■ 黃勁松 蔡亞瀾

湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院 武漢 430068

0 引言

從2020年的社會(huì)人口結(jié)構(gòu)中可以看到，老齡化將是未來我國(guó)面臨的主要問題。由于社會(huì)的老齡化，我國(guó)社會(huì)中疾病的范圍正在發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。隨著康復(fù)機(jī)器人不斷發(fā)展，逐漸有取代傳統(tǒng)康復(fù)方法的趨勢(shì)。康復(fù)機(jī)器人將多種學(xué)科溶于一體，并使用智能仿生技術(shù)完成肢體訓(xùn)練，以幫助患者達(dá)到康復(fù)治療的目的，已成為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究熱點(diǎn)之一[1,2]。

到2020年，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究，但是大部分研究都集中于系統(tǒng)的控制策略，對(duì)用戶的動(dòng)作和意圖識(shí)別技術(shù)研究較少。如馬樂等[3]對(duì)康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)相位轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究，提出一種基于學(xué)習(xí)矢量量化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于確定人體行走過程中支撐腿與擺動(dòng)腿之間的切換。王璦琿等[4]提出了一種基于步態(tài)數(shù)據(jù)的魯棒自適應(yīng)PD 控制方法，在有限的誤差干擾條件下設(shè)計(jì)了魯棒自適應(yīng)PD 控制策略。不僅允許下肢外骨骼機(jī)器人快速跟蹤由運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲得的人類步態(tài)軌跡，而且還避免了過大的初始輸出扭矩。何豪等[5]提出了一種優(yōu)化攀爬路徑的步態(tài)控制方法，當(dāng)6足機(jī)器人的步態(tài)滿足連續(xù)爬樓梯的基本條件，則將攀爬路徑分為兩部分并進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)路徑優(yōu)化中的步態(tài)進(jìn)行研究。

現(xiàn)階段的意圖識(shí)別方法以及機(jī)器人的造價(jià)高昂，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，很難在家庭中進(jìn)行推廣。如丁其川等[6]對(duì)運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別方法進(jìn)行研究與應(yīng)用。對(duì)基于表面肌電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)識(shí)別方法進(jìn)行了成果展示，并對(duì)相關(guān)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析。陳玲玲等[7]提出了一種基于多尺度置換聯(lián)合熵的步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)相容性識(shí)別方法。針對(duì)表面肌電信號(hào)的特性，識(shí)別了3 種不同的人機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性。李劍鋒等[8]提出了康復(fù)機(jī)器人的系統(tǒng)方案和運(yùn)動(dòng)控制策略。根據(jù)患者踝關(guān)節(jié)肌肉力量水平和訓(xùn)練需求規(guī)劃運(yùn)行軌跡，基于傳感器采集的患者信息，識(shí)別患者踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)意圖，根據(jù)意圖實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。因?yàn)樾枰环N造價(jià)低廉、操作簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)和意圖識(shí)別方法。

在此基礎(chǔ)上，文中提出了一種通過采集前臂壓力來識(shí)別老年人運(yùn)動(dòng)意向的方法，建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，采用模糊拉格朗日插值推斷方法識(shí)別方向意圖，采用比例變化法完成速度意圖識(shí)別。通過仿真對(duì)文中識(shí)別方法的優(yōu)越性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

文中的控制目標(biāo)是處于開發(fā)階段的全方位康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人，它的功能是為老年步態(tài)障礙患者提供步行康復(fù)和行走支持，它由4 個(gè)可以在所有方向上移動(dòng)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的全向輪組成[9]。一些培訓(xùn)項(xiàng)目存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，因此您無需物理治療師就可以康復(fù)。在實(shí)際的康復(fù)訓(xùn)練中，將患者的前臂壓在臂板上以支撐身體，并沿著康復(fù)機(jī)器人的軌跡進(jìn)行步行訓(xùn)練。當(dāng)老年人使用康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，重心會(huì)發(fā)生偏移，會(huì)影響康復(fù)機(jī)器人的跟蹤精度[10]。因此，如圖1所示，建立了具有重心偏移的全方位康復(fù)步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)圖

以康復(fù)機(jī)器人為被控對(duì)象，在不考慮外界干擾的情況下，全向輪的線速度如式（1）所示[11]。

4個(gè)全向輪對(duì)稱排布可知θi關(guān)系，如式（2）所示[12]。

代入式（1）可得到如式（3）所示。

可得康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)約束方程如式（4）所示。

2 意圖識(shí)別

2.1 方向意圖識(shí)別

圖2 所示如何計(jì)算前臂壓力合力。在坐標(biāo)系中，傳感器S_FR、S_FL、S_BR、S_BL檢測(cè)到的壓力值由w_fr、w_fl、w_br、w_bl這4 個(gè)力矢量的長(zhǎng)度表示其數(shù)值。選取右前、左前、右后、左后4 個(gè)方向，分別對(duì)應(yīng)45°、135°、315°、225°，4 個(gè)壓力矢量的合力方向是患者的方向意圖[13]。公式（5）和（6）所示計(jì)算合力矢量長(zhǎng)度和軸之間的角度。

