，以防使用者摔倒，造成伤害。
4 结束语
本文介绍了一种外骨骼步态的控制系统组成。分析了人行走时的步伐组成，介绍了原有的步态控制缺少数据反馈，提出了一种具有多种信号输入的外骨骼控制系统，控制系统中包含了所使用的传感器，传感器安装位置以及动作意图识别以及识别后所执行动作的具体步骤。此控制系统相对来说实现简单，检测准确，适合不同的路面以及不同的使用者。
参考文献
[1] 王玉博.下肢步态康复训练机器人的设计与分析[D].燕山大学，2015.
[2] 王善杰.下肢可穿戴外骨骼机器人仿人机构设计与运动控制研究[D].合肥工业大学，2015.
[3] 柴虎.下肢外骨骼机器人跟随系统的研究[D].南方医科大学，2013.
[关键词]外骨骼；压力；步态
中图分类号：TH784 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
0 引言
伴隨着科技的不断发展，外骨骼在国内外的研究越来越多。外骨骼常用于帮助下肢残疾的患者行走或是用于给特殊工作的人使用，如搬运工等长期做强度较高工作的人或是士兵等，用于增强自身的能力。但是当前的外骨骼的控制系统，一般利用检测元件（肌电、脑电、位移）等来采集信号，但是这几种方法都存在一定的技术缺陷，比如脑电会影响使用者对其他动作的控制、肌电信号的要求条件高、硬件复杂程度高等，本文拟采用压力传感器，根据使用者在不同步伐时产生的不同肌肉压力信号来控制外骨骼。
1 人体步态分析
通过对人体行走过程的研究，可以对外骨骼系统提供必要的理论、数据依据。步态可以分为非常态步态和常态步态，当使用者穿戴的下肢外骨骼关节在电机的带动下抬高或放下时，如果这个动作并不是来自于使用者自己的主动动作，就被称作为非常态动作。步态是由人行走产生的，正常的行走通过人的髋关节、膝关节、踝关节以及足趾的连续动作组成。步态主要可以由行走動作、动作持续时间、步幅大小等组成。
常见的研究方法是用跟踪标记，通过记录正常人行走时，标记在空间位置的变化，形成正常人常态步伐的过程，包括正常人走路时，各个环节的步伐大小、步伐速度、步伐宽度、各个关节角度、人体倾斜程度以及人体脚底受力情况等。据观察发现，人体的步伐一般可以简单的分为双腿受力、单腿与脚趾骨受力、单腿受力、单腿与后跟受力、双腿受力，至此完成一套的单腿跨步的过程，当然这个过程可以再细分下去。而步伐大小、步伐速度、步伐宽度与每个人的身体体型、身心状况都有关系，不同的状态有不同的情况。
2 运动控制
虽然可以通过对人的运动分析确定人步态的过程，因为外骨骼服务对象的特殊性，在满足效率的同时必须保证使用者的安全以及舒适性。当人步行时，还必须要结合路况，比如底面高低不平、上下台阶等因素，必须要对外骨骼的系统控制程序给予一定的调整。使外骨骼能满足不同的使用环境，即在工作时必须要有一定的柔性。
2.1 控制方案研究
本文研究的外骨骼使用者是指有一定肌力，意识清楚的使用者。常见的外骨骼使用安全带将使用者的关键部位与外骨骼支架绑在一起，通过外骨骼上关节的转动，带动使用者关节的运动。外骨骼通常采用固定的非常态步态，但这并不适用于不同的路面以及不同体型的使用者的使用需要。
在各种不同的使用环境以及不同的体型的使用者，如果能捕捉到步伐的各个动作意图开始信号以及动作结束的反馈信号，就可以达到外骨骼控制系统快速、准确的反映，同时不会再受预设步伐无法适应不同外在条件问题的影响。因此我们设计了如下图1所示的控制方案。
2.2 外骨骼的控制系统
本文所描述的外骨骼控制系统的步伐控制信号输入由压敏传感器，角度传感器来输入。
角度传感器用于检测外骨骼角度。装在使用者上身与外骨骼固定的位置，通过确定上身的角度来确定使用者与外骨骼的倾斜程度，并实时传递到控制器。角度传感器如图2所示。
压敏传感器是将被测应变转变为一种电信号的敏感器件。用于安装在大腿和小腿上，当使用者的下肢进行步行动作时，大腿和小腿的肌肉会作出相应的动作，压敏传感器接收到动作将其传递到控制系统中。在步行动作时，受力腿足底上的足跟与脚趾骨起人体主要的承重作用，压敏传感器接收到动作将其传递到控制系统中去。压敏传感器如图3所示。
3 运动控制方式
如上文所述，人的步伐可以分为简单的分为双腿受力、单腿与腿趾骨受力、单腿受力、单腿与后跟受力、双腿受力。当使用者双腿受力时，足底上的足跟与脚趾骨承受身体的主要重力，因此在这个情况时，足底上的压敏传感器会反馈较大的压力，当使用者单腿用力，准备抬起一只脚的时候，首先大腿的肌肉会给在对应的压敏传感器一个压力信号，信号传递到控制器，使控制器根据输入的压力控制电机转速，驱动大腿的抬起。此时足底后跟先离地，因此后跟处压敏传感器值首先降低至0，到达单腿与腿趾骨受力这一步。根据这个方式可以控制和检测使用者整个步行过程。
由角度传感器实时传递到控制系统使用者当前角度，由控制器判断使用者是否会出现摔倒的意外等，若是出现使用者倾斜程度过大，外骨骼强制做出一些动作调整使用者的姿态，以防使用者摔倒，造成伤害。
4 结束语
本文介绍了一种外骨骼步态的控制系统组成。分析了人行走时的步伐组成，介绍了原有的步态控制缺少数据反馈，提出了一种具有多种信号输入的外骨骼控制系统，控制系统中包含了所使用的传感器，传感器安装位置以及动作意图识别以及识别后所执行动作的具体步骤。此控制系统相对来说实现简单，检测准确，适合不同的路面以及不同的使用者。
参考文献
[1] 王玉博.下肢步态康复训练机器人的设计与分析[D].燕山大学，2015.
[2] 王善杰.下肢可穿戴外骨骼机器人仿人机构设计与运动控制研究[D].合肥工业大学，2015.
[3] 柴虎.下肢外骨骼机器人跟随系统的研究[D].南方医科大学，2013.