張向剛，張 明，秦開宇，付常君，呂昀璉

（電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都611731）

外骨骼輔助行走中平衡控制技術(shù)的研究

張向剛，張 明，秦開宇，付常君，呂昀璉

（電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都611731）

外骨骼輔助行走中平衡控制是低重力環(huán)境下保持正常的平穩(wěn)行走姿態(tài)以及行走安全性的關(guān)鍵，針對(duì)這一問題闡述了外骨骼輔助行走中基于位置控制與ZMP（零力矩點(diǎn)）控制相結(jié)合的綜合平衡控制策略。首先通過建立ADAMS虛擬仿真模型，為控制策略的研究提供仿真模型和參考數(shù)據(jù)；建立了支撐域模型和ZMP檢測(cè)模型，并設(shè)計(jì)了平衡控制策略，在基于地面外骨骼系統(tǒng)的演示驗(yàn)證中，將人機(jī)系統(tǒng)等效為兩連桿支撐質(zhì)點(diǎn)的模型，通過控制膝關(guān)節(jié)液壓桿，使系統(tǒng)的ZMP始終處于穩(wěn)定支撐域內(nèi)，由此保證人機(jī)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)；同時(shí)將位置控制與改進(jìn)的ZMP控制結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)綜合控制策略，采用分段控制方式，不僅提高了人機(jī)系統(tǒng)的柔順性及穿戴者的舒適度，同時(shí)也提高了人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。

外骨骼；平衡控制；ZMP；輔助行走

1 引言

人體外骨骼輔助系統(tǒng)是一種穿戴在操作者身體外部的，融入了先進(jìn)控制、信息、通信等技術(shù)的人機(jī)電系統(tǒng)，通過融入傳感、控制、信息耦合、移動(dòng)計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，使人機(jī)融合為具有機(jī)器的力量和人的智力的超智能體，實(shí)現(xiàn)力量的增強(qiáng)和感官的延伸［1］。外骨骼輔助系統(tǒng)被應(yīng)用于載人航天中，能有效提高航天員的運(yùn)動(dòng)能力、作業(yè)能力、生命保障能力和應(yīng)急救護(hù)能力，NASA、ESA等研究機(jī)構(gòu)均在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究［2?4］。

當(dāng)前報(bào)道的外骨骼機(jī)器人穩(wěn)定控制的研究主要包括：H.Kazerooni增強(qiáng)人機(jī)之間的跟隨性，平衡控制主要依靠人自身的調(diào)節(jié)［5］；南洋理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)主要通過保持兩層外骨骼之間ZMP的一致性來保持穩(wěn)定［6］；吳昌偉主要描述了ZMP穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法［7］；雷神公司的骨骼服XOS系列［8?10］和日本筑波大學(xué)的“混合輔助腿”HAL系列［11?13］的報(bào)道中，也提及平衡控制問題。相對(duì)于外骨骼研究領(lǐng)域，在雙足機(jī)器人研究領(lǐng)域中平衡控制得到了相對(duì)廣泛深入的研究。典型方法有：基于ZMP的平衡控制方法［14?16］，廣泛應(yīng)用于保證機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)中（如推動(dòng)物體）的穩(wěn)定，而對(duì)于機(jī)器人在站立狀態(tài)的擾動(dòng)平衡及平衡恢復(fù)策略［17?18］的研究主要在生物力學(xué)及理療學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行；Chistophe等人則研究T欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在外界干擾下保持自身運(yùn)動(dòng)的魯棒性的情況，并提出了一種基于CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒控制方法［19］；Komu?ra等采用一種增強(qiáng)的線型H維倒立擺模型AMPM（Angular Momentum Inducing Inverted Pendulum Model），分析了雙足步行機(jī)器人在步行過程中由于大干擾作用所產(chǎn)生的角慣量的影響，并提出了一種抵制該角慣量的反饋控制方法［20］等。

