尚振東 張曉蘭 徐羨弘 秦效勇

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1,河南 洛陽(yáng) 471003;Tactiq有限公司2,英國(guó)倫敦 UB11 1FW)

向后輔助站立機(jī)器人的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制

尚振東1張曉蘭1徐羨弘2秦效勇1

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1,河南 洛陽(yáng) 471003;Tactiq有限公司2,英國(guó)倫敦 UB11 1FW)

為使輔助站立過(guò)程符合人體的生理結(jié)構(gòu)和心理需求,針對(duì)輔助站立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了研究。對(duì)照正常人體站立過(guò)程,規(guī)劃了后向輔助站立的人體重心軌跡,構(gòu)建了可調(diào)座椅式機(jī)械結(jié)構(gòu)和站立減重系統(tǒng)。采用逐點(diǎn)比較插補(bǔ)技術(shù),設(shè)計(jì)了機(jī)器人的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制器。試驗(yàn)中樣機(jī)可輔助不同身高和體重的人體站立,輔助過(guò)程符合人性化要求。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。

機(jī)器人 輔助站立 插補(bǔ)技術(shù) 運(yùn)動(dòng)控制 曲線擬合

0 引言

對(duì)于下肢殘疾患者,除了進(jìn)行必要的醫(yī)學(xué)治療和護(hù)理之外,還需要在日常生活中進(jìn)行常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練[1]。大量研究表明,結(jié)合輔助器械的持續(xù)有規(guī)律的物理康復(fù)可以幫助患者增強(qiáng)心肺功能,恢復(fù)肌肉的張力、耐力和骨骼的強(qiáng)度,防止骨脫鈣、預(yù)防壓瘡和尿路感染。同時(shí),患者心情愉悅指數(shù)和生活質(zhì)量也都得以提升[2-5]。另外,殘疾患者和老年人的很多日?；顒?dòng)如洗浴、更衣等都需要輔助站立。

傳統(tǒng)輔助站立裝置[6-12]普遍存在自動(dòng)化程度不高、不符合人性化要求等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題,在研究正常人體站立過(guò)程的基礎(chǔ)上,將插補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用于向后站立輔助機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)控制策論進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

輔助站立機(jī)器人的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1(a)所示(圖示位置為坐姿狀態(tài)),水平絲杠在伺服電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn),通過(guò)絲杠螺母副帶動(dòng)活動(dòng)腳踏板相對(duì)機(jī)架水平運(yùn)動(dòng),豎直絲杠在伺服電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn),通過(guò)絲杠螺母副帶動(dòng)靠背相對(duì)機(jī)架豎直運(yùn)動(dòng)。洗浴者通過(guò)固定在靠背上的扶手支撐。輔助站立機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示。機(jī)器人不工作時(shí)為可調(diào)座椅式。為適應(yīng)不同身材的洗浴者,采用電動(dòng)推桿調(diào)節(jié)座位高度和扶手寬度。扶手具有防前傾的凸起。腳踏板下安裝重力傳感器,用于檢測(cè)使用者的重力,方便在站立接近結(jié)束階段進(jìn)行減重控制。

圖1 后向輔助站立裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical structure of the backward auxiliary standing device

2 輔助站立重心軌跡規(guī)劃

人體自然站立運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要是指依靠下肢力量使人體重心由坐姿靜止到立姿動(dòng)態(tài)平衡的連續(xù)過(guò)程[13],如圖2所示。如圖2(a)所示,若以地面為參照,人體正常站立時(shí)踝關(guān)節(jié)位置不變,人體重心向前上方移動(dòng)。Riley、Emadi Andani和Mohsen Sadeghi等人將正常人從坐姿到站立的過(guò)程分為三個(gè)階段[13-15]:向前過(guò)渡階段(forward transition phase)、向上過(guò)渡階段(upward transition phase)和站立穩(wěn)定階段(stabilization phase)。向前過(guò)渡階段主要表現(xiàn)為通過(guò)髖關(guān)節(jié)活動(dòng),上身前傾,調(diào)整重心向前,使得人體重力與地面交點(diǎn)能夠落在腳底面區(qū)域。向上過(guò)渡階段主要表現(xiàn)為通過(guò)膝關(guān)節(jié)活動(dòng),依靠下身肌肉收縮,調(diào)整人體重心向上。站立穩(wěn)定階段主要表現(xiàn)為通過(guò)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等,調(diào)整人體重心,達(dá)到穩(wěn)定站立。

