2024年3月17日发(作者：巧临)
下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现
尤跃东;殷跃红
【摘 要】为满足神经受损患者下肢康复训练需要,设计了外骨骼下肢康复机器人,建
立了其运动学解析关系；对患者的康复策略进行了分析选择,并对康复策略的轨迹
控制方法进行了研究,详细讨论了基于固高GUC -8轴嵌入式运动控制器的主被动
控制实现方法.%To satisfy training demands for walking patients with
impaired cranial nerves,a lower extremity exoskeleton rehabilitation robot
was designed and its kinematics was deduced. After analyzing and
choosing the recovery strategy for patients,the trajectory control methods
were researched. The active and passive control methods based on Googol
8 axes embedded motion controller are discussed in detail.
【期刊名称】《机械与电子》
【年(卷),期】2012(000)003
【总页数】5页(P65-69)
【关键词】康复机器人;运动学解析;康复策略;轨迹控制方法;GUC-8轴嵌入式运动
控制器
【作 者】尤跃东;殷跃红
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;上海交通大学机械
与动力工程学院,上海200240
【正文语种】中 文
【中图分类】TH13;TP24
0 引言
人体下肢运动功能障碍已经成为一种常见的疾病。这些患者除了早期的手术治疗和
必要的药物治疗外，科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到重要作用
［1］。传统对下肢残疾的康复治疗主要依赖于康复治疗师一对一的徒手训练，借
助于康复治疗师牵引带动患者肢体进行康复训练，其存在效率低、成本高和训练参
数不确定等缺点。为解决上述问题，国内外很多机构开始着手研究康复医疗机器人
［2-4］。
本文外骨骼下肢康复机器人采用6个自由度，除了重心自由度和跑步机的自由度
外，左右机械腿的自由度均有2个，为髋关节和膝关节2个自由度，分别由独立
的带滚珠丝杠的驱动机构实现关节运动，可以实现矢状平面上的弯曲和伸展运动。
髋关节摆动行程为-30°～60°，膝关节摆动行程为0～110°，符合单腿屈伸以及步
态训练角度摆动要求。踝关节则由弹簧矫正机构矫正，防止训练过程中脚部出现侧
翻等非正常姿态。用于步态训练时，患者立于跑步机上正常行走，重心自由度用于
模拟人步态行走时重心的上下浮动。
1 外骨骼下肢机构及其运动学关系
图1 下肢康复机器人机械腿原理
外骨骼下肢康复机器人机械腿的原理如图1所示，电机通过联轴器带动滚珠丝杠
转动，从而带动固定于丝杠螺母上的髋关节滑块和膝关节滑块移动，滑块移动带动
髋关节推杆和膝关节推杆运动使得大腿杆和小腿杆摆动。图1中实际尺寸S 1＝
9．7 mm，S2＝100 mm，S 3＝60 mm，S4＝41 mm，S 5＝108 mm，S6＝
60 mm。
定义大腿和小腿相对于水平地面垂直的位置为下肢外骨骼的控制零位（如图1所
示），大腿相对于零位向前摆动为正角度，向后为负角度；膝关节相对于零位向后
摆动为正角度；L 1为髋关节处于零位时，髋关节滑块相对于髋关节的距离，L 1
＝128．5 mm；L 2为膝关节处于零位时，膝关节滑块相对于膝关节的距离，L 2
＝137．4 mm。
1．1 髋关节摆动角度θh与髋关节滑块位移量L h的几何关系
如图2所示，∠MON＝θh为髋关节摆动角度。，∠COF的大小始终保持不变，则
有：
图2 髋关节运动学关系