人體外骨骼系統(tǒng)的控制具有“人在環(huán)中”的特點(diǎn)，即人體運(yùn)動(dòng)的隨意性會(huì)影響控制過程，控制涉及人和機(jī)兩個(gè)對(duì)象。雙足機(jī)器的平衡控制不能完全滿足外骨骼平衡控制的要求。而外骨骼機(jī)器人平衡控制的報(bào)道相當(dāng)較少，缺乏對(duì)控制算法和控制結(jié)果的詳細(xì)報(bào)道。本文將位置控制和ZMP控制相結(jié)合，探索在“機(jī)隨人動(dòng)”的控制策略中增強(qiáng)人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文在簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，先建立控制對(duì)象的ADAMS模型，為控制策略的研究提供仿真模型和參考數(shù)據(jù)；同時(shí)建立支撐域模型和ZMP檢測(cè)模型；以此為基礎(chǔ)對(duì)詳述平衡控制方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

2 航天外骨骼組成和控制方案

2.1 組成和工作原理

航天外骨骼輔助系統(tǒng)的工作原理如圖1所示：1）智能感知：通過傳感網(wǎng)絡(luò)（包括：足底、膝關(guān)節(jié)、背部、腰部、肩部等位置上安放的壓力、加速度、角度、力矩和慣導(dǎo)傳感器，以及航天員的各種生理傳感器），實(shí)時(shí)感知人體和剛肢體的運(yùn)動(dòng)信息和力信息；2）人機(jī)耦合控制：控制器根據(jù)運(yùn)動(dòng)模態(tài)和姿態(tài)，以及感知系統(tǒng)感知的運(yùn)動(dòng)信息和力信息，進(jìn)行融合處理，轉(zhuǎn)換為控制指令，采用人機(jī)耦合智能控制方法實(shí)時(shí)控制伺服動(dòng)力裝置輸出動(dòng)力；3）助力執(zhí)行：控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置作動(dòng)，實(shí)時(shí)跟蹤航天員運(yùn)動(dòng)，并為航天員的運(yùn)動(dòng)提供高效合適的助力，滿足人機(jī)耦合協(xié)同運(yùn)動(dòng)的柔順性要求；4）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力狀態(tài)，通過狀態(tài)分析與相關(guān)安全措施，確保工作安全。

圖1 航天外骨骼輔助系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of the space exoskeleton support system

2.2 平衡控制整體方案

設(shè)計(jì)之前，首先需要對(duì)人體生物運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律進(jìn)行分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)出滿足要求的控制方法，并調(diào)整參數(shù)。

整體方案包含穩(wěn)定控制環(huán)和位置跟蹤控制環(huán)，通過對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)ZMP穩(wěn)定控制與位置跟蹤控制，分別使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

位置跟蹤控制中，基于人體仿生工程學(xué)，分析人體在行走、作業(yè)等典型任務(wù)下的步態(tài)的變化規(guī)律，建立人體行走的步態(tài)模型，通過閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)位置跟蹤；其目的是使外骨骼裝置對(duì)穿戴者的運(yùn)動(dòng)干涉作用最小，即達(dá)到柔順效果。

穩(wěn)定控制采用實(shí)時(shí)性好的ZMP穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)平衡穩(wěn)定控制算法，在精確建立外骨骼系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)步態(tài)后，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)ZMP的真實(shí)位置，比較ZMP的真實(shí)位置與規(guī)劃位置的偏差來實(shí)時(shí)在線調(diào)整機(jī)器人的步態(tài)，其目的是使系統(tǒng)在重載荷下，仍能穩(wěn)定行走，并保持較高的安全性能；平衡控制整體控制方案如圖2所示。

圖2 整體控制方案Fig.2 Overall control scheme

3 人機(jī)系統(tǒng)仿真模型

人體虛擬樣機(jī)的下肢運(yùn)動(dòng)則參照真實(shí)人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃而成。虛擬人體的運(yùn)動(dòng)被限制在矢狀平面內(nèi)，通過規(guī)劃質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)計(jì)算ZMP位置，從而判斷人體是否穩(wěn)定。由于人體的運(yùn)動(dòng)被限制在矢狀平面的前進(jìn)方向上，因此，需要計(jì)算ZMP的位置是否超出腳掌與地面接觸范圍的x坐標(biāo)，來判斷是否穩(wěn)定。

根據(jù)與地面的約束關(guān)系，人體在行走過程中有不同的狀態(tài)。控制人體從初始雙腿站立的雙支撐狀態(tài)開始，左腳抬起后進(jìn)入單支撐狀態(tài)，接著左腳著地，右腳抬起，左腳支撐地面，接著雙腳著地進(jìn)入雙支撐狀態(tài)，最后右腳著地，左腳再次抬起，如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人體行走，如圖3所示。

