對可穿戴型下肢助力機(jī)器人的分析與研究

引言

可穿戴型下肢助力機(jī)器人是輔助型康復(fù)機(jī)器人的一種，是一種幫助人們擴(kuò)展下肢運(yùn)動能力的助力裝置，其基本原理是在基于人體運(yùn)動行為意識信息的基礎(chǔ)上，由安裝在腿部關(guān)節(jié)（髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)）處的伺服電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動，通過各關(guān)節(jié)角度、速度值的改變來達(dá)到與人體腿部的協(xié)調(diào)運(yùn)動并提供助力，降低人在負(fù)重或長時間行走情況下的運(yùn)動強(qiáng)度，對那些有異樣運(yùn)動行為的人提供治療和矯形，與人體組成了一個協(xié)調(diào)而且完美的整體。目前，世界上大約有10余家實(shí)驗(yàn)室從事可穿戴型人體助力機(jī)器人的研究，其中日本和美國走在前列，國內(nèi)尚未見相關(guān)報道。日本筑波大學(xué)（Tsukuba University）在2002年研制開發(fā)了機(jī)器人裝混合助力腿（hyhrid assis-tive limb，HAL），機(jī)械外骨骼綁縛在人腿的兩側(cè)，利用貼在腿部皮膚上的EMG傳感器檢測肌肉的電流，控制電動馬達(dá)驅(qū)動機(jī)械外骨骼運(yùn)動以輔助腿部的動作。美國加州大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室研制出美軍“伯克利下肢外骨骼”（Berkeley lower extremity exoskeleton， BLE-EX），由背包式外架、金屬腿及相應(yīng)的液壓驅(qū)動設(shè)備組成，機(jī)械系統(tǒng)采用了與類人形結(jié)構(gòu)相似的設(shè)計，背包式外架能夠使操縱者攜帶一定載荷，其有效作用力不經(jīng)過穿戴者而直接經(jīng)由外骨骼傳至地面。下肢外骨骼能夠攜帶外部負(fù)載和自身的重量（包括操縱者的重量）在崎嶇路面遠(yuǎn)距離行走，能使帶有全副武裝的士兵增強(qiáng)負(fù)重能力和提高行軍速度。然而上述裝置存在著共同的缺點(diǎn)，由于肌電傳感器是根據(jù)肌肉活動時皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏?a target="_blank">信號或肌肉的軟硬程度來推斷人的行為意識，導(dǎo)致所采用的大部分傳感器要與人體肌膚直接接觸并粘貼在肌膚上，需要特別的固定裝置，這樣直接導(dǎo)致穿戴上的不便；人體分泌的汗液、傳感器安裝的好壞等將影響所獲取信息的穩(wěn)定與準(zhǔn)確性，而且信息量大而復(fù)雜，易受干擾，從而使控制難度加大。因此，本文設(shè)計一種新型的可穿戴型下肢助力機(jī)器人感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于獲取人體下肢和機(jī)器人外骨骼之間的接觸力，利用這些力信息和關(guān)節(jié)角度信息控制機(jī)器人外骨骼以實(shí)現(xiàn)對人體下肢運(yùn)動的助力。

1 助力機(jī)器人系統(tǒng)

可穿戴型下肢助力機(jī)器人主要由機(jī)械、傳感和控制三大部分組成。機(jī)器人外骨架包含12個自由度，每只腿有6個自由度，髖關(guān)節(jié)包含3個自由度，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳底各包含1個自由度，該設(shè)計要求不僅符合以往的擬人機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求，又達(dá)到與人體腿部運(yùn)動相協(xié)調(diào)、互不產(chǎn)生運(yùn)動干涉的設(shè)計要求，如圖1所示。

執(zhí)行部分主要指直流伺服電機(jī)，該系統(tǒng)需要4個，它們分別固定在兩腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)上。可穿戴型下肢助力機(jī)器人控制系統(tǒng)主要采用PC104嵌入式控制系統(tǒng)板和PC104CAN卡，整個系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)見圖2。

2 機(jī)器人感知模塊

2.1 人機(jī)系統(tǒng)接觸信息

可穿戴型下肢助力機(jī)器人主要利用人體下肢運(yùn)動信息提供助力，這些運(yùn)動信息主要包括人體與外骨骼機(jī)器人的腿部接觸力信號、腳底力信號，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度信號等。為了獲取這些運(yùn)動信息，設(shè)計一套基于CAN總線的多傳感器感知系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的傳感器通信方式（主要是指RS-232和RS-485）中主節(jié)點(diǎn)單一和實(shí)時性差等問題。該系統(tǒng)由電機(jī)碼盤、安裝在腿部的2個二維力傳感器和安裝在腳底的6個一維力傳感器組成。腿部力傳感器固定在人腿膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上部，用于測量人體與外骨骼之間的接觸力；腳底力傳感器安裝在腳尖和腳跟，用于測量地面反力；電機(jī)碼盤用于測量髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

