基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的外骨骼系統(tǒng)設(shè)計

游博洋，王險峰，趙 玲，李 龍，逄萬山，黨志強

(東北石油大學(xué) 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

近年來，外骨骼機器人在動力、傳感器、控制[1]/步態(tài)算法等方面逐漸成熟[2]，許多研究者設(shè)計了各式各樣的外骨骼系統(tǒng)并考慮用于生活、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，分別對于各關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)[3]、整體電控系統(tǒng)[4-5]、步態(tài)穩(wěn)定性[6-7]、傳感器系統(tǒng)[8-10]以及特殊驅(qū)動方式[11-14]等方面進行了相應(yīng)的研究。目前，國內(nèi)外在該領(lǐng)域已較為成熟，但并未普及，其市場缺口極大，且由國務(wù)院法制辦于2015年7月發(fā)布《殘疾預(yù)防和殘疾人康復(fù)條例(草案)(征求意見稿)》顯示，康復(fù)外骨骼領(lǐng)域也受到政府支持，同時研究者也對其在康復(fù)應(yīng)用中的可行性進行了相應(yīng)的分析[15]。但由于外骨骼機械結(jié)構(gòu)、軟硬件系統(tǒng)復(fù)雜等原因，上市公司開發(fā)的外骨骼也很難獲得CFDA認證。

該文所實現(xiàn)的外骨骼具有成本較低、易擴展、能無線控制等優(yōu)點，具有兩種控制方式可按需切換，可作為一套外骨骼框架在未來進行進一步優(yōu)化。且由于足底EMG存在超前ZMP約160 ms的優(yōu)勢[8]，本外骨骼設(shè)計同樣利用該特性提高外骨骼機器人行走穩(wěn)定性。

1 外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 外骨骼系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于外骨骼機器人整體作為一個可供人穿戴的機構(gòu),需要保證使用安全的同時足夠輕便，且擁有足夠的活動范圍和尺寸可調(diào)整，整體應(yīng)允許承受一定的沖擊力。設(shè)計尺寸參考由國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《中國成年人人體尺寸(GB/T 10000-1988)》中的人體數(shù)據(jù)，并結(jié)合個人情況進行一定調(diào)整。

如圖1所示,該外骨骼機器人整體結(jié)構(gòu)主要由腰部整體結(jié)構(gòu)、髖關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)、踝關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)、大腿調(diào)節(jié)機構(gòu)、小腿調(diào)節(jié)機構(gòu)和腳掌結(jié)構(gòu)組成。本設(shè)計中單腿有3個電機驅(qū)動的關(guān)節(jié)和1個可自由轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，保證了人肢體運動時良好的跟隨性。大腿和小腿處各有一個由直線導(dǎo)桿、下部固定塊、上部固定塊、可調(diào)固定塊構(gòu)成的伸縮調(diào)整機構(gòu)，使得該外骨骼機器人能適配不同體型的人。

1.腰部整體結(jié)構(gòu) 2.髖關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu) 3.膝關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)4.踝關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu) 5.大腿調(diào)節(jié)機構(gòu) 6.小腿調(diào)節(jié)機構(gòu) 7.腳掌結(jié)構(gòu)

1.2 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計

腰部結(jié)構(gòu)由腰部固定板、擺動固定塊、轉(zhuǎn)動軸和髖關(guān)節(jié)電機安裝板組成。腰部固定板嵌入于擺動固定塊中，髖關(guān)節(jié)電機安裝板和擺動固定塊之間可自由轉(zhuǎn)動，兩腿部外骨骼因此可自由向左右兩邊轉(zhuǎn)動。

1.3 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由擺動固定塊、電機安裝板、電機安裝板蓋板、57步進電機、電機減速機和大腿上板組成。

髖關(guān)節(jié)在人體或機器人中均用于連接大腿和腰部，人體的髖關(guān)節(jié)由股骨頭和髖臼構(gòu)成，其能承受人體上半身的重量，可作多軸的運動，但因股骨頭深深嵌入髖臼內(nèi)，且有各種韌帶的限制，其運動幅度遠遜于肩關(guān)節(jié)。

圖1中，57步進電機與電機減速機間由M5螺絲固定，電機安裝板與電機安裝板蓋板于兩端柱形沉頭孔通過M8六角頭螺栓固定。帶編碼器的步進電機通過齒輪減速機輸出到大腿上板，可帶動整個大腿前后運動。由電機安裝板和電機安裝蓋板內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的機械限位也從結(jié)構(gòu)上有效地保證了使用者的安全。