圖3 ADAMS人體行走仿真模型Fig.3 ADAMS simulation model for human walking

上述人體行走過程的仿真是通過在肩、髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副上添加STEP函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其中描述運(yùn)動(dòng)的軌跡曲線方程和各關(guān)節(jié)的角度函數(shù)是參考人體無負(fù)荷行走時(shí)的數(shù)據(jù)。由于ADAMS人體行走仿真模型運(yùn)動(dòng)過程中左、右兩腳姿態(tài)基本一致，因此這里只作左腳的分析。仿真數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，腳底觸底后，膝關(guān)節(jié)的角度變化與踝關(guān)節(jié)的角度變化有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如圖5所示，為后面ZMP控制算法設(shè)計(jì)提供依據(jù)（如通過膝關(guān)節(jié)的角度，推演踝關(guān)節(jié)的角度）。

圖4 左下肢動(dòng)力學(xué)仿真Fig.4 Dynamics simulation of left low limb

圖5 人體運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)角度變化Fig.5 Angle changes in the knee and ankle joint during human motion

4 平衡性的判斷

本文系統(tǒng)通過ZMP是否位于支撐域進(jìn)行平衡性判斷。

4.1 ZMP的測(cè)量

文獻(xiàn)［14］中給出了關(guān)于用一維壓力傳感器測(cè)量ZMP的公式。本文的控制算法設(shè)計(jì)以及平衡檢測(cè)系統(tǒng)，完全可采用公式（1）～（4）設(shè)計(jì)。分為兩種運(yùn)動(dòng)模態(tài)。第一種情況，單腳支撐時(shí)ZMP：

第二種情況，雙腳支撐時(shí)ZMP：

本系統(tǒng)中ZMP的測(cè)量方式則選擇在每只傳感靴底上安裝3個(gè)一維壓力傳感器，示意圖見圖6。

圖6 傳感器安裝示意圖Fig.6 Sensor installation diagram

4.2 支撐域模型

與ZMP緊密聯(lián)系的另一個(gè)重要概念是支撐域［21?22］，本文將能包含機(jī)器人腳底與地面之間的所有接觸點(diǎn)的最小多邊形區(qū)域定義為支撐域或支撐多邊形。

本文系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)確定支撐域的步驟如下：

1）選取平面內(nèi)可能接觸的點(diǎn)，并在全局坐標(biāo)系中標(biāo)定；

2）任意選擇其中一點(diǎn)，分別做通過這一點(diǎn)與其它各點(diǎn)的直線，判斷其中是否有直線滿足所有點(diǎn)都位于直線的一側(cè)或在直線上，若滿足，則該直線即為凸多邊形的一個(gè)邊，這兩點(diǎn)即為凸多邊形的兩個(gè)端點(diǎn)；

3）選取其它點(diǎn)逐個(gè)進(jìn)行第二步，并將滿足條件的線與點(diǎn)進(jìn)行記錄；

4）將所有記錄下來的直線進(jìn)行連接即可得到凸多邊形，記錄下來的各點(diǎn)，即為凸多邊形的頂點(diǎn)，該凸多邊形就是支撐域，如圖7所示。

圖7 支撐域計(jì)算圖Fig.7 Support domain calculation map

5 平衡控制策略

5.1 建立人機(jī)系統(tǒng)等效模型

平衡控制策略對(duì)應(yīng)于圖2的ZMP控制環(huán)。本文通過在外骨骼的不同部位配置不同的質(zhì)量，仿真艙外作業(yè)人機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量分布。通過地面外骨骼系統(tǒng)驗(yàn)證平衡控制策略的有效性。整個(gè)外骨骼只包含一個(gè)膝關(guān)節(jié)力矩輔助的液壓缸見圖8。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Experiment platform

本文系統(tǒng)中，通過COG與ZMP運(yùn)動(dòng)范圍的控制，對(duì)穿戴者和外骨骼構(gòu)成的人機(jī)系統(tǒng)作近似化處理，將整套系統(tǒng)近似為一個(gè)由兩連桿支撐的單質(zhì)點(diǎn)模型，質(zhì)量M集中于質(zhì)心，兩個(gè)支撐桿無質(zhì)量，質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)視為COG的運(yùn)動(dòng)，行走過程中ZMP動(dòng)態(tài)變化。保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的方法是通過改變液壓桿的長(zhǎng)度。整體等效模型見圖9。

