單兵助力外骨骼系統(tǒng)控制方案遺傳算法仿真

李 楊，李回濱，李 仲，管小榮， 徐 誠(chéng)

(1.泰州學(xué)院 船舶與機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 泰州 225300；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

單兵助力外骨骼系統(tǒng)，是一種穿戴于人體，為人體負(fù)重提供助力的裝置[1]?？捎糜谠谑勘?fù)重行軍時(shí)，實(shí)時(shí)向穿戴者提供行走助力，以降低士兵的行軍負(fù)擔(dān)，提高行軍效率的裝置[2]。同樣適用于地震災(zāi)區(qū)等運(yùn)輸困難地區(qū)的物資輸送。目前，國(guó)內(nèi)單兵助力外骨骼系統(tǒng)得到了軍方的重大關(guān)注。于2015年，總裝備部輕武器論證研究所主辦舉辦了助力無(wú)限外骨骼挑戰(zhàn)賽，并計(jì)劃于2019年10月舉行第二屆單兵助力外骨骼全國(guó)挑戰(zhàn)賽。

在單兵助力外骨骼控制方案方面，美國(guó)伯克利大學(xué)是較早系統(tǒng)研究助力外骨骼的機(jī)構(gòu)，其樣機(jī)BLEEX[3-5]采用了一種新穎的靈敏度放大控制的按方案，此控制方案對(duì)傳感器的靈敏度以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型有極高要求。日本筑波大學(xué)研制的HAL[6]樣機(jī)采用肌電控制策略，但由于肌電傳感器易脫落并且需要緊貼于人體皮膚，因此難以用于輔助士兵行軍。新加坡南洋理工學(xué)院研制的外骨骼樣機(jī)[7]采用ZMP控制策略，所實(shí)現(xiàn)的外骨骼行走步態(tài)與人體相差較大。中國(guó)海軍航空工程學(xué)院的楊智勇[2]等提出了基于位置內(nèi)環(huán)的直接力控制策略，期望單兵助力外骨骼的廣義接觸力為零。

肌電控制方案及靈敏度放大控制等都是人體運(yùn)動(dòng)預(yù)判控制方案，也是大多數(shù)研究者傾向于采用的單兵助力外骨骼系統(tǒng)控制方案。在我們先期的研究工作中，提出了將人體看作單兵助力外骨骼系統(tǒng)的工作環(huán)境，基于電機(jī)電流控制環(huán)的外骨骼交互力控制方案。通過(guò)力控制方式使外骨骼與人體時(shí)刻保持較小的交互作用力[8]，并能使系統(tǒng)保證較高的響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)。但是，通過(guò)建模仿真及實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，此單兵助力外骨骼傳統(tǒng)交互力控制方案中采用的PI控制器不具備較好的適應(yīng)性。因此，本文提出使用遺傳算法對(duì)單兵助力外骨骼系統(tǒng)傳統(tǒng)PI控制器進(jìn)行優(yōu)化。

1 單兵助力外骨骼交互力控制方案

所設(shè)計(jì)的單兵助力外骨骼交互力控制方法只對(duì)力信號(hào)進(jìn)行控制，控制方案原理框圖如圖1所示。當(dāng)外骨骼與人體運(yùn)動(dòng)不一致時(shí)，拉壓力傳感器檢測(cè)到人機(jī)交互作用力并通過(guò)PI控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩使外骨骼順從于人體的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并保持較小交互作用力。

圖1 外骨骼交互力控制方案原理框圖

1.1 單兵助力外骨骼交互力控制方案仿真模型

根據(jù)人機(jī)電總體系統(tǒng)模型建立的Simulink仿真模型如圖2所示。模型中外骨骼模型為平面三連桿結(jié)構(gòu)狀態(tài)微分方程，電機(jī)的控制信號(hào)由小臂的交互力信息經(jīng)由PI控制器處理獲得[9]。

圖2 人機(jī)電一體化仿真模型

1.2 單兵助力外骨骼交互力控制方案仿真結(jié)果

1.2.1角度偏差

在Simulink仿真模型中設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真獲得的外骨骼與人體關(guān)節(jié)角度偏差曲線如圖3、圖4所示。