1.4 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由大腿上板、伸縮調(diào)整機構(gòu)、膝關(guān)節(jié)上板、膝關(guān)節(jié)連接板和電動推桿組成。

人體的膝關(guān)節(jié)是由股骨下端、脛骨上端和髕骨組成的，是人體中最大且最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬于滑車關(guān)節(jié)。長期體力勞動者和肥胖人群易出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)相關(guān)病癥，使用該外骨骼機器人減輕關(guān)節(jié)負荷對該類人群有一定幫助。

該膝關(guān)節(jié)設(shè)計由電動推桿作為動力，其核心為驅(qū)動電機、減速齒輪、螺桿、螺母等部件組成的直線驅(qū)動器。本設(shè)計中選擇使用合適行程的電動推桿，與膝關(guān)節(jié)其他結(jié)構(gòu)形成機械限位，使膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度為0～90度，且整體設(shè)計緊湊。伸縮調(diào)整機構(gòu)由直線導(dǎo)桿和可調(diào)固定塊組成，通過更換固定塊實現(xiàn)對不同體型人群的適配。

1.5 踝關(guān)節(jié)及腳掌結(jié)構(gòu)設(shè)計

踝關(guān)節(jié)及腳掌結(jié)構(gòu)由踝關(guān)節(jié)上板、57步進電機、電機減速機和足部裝配體(腳板、腳板安裝板、鞋子固定環(huán)、腳部電機支架)組成。

人體踝關(guān)節(jié)由脛骨、腓骨下端關(guān)節(jié)面以及距骨滑車構(gòu)成。從足與小腿間角度不同可分為背屈和跖屈，兩者由足與小腿間的角度區(qū)分。背屈時，足尖朝上，而足部與小腿間的角度小于90度；跖屈時，足尖向下，足與小腿間的角度大于90度。由于跖屈時踝關(guān)節(jié)松動容易發(fā)生扭傷，若可使用外骨骼調(diào)整行走時腳平面仰角，則有可能降低踝關(guān)節(jié)扭傷的可能。

踝關(guān)節(jié)部分驅(qū)動使用57步進電機，腳板上即為腳底壓力傳感器陣列，使用者可赤腳或穿鞋將足放上腳板，然后使用鞋子固定環(huán)將足部固定。電機固定架上有限位開關(guān)，可在超過限位時斷電保證用戶安全。

2 外骨骼硬件設(shè)計

2.1 外骨骼系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計

外骨骼系統(tǒng)設(shè)計中分為感受器、效應(yīng)器和核心控制器三部分。各部分都有獨立電池并由控制器執(zhí)行各部分電源管理。

本外骨骼硬件設(shè)計中，主要由感受器采集使用者數(shù)據(jù)，核心控制器負責(zé)復(fù)雜運算，效應(yīng)器負責(zé)執(zhí)行控制信號。各部分均可通過有線或無線兩種連接方式進行通信，且電源獨立各部分可分開工作。

2.2 感受器硬件設(shè)計

感受器部分為下肢感受器單元兩種感受器單元。如圖2所示，感受器單元包括stm32f103rct6局部控制器、電源管理模塊、肌電傳感器陣列[16]、各關(guān)節(jié)電位器陣列、無線通信模塊和壓力傳感器陣列。圖2給出了該感受器的硬件原理框圖，硬件可由所述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)所需功能。