得到髋关节滑块位移量与髋关节摆动角度量关系为：
1．2 膝关节摆动角度θk与膝关节滑块位移量L k的几何关系
如图3所示，∠MON＝θk为膝关节摆动角度，∠COF的大小始终保持不变，则有：
图3 膝关节运动学关系
得到膝关节滑块位移量与膝关节摆动角度量关系为：
2 康复策略的选择
2．1 康复初期阶段
患者在患病初期阶段的软瘫期和痉挛期，对下肢完全无法控制，肌力不足，关节活
动度不够，必须由稳定可靠的外力完全驱动，使其被动地完成运动。所谓“被动”，
表示患者穿戴外骨骼进行训练时，下肢完全由外骨骼带动完成系统程序所预先规划
好的步态运动，从而达到恢复肢体肌肉张力、早期步态定形的训练目的。在此阶段，
可以选择性调整运动的关节活动度、步频等参数。被动模式有2种：
a．被动屈伸模式。训练模式功能是参考CPM机功能，旨在康复初期用于训练患
者单腿的关节活动度。模式要求患者通过减重带站立在跑步机上进行单腿屈伸训练，
给出了髋关节幅度、膝关节幅度和屈伸速度等参数为可调的屈伸方式。运动训练为
关节角度匀速运动。
b．被动行走模式。通过已经得到的标准步态数据来控制机器人模拟标准步态运动。
为使机器人能模拟不同步态，为患者提供多种步态训练，根据步行运动特征，给出
了以步幅、步频等参数为可调的步态规划方法。
2．2 康复后期阶段
在一段被动训练疗程后，患者的下肢恢复一定程度的肌力，具有一定的行走能力，
这个时候再进行被动训练就已经没有太多意义了，此时需要患者主动参与到康复训
练过程［5］。当患者进行主动训练时，康复机器人迅速获取患者主动运动的意图，
提供给患者相同方向的助力，辅助患者训练。
3 康复策略轨迹控制方法的具体实现
控制系统的主控器采用固高公司的GUC系列八轴嵌入式运动控制器，编程工具选
用了Microsoft公司的Visual Basic 6．0。外骨骼下肢康复机器人的系统组成如
图4所示。
图4 外骨骼下肢康复机器人的系统
3．1 硬件初始化设置
机器人电机选用Panasonic的交流伺服电动机，伺服驱动器与电机实现速度伺服
环和电流伺服环，组成整个控制系统的内环。其具有良好的速度控制特性，在整个
速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡。
在软件控制之前，先设定好所有电机驱动器的模式为位置模式，同时设置好驱动器
电子齿轮参数。电子齿轮用来任意地设置每单位指令脉冲对应的电机速度和位移量
［6］。所选用电机的编码器分辨率为10 000，记为F（单位为pulse），而电机
每转1圈所需脉冲数是f（单位为pulse），那么电机驱动器指令脉冲分倍频的分
子Pr48或Pr49、分子倍率Pr4A和分母Pr4B（此4个参数在驱动器中设置）必
须满足：
机器人设置f＝5 000，即5 000个脉冲驱动电机旋转1圈。设置Pr48＝10 000，
Pr4A＝0，Pr4B＝5 000满足上述公式。由于关节的传动方式采用滚珠丝杠直接传
动，滚珠丝杠导程皆为5 mm，这样运动控制卡每发5 000个脉冲驱动电机转动1
圈也即驱动滚珠丝杠滑块移动5 mm。可换算成若运动控制卡发出1个脉冲，滑
块则移动1μm，此为脉冲当量。那么电机位置脉冲量与滑块位移量的关系为：
3．2 被动控制方法具体实现
外骨骼下肢康复机器人的被动控制模式为位置控制。此策略为开环的控制策略，即
在训练开始前便选择好要进行的运动轨迹曲线数据，待训练开始后，外骨骼机器人
按照不断存储进GUC运动缓存区的轨迹数据运动，显示实时传递回来的关节位置、
速度等数据，但并不将它们作为反馈，应用于控制环中。虽然被动运动模式是一套
开环的控制方案，但每个电机驱动器一对一地控制其对应的电机，仍然是一个位置、
速度和电流的三闭环控制。
3．2．1 被动屈伸模式的轨迹实现
以髋关节为例介绍控制方法。上文得到髋关节摆动角度与髋关节滑块位移量关系为：
选择髋关节的摆动角度为θh，摆动速度为v h，则一个方向上的摆动周期将θ 分
为固定h的50个采样点θh1，θh2，…，θh50，根据上述关系，得到对应的滑块
绝对位移量Lh1，L h2，…，L h50，采样周期每2个采样点之间的滑块移动速度
