穿戴式髋部外骨骼机构创成及辅助行走平衡控制研究_冯凯祥.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 003穿戴式髋部外骨骼机构创成及辅助行走平衡控制研究冯凯祥，张庭(苏州大学机电工程学院，江苏 苏州215137)摘要:针对老年人在水平地面行走过程中失衡的难题，提出了一种柔性关节驱动的四自由度髋部外骨骼机器人，以辅助老年人在行走过程中实时调节步宽、步长和步频以保持行走平衡。对髋部外骨骼辅助行走平衡控制策略进行研究，根据建立的线性倒立摆模型解算人体行走时的质心位移和速度。基于瞬时捕获点理论设计辅助行走平衡控制策略。通过人体实验验证了所设计的髋部外骨骼和辅助行走平衡控制策略的有效性。关键词:髋部外骨骼;辅助行走;平衡控制中图分类号:TP24文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0014 06跌倒已经成为威胁老年人健康的重要因素，30%40%的社区老人和 50%的疗养院老人会受到跌倒的影响1，每年 65 岁以上的老人中有30%40%至 少 跌 倒 1 次、15%至 少 跌 倒 2次2 3，20%30%跌倒的老人会因受伤严重而需要住院治疗，甚至会有生命危险4。由于老年人随着年龄的增长，自身的生理机能开始衰退，导致一些老年人出现平衡能力差、下肢肌肉无力、反应变慢等问题，进而引发跌倒等问题，造成老年人发生事故伤害。随着生活水平的提升，防滑措施和生活环境的改善使得滑倒和绊倒的概率大大降低，但是由于平衡能力和肌肉力量的减弱，老年人在水平地面行走时依然面临着跌倒的风险。众多的助行器、下肢外骨骼机器人在老年人生活中发挥着巨大的作用，然而现有的助行器和下肢外骨骼机器人存在体积大而笨重、人机交互性能差、功能有限等缺点，而髋部助老外骨骼机器人以其功能灵活和轻巧便携的特点，已在老年人助行方面崭露头角5 6。近几年，一些针对偏瘫等患者具有自主平衡能力的下肢外骨骼机器人被广泛关注，该类外骨骼机器人配置多个主动自由度，比较笨重，且大多采用位置控制方法调整质心和落脚点位置保持行走平衡，平衡控制靠外骨骼机器人自身保持，穿戴者不参与平衡控制过程。例如，代尔夫特理工大学研制了一款具有髋关节屈伸、内旋、外展和膝关节屈伸主动自由度的下肢外骨骼机器人 MINDWALK-E7，基于外推质心(extrapolated center of mass，XCoM)算法设计平衡辅助控制策略，在超出预设的平衡阈值时通过位置控制实现步宽调整以保持行走平衡。下肢外骨骼机器人 Atalante 基于混合零动态(hybrid zero dynamics，HZD)算法设计了平衡控制策略8。外骨骼机器人 EMY Balance 基于捕获点(capture point，CP)理论设计了平衡控制器，并基于人机耦合动力学模型实时计算关节力矩实现平衡控制9。苏黎世联邦理工学院的研究人员为避免在平衡控制时与人体的平衡运动冲突，基于捕获点理论设计了一种开环的人机协同平衡控制策略，仅在失去平衡时提供瞬时的平衡辅助力矩10。轨迹跟踪控制方法会由于人机运动意图的不一致导致穿戴者的不舒适，甚至引发摔倒;基于收稿日期:2022 11 01基金项目:国家重点研发计划(2020YFC2007804);江苏省高等学校自然科学研究重大项目(19KJA180009);江苏省自然科学基金面上项目(BK20191424);江苏省科技前沿引领子课题资助项目(BK20192004D)作者简介:冯凯祥(1997)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能机器人，zhangt hit gmail com通讯作者:张庭，男，教授，tzhang suda edu cn412023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2动力学模型的计算力矩控制方法将人体作为刚性连杆进行辅助力矩计算，但是缺乏一种有效的助力力矩计算方式，助力效果需要进一步优化。