腿部二維力傳感器是用于測量機(jī)器人外骨骼和人體之間的接觸力大小的傳感器，其測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對助力機(jī)器人的控制有重要的意義。腿部力傳感器主要是由2個二維力傳感器組成，用于測量人體大、小腿與機(jī)器人外骨骼之間的接觸力，該接觸力包括沿人體腿部的力（X方向）和垂直腿部的力（Y方向）。在下肢助力機(jī)器人的控制中，除了要知道人體腿部與機(jī)器人的作用力之外，還需要知道人體腳底對機(jī)器人的作用力，而腳部力傳感器是測量地面對人機(jī)系統(tǒng)的作用反力。人體落腳對地面的著力點(diǎn)可以用三個支撐點(diǎn)表示，這三個支撐點(diǎn)的位置分別位于第一跖骨根部和第五跖骨根部以及后腳跟，人體靠這三點(diǎn)間產(chǎn)生的足弓支撐身體，而身體的重量經(jīng)由這三點(diǎn)傳遞到地面。為了準(zhǔn)確獲取行走時腳底的力信息，腳底力傳感器的安裝位置就定在這三點(diǎn)的位置上，每只腳需要安裝3個一維力傳感器，共需要6個一維力傳感器，具體安裝位置見圖3。由于腳底機(jī)械部分的限制，傳感器彈性體體積比較小，其本體機(jī)械尺寸φ40 mm（直徑）×8 mm（厚度），量程為1000 N。

2.3 傳感器設(shè)計

彈性體的設(shè)計是多維傳感器設(shè)計中的關(guān)鍵。本文在利用有限元分析方法對傳感器彈性體的靜態(tài)和動態(tài)特性仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于E型膜片的彈性體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、維間耦合小、容易標(biāo)定的特點(diǎn)。整個彈性體主要由彈性膜片、應(yīng)變計和受力轉(zhuǎn)接體三個部分組成，彈性體由兩層E型膜片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)X和Y兩個方向應(yīng)變力的測量。彈性膜片為圓形結(jié)構(gòu)，其直徑和厚度分別為φ15 mm和2 mm，厚度方向和測量方向一致。敏感元件采用箔式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上。傳感器的輸出是E型膜片的應(yīng)力，應(yīng)力的測量方式很多，本研究采用箔式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上，用于測量彈性體上應(yīng)力的大小。應(yīng)變計貼片位置如圖4所示，X和Y方向應(yīng)變片安裝在E型膜片的下端，四片應(yīng)變片電阻組成一個惠斯登全橋電路（如圖5所示），實(shí)現(xiàn)輸出信號的自動解耦。當(dāng)力作用于傳感器時，由于力大小、方向的不同，各個方向的敏感電阻受到的應(yīng)力不同，從而得到力與應(yīng)變之間的關(guān)系。以X方向?yàn)槔?，E型膜片敏感彈性部分的圓環(huán)平膜片屬于薄板結(jié)構(gòu)，在X向力的作用下，邊界條件比較簡單，可以等效為外圓周固定，集中應(yīng)力作用在硬中心的圓形薄板。根據(jù)薄板理論可知，周邊固支具有硬中心的膜片在半徑r處的徑向應(yīng)力εr和切向應(yīng)力εθ為

式中：ω，h分別為圓形膜片的法向位移和厚度；F為施加力的等效集中力；f（r），P（r）是僅與r有關(guān)的函數(shù)。

由上式可以看出，當(dāng)半徑r一定，也就是壓敏電阻位置固定時，圓形膜片表面上的應(yīng)變ε為

ε=kFF （3）

式中kF為應(yīng)變系數(shù)常量。

由于使用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4，有

式中：ε1，ε2，ε3，ε4分別是4個敏感電阻R1，R2，R3，R4的應(yīng)變；ε為圓形膜片的總應(yīng)變；G，k為常量；UX是橋路輸出電壓。

綜合式（4），（5），橋路的輸出電壓信號正比于傳感器的力信號，測量輸出電壓信號就可以得到被測目標(biāo)的力信號。

傳感器硬件電路采用嵌入式片上系統(tǒng)，由數(shù)字電路和模擬電路兩部分組成，其中模擬電路由信號調(diào)零電路、運(yùn)算放大電路和模擬濾波電路組成；數(shù)字電路部分主要包括A／D采樣模塊、數(shù)字計算模塊、CAN總線控制器、CAN總線驅(qū)動器和必要的外圍電路模塊。圖6是助力機(jī)器人力傳知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件電路原理框圖。