为由此得到髋关节一个摆动周期内滑块每个位置的位移量Lh和速度v h。同理也
可以获得膝关节一个摆动周期内滑块每个位置的位移量和速度。
被动屈伸运动需要髋关节和膝关节2个自由度同时运动。这里采用GUC运动控制
器的插补运动模式。在进行插补运动前，需要建立坐标系，将规划轴（左腿或者右
腿的髋关节和膝关节）映射到相应的坐标系中。坐标系运动采用缓存区运动方式，
即用户需要向插补缓存区中传递插补数据，然后启动插补运动，运动控制器会一次
执行所传递的插补数据，直到所有的插补数据全部运动完成。将上述计算得到的
50对髋关节和膝关节绝对位移量和终点速度作为传递数据存入缓冲区内，开启插
补运动，即可实现被动屈伸模式的轨迹运动。
3．2．2 被动行走模式的轨迹实现
由临床步态分析（CGA）标准步态数据库得到标准步态曲线。软件将一个标准步
态周期分为200个采样点，每个采样点为各个关节的绝对角度摆动量。同理，根
据上述被动屈伸模式所述的运动学关系，得到各个关节滑块的绝对位移量。软件按
照患者的需要提供了多种步态周期，设选定的一个步态周期为T（单位为s，设定
为跑步机速度），这样各个关节前后2个滑块绝对位移量（设为Pos1和Pos2，
单位为mm）之间的时间间隔为所以得到每2个位置点之间滑块的速度为v＝（单
位为pulse／ms）。
要实现机器人的步态轨迹，就要实现4个关节电机、1个重心电机和跑步机电机6
轴联动。6轴联动采用GUC运动控制器的PVT运动模式。
PVT模式［7］使用一系列数据点的“位置、速度、时间”参数来描述运动规律。
编程时指定运动段末端点的位置、速度和时间段，结合运动段起始点的参数，运动
控制器将根据线性加速度、二阶速度和三阶位置的规律计算满足条件的插补轨迹。
位置、速度和时间满足如下函数关系：
如果给定相邻2个数据点的“位置、速度、时间”参数，可以得到如下方程组：
求解该方程组，可以得到a，b，c，d，因此相邻2个数据点的运动规律就可以确
定下来。
软件编写时采用PVT的Complete描述方式，只要给出各个采样数据点的“位置、
时间”，以及起点速度和终点速度即可。运动控制器根据各数据点的“位置、时间”
参数计算中间各点的速度，确保各数据点速度连续和加速度连续。
在运动控制前，设置运动模式为PVT模式，在GUC内定义一个数据表，将上述
的201个同等采样时间的运动段位置数据、速度存入该数据表中，设置为循环执
行数据表中的运动数据直至规划运动时间。开启PVT运动，即可实现被动行走模
式的轨迹运动。
3．3 主动控制方法具体实现
主动控制模式要求患者的大腿、小腿前侧和后侧各绑定1个压力计，共4个压力
计。压力计固定在外骨骼机械腿的大小腿上，用于检测患者腿部和外骨骼机构的交
互力。下位机DSP主要负责压力计压力值的数据采集、智能控制算法及运动轨迹
数据输出。DSP与GUC通过串口通信，DSP既可以将运动轨迹数据传输给GUC
用于外骨骼运动控制，也可以为治疗师和患者提供实时而简洁的反馈信息，还可以
接受GUC传输过来的控制命令。
DSP通过绑定于患者大腿和小腿前后侧压力计来侦查患者的运动意图。如果前后
压力差小于零则代表患者关节有往前摆动的意图，反之有往后摆动的意图。压力差
的大小反应患者运动肌力的大小。DSP采集到的压力差，按照控制算法计算得到
运动轨迹数据，通过串口通信传递给GUC，GUC根据轨迹数据控制外骨骼运动。
在运动控制之前，设置运动模式为多轴插补模式，将DSP不断传递过来的数据存
入GUC的插补数据缓存区，启动插补运动，即可实现主动控制模式的轨迹运动。
DSP和GUC运动控制器之间的串口通信的流程如图5所示。
图5 主动模式通信流程
4 结束语
分析了下肢康复机器人的运动学关系，并根据不同的生理特征，提出了多种不同的
主被动康复策略，每种策略可更改相应的屈伸角度、速度或步行的步长、周期等运
动参数，避免了策略单一，不可调，适应能力差等缺点。接着在系统的软硬件平台
上讨论了各种康复策略轨迹的具体实现方法，完成了对机器人的轨迹控制，能稳定
地带动病人完成主被动训练。文中患者训练过程还可以实现运动状态的在线测量，