圖2 人體正常站立過(guò)程及其重心軌跡Fig.2 Normal standing process of human body and the trajectory of center of gravity

正常人站立過(guò)程中的重心位置軌跡可理想化為其矢狀面(the sagittal plane)上的一條平面曲線。圖2(b)是Mohsen Sadeghi等人提出的人體站立過(guò)程重心軌跡[15]。在人體矢狀面上,以矢狀面與地面交線為橫軸(X軸),以站立穩(wěn)定時(shí)人體中心線為縱軸(Y軸)建立坐標(biāo)系,則人體站立過(guò)程重心軌跡是該坐標(biāo)系中的一條曲線。用曲線上節(jié)點(diǎn)N0、N1、N2和N3來(lái)區(qū)分正常人從坐姿到站立的過(guò)程。該過(guò)程分為三個(gè)階段,其中:N0-N1為向前過(guò)渡階段,N1-N2為向上過(guò)渡階段,N2-N3為站立穩(wěn)定階段。也可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)N0表示站立開(kāi)始,N1表示人體重心開(kāi)始上移,N2表示人體重心已經(jīng)上移到站立時(shí)的最終垂直位置,N3表示結(jié)束[15]。

為滿足輔助站立機(jī)器人占用空間小、容易實(shí)現(xiàn)和方便與其他裝置集成的要求,付東遼等提出了一種兩自由度向后輔助站立的設(shè)計(jì)思路[16-17],如圖3所示。向后輔助站立過(guò)程如圖3(a)所示,由于有機(jī)器人的輔助,向后輔助站立無(wú)需向前過(guò)渡階段(N0-N1),也無(wú)需站立后期的站立穩(wěn)定階段(N2-N3)。因此,只要使機(jī)器人輔助人體實(shí)現(xiàn)向上過(guò)渡階段(N1-N2)即可。具體實(shí)現(xiàn)方法是:向后輔助站立機(jī)器人由一個(gè)帶動(dòng)人體重心向上移動(dòng)豎直提升裝置,和一個(gè)帶動(dòng)人體小腿和腳向后運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)的裝置,兩軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)將人體攙扶起來(lái)。

圖3 后向輔助站立及其重心軌跡Fig.3 Backward auxiliary standing and the trajectory of the center of gravity

向后站立過(guò)程若以地面為參照,踝環(huán)節(jié)向后移動(dòng),人體重心向上方移動(dòng);若仍以踝關(guān)節(jié)位置為參照,則人體重心相對(duì)仍是向前上方移動(dòng)。因此這種向后輔助站立的運(yùn)動(dòng)方式與人體自然站立運(yùn)動(dòng)時(shí)的重心運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一致的,即這種向后輔助站立的運(yùn)動(dòng)方式在一定程度上是符合人體自然站立運(yùn)動(dòng)規(guī)律的。

取出圖2(b)的N1-N2段曲線,以Xcm=0為旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°,得到圖3(b)所示的曲線。圖3(b)中坐標(biāo)系為:在矢狀面上通過(guò)人體重心的豎直直線作為縱軸(Y軸,向上為正),縱軸與地面的交點(diǎn)作為原點(diǎn),矢狀面與地面的交線作為橫軸(X軸,指向人體前方為正),橫軸和縱軸的單位與圖2(b)一致。

如圖3(b)所示,考慮到不同人的不同重心高度和不同的腿長(zhǎng),增加一段水平運(yùn)動(dòng)(從N′0-N1)和豎直運(yùn)動(dòng)(N2-N′3)。如人的腿相對(duì)較長(zhǎng),通過(guò)水平運(yùn)動(dòng)可以彌補(bǔ);如果人體較高,通過(guò)豎直運(yùn)動(dòng)彌補(bǔ)。

