下肢外骨骼機器人在運動康復(fù)中的協(xié)同性研究

王長劍，趙一平

(淮北師范大學(xué) 體育學(xué)院，安徽 淮北 235000)

體育運動強度的增大有時候會導(dǎo)致人體機能損傷，尤其是競技性非常強的運動，如短跑、足球等，極易發(fā)生運動損傷，尤其是下肢的損傷.下肢外骨骼機器人是一種模擬人體下肢運動的機器人，可以設(shè)計好程序助力恢復(fù)期的運動員進行恢復(fù)性的練習(xí)及生活，會幫助運動員進行傷后康復(fù).

下肢外骨骼機器人是一種可以供人穿戴，對人體起到保護、保溫的作用或是仿制人體結(jié)構(gòu)構(gòu)造來完成的機械裝置.下肢外骨骼機器人通過模仿人體的行走過程，提前調(diào)試機器人的運動狀態(tài)響應(yīng)，使其完全符合人體的行走軌跡.在未來，它們不僅將在運動康復(fù)領(lǐng)域有良好的發(fā)展，而且在生物學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景.

下肢外骨骼機器人最早由國外研發(fā)生產(chǎn)，被用來輔助人體傷后的康復(fù)，它能夠在短期內(nèi)提高人的運動機能以及突破人體某些運動極限，因此許多國家對其研發(fā)給予高度重視.外骨骼機器人最早主要是為了增強體能從而提高單兵的作戰(zhàn)能力.在21世紀初，世界上許多國家都加大推進軍事機器人研發(fā)，主要目的是為了提升國家的軍事力量.下肢外骨骼機器人又被用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，如荷蘭科學(xué)家設(shè)計的LOPES機器人，瑞士研制的LOKOMAT機器人，以色列設(shè)計的Rewalk機器人，都可以用來幫助腿腳不便的人行走和促進治療后病人的康復(fù)，甚至可以讓癱瘓的病人重新站立行走.鑒于其重要的實用價值，世界上很多國家和地區(qū)開始全面研究下肢外骨骼機器人技術(shù).

我國從20世紀70年代開始研究，研究機構(gòu)主要在一些知名高校.1981年中國人工智能學(xué)會的成立，標志著我國下肢外骨骼機器人的研究走向正軌.我國科學(xué)家經(jīng)過40年的艱苦奮斗，目前我國在下肢外骨骼機器人領(lǐng)域的研究水平正在向世界領(lǐng)先國家追趕.2006年，清華大學(xué)開始對下肢外骨骼機器人進行研究，設(shè)計了一種安裝驅(qū)動電機的下肢外骨骼設(shè)備；浙江大學(xué)設(shè)計了一種采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等控制的下肢外骨骼機器人來幫助下肢受損的患者進行康復(fù)；電子科技大學(xué)設(shè)計了一種通過采集人大腦的信息來控制行走的下肢外骨骼機器人；2018年3月，由西北機電工程研究所研制的一款軍民兩用“星云外骨骼助力系統(tǒng)”在中國某兵器工業(yè)集團展出，此款外骨骼系統(tǒng)屬于中國最新一代外骨骼系統(tǒng)，相較于第一代傳統(tǒng)外骨骼系統(tǒng)，這款外骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分精簡，裝備到人體上，感覺就像一個輕背包，去掉沉重的金屬骨架后，使其更貼近于實戰(zhàn)應(yīng)用.

近年來，針對下肢外骨骼機器人的研發(fā)已經(jīng)取得了很大的成就，主要是仿PD關(guān)節(jié)控制和魯棒自適應(yīng)控制，由于這些方法都存在一定的局限性.因此設(shè)計一種新型的、更加穩(wěn)定的下肢外骨骼機器人控制系統(tǒng)有很強的實用性和研究價值.

1 下肢外骨骼機器人的發(fā)展趨勢

目前，下肢外骨骼機器人存在著驅(qū)動效率低、體積大、協(xié)調(diào)性差等問題.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和機器人研發(fā)技術(shù)水平的不斷提高，下肢外骨骼機器人的發(fā)展將會更加全面、智能化、輕便和易穿戴，更高效、更可靠、更安全、更穩(wěn)定，功能也將多樣化.