比如运动角度、速度、交互力值和EMG信号等信息的实时采集，准确性高，为后
续的患者康复评估提供必要的评估数据。
参考文献：
［1］ Barbeau H，Norman K，Fung J，et al．Does neuro-rehabilitation
play a role in the recovery of walking in neurological populations
［J］．Annals New York Academy of Sciences，1998，860：377-392．
［2］ Colombo G，Matthias J，Reinhard S，et al．Treadmill training of
paraplegic patients using a robotic orthosis［J］．Journal of Rehabilitation
Research and Development，2000，37（6）：693-700．
［3］ Hesse S，Uhlenbrock D．A mechanized gait trainer for restoration of
gait［J］．Journal of Rehabilitation Research and Development，2000，37
（6）：701-708．
［4］ Hesse S，Bemhardt S，Schmidt H，et al．HapticWalker——a novel
haptic foot device［J］．ACM Transactions on Applied Perception，2005，
2（3）：563-574．
［5］ 孙厚义，冯勋刚，马巧玲，等．运动意念对急性脑卒中患者偏瘫康复的作用
［J］．中风与神经疾病杂志，2001，18（5）：305．
［6］ 上海会通自动化科技发展有限公司．Minas A4系列驱动器技术资料选编
［Z］．
［7］ 固高科技有限公司．GTS系列运动控制器编程手册［Z］．
2024年3月17日发(作者：巧临)
下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现
尤跃东;殷跃红
【摘 要】为满足神经受损患者下肢康复训练需要,设计了外骨骼下肢康复机器人,建
立了其运动学解析关系；对患者的康复策略进行了分析选择,并对康复策略的轨迹
控制方法进行了研究,详细讨论了基于固高GUC -8轴嵌入式运动控制器的主被动
控制实现方法.%To satisfy training demands for walking patients with
impaired cranial nerves,a lower extremity exoskeleton rehabilitation robot
was designed and its kinematics was deduced. After analyzing and
choosing the recovery strategy for patients,the trajectory control methods
were researched. The active and passive control methods based on Googol
8 axes embedded motion controller are discussed in detail.
【期刊名称】《机械与电子》
【年(卷),期】2012(000)003
【总页数】5页(P65-69)
【关键词】康复机器人;运动学解析;康复策略;轨迹控制方法;GUC-8轴嵌入式运动
控制器
【作 者】尤跃东;殷跃红
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;上海交通大学机械
与动力工程学院,上海200240
【正文语种】中 文
【中图分类】TH13;TP24
0 引言
人体下肢运动功能障碍已经成为一种常见的疾病。这些患者除了早期的手术治疗和
