引言

老年运动障碍患者急需外骨骼康复机器人。为了帮助患者康复，本文提出了外骨骼驱动辅助康复装置，辅助运动障碍肢体康复训练。为了获取肢体运动数据，使用它IMU数据采集和预处理人体运动。Mahony姿态解算，使数据波形平滑，特征突出，实现动作捕捉。

1概述

主动外骨骼机器人可以大大提高穿戴者的负荷和机动性，在工厂作业、医疗康复和救援领域具有巨大的应用潜力和广阔的发展前景。在外骨骼机器人的技术研究中，驱动单元开发、功能设计、人机交互控制等关键技术一直是研究的热点和难点。驱动单元是主动外骨骼机器人的核心部件之一。目前常见的驱动单元有两种:电机和高比率传动装置(如滚珠丝杠或谐波减速器等。)组合驱动单元和阀控液压驱动单元。两种驱动单元主要通过高比率传动装置和液压高功率密度特性输出外骨骼运动所需的力/扭矩，具有扭矩高、执行刚度高的优点。随着外骨骼机器人能量效率、舒适性和灵活性需求的提高，驱动单元需要具有良好的低阻抗特性，即反向驱动特性。然而，在实际应用中，高比率传动装置和阀门控制液压驱动单元具有较高的机械阻抗，导致佩戴者无法依靠人体自身的反向驱动关节，没有外骨力，灵活性较低。机器人领域的研究人员逐渐关注电机准直驱动单元和泵控液压驱动单元。足式机器人采用电机准直驱动单元实现高动态低阻抗控制。但电机准直驱动单元适用于低负荷、高灵活性要求的场景，不能满足大负荷要求的外骨骼机器人。因此，需要开发一种具有大负荷能力和良好反驱特性的外骨骼驱动单元。泵控液压驱动单元具有效率高、功率密度高、反驱性能优异等优点，具有应用于主动外骨骼机器人的潜力。

2动作捕捉子系统

2.1系统设计

该系统采用模块化设计，包括I2C初始化，IMU初始化、数据读取、姿态解算四个模块。系统上电后，首先对系统进行上电。I2C初始化操作，依次进行MPU9250的功能、初始化、数据校正、数据采集、滤波、四元数解算、数据集成，最终输出欧拉角传输到上位机。

2.24元数姿态解算

四元姿态解算步骤分为：1）初始化四元，通过将载体初始姿态角找出四元的初始值，并按比例缩小积分误差。2)获得滤波后的角速度和加速度测量值，以减少噪声干扰。3)完成归一化，将加速度测量值转化为单位向量，然后获得重力向量。4)通过错误的领域和方向传感器测量参考方向之间的交叉乘积误差总和。5)将误差补偿到陀螺仪上，即补偿零漂移。通过调整比例参数，可以控制加速度计的速度来纠正陀螺仪的综合姿态。6）使用Runge⁃Kutta解决微分方程，用修正陀螺仪值更新四元数。7)将更新后的四元数归一化，转换成欧拉角。到目前为止，可以得到三轴姿态角的姿态融合。为观察MPU9250数据，采用WiFi通信，计算出的姿态角通过串行接口传输到上位机，通过串行接口传输到上位机Matlab绘图显示，将姿态曲线与载体当前姿态进行比较，观察载体的姿态信息.

3驱动方式

3.1液压驱动

液压驱动是外骨骼机器人的驱动模式之一，具有结构简单、惯性小、可靠性高、功率密度高等优点。2017年，浙江大学开发了一种由液压驱动提供动力的可穿戴下肢康复外骨骼机器人。.355kg，髋关节、膝关节为主动关节，踝关节为被动关节。同时，患者在使用外骨骼机器人进行康复训练时不需要额外的辅助支撑。外骨骼机器人在机械腿的设计上适合人体骨骼结构。通过液压驱动，可以更好地模拟人体肌肉收缩运动，为患者提供舒适的康复环境。为了保证相同的终端速度和方向，设计师在人机交互系统的帮助下解决了病态雅可比矩阵问题CAD辅助设计软件，Matlab仿真软件和兰维设计软件Solid⁃Works优化液压驱动，完成下肢外骨骼平台建设。

3.2气压驱动

气压驱动是一种压缩空气以获得动力的驱动方式，分为气缸驱动和上述驱动Rupert机器人使用的人工肌肉驱动器（气动肌肉驱动器）在结构设计中具有仿生肌肉的特点，操作方便，灵活，能给患者高效、低成本、低能耗的运动康复训练。Moromugi开发了一种手部康复外骨骼机器人，由气缸驱动，利用人体肌肉的刚度信息传递信号，其主要功能是帮助患者恢复手部握力。该装置通过肌肉刚度传感器获得患者的运动趋势，通过气缸驱动连接到手指上的三个连杆，在关节处同步运动，完成康复训练。加州大学欧文分校Wilmington康复外骨骼机器人WREX，气动执行机构采用非线性力控制和被动平衡技术，但是，WREX对人体形态的包容性不强，重力平衡不足，使患者难以恢复完全的自主运动。WREX将驱动模式改为气缸驱动Pneu-WREX，利用弹簧支撑重力，充分减少了重力因素对机器人运动的影响。还可进一步应用于患者主动康复训练，实现肩屈/伸、旋内/外、肘屈/伸、前臂伸缩运动。临床对比试验表明，使用Pneu-WREX辅助运动后，患者的运动质量得分、握力和方块抓取得分均显著提高。

3.3机械系统的具体实现

T6061铝合金材料采用高强度、低密度加工而成。考虑到接触柔性、减肥等需要，足底、人机接触面、电机座等部件采用较轻、较软的树脂3D打印加工。研究表明，当70kg成年人以0.9m/s的速度行走时，髋关节的最大角速度约为3.4rad/s，最大关节扭矩约为35n·m；膝关节最大角速约为5.6rad/s，最大关节扭矩为21n·ｍ。综合考虑驱动功率比和正常行走时关节速度和扭矩的变化范围，本文选择无刷电机谐波减速器模块作为驱动方案Maxon公司生产的直流无刷电机ECFlat90和绿色谐波公司生产的谐波减速器LHD2050CI。谐波减速器采用柔性轮固定和刚性轮输出安装方式，通过特殊法兰、轴连接器和电机本体、转轴紧固连接，形成关节驱动的驱动模块，可提供约37N·m的转矩，输出端的额定转速为5.2rad/s，可满足助力需求。组装后，一个关节模块的总质量为1.3kg，总厚度为58.7mm，结构紧凑，不会与上肢运动或环境发生明显干扰。

结束语

综上所述，提出了可穿戴机器人外骨骼动力辅助装置的结构设计，通过结构设计和建模，利用拉格朗日法进行动力学分析，整合动作捕捉构建子系统。经实验分析，该装置可由康复教师引导患者跟随手臂，完成肘部弯曲和伸展，并主动对上肢进行相关康复训练。