在圖9中，設(shè)小腿長(zhǎng)度為l1，大腿長(zhǎng)度為l2，液壓缸與大、小腿的連接點(diǎn)至膝關(guān)節(jié)的距離分別為L(zhǎng)2和L1，膝關(guān)節(jié)夾角為α，踝關(guān)節(jié)角度為θ，也可近似地假定θ為小腿與地面的夾角，于是可得矢狀面上系統(tǒng)質(zhì)心的位置如式（5）～（6）：

再根據(jù)幾何關(guān)系可以得出式（7）：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及第三節(jié)中ADAMS仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證，經(jīng)圖5擬合處理，近似設(shè)定為式（8）：

進(jìn)一步將（7）（8）代入（5）（6），并進(jìn)一步求導(dǎo)，可得式（9）。

其中，A＝cosf（α），B＝sinf（α），C＝cos（f（α）－α），D＝sin（f（α）－α），

圖9 人機(jī)系統(tǒng)等效模型Fig.9 Human?machine system equivalent model

根據(jù)文獻(xiàn)［14］給出的ZMP計(jì)算公式，并將人機(jī)系統(tǒng)等效為兩連桿支撐的質(zhì)點(diǎn)，可得式（10）：

ZMP在X軸上的移動(dòng)與膝關(guān)節(jié)角度α的變化是非線性關(guān)系，為了得到兩者之間近似的線性關(guān)系，通過將α與θ采用擬合處理法，把兩角度在某個(gè)區(qū)間合理線性化后，可以得出ZMP與膝關(guān)節(jié)角度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，將式（5）（6）（7）（8）（9）求導(dǎo)代入式（10）得ZMP在X軸上的位置與膝關(guān)節(jié)角度的關(guān)系式，如式（11）所示：

5.2 建立控制模型

現(xiàn)在對(duì)上述改進(jìn)的ZMP控制算法在Matlab軟件中進(jìn)行建模仿真，仿真模塊如圖10所示。

圖10 ZMP仿真模塊Fig.10 ZMP simulation module

輸入為ZMP期望值，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到期望的液壓缸變化值，將期望的液壓缸值作為ZMP控制時(shí)刻液壓缸的輸入值，最后通過控制液壓缸期望值與實(shí)際值之間的偏差來實(shí)現(xiàn)ZMP穩(wěn)定控制。

5.3 綜合控制設(shè)計(jì)

為達(dá)到柔順控制和穩(wěn)定控制雙重目標(biāo)，將位置控制和ZMP控制策略結(jié)合在一起，采用分段控制法來控制人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)?？刂妻D(zhuǎn)換器的切換點(diǎn)選取腳底觸底和離地時(shí)刻，分別對(duì)液壓缸實(shí)施位置控制和ZMP綜合控制。具體控制策略為：1）腳尖離地時(shí)刻到腳后跟觸地時(shí)刻，這段時(shí)間內(nèi)為腿擺動(dòng)期，采用位置控制，使外骨骼達(dá)到跟隨人體運(yùn)動(dòng)目的；2）在腳跟觸底到腳尖離地時(shí)刻，這段時(shí)間內(nèi)為支撐期，采用ZMP綜合控制。在運(yùn)動(dòng)過程中，膝關(guān)節(jié)角度變化值具有非常明顯的特征，因此通過對(duì)膝關(guān)節(jié)編碼器變化值的自動(dòng)識(shí)別來設(shè)置控制器切換?？刂品抡婺K如下圖11所示。在該圖中，上面的閉環(huán)控制回路為位置控制，下面的閉環(huán)控制回路為ZMP控制，兩者通過控制轉(zhuǎn)換器連接在一起，共同對(duì)液壓缸長(zhǎng)度進(jìn)行分階段控制。

圖11 綜合控制仿真模塊Fig.11 Integrated control simulation module

5.4 期望ZMP值設(shè)計(jì)

根據(jù)上面的分析，結(jié)合上文中提出的COP與ZMP的關(guān)系，現(xiàn)在從物理樣機(jī)中選取期望ZMP值。這里的期望ZMP值是由穿戴者佩戴裝置在空載荷下行走的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

