摘要
面对当今我国人口老龄化趋势愈来愈严重以及传统养老护理和医疗康复资源紧缺的社会现状，通过外骨骼机器人技术辅助肌力衰弱的老年人日常生活、帮助其进行康复训练，已经成为当下研究人员所研究的热点方向。 人体衰老过程带来的身体机能下降是老年人口所面临的最直接、最严重的问题，腿部肌肉力量不足及关节炎症会给老年人的行走带来困难。下肢外骨骼作为一种可穿戴设备，可以大大提高穿戴者的运动能力，相较于早期的多关节下肢外骨骼，膝关节下肢助力外骨骼机器人因其价格低、重量轻、穿戴方便及应用场景广等诸多优点，在日常生活辅助及康复训练中更有优势，能满足肌力不足人群在无需他人帮助的前提下实现自主活动的需求。结合膝关节助力外骨骼机器人的使用场景和目标人群，其研发设计难点在于:如何做到在减少设备重量的同时能提供较大的辅助力矩;控制方面怎么做到用尽可能少的传感器实现穿戴者的下肢运动意图感知并判断所处运动阶段从而提供合适的辅助力矩，以实现良好的人机交互。 针对上述的难点，本论文重点研究了基于绳驱的膝关节助力外骨骼机器人设计及控制，具体内容如下: (1)设计并搭建了基于绳驱的膝关节助力外骨骼机器人机械系统。首先通过研究人体下肢运动机理及生物力学相关理论，对人体步态及站起运动进行分析，完成了外骨骼的机械结构设计，包括驱动方式和整机的机械结构设计等。其次通过运动空间仿真验证了机械结构的合理性。 (2)搭建了外骨骼机器人的控制平台并利用IMU(Inertial Measurement Unit)传感器实现了关节角度的识别，通过下肢步态实验验证了机器人设计的合理性。首先，根据机器人的控制需要，搭建了基于嵌入式控制系统的机器人硬件电路与控制平台并进行了传感器的选型与角度解算。然后基于机器人平台进行了下肢运动实验，通过对实验数据进行分析验证了机器人平台与角度解算的合理性。 (3)实现了不同运动状态的任务识别判断并基于PID算法提供合适的辅助力矩。利用有限状态机模型对下肢运动状态进行任务识别，基于PID算法进行助力时机的判断及力矩控制，实现了对平地行走与坐姿到站立过程的运动判断并提供合适的辅助力矩，从而达到了良好的机器人辅助效果。 (4)设计了基于人体表面肌电信号(Surface Electromyography,sEMG)的辅助验证实验。通过对三名受试者在不同实验任务下的sEMG数据进行采集、处理和分析，论证了所设计的膝关节助力外骨骼在平地行走和坐姿到站立转换过程中的助力有效性，能提高穿戴者的下肢运动水平。
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