圖2 感受器硬件原理框圖

電池經(jīng)過電源管理電路后分別接入電源共享接口、穩(wěn)壓電源電路，并與單片機通信發(fā)送電源信息，該外骨骼系統(tǒng)電網(wǎng)可通過電源共享接口并入。穩(wěn)壓電源獲得的5 V、3.3 V電壓分別給控制器和各傳感器供電。EMG肌電傳感器通過差分電極采集表面肌電信號后放大、濾波以及A/D轉(zhuǎn)換獲得肌電信號發(fā)送給單片機；HX711為一款國產(chǎn)的兩路24位可選增益的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等電路，具有集成度高、抗干擾性強的優(yōu)點。該ADC芯片典型工作電流小于1.7 mA，斷電電流小于1 μA，工作電壓范圍為2.6 V～5.5 V，工作溫度范圍為-20℃～+85 ℃。本設(shè)計中設(shè)置增益為128，使用80 Hz輸出數(shù)據(jù)速率，使用電橋電路接入FSR壓力傳感器，控制器將定時請求ADC數(shù)值并換算為壓力值；WH148 B10K電位器為一款長壽命可調(diào)電位器，本設(shè)計選用10 kΩ款，其三個引出端分別接入GND、3V3和stm32的ADC端口，使用內(nèi)置12位ADC進行采樣換算關(guān)節(jié)角度；nRF24L01無線收發(fā)器是一款由NORDIC公司生產(chǎn)的單片無線收發(fā)器芯片，可工作在2.4 GHz～2.5 GHz，其工作溫度為-40 ℃～+80 ℃，擁有極低的電流消耗，在發(fā)射功率為0 dBm時，發(fā)射和接收模式中僅消耗約12 mA，其無線數(shù)據(jù)傳輸速率支持1 Mbps/2 Mbps，并擁有126個通訊通道，6個數(shù)據(jù)通道；CAN總線作為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，其高性能和可靠性得到了業(yè)界廣泛認同，故本設(shè)計選擇CAN作為有線通信方式。感受器中使用ST公司的STM32F103RCT6單片機作為控制器，該MCU具有一個32位ARM Cortex-M3架構(gòu)RISC處理器，具有72 MHz的較高速度，豐富的外設(shè)、較強的處理能力和256KB ROM/48KB RAM且集成CAN控制器使其被選擇成為本設(shè)計中感受器和效應(yīng)器的控制核心。由于該芯片集成了CAN控制器，為實現(xiàn)CAN總線故還需要一片CAN收發(fā)器，而SN65HVD230為TI公司生產(chǎn)的3.3 V CAN收發(fā)器，使用該收發(fā)器的CAN總線具有較高通訊速率，最高可達1 Mb/s，抗干擾能力較好且具有高可靠性。該收發(fā)器可用于較高干擾環(huán)境下，工作在低電流等待模式時，其典型電流僅有370微安。SN65HVD230 CAN收發(fā)器在這里將實現(xiàn)二進制碼流和差分信號的轉(zhuǎn)換。各個傳感器采樣后通過stm32f103rct6微控制器進行匯總，并根據(jù)不同模式通過無線收發(fā)器或微控制器中集成的CAN總線與效應(yīng)器或高性能核心控制器通信。

2.3 效應(yīng)器硬件設(shè)計

效應(yīng)器部分為下肢效應(yīng)器單元兩種效應(yīng)器單元。圖3中可以看到效應(yīng)器單元包括stm32f103rct6局部控制器、電源管理模塊、電機及其編碼器、無線通信模塊和壓力傳感器陣列。

圖3 效應(yīng)器硬件原理框圖

效應(yīng)器硬件結(jié)構(gòu)與感受器大體相同，主要區(qū)別在于效應(yīng)器中沒有EMG肌電傳感器和用于測量關(guān)節(jié)角度的電位器，但相應(yīng)增加了外骨骼所需要的全橋有刷直流電機驅(qū)動器、編碼器電機、閉環(huán)步進電機驅(qū)動器、57步進電機以及PID電流環(huán)所需的ACS712霍爾電流傳感器。

本外骨骼機器人設(shè)計中使用了帶編碼器的電動推桿，其核心動力由一個有刷直流電機提供。該電機使用的編碼器為AB相增量式正交霍爾編碼器，由兩個方波脈沖相位可解碼得到電機位置變化方向和距離。全橋電機驅(qū)動器使用HIP4082IBZ全橋式功率驅(qū)動芯片，具有80V/1.25A峰值驅(qū)動能力，具有可程控的死區(qū)時間，其控制范圍為0.1 μs～4.5 μs，使用時驅(qū)動器的偏置電壓由自舉和電荷泵來保證，可用于UPS系統(tǒng)、直流電機控制、隔離型全橋式開關(guān)穩(wěn)壓電源等領(lǐng)域。功率場效應(yīng)管選擇N型溝道的IRF3205，其Vds典型值為55 V，Id持續(xù)可達110 A，具有極低的導(dǎo)通阻抗，高效可靠且應(yīng)用范圍超廣；電流采樣部分選擇Allegro MicroSystems公司的ACS712霍爾電流傳感器，使用時將其串聯(lián)于電路。該電流傳感器外圍電路簡單，可支持80 kHz～120 kHz的帶寬，擁有μs級響應(yīng)速度，精度在-40℃～+85℃時小于2%且可測交直流電流；外骨骼髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)部分選擇使用57步進電機，驅(qū)動器將直接選擇配套的成品閉環(huán)步進電機驅(qū)動器。該步進電機驅(qū)動器支持寬電壓輸入，用戶可使用交流或直流24 V～60 V供電，信號輸入使用光耦隔離，邏輯輸入電流7 mA～16 mA，性能優(yōu)越便于控制故選擇使用。