試驗(yàn)準(zhǔn)備及條件設(shè)定：人體外骨骼服一套，根據(jù)GB10000?88標(biāo)準(zhǔn)的人體數(shù)據(jù)，選取正常自然人一位，身高175 cm，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為空載行走，運(yùn)動(dòng)速度0.6 m/s，運(yùn)動(dòng)方向直線行走，步長(zhǎng)0.8 m，步間距0.1 m。運(yùn)動(dòng)示意圖如圖12所示。

圖12 運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.12 Schematic diagram of the movement

經(jīng)Matlab軟件處理后，可得如圖13所示的ZMP軌跡，將它選作期望ZMP值。

圖13 期望ZMP曲線Fig.13 Desired ZMP curve

6 試驗(yàn)分析

6.1 位置控制分析

如圖14所示，位置控制下期望液壓缸輸出與輸入的期望角度基本呈現(xiàn)反對(duì)稱。液壓缸的伸縮范圍是0.37～0.31 m，其中0.37 m是液壓缸的初始長(zhǎng)度，由于膝關(guān)節(jié)有一個(gè)緩沖過程，因此相應(yīng)的液壓缸也需要該緩沖過程才能達(dá)到柔順控制目的。

圖14 位置跟蹤控制仿真Fig.14 Control and simulation of position tracking

位置控制階段采用控制液壓缸長(zhǎng)度伸縮來達(dá)到跟蹤穿戴者運(yùn)動(dòng)目的，控制器設(shè)計(jì)為PI控制，控制效果如圖15所示，位置跟蹤控制區(qū)間是（0，0.8 s）和（2.4 s，3.2 s）。這里的控制是在仿真模塊中實(shí)現(xiàn)，因此，在實(shí)際工程中，對(duì)這里設(shè)定的PI值需要根據(jù)穿戴者的舒適度做微調(diào)。

圖15 位置控制誤差比較Fig.15 Comparison of position control error

6.2 ZMP控制分析

根據(jù)前面章節(jié)對(duì)穩(wěn)定支撐域的分析，由傳感靴底上壓力傳感器安裝位置可知，理論的穩(wěn)定ZMP支撐區(qū)域在0～0.15 m范圍內(nèi)。圖16中，期望ZMP值的變化范圍是0.01～0.09 m內(nèi)，說明該期望ZMP值是穩(wěn)定的，可以作為期望輸入值。在0.8～1.4 s之間是由于觸地瞬間引起傳感靴后跟上面的壓力傳感器值突然增大，而前腳掌的兩個(gè)壓力值相對(duì)較小，因此表現(xiàn)為ZMP值是在向后跟移動(dòng)，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。在1.4～2.1 s之間，隨著全腳掌觸地，ZMP趨向中心穩(wěn)定狀態(tài)。在2.1～2.4 s之間，ZMP一直朝前運(yùn)動(dòng)，此階段是前腳掌離地前期，在2.4 s時(shí)刻，前腳掌離開地面，此階段也屬于亞穩(wěn)定狀態(tài)。

圖16 期望x軸方向的ZMP軌跡輸入Fig.16 Desired ZMP trajectory of the x?axis direc?tion input

在圖17中，液壓缸長(zhǎng)度變化區(qū)間即為支撐階段，在此階段內(nèi)，液壓缸長(zhǎng)度有變化，說明ZMP控制有作用。0.8 s時(shí)，液壓缸突然增長(zhǎng)，說明當(dāng)前時(shí)刻按照ZMP穩(wěn)定理論來看人機(jī)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，因此需要改變液壓缸長(zhǎng)度，使人機(jī)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，在（0.8 s，2.4 s）區(qū)間液壓缸變化是由于人機(jī)系統(tǒng)重心在改變，引起ZMP不斷移動(dòng)，此時(shí)為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，需要液壓缸作出相應(yīng)變化。

圖17 ZMP控制下期望液壓缸長(zhǎng)度變化值Fig.17 Expected cylinder length change values with ZMP control

從圖18分析可知，在（0.8～2.4 s）區(qū)間內(nèi)，ZMP控制效果是非常好的，實(shí)際輸出能跟蹤上期望輸入，而且基本上無震蕩，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此階段在實(shí)際工程中的要求是震蕩越小，效果越好，防止由于液壓缸的抖動(dòng)引起穿戴者不舒適。

