尚振東 張曉蘭 徐羨弘 秦效勇

(河南科技大學機電工程學院1,河南 洛陽 471003;Tactiq有限公司2,英國倫敦 UB11 1FW)

向后輔助站立機器人的插補運動控制

尚振東1張曉蘭1徐羨弘2秦效勇1

(河南科技大學機電工程學院1,河南 洛陽 471003;Tactiq有限公司2,英國倫敦 UB11 1FW)

為使輔助站立過程符合人體的生理結(jié)構(gòu)和心理需求,針對輔助站立機器人的運動控制進行了研究。對照正常人體站立過程,規(guī)劃了后向輔助站立的人體重心軌跡,構(gòu)建了可調(diào)座椅式機械結(jié)構(gòu)和站立減重系統(tǒng)。采用逐點比較插補技術,設計了機器人的插補運動控制器。試驗中樣機可輔助不同身高和體重的人體站立,輔助過程符合人性化要求。試驗結(jié)果驗證了設計方法的可行性。

機器人 輔助站立 插補技術 運動控制 曲線擬合

0 引言

對于下肢殘疾患者,除了進行必要的醫(yī)學治療和護理之外,還需要在日常生活中進行常規(guī)康復訓練[1]。大量研究表明,結(jié)合輔助器械的持續(xù)有規(guī)律的物理康復可以幫助患者增強心肺功能,恢復肌肉的張力、耐力和骨骼的強度,防止骨脫鈣、預防壓瘡和尿路感染。同時,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?；顒尤缦丛　⒏碌榷夹枰o助站立。

傳統(tǒng)輔助站立裝置[6-12]普遍存在自動化程度不高、不符合人性化要求等問題。為解決這些問題,在研究正常人體站立過程的基礎上,將插補技術應用于向后站立輔助機器人的運動控制中,并通過試驗對控制策論進行了驗證。

1 機械機構(gòu)

輔助站立機器人的機構(gòu)運動簡圖如圖1(a)所示(圖示位置為坐姿狀態(tài)),水平絲杠在伺服電機帶動下旋轉(zhuǎn),通過絲杠螺母副帶動活動腳踏板相對機架水平運動,豎直絲杠在伺服電機帶動下旋轉(zhuǎn),通過絲杠螺母副帶動靠背相對機架豎直運動。洗浴者通過固定在靠背上的扶手支撐。輔助站立機器人的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示。機器人不工作時為可調(diào)座椅式。為適應不同身材的洗浴者,采用電動推桿調(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,用于檢測使用者的重力,方便在站立接近結(jié)束階段進行減重控制。

圖1 后向輔助站立裝置的機械結(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

人體自然站立運動過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態(tài)平衡的連續(xù)過程[13],如圖2所示。如圖2(a)所示,若以地面為參照,人體正常站立時踝關節(jié)位置不變,人體重心向前上方移動。Riley、Emadi Andani和Mohsen Sadeghi等人將正常人從坐姿到站立的過程分為三個階段[13-15]:向前過渡階段(forward transition phase)、向上過渡階段(upward transition phase)和站立穩(wěn)定階段(stabilization phase)。向前過渡階段主要表現(xiàn)為通過髖關節(jié)活動,上身前傾,調(diào)整重心向前,使得人體重力與地面交點能夠落在腳底面區(qū)域。向上過渡階段主要表現(xiàn)為通過膝關節(jié)活動,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)為通過髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)等,調(diào)整人體重心,達到穩(wěn)定站立。

圖2 人體正常站立過程及其重心軌跡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)定時人體中心線為縱軸(Y軸)建立坐標系,則人體站立過程重心軌跡是該坐標系中的一條曲線。用曲線上節(jié)點N0、N1、N2和N3來區(qū)分正常人從坐姿到站立的過程。該過程分為三個階段,其中:N0-N1為向前過渡階段,N1-N2為向上過渡階段,N2-N3為站立穩(wěn)定階段。也可以認為節(jié)點N0表示站立開始,N1表示人體重心開始上移,N2表示人體重心已經(jīng)上移到站立時的最終垂直位置,N3表示結(jié)束[15]。

為滿足輔助站立機器人占用空間小、容易實現(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計思路[16-17],如圖3所示。向后輔助站立過程如圖3(a)所示,由于有機器人的輔助,向后輔助站立無需向前過渡階段(N0-N1),也無需站立后期的站立穩(wěn)定階段(N2-N3)。因此,只要使機器人輔助人體實現(xiàn)向上過渡階段(N1-N2)即可。具體實現(xiàn)方法是:向后輔助站立機器人由一個帶動人體重心向上移動豎直提升裝置,和一個帶動人體小腿和腳向后運動水平運動的裝置,兩軸協(xié)調(diào)運動將人體攙扶起來。

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

向后站立過程若以地面為參照,踝環(huán)節(jié)向后移動,人體重心向上方移動;若仍以踝關節(jié)位置為參照,則人體重心相對仍是向前上方移動。因此這種向后輔助站立的運動方式與人體自然站立運動時的重心運動趨勢是一致的,即這種向后輔助站立的運動方式在一定程度上是符合人體自然站立運動規(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)中坐標系為:在矢狀面上通過人體重心的豎直直線作為縱軸(Y軸,向上為正),縱軸與地面的交點作為原點,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,增加一段水平運動(從N′0-N1)和豎直運動(N2-N′3)。如人的腿相對較長,通過水平運動可以彌補;如果人體較高,通過豎直運動彌補。