由于下肢外骨骼機器人是多種技術(shù)的綜合和集成，目前也僅僅在實驗的初級階段，其穩(wěn)定性還有待提高，此外，下肢外骨骼康復(fù)機器人技術(shù)還尚未成熟，還沒有廣泛應(yīng)用于普通人的生產(chǎn)生活中，這也是下肢外骨骼機器人售價昂貴和使用者少的原因之一.加強對下肢外骨骼技術(shù)的改進是未來研究的熱點,此項目的研發(fā)會給老百姓帶來實實在在的福音.

1.1 下肢外骨骼機器人的未來發(fā)展趨勢

1) 良好的團隊合作

充分發(fā)揮團隊智慧,在未來，高度智能的類人機器人應(yīng)該也有能力相互合作.

2) 結(jié)構(gòu)輕巧

由于下肢外骨骼機器人是可以穿戴的結(jié)構(gòu)，因此要考慮穿戴者的舒適度，要設(shè)計的輕巧、方便、舒適，做到穿戴方便、綠色環(huán)保，盡量減少能源的使用.

3) 相互干擾性小

主要從解決對人體各個方面限制的角度去考慮.應(yīng)該加大減少人與下肢外骨骼機器人的正面接觸，減少人機互相干擾.

4) 低成本

成本要盡可能低，功能要全面，滿足廣大運動員的需求.

5) 更加智能化和擬人化

由于下肢外骨骼機器人的任務(wù)是完成人在某些特殊情況下不能完成的任務(wù)，因此其在結(jié)構(gòu)上更加擬人化，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，下肢外骨骼機器人將會更加智能化.

2 人體步行下肢各關(guān)節(jié)的運動學(xué)規(guī)律分析

2.1 分析目的

要了解下肢外骨骼機器人的運動規(guī)律，必須要先了解人的步態(tài)信息.外骨骼機器人本質(zhì)上依賴于關(guān)節(jié)坐標值(即關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值)的變化.例如，預(yù)先記錄教學(xué)機器人各位置關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，當任務(wù)結(jié)束時，控制器給出每個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度來記錄數(shù)據(jù)，使機器人能夠按照預(yù)定的位置和定位姿態(tài)有序地完成運動.

2.2 步態(tài)分析系統(tǒng)

本文采用Cortex軟件和三維紅外被動式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)對人體的步態(tài)數(shù)據(jù)進行采集.首先將兩個位置傳感器分別置于人體下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上，通過模擬信號的形式將采集到的部分信息實時發(fā)送出去，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將傳感器中人體的運動信息傳輸給計算機，按照接收到的信號計算運動過程中的參數(shù).該方法速度較快,精度很高,但也有一些缺陷,對人在行走過程中步行速度的要求相對嚴格,必須放慢速度,收集的數(shù)據(jù)也可能會丟失,需要修復(fù)的后期獲得理想的步態(tài)信息,傳感器的位置安放也比較麻煩.由于場地的局限性和相機位置改變可能出現(xiàn)擾動、熒光點的抖動與衣物的遮擋人體步行速度不易控制，導(dǎo)致MATLAB最后成型圖像較為雜亂，鋸齒較多，因此采用最小二乘濾波法進行處理，使成像曲線顯得更為圓滑，方便后期實驗的進行.

3 動力學(xué)分析與建模

機器人的控制問題是研究下肢外骨骼機器人的主要問題.根據(jù)建立的動力學(xué)模型和其動態(tài)特性，選擇合適的控制器讓下肢外骨骼機器人的關(guān)節(jié)變量可以跟隨期望軌跡，并通過仿真驗證可行性.

研究關(guān)節(jié)機器人動力學(xué)的主要方法有拉格朗日分析力學(xué)方法、牛頓-歐拉公式等.由于拉格朗日方法的概念簡單，可以在參考坐標系的系統(tǒng)模式下獨立推進，指導(dǎo)運動方程，因此本文使用拉格朗日公式.