圖3 低速角度偏差曲線

圖4 高速角度偏差曲線

分析可知，由于是根據(jù)低速運(yùn)動(dòng)整定的PI控制器參數(shù)，因此低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，單兵助力外骨骼能夠較好地匹配人體運(yùn)動(dòng)。而當(dāng)運(yùn)動(dòng)速率及幅度提高到高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，外骨骼與人體角度偏差較大，雖然較大仍在勉強(qiáng)接受范圍之內(nèi)，但必將較大地影響系統(tǒng)性能。

1.2.2驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

仿真獲得電機(jī)與人體在外骨骼踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線如圖5～圖8所示。

由圖5～圖8可知，單兵助力外骨骼的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于人體驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。說(shuō)明外骨骼在背負(fù)較重負(fù)載行走時(shí)，其大部分關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩由電機(jī)提供。因此，驗(yàn)證了此交互力放大控制方案的助力效果。

圖5 低速運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

圖6 低速運(yùn)動(dòng)人體驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

圖7 高速運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

此外，同樣能夠看出高速運(yùn)動(dòng)時(shí)控制效果要差很多，說(shuō)明固定參數(shù)的傳統(tǒng)PI控制器應(yīng)用于外骨骼時(shí)沒(méi)有較好的工況適應(yīng)性。因此需對(duì)單兵助力外骨骼系統(tǒng)的PI參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)整定，使其在各種運(yùn)動(dòng)工況下都具有較好的控制效果。

2 外骨骼遺傳自適應(yīng)PI控制器參數(shù)整定

外骨骼遺傳自適應(yīng)PI控制器參數(shù)整定步驟如下。

步驟1編碼。定義單兵助力外骨骼PI控制器，比例參數(shù)及積分參數(shù)染色體編碼如下：

(1)

步驟2產(chǎn)生初始群體。使用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生具有不同比例、積分系數(shù)的G個(gè)個(gè)體組成的初始群體。

(2)

(3)

步驟4交叉。采用算術(shù)交叉的方法，α為0～1隨機(jī)數(shù)，交叉后單兵助力外骨骼相鄰的染色體如下：

(4)

定義自適應(yīng)交叉概率pc如下：

(5)

步驟5變異。選擇單兵助力外骨骼群體中的一個(gè)個(gè)體i，以一定的概率對(duì)選中的個(gè)體隨機(jī)地改變字符串中某個(gè)字符的值，即：

(6)

定義自適應(yīng)變異概率pm如下：

(7)

步驟6選擇。計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值，將當(dāng)前群體中適應(yīng)度值高于下代群體中最高適應(yīng)度的個(gè)體復(fù)制到下一代，替換下一代中適應(yīng)度較低的個(gè)體。

步驟7收斂判斷。如達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，則把適應(yīng)度值高的字符串作為結(jié)果，否則從步驟3重復(fù)以上操作。

步驟8解碼。把達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)度值高的字符串解碼變成實(shí)際的單兵助力外骨骼自適應(yīng)PI控制器的P、I參數(shù)。

3 仿真分析

3.1 遺傳自適應(yīng)PI控制器仿真模型

單兵助力外骨骼遺傳自適應(yīng)PI控制器仿真模型框圖如圖9，S-Function即為使用程序?qū)崿F(xiàn)的遺傳自適應(yīng)算法，外骨骼其他模型不變。

圖9 遺傳自適應(yīng)PI控制器仿真模型框圖

3.2 角度偏差

將單兵助力外骨骼仿真模型的PI控制器換成遺傳自適應(yīng)PI控制器，仿真獲得支撐腿外骨骼與人體的關(guān)節(jié)角度偏差曲線如圖10、圖11所示。

圖10 低速運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度偏差曲線

圖11 高速運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度偏差曲線

3.3 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

由圖12～圖15可以看出，在添加了遺傳自適應(yīng)算法后，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)人體需要提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩有一定降低，即降低了人機(jī)交互作用力，提高了人體舒適性。

圖12 低速運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

圖13 低速運(yùn)動(dòng)人體驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

圖14 高速運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

圖15 高速運(yùn)動(dòng)人體驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)論

通過(guò)遺傳自適應(yīng)算法對(duì)單兵助力外骨骼的交互力放大控制方案中的PI控制器進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的遺傳自適應(yīng)PI控制器能夠使低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)特性保持較好，同時(shí)還能夠使高速運(yùn)動(dòng)時(shí)人機(jī)交互作用力大幅減小、人體舒適性有所提高。從而說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的遺傳自適應(yīng)PI控制器能夠有效提高單兵助力外骨骼系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。