这种不考虑“人在环中”的外骨骼机器人平衡控制方案不适用于髋部外骨骼机器人辅助老年人行走平衡。1平衡助行髋部外骨骼机器人设计髋部外骨骼由 4 个模块化串联弹性驱动器作为驱动关节，整体设计如图 1 所示，单个驱动关节质量控制在 1 8 kg，外骨骼总质量为 8 kg。为提高穿戴舒适性及便利性，外骨骼通过固定在背部的肩带和腰带以及腿部绑带与人体耦合在一起，绑缚机构为卡扣式设计，穿脱方便。髋部结构是外骨骼最重要的组成部分，在运动过程中起支撑作用并为穿戴者提供辅助力，在对人体平衡机制理解的基础上，设计一款辅助人体在中图 1髋部外骨骼机构图速(1 5 m/s)下行走的外骨骼机器人，对穿戴者在即将姿态失衡的时候帮助其恢复姿态平衡。该外骨骼机器人样机具有两侧髋关节后伸/屈曲和内旋/外展 4 个自由度，使得外骨骼机器人具有良好的可控柔顺性，以提升行走过程中冠状面和矢状面的平衡能力。外骨骼驱动关节具有结构扁平化的优点，输入杆和输出杆采用分离式设计，输入杆、电机模块和减速器模块同轴安装，输出杆、串联弹性驱动器、离合器模块和编码器组件在另一轴安装;两轴之间采用齿轮传动，可最大程度降低关节模块的厚度，关节机构图和实物图如图 2 所示。传统外骨骼关节厚度较大，给穿戴者的日常生活造成了较大的不便，尤其是穿戴者在起立坐下的过程中，由于穿戴上外骨骼后在冠状面的整体宽度较大，易与座椅等周围物体产生干涉。外骨骼机器人的驱动关节一方面应满足质量轻、响应快、大扭矩输出等特性需求，另一方面也应具有柔顺性、可靠性等与动物骨骼肌类似的特征，以提高穿戴者的舒适性。串联弹性驱动器是在驱动电机和负载之间串联一个弹性元件，结构如图 3(a)所示，其具有阻抗低、功率密度高和缓冲减震等诸多优势，以满足外骨骼的柔性驱动需求。图 2外骨骼驱动关节机构图和实物图针对串联弹性驱动器的结构强度，采用 AN-SYS Workbench 软件对扭矩传感器进行了有限元静力学分析，材料选择 50CrVA 弹簧钢，屈服强度为1 127 MPa，为模拟真实的受力情况，在串联弹性驱动器内圈施加圆柱约束，在外圈处施加的固定扭512023 年第 2 期冯凯祥:穿戴式髋部外骨骼机构创成及辅助行走平衡控制研究矩载荷为 20 Nm。其应变结果如图 3(b)所示，最大整体变形量是 2 36 mm，有限元仿真刚度为228 07 Nm/rad，应力结果如图 3(c)所示，容易破坏部分的最大等效应力是 823 MPa。图 3串联弹性驱动器有限元分析结果因为人机耦合系统“未来”的质心位置和速度对于当前运动状态的平衡程度评价具有重要的参考价值，本文拟采用线性倒立摆(LIPM)模型进行人机耦合系统质心速度和位置预测，然后在捕捉点理论的基础上，通过对人体行走平衡与不行走平衡实验数据的分析，建立适用于行走状态的人体姿态平衡评价模型。2人机耦合模型建立将人体五杆模型简化为 LIPM 模型，利用LIPM 模型对人体动态行走中质心(COM)位置(x，y，z)和速度进行预测。一般情况下，由于穿戴者的足底与地面的接触面积较小，因此不能输入很大的踝关节力矩，这里假设 =0。这种情况下，LIPM模型与地面的接触只有一个支点，此时让线性倒立摆的质心大概保持在水平线上，即保持一个恒定的质心高度 z0。由牛顿第二定律可以得到线性倒立摆的水平运动方程:mr=f+mg(1)式中:m 为点质量;r=xyzT，为笛卡尔坐标系内的质心位置;f=fxfffzT，为伸缩腿对质心的驱动力，其中 fx，fy，fz分别为 x，y，z 方向的驱动力;g=00 gT，为重力加速度矢量，其中 g为重力加速度。无质量杆的力矩平衡公式可以表示为:(r rankle)f=0(2)式中:rankle为踝关节位置。假设质心垂直方向速度?z=0，可以得到 fz=mg。同时 x 和 y 方向的驱动力 fx和 fy为:fx=m20(x xankle)(3)fy=m20(y yankle)(4)式中:0为 LIPM 模型的时间常数的倒数;xankle和yankle分别为踝关节在 x，y 方向的位置。