軟件設(shè)計分為下位機(jī)（微處理器）的軟件設(shè)計和上位機(jī)（PC）的軟件設(shè)計。每個傳感器作為一個節(jié)點(diǎn)通過CAN總線互聯(lián)，當(dāng)接收到上位機(jī)的命令后，首先進(jìn)行命令判斷，根據(jù)不同的命令作出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)（PC）主要包括清零點(diǎn)、力信息（數(shù)字量）、回傳力信息、查詢力信息、屏蔽報警等命令。下位機(jī)的軟件設(shè)計主要由數(shù)據(jù)采集程序（A／D轉(zhuǎn)換）、數(shù)據(jù)處理程序以及CAN總線通訊程序三大部分組成。啟動CAN中斷以前，在主程序中進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，得到傳感器系統(tǒng)的初始值，這其中包括3個A／D轉(zhuǎn)換通道；延時，完成通道的初始化；數(shù)據(jù)采集是在CAN中斷程序中完成的，每一次中斷完成1組三維力信息數(shù)據(jù)的采集以及相應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換；同時讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字處理，數(shù)字處理主要由數(shù)字濾波與力信息解耦兩大部分組成，數(shù)字濾波主要采用窗口移動法與數(shù)據(jù)平均值法相結(jié)合；數(shù)據(jù)經(jīng)過解耦處理后，通過SendData（）函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，上位機(jī)通過ID號識別接受下位機(jī)數(shù)據(jù)，具體流程見圖7。

3 傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

E型膜片元件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得產(chǎn)品特性的一致性比一維傳感器更難保證，應(yīng)變計的貼片工藝很難保證絕對理想情況，這些因素決定傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性和理論計算值之間存在一定的誤差，因此傳感器的靜態(tài)特性一般采用標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的方法獲取，其標(biāo)定準(zhǔn)確度將直接影響傳感器使用時的測量準(zhǔn)確度。所謂傳感器的標(biāo)定，就是建立傳感器的三路輸出值與作用在傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)上的三維力之間的數(shù)量關(guān)系。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程包括靜態(tài)標(biāo)定和實(shí)時測量驗(yàn)證兩部分。為了減少隨機(jī)誤差的影響，采用一種具有一定冗余力向量的最小二乘標(biāo)定方法。設(shè)F是加載力矩陣，V為傳感器的輸出矩陣（數(shù)字量），C為標(biāo)定矩陣，E為誤差矩陣，則

F=CV+E （6）

式中：F，V為已知量；E可以設(shè)定。于是，標(biāo)定矩陣的求解可以轉(zhuǎn)化為求解標(biāo)定矩陣C，使式（6）在最小二乘法意義下最優(yōu)。在微型指力傳感器標(biāo)定過程中，對施加在傳感器上X，Y方向的載荷和敏感橋路之間的關(guān)系進(jìn)行測量，其測量值（數(shù)字量）與所加砝碼數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示（XLable表示傳感器標(biāo)定所加載荷，Ylable表示傳感器輸出數(shù)字量）。

從圖8可以看出，傳感器X方向加力時，所受載荷和傳感器敏感橋路輸出之間的映射關(guān)系可以基本認(rèn)為是線性的，Y方向的最大耦合不超過2.5％。利用最小二乘法得到傳感器的兩組靜態(tài)標(biāo)定矩陣為由此可以計算出傳感器的I類誤差為2％，II類誤差為2.5％。利剛C1，C2兩組標(biāo)定矩陣對傳感器進(jìn)行實(shí)時測量檢驗(yàn)，結(jié)果顯示I類最大誤差不超過2％，II類誤差不超過2.5％。通過該標(biāo)定系統(tǒng)得到的靜態(tài)標(biāo)定矩陣和理論設(shè)計值比較接近，說明標(biāo)定系統(tǒng)和標(biāo)定方案是切實(shí)可行的。

結(jié) 論

本文針對一種新型的人體輔助型康復(fù)機(jī)器人，設(shè)計了一套基于CAN總線的下肢運(yùn)動信息感知系統(tǒng)，見圖9。經(jīng)分析可穿戴型助力機(jī)器人所需要的控制信息可確定傳感器的種類、數(shù)量和安裝位置；重點(diǎn)介紹腿部和腳底力傳感器的彈性體設(shè)計，測量電路和上下位機(jī)軟件；對傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出傳感器的一般性能指標(biāo)，結(jié)果說明本研究中的設(shè)計理論和設(shè)計過程是正確的，基本可以滿足可穿戴型下肢助力機(jī)器人控制系統(tǒng)的需要。未來的工作主要集中在以下幾點(diǎn)：①繼續(xù)完善傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)，在滿足傳感器性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小傳感器彈性體體積和精確確定應(yīng)變計的貼片位置；②完善傳感器的測量電路設(shè)計，增加濾波電路，改進(jìn)放大電路；③改進(jìn)傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，把標(biāo)定誤差降至最低。