必要的药物治疗外，科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到重要作用
［1］。传统对下肢残疾的康复治疗主要依赖于康复治疗师一对一的徒手训练，借
助于康复治疗师牵引带动患者肢体进行康复训练，其存在效率低、成本高和训练参
数不确定等缺点。为解决上述问题，国内外很多机构开始着手研究康复医疗机器人
［2-4］。
本文外骨骼下肢康复机器人采用6个自由度，除了重心自由度和跑步机的自由度
外，左右机械腿的自由度均有2个，为髋关节和膝关节2个自由度，分别由独立
的带滚珠丝杠的驱动机构实现关节运动，可以实现矢状平面上的弯曲和伸展运动。
髋关节摆动行程为-30°～60°，膝关节摆动行程为0～110°，符合单腿屈伸以及步
态训练角度摆动要求。踝关节则由弹簧矫正机构矫正，防止训练过程中脚部出现侧
翻等非正常姿态。用于步态训练时，患者立于跑步机上正常行走，重心自由度用于
模拟人步态行走时重心的上下浮动。
1 外骨骼下肢机构及其运动学关系
图1 下肢康复机器人机械腿原理
外骨骼下肢康复机器人机械腿的原理如图1所示，电机通过联轴器带动滚珠丝杠
转动，从而带动固定于丝杠螺母上的髋关节滑块和膝关节滑块移动，滑块移动带动
髋关节推杆和膝关节推杆运动使得大腿杆和小腿杆摆动。图1中实际尺寸S 1＝
9．7 mm，S2＝100 mm，S 3＝60 mm，S4＝41 mm，S 5＝108 mm，S6＝
60 mm。
定义大腿和小腿相对于水平地面垂直的位置为下肢外骨骼的控制零位（如图1所
示），大腿相对于零位向前摆动为正角度，向后为负角度；膝关节相对于零位向后
摆动为正角度；L 1为髋关节处于零位时，髋关节滑块相对于髋关节的距离，L 1
＝128．5 mm；L 2为膝关节处于零位时，膝关节滑块相对于膝关节的距离，L 2
＝137．4 mm。
1．1 髋关节摆动角度θh与髋关节滑块位移量L h的几何关系
如图2所示，∠MON＝θh为髋关节摆动角度。，∠COF的大小始终保持不变，则
有：
图2 髋关节运动学关系
得到髋关节滑块位移量与髋关节摆动角度量关系为：
1．2 膝关节摆动角度θk与膝关节滑块位移量L k的几何关系
如图3所示，∠MON＝θk为膝关节摆动角度，∠COF的大小始终保持不变，则有：
图3 膝关节运动学关系
得到膝关节滑块位移量与膝关节摆动角度量关系为：
2 康复策略的选择
2．1 康复初期阶段
患者在患病初期阶段的软瘫期和痉挛期，对下肢完全无法控制，肌力不足，关节活
动度不够，必须由稳定可靠的外力完全驱动，使其被动地完成运动。所谓“被动”，
表示患者穿戴外骨骼进行训练时，下肢完全由外骨骼带动完成系统程序所预先规划
好的步态运动，从而达到恢复肢体肌肉张力、早期步态定形的训练目的。在此阶段，
可以选择性调整运动的关节活动度、步频等参数。被动模式有2种：
a．被动屈伸模式。训练模式功能是参考CPM机功能，旨在康复初期用于训练患
者单腿的关节活动度。模式要求患者通过减重带站立在跑步机上进行单腿屈伸训练，
给出了髋关节幅度、膝关节幅度和屈伸速度等参数为可调的屈伸方式。运动训练为
关节角度匀速运动。
b．被动行走模式。通过已经得到的标准步态数据来控制机器人模拟标准步态运动。
为使机器人能模拟不同步态，为患者提供多种步态训练，根据步行运动特征，给出
了以步幅、步频等参数为可调的步态规划方法。
2．2 康复后期阶段
在一段被动训练疗程后，患者的下肢恢复一定程度的肌力，具有一定的行走能力，
这个时候再进行被动训练就已经没有太多意义了，此时需要患者主动参与到康复训
练过程［5］。当患者进行主动训练时，康复机器人迅速获取患者主动运动的意图，
提供给患者相同方向的助力，辅助患者训练。
3 康复策略轨迹控制方法的具体实现
控制系统的主控器采用固高公司的GUC系列八轴嵌入式运动控制器，编程工具选
用了Microsoft公司的Visual Basic 6．0。外骨骼下肢康复机器人的系统组成如
图4所示。
图4 外骨骼下肢康复机器人的系统
3．1 硬件初始化设置
机器人电机选用Panasonic的交流伺服电动机，伺服驱动器与电机实现速度伺服