圖2 合力矢量

通過模糊推理建立方向意圖與前臂壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)[14]。在此實(shí)驗(yàn)中，通過6 名65 歲左右的老人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此無法對(duì)全部方向進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集，只選擇了8 個(gè)方向進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集，分別為右、右前、前、左前、左、左后、后、右后，對(duì)應(yīng)角度分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°[15]?？祻?fù)機(jī)器人操作者沿著以上8個(gè)方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將康復(fù)機(jī)器人連接到主機(jī)，并使用軟件在每個(gè)方向上記錄300組壓力數(shù)據(jù)。消除無意義的數(shù)據(jù)，并計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

Aij為均值和標(biāo)準(zhǔn)差定義的一組三角模糊集，Bi為8個(gè)方向意圖的單個(gè)元素集，（模糊規(guī)則代碼i= 1,2,3,...,8，模糊規(guī)則條件代碼j= 1,2,3,4）。4個(gè)條件的隸屬函數(shù)為“和”關(guān)系，4 個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)Aj也定義為一個(gè)單元集[16]。圖3 所示三角模糊集與實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)集，其中為均值-標(biāo)準(zhǔn)差，為均值，為均值+標(biāo)準(zhǔn)差。

圖3 三角模糊集與實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)集

根據(jù)a-截集，將Aij、Bi、Aj、B分別表示為如式（7）至（10）所示[17]：

如果A1=Ai1，A2=Ai2，A3=Ai3，A4=Ai4，則B=Bi(i= 1,2,...,8)，本質(zhì)是，當(dāng)滿足a∈[0,1]時(shí)，

Ba為關(guān)于(j= 1,2,3,4)的映射，如式（11）所示。

即如式（12）和（13）所示：

根據(jù)以上分析，映射F應(yīng)滿足式（14）所示[18]。

多維映射函數(shù)由拉格朗日插值構(gòu)建，如式（15）所示[19]。

Ba值可以通過式（7）和（12）計(jì)算。 最后，根據(jù)分解定理獲得方向意圖B，如式（16）所示[20]。

2.2 速度意圖識(shí)別

通過采集操作者施加在康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人上的合力來識(shí)別速度意圖的新想法，患者將康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人向某個(gè)方向移動(dòng)的次數(shù)變多，其方向的速度意圖移動(dòng)的越快。對(duì)前臂壓力進(jìn)行分析時(shí)，需要考慮左右手的習(xí)慣、肌肉力量、運(yùn)動(dòng)方向意圖等個(gè)體的差異[21]。式（5）所示計(jì)算4 個(gè)壓力的合力，式（17）所示計(jì)算老年人速度意圖[22]。

在式中，F(xiàn)為確定f和v比率的參數(shù)。由于個(gè)體的不同，存在著身高、體重、左右手習(xí)慣等的不同，不同的人取不同的F值。老年人在使用康復(fù)機(jī)器人之前需要對(duì)F進(jìn)行校正，要想對(duì)所有方向進(jìn)行測(cè)試是不現(xiàn)實(shí)的，

選擇具有代表性的方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得F近似值[23]。

以一名65歲男性為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究了運(yùn)動(dòng)時(shí)前臂壓力的最大合力[24]。使用康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人以0.25m/s 的速度沿一下8 個(gè)方向進(jìn)行行走（右、右前、前、左前、左、左后、后、右后），運(yùn)動(dòng)過程中受試者前臂壓力的最大合力值為fr,ffr、ff、ffl、fl、fbl、fb、fbr，對(duì)應(yīng)的方向?yàn)锽r、Bfr、Bf、Bfl、Bl、Bbl、Bb、Bbr。f為實(shí)時(shí)測(cè)量的前臂壓力合力值，對(duì)應(yīng)的方向意圖為B。將最大合力值相對(duì)于方向區(qū)間內(nèi)隨角度值的變化視為線性變化，通過式

（18）計(jì)算F的近似值[25]。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真參數(shù)

圖4 所示康復(fù)機(jī)器人的外觀，康復(fù)機(jī)器人的最重要特征是全向輪，安裝在底盤上。由于采用4個(gè)全向輪，康復(fù)機(jī)器人不需要改變身體位置就可以全方位進(jìn)行移動(dòng)，在狹窄的空間也可以自如的進(jìn)行行走[26]。這種全方位運(yùn)動(dòng)不僅提高了康復(fù)訓(xùn)練的效率，而且使康復(fù)機(jī)器人的操作對(duì)患者來說更加的方便。 表1 所示康復(fù)機(jī)器人的主要參數(shù)。前臂支撐高度為900～1200mm，可以根據(jù)不同身高的患者進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)[27]。為了保證康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人使用者的安全，最大移動(dòng)速度為0.25m/s。采用超聲波傳感器檢測(cè)周圍障礙物，接觸式傳感器檢測(cè)患者是否摔倒，提高康復(fù)機(jī)器人的安全性，最大限度的保護(hù)使用者的安全。