6.3 綜合對(duì)比分析

分析圖19可知，首先是在0.8 s時(shí)，位置控制策略下，液壓缸長(zhǎng)度有一個(gè)波峰，它的產(chǎn)生是因?yàn)橹霸O(shè)計(jì)的由腳底壓力值判定人機(jī)系統(tǒng)處于的支撐階段的判斷模式導(dǎo)致的，完全支撐階段時(shí)它的長(zhǎng)度直接達(dá)到最大位置；加入ZMP控制后，液壓缸的長(zhǎng)度先伸長(zhǎng)，再保持在一定的范圍內(nèi)變化，這有利于人機(jī)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。其次是在2.4 s時(shí)，位置控制策略下，液壓缸的長(zhǎng)度值突然減小，是由于此時(shí)屬于模態(tài)切換，從支撐階段切換至擺動(dòng)階段；加入ZMP控制后，液壓缸的長(zhǎng)度變化是一個(gè)相對(duì)緩慢過程，此時(shí)也反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。

圖18 在區(qū)間（0.8～2.4 s）ZMP控制時(shí)液壓缸長(zhǎng)度跟蹤效果Fig.18 Length track performance of the cylinder with ZMP control at the interval（0.8～2.4 s）

圖19 液壓缸位置對(duì)比分析Fig.19 Comparison and analysis of the hydraulic cylinder position

無論從位置跟蹤控制還是從ZMP穩(wěn)定控制上來看，整個(gè)過程控制都滿足工程設(shè)計(jì)要求。

以上是對(duì)X軸方向的穩(wěn)定控制，雖然目前無法實(shí)施Y軸方向的穩(wěn)定控制，但是可以分析。圖20是在ZMP控制時(shí)，測(cè)得Y軸方向上ZMP的軌跡。由圖可知，Y軸的波動(dòng)范圍不超過0.05 m，與第四節(jié)設(shè)定的穩(wěn)定支撐域比較，滿足穩(wěn)定條件。

7 結(jié)論

低重力環(huán)境下外骨骼輔助行走中，平衡控制是保持正常的平穩(wěn)行走姿態(tài)以及行走安全性的關(guān)鍵。本文基于地面系統(tǒng)，驗(yàn)證了基于ZMP和位置控制相結(jié)合的控制策略的有效性。為研制具有強(qiáng)穩(wěn)定性、高機(jī)動(dòng)性、高負(fù)載能力和一定防護(hù)能力的航天外骨骼輔助系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。在實(shí)際的艙外作業(yè)中，將面臨更加復(fù)雜的情況，如：地面的不規(guī)則、運(yùn)動(dòng)的隨意性和多樣性等。因此，平衡控制的進(jìn)一步研究將考慮運(yùn)用感知技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)控制的自適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性。

圖20 Y軸方向的ZMP軌跡Fig.20 ZMP trajectory in the Y?axis direction

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Study on Balance Control Techniques in Exoskeleton Walking Aids

ZHANG Xianggang，ZHANG Ming，QIN Kaiyu，F(xiàn)U Changjun，LV Yunlian
（Institute of Aeronautics and Astronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Human exoskeleton is an important tool to improve the extravehicular operation capacity and athletic ability.The balance control is a key technique in exoskeleton walking aids to ensure the normal walking gait and the safety in low?gravity environment.Aiming at this issue，a balance con?trol strategy based on the combination of the position control and the ZMP（zero moment point）con?trol was explained.The ADAMS virtual simulation model was established to provide the simulation model and reference data.Then a support domain model and ZMP detection model were established and the balance control strategy was designed.In the test，the complex human?machine system was equivalent to a two?links system.By controlling the Hydraulic cylinder on the knee joint，the system was always controlled in the ZMP stable support region.In addition，the position control and im?proved ZMP control were integrated into a control strategy so as to improve the flexibility and comfort of the exoskeleton.

exoskeleton；balance control；ZMP；walking aids

V11

A

1674?5825（2016）06?0706?08

2016?05?30；

2016?11?09

載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目（030402）

張向剛（1973－），男，博士，副教授，研究方向?yàn)槿藱C(jī)耦合技術(shù)。E?mail：csxgzhang＠uestc.edu.cn