2.4 核心控制器硬件設(shè)計

如圖4所示，核心控制器包括OrangePi PC ARM控制板、MCP2515 CAN控制器、電源部分、九軸姿態(tài)傳感器、無線通信模塊五個部分。

圖4 核心控制器硬件原理框圖

核心控制器選擇使用開源的OrangePi PC ARM開發(fā)板作為控制核心。該嵌入式控制板尺寸為85 mm*55 mm，可運行常見的Android、Ubuntu、Debian系統(tǒng)。其使用了全志H3的SoC，擁有1 GB DDR3運行內(nèi)存。全志H3擁有四核ARM Cortex-A7處理器，并含有USB、UART和SPI等外設(shè)可供使用；MPU9250為九軸姿態(tài)傳感器，其內(nèi)部除集成了基本所需的3軸陀螺儀(角加速度計)、3軸加速度計和3軸磁力計(電子羅盤)外，還集成了數(shù)字運動處理器(DMP)，通信使用傳輸速率可達400 kHz/s的IIC總線。其可編程陀螺儀最大可支持±2 000°/秒(dps)，可編程加速度計最大可支持±16 g，以及磁力計最大可支持4 800 μT；由于全志H3內(nèi)部及OrangePi PC開發(fā)板上未集成CAN控制器和收發(fā)器，故選擇使用分立式SPI接口的CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器SN65HVD230。MCP2515是由Microchip公司生產(chǎn)的一款CAN控制器。該CAN控制器完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，通訊速率為1 Mb/s。其工作電壓為2.7 V～5.5 V，典型工作電流為5 mA，休眠模式的典型待機電流為1 μA。且由于其工業(yè)級(I)工作溫度范圍較寬，為-40 ℃～+85 ℃，作為CAN控制器將實現(xiàn)由核心控制器編程要求的成幀處理、CRC校驗、應(yīng)答檢測、硬件過濾等功能。

3 外骨骼軟件設(shè)計

3.1 外骨骼系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計

整個外骨骼系統(tǒng)硬件分為感受器、效應(yīng)器和核心控制器三部分，因此對應(yīng)的軟件開發(fā)也包含這三部分。其中包含了模擬分時操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信協(xié)議、ZMP算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID這4個關(guān)鍵技術(shù)點

外骨骼系統(tǒng)分為主動和被動兩種控制模式(見圖5)，且被動模式可無線遙控控制。主動模式中，外骨骼機器人將通過傳感器實時采集整體姿態(tài)、關(guān)節(jié)角度等信息，使用內(nèi)置步態(tài)算法控制外骨骼；被動模式中，外骨骼感受器單元將采集人體關(guān)節(jié)角度，同步控制外骨骼機器人，由于整體通信指令通用，在實現(xiàn)無線通信模塊后即可無線控制外骨骼機器人。

圖5 外骨骼系統(tǒng)主動-被動模式軟件框圖

感受器單元采集傳感器數(shù)據(jù)后，若當(dāng)前狀態(tài)為主動模式，則接收核心控制器數(shù)據(jù)請求指令，將數(shù)據(jù)傳回；若為被動模式，則直接與效應(yīng)器通信，發(fā)送同步控制指令。在核心控制器單元無效的情況下，模式切換可由效應(yīng)器單元上的應(yīng)急主動/被動切換開關(guān)和有線/無線切換開關(guān)實現(xiàn)。

效應(yīng)器單元在主動模式時，一方面采集傳感器數(shù)據(jù)保持外骨骼目標角度并傳回感受器核心控制器單元，一方面接收執(zhí)行核心控制器的控制指令；被動模式時則直接接收感受器傳來的控制指令。

核心控制器在主動模式下，通過向效應(yīng)器和感受器請求傳感器數(shù)據(jù)，通過步態(tài)算法獲取下一步運動狀態(tài)，然后向效應(yīng)器發(fā)送指令；切換到被動模式后，核心控制器進入低功耗休眠狀態(tài)，只接收喚醒指令和模式切換請求。正常情況下，模式切換可由核心控制器單元上的應(yīng)急主動/被動切換開關(guān)和有線/無線切換開關(guān)實現(xiàn)。

3.2 感受器端和效應(yīng)器端軟件設(shè)計

感受器和效應(yīng)器中使用的控制板為STM32F103RCT6，其支持使用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C++進行軟件開發(fā)。在編寫過程中各部分硬件被抽象成類，運用操作系統(tǒng)的思想，程序結(jié)構(gòu)模擬分時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了輕量級的程序調(diào)控。