圖4 康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)物

表1 康復(fù)機(jī)器人參數(shù)表

3.2 方向意圖識(shí)別

對(duì)康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的方向意圖識(shí)別方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證文中方向意圖識(shí)別方法的有效性。在實(shí)驗(yàn)中，選擇65歲老人健康男性作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。沿著8個(gè)方向進(jìn)行行走，分別為右、右前、前、左前、左、左后、后、右后，對(duì)應(yīng)角度分別為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。 記錄10s 內(nèi)傳感器的壓力數(shù)據(jù)，記錄總共8組的傳感器壓力數(shù)據(jù)，將它們帶入到方向意圖識(shí)別算法中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到圖5所示的仿真結(jié)果。

圖5 方向識(shí)別仿真結(jié)果

圖5 中的紅色虛線為實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向，藍(lán)色實(shí)線為采用文中方法的識(shí)別方向，除了在（0～10s）有一點(diǎn)震動(dòng)之外，識(shí)別方向與運(yùn)動(dòng)方向基本一致，得出一下結(jié)論。

（1）通過推論計(jì)算得到的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向與識(shí)別結(jié)果基本一致，說明提出的方向識(shí)別方法是可行的。

（2）圖中的初期振動(dòng)（0～10s）區(qū)域出現(xiàn)大振幅震動(dòng)，它是由調(diào)整重心和運(yùn)動(dòng)方向引起的。

（3）圖中早期（0～10s）區(qū)域的大振幅振動(dòng)數(shù)據(jù)在340°左右，非常接近0°，是合理的。

3.3 速度意圖識(shí)別

對(duì)康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的速度意圖識(shí)別方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證文中速度意圖識(shí)別方法的有效性。在實(shí)驗(yàn)中，選擇65 歲老年健康男性作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，沿著4 個(gè)方向以0.25m/s的速度進(jìn)行行走，分別為30°，120°，210°，300°。并對(duì)行走10 秒內(nèi)各個(gè)方向上的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，記錄總共4組的傳感器壓力數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)帶入式（17）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 F為定制時(shí)速度計(jì)算結(jié)果

圖7 F為變量時(shí)速度計(jì)算結(jié)果

圖6 和圖7 中的紅色虛線為實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，藍(lán)色實(shí)線為采用文中方法的運(yùn)動(dòng)虛度。從圖6 和圖7 所示的仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)作為定值和變量得到的仿真結(jié)果是完全不同的。將F作為定值時(shí)，文中速度識(shí)別方法的識(shí)別速度與真實(shí)運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)非常大。將F作為變量時(shí)，如圖7 所示，文中速度識(shí)別方法的識(shí)別速度與實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度圖像基本一致，說明在計(jì)算速度意圖時(shí)有必要考慮前臂施力特性和運(yùn)動(dòng)方向等因素的影響。

4 結(jié)束語

智能康復(fù)作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，已經(jīng)被證明是一種有效的康復(fù)方案，文中康復(fù)機(jī)器人采用4個(gè)全向輪，康復(fù)機(jī)器人不需要改變身體位置就可以全方位進(jìn)行移動(dòng)，在狹窄的空間也可以自如的進(jìn)行行走，通過采集前臂壓力來識(shí)別老年人運(yùn)動(dòng)意圖的方法。主要結(jié)論如下：

（1）使用模糊拉格朗日插值法識(shí)別機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向意圖，仿真結(jié)果可以看出，除了在（0～10s）有一點(diǎn)震動(dòng)之外，識(shí)別結(jié)果與實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向基本吻合，說明文中所提方向意圖識(shí)別方法具有一定的實(shí)用性。

（2）使用比例變化方法識(shí)別速度意圖，仿真結(jié)果可以看出，壓力數(shù)據(jù)對(duì)識(shí)別結(jié)果有較大的影響，只有為變量時(shí)識(shí)別速度與實(shí)際速度吻合，說明在計(jì)算速度意圖時(shí)有必要考慮前臂施力特性和運(yùn)動(dòng)方向等因素的影響，文中所提速度意圖識(shí)別方法具有一定的實(shí)用性。

這種全方位運(yùn)動(dòng)識(shí)別不僅提高了康復(fù)訓(xùn)練的效率，而且使患者對(duì)康復(fù)機(jī)器人的操作更加簡(jiǎn)單、方便。智能康復(fù)目前的發(fā)展水平還不足以取代傳統(tǒng)的康復(fù)方案，考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)的規(guī)模，對(duì)老年人康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的意圖識(shí)別的研究才剛剛開始。基于此，逐步改進(jìn)和完善將是下一步的重點(diǎn)。