從圖3(b)中的N1-N2段曲線量取坐標(biāo)點(diǎn),輸入Matlab,擬合出二次曲線方程為[18]:

式中:誤差平方和SSE為0.002978;相關(guān)系數(shù)平方和Rsquare為0.991 8;根的平方差RMSE為0.009 802。

當(dāng)輔助站立開(kāi)始時(shí),縱向(Y軸)電機(jī)停止,橫向(X軸)電機(jī)驅(qū)動(dòng)腳踏板運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)洗浴者的腳后移,當(dāng)X到0.22 m位置時(shí),進(jìn)入插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

3 輔助站立插補(bǔ)器

向后輔助站立插補(bǔ)器采用逐點(diǎn)比較法,通過(guò)編制軟件實(shí)現(xiàn)。其基本原理是每次僅向一個(gè)坐標(biāo)軸輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖,而每走一步都要計(jì)算偏差,并決定下一步的進(jìn)給方向。每個(gè)插補(bǔ)循環(huán)由偏差判別、進(jìn)給、偏差函數(shù)計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟組成。

如圖3(b)所示,人體站立過(guò)程中重心軌跡為第一象限的一段曲線。

3.1 偏差函數(shù)及插補(bǔ)規(guī)則

如圖3(b)所示,起點(diǎn)N1(x1,y1),終點(diǎn)N2(x2,y2),對(duì)于任一軌跡點(diǎn)P(xi,yi),代入式(1):

因此,可得到偏差函數(shù):

3.2 偏差函數(shù)的遞推算法

根據(jù)偏差函數(shù)式(3),可構(gòu)建如下插補(bǔ)規(guī)則。

①若P在規(guī)劃軌跡右側(cè)或規(guī)劃軌跡上,則偏差函數(shù)fi≥0,應(yīng)向-x方向走一步;若P在規(guī)劃軌跡左側(cè),則fi＜0,向+y方向進(jìn)一步。

②若fi≥0,向-x方向走一步,則此時(shí)有:

③若fi＜0,向+y方向走一步,則有:

計(jì)算偏差的同時(shí),還要對(duì)動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行加1、減1的運(yùn)算,為下一點(diǎn)的偏差計(jì)算作好準(zhǔn)備。

3.3 插補(bǔ)終點(diǎn)判斷

當(dāng)查補(bǔ)進(jìn)入終點(diǎn)時(shí),考慮身高較矮者的應(yīng)用,查補(bǔ)終點(diǎn)判斷首先判斷減重目標(biāo)(詳見(jiàn)下節(jié))。若減重目標(biāo)達(dá)到,停止輔助站立;否則,分別判別各坐標(biāo)軸的進(jìn)給步數(shù)。

兩坐標(biāo)軸進(jìn)給步數(shù)全部完成,到達(dá)圖3(b)的N2點(diǎn),查補(bǔ)結(jié)束。

4 減重控制

為減輕半失能者在輔助站立起來(lái)后由于重力對(duì)腿和足等部位的壓力,對(duì)輔助站立的最后階段(圖3(b) N2-N′3)進(jìn)行減重控制。考慮到半失能者的不同身高、不同體重,減重控制是根據(jù)輔助站立過(guò)程中洗浴者對(duì)腳踏板的實(shí)時(shí)壓力,按一定比例(如30%)減重。

同時(shí),減重目標(biāo)達(dá)到與否,也是整個(gè)站立過(guò)程結(jié)束的判斷條件。當(dāng)?shù)竭_(dá)圖3(b)的N2點(diǎn)時(shí),橫向(X軸)電機(jī)停止,縱向(Y軸)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助站立支撐機(jī)構(gòu)繼續(xù)豎直上升,由安裝于腳踏板下的稱重傳感器檢測(cè)人體體重[19-20],計(jì)算機(jī)將之與設(shè)置的減重目標(biāo)值比較。當(dāng)式(8)滿足后,即滿足減重目標(biāo),輔助站立系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)。