3.2.1 模擬分時操作系統(tǒng)

本設(shè)計中模擬分時操作系統(tǒng)的主要程序框圖如圖6所示。模擬分時操作系統(tǒng)在bootloader啟動后開始初始化操作系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如內(nèi)存分配表、任務(wù)內(nèi)存指針、系統(tǒng)時間、電源信息表、系統(tǒng)任務(wù)表、用戶任務(wù)表。完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化后開始進行定時器中斷配置，初始化系統(tǒng)時鐘并啟動，在系統(tǒng)啟動后用戶可根據(jù)靜態(tài)結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)時間來獲取微秒至年的時間，并可選編譯實時時鐘芯片DS1603和萬年歷類。隨后開始初始化系統(tǒng)對象，并執(zhí)行相應(yīng)構(gòu)造函數(shù)和配置、啟動函數(shù)。該模擬分時操作系統(tǒng)至此完成基本的初始化，并在這里暴露了一個函數(shù)接口可供用戶進行一些硬件、對象的初始化操作。用戶設(shè)置程序結(jié)束后，系統(tǒng)開始裝載各個非阻塞的用戶時間片，對于可能阻塞的延時函數(shù)，本操作系統(tǒng)進行了單獨的封裝，可在阻塞時運行其他時間片，保證了系統(tǒng)整體的正常運行。至此系統(tǒng)完成所有初始化，進入時間片輪轉(zhuǎn)。系統(tǒng)會首先運行系統(tǒng)進程時間片，如進行系統(tǒng)時間刷新，然后執(zhí)行調(diào)度程序，調(diào)整用戶進程順序和時間節(jié)點后運行用戶進程時間片，隨后完成本次時間片輪轉(zhuǎn)。

圖6 模擬分時操作系統(tǒng)的程序框圖

3.2.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)通信協(xié)議(data communication protocols)是為保證數(shù)據(jù)通信雙方能有效可靠的通信而進行的一系列規(guī)定。由于NRF24L01無線2.4 GHz通信中容易因距離、環(huán)境電磁波干擾和障礙物阻礙等造成丟包和數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，以及CAN報文在高負載時可能出現(xiàn)丟包的情況，本設(shè)計中有線CAN通信和無線2.4 GHz通信均使用該通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)指令無誤，且擁有不同的通信程序?qū)ο蟊ＷC不同數(shù)據(jù)連接互不干擾。程序流程如圖7所示。通信時間片開始后，程序根據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)(見表1)定義進行對幀頭的檢測，作為獲取后續(xù)數(shù)據(jù)的入口。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在接收到無關(guān)數(shù)據(jù)后會直接拋棄，而在檢測到幀頭后，程序準備獲取指令長度n。協(xié)議規(guī)定，當(dāng)?shù)却邮諗?shù)據(jù)超過一定時間后，即該幀視為無效幀，直接結(jié)束本次通信時間片。若在有效時間內(nèi)獲取指令長度，則將后續(xù)n+2讀取到內(nèi)存緩沖區(qū)。完成讀取后將數(shù)據(jù)和指令類型進行累加和校驗(Checksum算法)，判斷有效后檢測幀結(jié)尾，若均有效則將指令和指令類型打包到指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提交各操作系統(tǒng)進行下一步操作。

圖7 數(shù)據(jù)通信時間片程序流程

系統(tǒng)獲取指令后，將指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞給指令響應(yīng)程序，該程序?qū)χ噶钸M行相應(yīng)的解析和執(zhí)行，程序流程如圖8所示。程序?qū)⑼ㄟ^對指令結(jié)構(gòu)體中的指令類型和列表指令類型進行對比，確定指令類型相同后通過函數(shù)指針執(zhí)行相應(yīng)程序。

圖8 指令響應(yīng)程序流程

4 結(jié)束語

使用stm32f103rct6、orangepi嵌入式開發(fā)板、無線通信模塊以及相關(guān)的傳感器接口電路，設(shè)計實現(xiàn)了外骨骼系統(tǒng)。該外骨骼系統(tǒng)可根據(jù)腳底壓力和關(guān)節(jié)角度，主動引導(dǎo)人步態(tài)實現(xiàn)行走，也可以被動跟隨人肢體運動，且支持無線遙控外骨骼肢體，有效提高了外骨骼機器人的易用性和實用性，并使用機械結(jié)構(gòu)限位、限位開光強制關(guān)斷和軟件限位三重保護，增強了外骨骼機器人安全性，可作為基礎(chǔ)外骨骼機器人框架，具有較好的應(yīng)用價值。