從圖3(b)中的N1-N2段曲線量取坐標點,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;相關系數(shù)平方和Rsquare為0.991 8;根的平方差RMSE為0.009 802。

當輔助站立開始時,縱向(Y軸)電機停止,橫向(X軸)電機驅(qū)動腳踏板運動,帶動洗浴者的腳后移,當X到0.22 m位置時,進入插補運動。

3 輔助站立插補器

向后輔助站立插補器采用逐點比較法,通過編制軟件實現(xiàn)。其基本原理是每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖,而每走一步都要計算偏差,并決定下一步的進給方向。每個插補循環(huán)由偏差判別、進給、偏差函數(shù)計算和終點判別四個步驟組成。

如圖3(b)所示,人體站立過程中重心軌跡為第一象限的一段曲線。

3.1 偏差函數(shù)及插補規(guī)則

如圖3(b)所示,起點N1(x1,y1),終點N2(x2,y2),對于任一軌跡點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方向進一步。

②若fi≥0,向-x方向走一步,則此時有:

③若fi＜0,向+y方向走一步,則有:

計算偏差的同時,還要對動點的坐標進行加1、減1的運算,為下一點的偏差計算作好準備。

3.3 插補終點判斷

當查補進入終點時,考慮身高較矮者的應用,查補終點判斷首先判斷減重目標(詳見下節(jié))。若減重目標達到,停止輔助站立;否則,分別判別各坐標軸的進給步數(shù)。

兩坐標軸進給步數(shù)全部完成,到達圖3(b)的N2點,查補結(jié)束。

4 減重控制

為減輕半失能者在輔助站立起來后由于重力對腿和足等部位的壓力,對輔助站立的最后階段(圖3(b) N2-N′3)進行減重控制?？紤]到半失能者的不同身高、不同體重,減重控制是根據(jù)輔助站立過程中洗浴者對腳踏板的實時壓力,按一定比例(如30%)減重。

同時,減重目標達到與否,也是整個站立過程結(jié)束的判斷條件。當?shù)竭_圖3(b)的N2點時,橫向(X軸)電機停止,縱向(Y軸)電機驅(qū)動輔助站立支撐機構(gòu)繼續(xù)豎直上升,由安裝于腳踏板下的稱重傳感器檢測人體體重[19-20],計算機將之與設置的減重目標值比較。當式(8)滿足后,即滿足減重目標,輔助站立系統(tǒng)停止運動。

式中:G(t)為稱重傳感器實時測試的力;Gmax為洗浴者入浴和輔助站立過程中測試最大恒定力(即為洗浴者的重力)。減重控制采用了運動控制器的點動(Jog)運動模式來實現(xiàn)。

5 試驗研究

輔助站立機器人樣機采用兩個臺達ECMA低慣量系列的伺服電機C306(1個200 W和1個400 W)實現(xiàn)輔助站立運動。機器人的控制系統(tǒng)采用以微型計算機和運動控制器為核心控制單元。微型計算機發(fā)出控制指令,通過通信總線傳遞給運動控制器,運動控制器完成插補計算并控制運動軌跡,從而實現(xiàn)向后輔助站立。同時,運動控制卡完成對多個伺服編碼器、傳感器等信息的采集。

在輔助站立機器人樣機上對前述插補運動控制方法進行的驗證試驗。以一名年齡22歲、身高174 cm、體重73 kg的健康男子為試驗對象,進行輔助站立試驗。利用伺服電機自帶的絕對值型光電編碼器進行軌跡跟蹤。圖4為試驗跟蹤點和規(guī)劃曲線的對比圖,實線為規(guī)劃曲線,小圓點為實際跟蹤點(根據(jù)光電編碼器數(shù)據(jù)折算到試驗者的重心)。由圖4可以發(fā)現(xiàn),輔助站立過程的實際跟蹤點基本上和規(guī)劃曲線重合,僅在末端由于減重控制目標提前實現(xiàn),跟蹤點與規(guī)劃曲線產(chǎn)生了較大偏差,完全符合設計預期。另外,其他不同身高的多名試驗對象也都被平穩(wěn)地輔助站立起來,所有受試者在被輔助起立過程中無明顯不適感。

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

6 結(jié)束語

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

后向站立輔助裝置采用逐點比較法插補技術,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),設計了后向輔助站立插補運動控制器。輔助站立過程的末段通過減重控制,避免因用力過大而對使用者造成不適,同時還為使用者的平穩(wěn)站立提供支撐。

輔助站立試驗結(jié)果表明設計的插補器能夠模擬人體自然站立過程,方便實現(xiàn),插補運動精確平穩(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

國家國際科技合作基金資助項目(編號:2011DFA10440)。

修改稿收到日期:2014-04-16。

尚振東(1968-),男,1999年畢業(yè)于哈爾濱工程大學機械電子工程專業(yè),獲碩士學位,副教授;主要從事個人服務機器人的研究。