式中:G(t)為稱重傳感器實(shí)時(shí)測(cè)試的力;Gmax為洗浴者入浴和輔助站立過(guò)程中測(cè)試最大恒定力(即為洗浴者的重力)。減重控制采用了運(yùn)動(dòng)控制器的點(diǎn)動(dòng)(Jog)運(yùn)動(dòng)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5 試驗(yàn)研究

輔助站立機(jī)器人樣機(jī)采用兩個(gè)臺(tái)達(dá)ECMA低慣量系列的伺服電機(jī)C306(1個(gè)200 W和1個(gè)400 W)實(shí)現(xiàn)輔助站立運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用以微型計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器為核心控制單元。微型計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令,通過(guò)通信總線傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器,運(yùn)動(dòng)控制器完成插補(bǔ)計(jì)算并控制運(yùn)動(dòng)軌跡,從而實(shí)現(xiàn)向后輔助站立。同時(shí),運(yùn)動(dòng)控制卡完成對(duì)多個(gè)伺服編碼器、傳感器等信息的采集。

在輔助站立機(jī)器人樣機(jī)上對(duì)前述插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)。以一名年齡22歲、身高174 cm、體重73 kg的健康男子為試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行輔助站立試驗(yàn)。利用伺服電機(jī)自帶的絕對(duì)值型光電編碼器進(jìn)行軌跡跟蹤。圖4為試驗(yàn)跟蹤點(diǎn)和規(guī)劃曲線的對(duì)比圖,實(shí)線為規(guī)劃曲線,小圓點(diǎn)為實(shí)際跟蹤點(diǎn)(根據(jù)光電編碼器數(shù)據(jù)折算到試驗(yàn)者的重心)。由圖4可以發(fā)現(xiàn),輔助站立過(guò)程的實(shí)際跟蹤點(diǎn)基本上和規(guī)劃曲線重合,僅在末端由于減重控制目標(biāo)提前實(shí)現(xiàn),跟蹤點(diǎn)與規(guī)劃曲線產(chǎn)生了較大偏差,完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期。另外,其他不同身高的多名試驗(yàn)對(duì)象也都被平穩(wěn)地輔助站立起來(lái),所有受試者在被輔助起立過(guò)程中無(wú)明顯不適感。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.4 The experimental results curves

6 結(jié)束語(yǔ)

本文面向半失能的老年人和殘疾人,根據(jù)正常人站立過(guò)程重心曲線,規(guī)劃了向后輔助站立重心軌跡。分析和試驗(yàn)結(jié)果表明,向后輔助站立基本符合正常人體站立過(guò)程,符合殘疾人和老年人的站立習(xí)慣,輔助站立過(guò)程滿足使用者的心理預(yù)期。

后向站立輔助裝置采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)技術(shù),偏差函數(shù)為優(yōu)化后重心規(guī)劃軌跡的擬合樣條函數(shù),設(shè)計(jì)了后向輔助站立插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制器。輔助站立過(guò)程的末段通過(guò)減重控制,避免因用力過(guò)大而對(duì)使用者造成不適,同時(shí)還為使用者的平穩(wěn)站立提供支撐。

輔助站立試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的插補(bǔ)器能夠模擬人體自然站立過(guò)程,方便實(shí)現(xiàn),插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)精確平穩(wěn)。

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Interpolation Motion Control for Backward Auxiliary Standing Robot

In order to make the auxiliary standing process conform physiological structure and psychological needs of human body,the motion control of auxiliary standing robot has been studied.In accordance with normal human standing process,the trajectory of the center of gravity for backward auxiliary standing is planned,and the adjustable seat style mechanical structure and standing weight reduction system is constructed. By adopting point-to-point comparison interpolation technology,the interpolation motion controller for robot is designed.The prototype in test can assist human body in different weight and height to stand,the auxiliary process meets the humanization requirements.The result of experiments verifies the feasibility of the design.

Robot Auxiliary standing Interpolation technique Motion control Curve fitting

TP271+.4

A

國(guó)家國(guó)際科技合作基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2011DFA10440)。

修改稿收到日期:2014-04-16。

尚振東(1968-),男,1999年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,副教授;主要從事個(gè)人服務(wù)機(jī)器人的研究。