当踝关节初始位置为 0 时，即 rankle=0，倒立摆的水平运动方程可简化为r=20Pr=gz0Pr(5)式中:P=100010000。当质心在横坐标的初始位置 x0和初始速度?x0确定后，可以得到:xt=x0+?x0/02e0t+x0?x0/02e0t?xt=x0+?x0/02/0e0tx0?x0/02/0e0t(6)式中:t 为质心从 x0运动到可以保持平衡状态时的质心横坐标位置 xt所用的时间;?xt为可以保持平衡状态时质心在横坐标上的速度。将式(6)的?xt乘以质心坐标的齐次变换矩阵 Tc再与 xt相加，可得xt+?xt0=(x0+?x00)e0t(7)进而可求得 t 为t=10lnxt+?xt/0 x0+?x0/0(8)3辅助行走平衡控制策略根据人体平衡策略的迈步策略，通过在髋关节提供助力并在单腿支撑步态周期内调整摆动腿的步宽、步长和步频，从而改变重心位置，将人机耦合系统的瞬时捕获点 XICP重新带回到稳定区域内部，或者通过修改支撑多边形的范围以使其安全的步骤来将瞬时捕获点保留在稳定区域中。612023 年第 52 卷机械设计与制造工程人机耦合系统瞬时捕获点定义为:XICP=XG COM+XG COM0(9)0=gzCOM(10)式中:XG COM=xCOMyCOM0T，为人机耦合系统质心在笛卡尔坐标系下的垂直投影;?XG COM=?xCOM?yCOM0T，为人机耦合系统质心的笛卡尔速度;zCOM为人机耦合系统质心高度。具体的平衡策略为:1)瞬时捕获点在支撑多边形内部，即在稳定区域内部，此时处于平衡状态，不需要平衡辅助，期望的人机耦合系统瞬时捕获点 X(d)ICP=XICP。2)瞬时捕获点在稳定区域外部，触发迈步策略。为了确定 X(d)ICP，根据当前的瞬时捕获点位置，可以预测出在时间为 t0时 ICP 点的运动方向。为了保障做出迈步动作后稳定性最大化，新的瞬时捕获点的位置应该在支撑多边形的中心。系统模型抽象为带质量点的杆单元在驱动力下的水平运动，COM 和 XICP之间的距离导致系统处于非静平衡状态，因此需要在外部驱动力的作用下加速运动，维持系统动态平衡。对于 COM 的水平加速度，给出了 LIPM 模型的力平衡方程:XG COM=20(XG COM XCOP)(11)可得?XICP=0(XICP XCOP)(12)式中:XCOP为足底压力中心点 COP 的笛卡尔坐标系位置。根据当前的 XICP位置，可以计算出迈步动作最短时间 ts时的期望 XICP位置为X(d)ICP=XICP(t=ts)=(XICP(t=t0)XCOP，0)e0ts+XCOP，0(13)式中:XCOP，0为初始 XCOP位置。瞬时捕获点 XICP速度为:?XICP=1ts(X(d)ICP XICP)(14)求解 XCOP:0(XICP XCOP)=1ts(X(d)ICP XICP)XCOP=XICP(X(d)ICP XICP)0ts(15)因此可以获得为了保持行走平衡所需要作用在质心上的力矩 Wcorr，G为:Wcorr，G=FcorrMcorr，G=mg/(zCOM(XG COMXCOP)0(16)式中:Fcorr和 Mcorr，G分别为为了保持行走平衡所需要作用在质心上的力和力矩。根据公式(16)可以得到为保持行走平衡需要作用在人机耦合系统质心的总力矩 Wact，COM为:Wact，COM=Wcorr，COM Wdyn，COM=Wcorr，COM(A M23+B M34)(17)式中:A，B 分别为左、右腿髋关节坐标系到质心坐标系的变换矩阵;M23和 M34分别为由动力学公式计算出的左、右髋关节对躯干的作用力矩;Wdyn，COM为人体腿部关节作用在人机耦合系统质心处的生物关节力矩;Wcorr，COM为作用在人机耦合系统质心处的矫正力矩。在获得矫正力矩 Wcorr，COM后，需要根据步态状态和平衡状态计算外骨骼机器人左右腿的辅助力矩。4实验研究4 1扰动时的平