下肢外骨骼機器人的控制策略研究進展詳細說明

外骨骼機器人的研究可以追溯到 20 世紀 60 年代，最初的研究目的主要是用于提高士兵的背負承載能力，隨著機器人技術(shù)和生物檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，外骨骼機器人的研究取得了飛躍性突破?；诓煌饔脤ο?，大致可以將其分為三類：增強健康人群自身機能的人類增強型外骨骼，如BLEEX（Berkeley lower extremity exoskeleton）；下肢運動能力受損患者康復治療的步態(tài)康復型外骨骼，如 ReWalk；輔助殘疾人或老年人站立或行走的輔助型外骨骼，如 HAL（hybrid assistive leg）。

基于不同目的和作用對象，外骨骼機器人通過采用不同控制策略，并利用信息采集模塊實時監(jiān)測穿戴者運動信息及人機交互信息，以保證運動的正確性和穿戴者的適宜性。同時，通過對外骨骼進行精確控制可以有效避免對患者造成二次傷害，因此開展外骨骼機器人控制策略的研究具有重要的實際應(yīng)用價值。

　　1 下肢外骨骼機器人控制策略

　　根據(jù)控制參數(shù)的不同，外骨骼控制類型可分為基于位置的控制、基于力信息的人機交互控制、基于生物電信號的人機交互控制和智能控制。其中，基于位置的控制策略可分為軌跡跟蹤控制、骨盆控制；基于力信息的人機交互控制策略可分為阻抗控制、力/ 位混合控制、靈敏度放大控制、零力矩點控制、地面反作用力控制 ；基于生物電信號的人機交互控制策略可分為肌電控制、腦電控制；智能控制策略分為模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。其特點和應(yīng)用如表1所示。

　　1.1 基于位置的控制

　　基于位置的控制類型根據(jù)正常人體關(guān)節(jié)位移軌跡，規(guī)劃外骨骼運動軌跡，其控制策略又可分為軌跡跟蹤控制和骨盆控制。

　　1.1.1 軌跡跟蹤控制策略是指外骨骼帶動患肢沿預(yù)先規(guī)劃的軌跡進行步態(tài)訓練，其原理如圖1所示。瑞士Lokomat 康復機器人采用軌跡跟蹤控制，預(yù)先設(shè)定期望運動軌跡，通過控制機器人的關(guān)節(jié)角度和角速度，實現(xiàn)患者的康復訓練。意大利的臥式步態(tài)康復機器人［7］ 通過規(guī)劃特定軌跡的腿部運動，帶動患者患肢在矢狀面沿期望軌跡運動，以模擬人體步態(tài)運動。韓國慶熙大學研制的步態(tài)康復訓練機在采用軌跡跟蹤控制的基礎(chǔ)上，在腳踏板上安裝壓力傳感器實時監(jiān)測患者在訓練時的足底壓力，評定康復效果 。日本筑波大學研制的步態(tài)康復機器人根據(jù)預(yù)先制定好的步態(tài)軌跡，帶動患者患肢做上樓梯運動。哈爾濱工程大學研制的減重式步態(tài)訓練機器人和站立式下肢康復訓練機也是采用軌跡跟蹤控制幫助患者模擬正常人行走訓練。太原理工大學張政等 結(jié)合傳統(tǒng) PID 控制算法，設(shè)計了 bangbang-PD 軌跡跟蹤控制算法。