3.1 拉格朗日方程

拉格朗日函數(shù)L被定義為系統(tǒng)動能K和勢能P之差，如下所示：

L=K-P

(1)

3.2 下肢外骨骼機器人連桿系統(tǒng)拉格朗日方程

人體下肢可以等效為下圖所示的一個二連桿模型：

圖1 二連桿等效圖

設(shè)大腿長度為L1，質(zhì)量為m1，小腿長度和質(zhì)量為L2,m2；θ1,θ2分別表示髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度，質(zhì)心C1(x1,y1),C2(x2,y2)，質(zhì)心距離O的距離分別為d1,d2

則

x1=d1cosθ1

(2)

y1=d1sinθ1

(3)

x2=L1cosθ1+d2cos(θ1+θ2)

(4)

y2=L1sinθ1+d2sin(θ1+θ2)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Ek=Ek1+Ek2

(10)

(11)

(12)

Ep=Ep1+Ep2

(13)

又拉格朗日函數(shù)的表達式為：

L=Ek-Ep

(14)

拉格朗日方程定義為：

(15)

由以上式子得：

=m1gd1cosθ1

(16)

(17)

簡化后，動力學(xué)矩陣方程為：

(18)

3.3 外骨骼機構(gòu)與人體協(xié)同的仿真驗證

圖2 魯棒自適應(yīng)控制框圖

圖3 關(guān)節(jié)角度跟蹤曲線 圖4 關(guān)節(jié)角速度跟蹤曲線

通過建立的拉格朗日方程，可以為我們接下來選取控制器做準備，基于建立的動力學(xué)模型，本文設(shè)計了一種魯棒自適應(yīng)控制與PD控制結(jié)合的控制器，并進行了仿真.

4.3.1 仿真實例

根據(jù)建立的動力學(xué)模型及下肢外骨骼機器人的動態(tài)特性，本文采用了一種魯棒自適應(yīng)控制與PD控制相結(jié)合的魯棒自適應(yīng)PD控制，并在MATLAB環(huán)境中對其進行仿真，見圖2～4.

由仿真可以看出，采用魯棒PD自適應(yīng)控制的下肢外骨骼模型的角速度和關(guān)節(jié)角度與預(yù)期相當接近，證明了本文設(shè)計的模型在運動員下肢損傷康復(fù)中的應(yīng)用是可行的.

4 總結(jié)

本文主要針對運動員下肢受傷后康復(fù)的問題提出了一種將正常人的步態(tài)作為輸入的運動康復(fù)機器人康復(fù)訓(xùn)練方法.通過使用 CORTEX 軟件跟三維紅外被動式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)組合,捕捉受試者走動時動作數(shù)據(jù)采集、分析，實現(xiàn)對人體步態(tài)的三維分析.本文首先分析人體的運動過程，然后利用三維紅外光學(xué)被動式運動捕捉器采集人體步態(tài)數(shù)據(jù)，再對其進行運動學(xué)分析，掌握其運動學(xué)規(guī)律，并對其進行動力學(xué)建模進行了仿真.

1)了解目前該問題的研究重點和難點.本文對國內(nèi)外主要科研機構(gòu)和高校外骨骼機器人的研究進展進行了調(diào)查分析，明確了下肢外骨骼機器人的主要研究內(nèi)容和需要解決的問題，并設(shè)計了研究方案.

2)采集了多組人體步態(tài)數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件對步態(tài)原始數(shù)據(jù)進行最小二乘法濾波，繪制并分析了人體各關(guān)節(jié)在行走過程中的動態(tài)曲線.

3)分析下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)與機理，并用拉格朗日法對下肢外骨骼建立動力學(xué)模型，為后續(xù)的控制器設(shè)計做準備.

4)通過仿真實驗證明了本文設(shè)計的采用魯棒自適應(yīng)PD控制的下肢外骨骼機器人對運動員損傷后的康復(fù)是非常有幫助的.