环和电流伺服环，组成整个控制系统的内环。其具有良好的速度控制特性，在整个
速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡。
在软件控制之前，先设定好所有电机驱动器的模式为位置模式，同时设置好驱动器
电子齿轮参数。电子齿轮用来任意地设置每单位指令脉冲对应的电机速度和位移量
［6］。所选用电机的编码器分辨率为10 000，记为F（单位为pulse），而电机
每转1圈所需脉冲数是f（单位为pulse），那么电机驱动器指令脉冲分倍频的分
子Pr48或Pr49、分子倍率Pr4A和分母Pr4B（此4个参数在驱动器中设置）必
须满足：
机器人设置f＝5 000，即5 000个脉冲驱动电机旋转1圈。设置Pr48＝10 000，
Pr4A＝0，Pr4B＝5 000满足上述公式。由于关节的传动方式采用滚珠丝杠直接传
动，滚珠丝杠导程皆为5 mm，这样运动控制卡每发5 000个脉冲驱动电机转动1
圈也即驱动滚珠丝杠滑块移动5 mm。可换算成若运动控制卡发出1个脉冲，滑
块则移动1μm，此为脉冲当量。那么电机位置脉冲量与滑块位移量的关系为：
3．2 被动控制方法具体实现
外骨骼下肢康复机器人的被动控制模式为位置控制。此策略为开环的控制策略，即
在训练开始前便选择好要进行的运动轨迹曲线数据，待训练开始后，外骨骼机器人
按照不断存储进GUC运动缓存区的轨迹数据运动，显示实时传递回来的关节位置、
速度等数据，但并不将它们作为反馈，应用于控制环中。虽然被动运动模式是一套
开环的控制方案，但每个电机驱动器一对一地控制其对应的电机，仍然是一个位置、
速度和电流的三闭环控制。
3．2．1 被动屈伸模式的轨迹实现
以髋关节为例介绍控制方法。上文得到髋关节摆动角度与髋关节滑块位移量关系为：
选择髋关节的摆动角度为θh，摆动速度为v h，则一个方向上的摆动周期将θ 分
为固定h的50个采样点θh1，θh2，…，θh50，根据上述关系，得到对应的滑块
绝对位移量Lh1，L h2，…，L h50，采样周期每2个采样点之间的滑块移动速度
为由此得到髋关节一个摆动周期内滑块每个位置的位移量Lh和速度v h。同理也
可以获得膝关节一个摆动周期内滑块每个位置的位移量和速度。
被动屈伸运动需要髋关节和膝关节2个自由度同时运动。这里采用GUC运动控制
器的插补运动模式。在进行插补运动前，需要建立坐标系，将规划轴（左腿或者右
腿的髋关节和膝关节）映射到相应的坐标系中。坐标系运动采用缓存区运动方式，
即用户需要向插补缓存区中传递插补数据，然后启动插补运动，运动控制器会一次
执行所传递的插补数据，直到所有的插补数据全部运动完成。将上述计算得到的
50对髋关节和膝关节绝对位移量和终点速度作为传递数据存入缓冲区内，开启插
补运动，即可实现被动屈伸模式的轨迹运动。
3．2．2 被动行走模式的轨迹实现
由临床步态分析（CGA）标准步态数据库得到标准步态曲线。软件将一个标准步
态周期分为200个采样点，每个采样点为各个关节的绝对角度摆动量。同理，根
据上述被动屈伸模式所述的运动学关系，得到各个关节滑块的绝对位移量。软件按
照患者的需要提供了多种步态周期，设选定的一个步态周期为T（单位为s，设定
为跑步机速度），这样各个关节前后2个滑块绝对位移量（设为Pos1和Pos2，
单位为mm）之间的时间间隔为所以得到每2个位置点之间滑块的速度为v＝（单
位为pulse／ms）。
要实现机器人的步态轨迹，就要实现4个关节电机、1个重心电机和跑步机电机6
轴联动。6轴联动采用GUC运动控制器的PVT运动模式。
PVT模式［7］使用一系列数据点的“位置、速度、时间”参数来描述运动规律。
编程时指定运动段末端点的位置、速度和时间段，结合运动段起始点的参数，运动
控制器将根据线性加速度、二阶速度和三阶位置的规律计算满足条件的插补轨迹。
位置、速度和时间满足如下函数关系：
如果给定相邻2个数据点的“位置、速度、时间”参数，可以得到如下方程组：
求解该方程组，可以得到a，b，c，d，因此相邻2个数据点的运动规律就可以确
定下来。
软件编写时采用PVT的Complete描述方式，只要给出各个采样数据点的“位置、
