下肢外骨骼可以輔助人體承受負(fù)載，帶動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)，在軍事作戰(zhàn)、災(zāi)害救援及康復(fù)治療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
為了使下肢外骨骼適應(yīng)樓梯這一典型場(chǎng)景，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院陳偉海團(tuán)隊(duì)在基于視覺的樓梯感知和樓梯上升的步態(tài)生成方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于深度相機(jī)的下肢外骨骼上樓梯的自適應(yīng)步態(tài)生成算法。
與雙足機(jī)器人不同，下肢外骨骼的目的是幫助患者行走步態(tài)更加自然。為了獲取一組自然的樓梯行走步態(tài)作為參考，陳老師團(tuán)隊(duì)使用NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（由16個(gè)動(dòng)作捕捉鏡頭、帶有反光標(biāo)記點(diǎn)的動(dòng)捕服和運(yùn)動(dòng)分析軟件組成）收集了一系列健康人在平地和樓梯上行走的下肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
動(dòng)作捕捉鏡頭捕捉到下肢附著的反光標(biāo)記點(diǎn)，系統(tǒng)計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，運(yùn)動(dòng)分析軟件將每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)與人體模型的特定位置關(guān)聯(lián)起來，形成完整的下肢關(guān)節(jié)。
研究中，將動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取的髖關(guān)節(jié)角度和膝關(guān)節(jié)角度表示為下肢行走步態(tài)，用電機(jī)最大速度和關(guān)鍵角度范圍等約束過濾擬合后的步態(tài)，并選擇不同場(chǎng)景下外骨骼的最佳行走步態(tài)。
為了評(píng)估外骨骼的步態(tài)生成方法有效性，研究人員進(jìn)行了模擬步態(tài)生成。如上圖所示，粗體紅線為外骨骼鞋底，黑色和紅色虛線是參考步態(tài)收集過程中的階梯和鞋底，藍(lán)色和紅色細(xì)線分別表示參考軌跡（NOKOV度量動(dòng)作捕捉獲?。┖蜕傻能壽E。
可以看出，根據(jù)參考值生成的應(yīng)用于不同臺(tái)階的軌跡，鞋底處于理想位置，末端點(diǎn)軌跡合理，而且生成的髖關(guān)節(jié)角度序列與健康人的參考序列保持接近。
同時(shí)，研究人員在80-155mm高度的樓梯上請(qǐng)志愿者進(jìn)行步行測(cè)試，證明了自適應(yīng)上樓梯步態(tài)生成方法的可行性。
參考文獻(xiàn)：
[1]??Xiaoming Zhao, Wei-Hai Chen, Bing Li, XingmingWu, and Jianhua Wang , "An adaptive stair-ascending gait generationapproach based on depth camera for lower limb exoskeleton", Review ofScientific Instruments 90, 125112 (2019)?https://doi.org/10.1063/1.5109741