时间”，以及起点速度和终点速度即可。运动控制器根据各数据点的“位置、时间”
参数计算中间各点的速度，确保各数据点速度连续和加速度连续。
在运动控制前，设置运动模式为PVT模式，在GUC内定义一个数据表，将上述
的201个同等采样时间的运动段位置数据、速度存入该数据表中，设置为循环执
行数据表中的运动数据直至规划运动时间。开启PVT运动，即可实现被动行走模
式的轨迹运动。
3．3 主动控制方法具体实现
主动控制模式要求患者的大腿、小腿前侧和后侧各绑定1个压力计，共4个压力
计。压力计固定在外骨骼机械腿的大小腿上，用于检测患者腿部和外骨骼机构的交
互力。下位机DSP主要负责压力计压力值的数据采集、智能控制算法及运动轨迹
数据输出。DSP与GUC通过串口通信，DSP既可以将运动轨迹数据传输给GUC
用于外骨骼运动控制，也可以为治疗师和患者提供实时而简洁的反馈信息，还可以
接受GUC传输过来的控制命令。
DSP通过绑定于患者大腿和小腿前后侧压力计来侦查患者的运动意图。如果前后
压力差小于零则代表患者关节有往前摆动的意图，反之有往后摆动的意图。压力差
的大小反应患者运动肌力的大小。DSP采集到的压力差，按照控制算法计算得到
运动轨迹数据，通过串口通信传递给GUC，GUC根据轨迹数据控制外骨骼运动。
在运动控制之前，设置运动模式为多轴插补模式，将DSP不断传递过来的数据存
入GUC的插补数据缓存区，启动插补运动，即可实现主动控制模式的轨迹运动。
DSP和GUC运动控制器之间的串口通信的流程如图5所示。
图5 主动模式通信流程
4 结束语
分析了下肢康复机器人的运动学关系，并根据不同的生理特征，提出了多种不同的
主被动康复策略，每种策略可更改相应的屈伸角度、速度或步行的步长、周期等运
动参数，避免了策略单一，不可调，适应能力差等缺点。接着在系统的软硬件平台
上讨论了各种康复策略轨迹的具体实现方法，完成了对机器人的轨迹控制，能稳定
地带动病人完成主被动训练。文中患者训练过程还可以实现运动状态的在线测量，
比如运动角度、速度、交互力值和EMG信号等信息的实时采集，准确性高，为后
续的患者康复评估提供必要的评估数据。
参考文献：
［1］ Barbeau H，Norman K，Fung J，et al．Does neuro-rehabilitation
play a role in the recovery of walking in neurological populations
［J］．Annals New York Academy of Sciences，1998，860：377-392．
［2］ Colombo G，Matthias J，Reinhard S，et al．Treadmill training of
paraplegic patients using a robotic orthosis［J］．Journal of Rehabilitation
Research and Development，2000，37（6）：693-700．
［3］ Hesse S，Uhlenbrock D．A mechanized gait trainer for restoration of
gait［J］．Journal of Rehabilitation Research and Development，2000，37
（6）：701-708．
［4］ Hesse S，Bemhardt S，Schmidt H，et al．HapticWalker——a novel
haptic foot device［J］．ACM Transactions on Applied Perception，2005，
2（3）：563-574．
［5］ 孙厚义，冯勋刚，马巧玲，等．运动意念对急性脑卒中患者偏瘫康复的作用
［J］．中风与神经疾病杂志，2001，18（5）：305．
［6］ 上海会通自动化科技发展有限公司．Minas A4系列驱动器技术资料选编
［Z］．
［7］ 固高科技有限公司．GTS系列运动控制器编程手册［Z］．