朱昕毅，梅 濤，王玉成，孫 鵬

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230022；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 先進(jìn)制造技術(shù)研究所，常州 213164)

控制技術(shù)

外骨骼機(jī)器人人機(jī)耦合控制系統(tǒng)研究

朱昕毅1,2，梅 濤2，王玉成2，孫 鵬2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230022；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 先進(jìn)制造技術(shù)研究所，常州 213164)

外骨骼機(jī)器人是機(jī)器人與穿戴者相耦合的機(jī)電一體化系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制，研究了外骨骼機(jī)器人人機(jī)耦合作用情況。以機(jī)器人單個(gè)關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，建立了關(guān)節(jié)的人機(jī)耦合雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)行了外骨骼機(jī)器人的位置控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種人機(jī)耦合控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的穩(wěn)定控制。

外骨骼機(jī)器人；人機(jī)耦合；雙閉環(huán)控制

0　引言

外骨骼是指為生物提供保護(hù)和支持的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)。外骨骼機(jī)器人技術(shù)是融合傳感、控制、信息、融合、移動(dòng)計(jì)算, 為作為操作者的人提供一種可穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)的綜合技術(shù)[1]。外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的研究最早始于20世紀(jì)60年代美國(guó)通用公司設(shè)計(jì)的哈德曼助力機(jī)器人，該裝置主要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，可以輕而易舉的舉起幾十千克的重物。它對(duì)后來外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究和開發(fā)起到了不可替代的引導(dǎo)作用[2]。自從哈德曼助力機(jī)器人設(shè)想的提出以來，許多國(guó)家都對(duì)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)展開了研究。2000年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局資助加州大學(xué)伯克利分校的人體工程實(shí)驗(yàn)室（HEL）、SARCOS 機(jī)器人公司、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和Millennium Jet公司等開展了增力外骨骼機(jī)器人的研究[3]。隨著世界科技水平的進(jìn)步，以日本、美國(guó)、以色列為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在軍事、醫(yī)療、商業(yè)等方面已經(jīng)有了初步的應(yīng)用[4,5]。

在我國(guó)，外骨骼機(jī)器人的研究尚處于起步階段，一些科研機(jī)構(gòu)和高校對(duì)這類機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制策略等方面進(jìn)行了初步的理論探索和仿真。裝甲兵工程學(xué)院的賴慶仁設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)重可穿戴機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)并做了仿真，仿真結(jié)果表明液壓驅(qū)動(dòng)方式可以增大機(jī)器人最大負(fù)載，但其控制方式采用開環(huán)控制，其控制穩(wěn)定性難以保證[6]。河南科技大學(xué)的陳昌鐸設(shè)計(jì)了氣動(dòng)比例技術(shù)的下肢康復(fù)訓(xùn)練可穿戴機(jī)構(gòu)控制方案，其在穿戴舒適度上有所提高，采取了針對(duì)執(zhí)行器的單閉環(huán)控制，但是控制穩(wěn)定性和精度都不高，其控制最大位置誤差率可達(dá)14%左右[7]。中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所的方郁設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)了一種速度-力模型，采用PID控制。通過設(shè)置固定的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，但并未探討在不同穿戴者因不同的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)而給機(jī)器人控制帶來的影響，沒有充分考慮人機(jī)耦合關(guān)系[8]。

目前，國(guó)內(nèi)的研究者在外骨骼機(jī)器人人機(jī)耦合控制系統(tǒng)方面還沒有展開深入研究。外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)輸出主要受到兩方面作用力的影響：一是執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用力，二是穿戴者與機(jī)器人之間相互作用力。每個(gè)穿戴者運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)是不一樣的，同時(shí)，穿戴者是通過雙腳和腿部的軟性捆綁帶與機(jī)器人相連接，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，連接部位會(huì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生力和力矩，穿戴者其他部位也會(huì)與機(jī)器人接觸，同樣會(huì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生力和力矩。這些因素都會(huì)對(duì)外骨骼機(jī)器人的控制效果產(chǎn)生影響。從人機(jī)耦合的角度對(duì)外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行研究將有助于實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的穩(wěn)定控制。本文對(duì)外骨骼機(jī)器人人機(jī)耦合作用進(jìn)行了初步研究，并進(jìn)行了位置控制實(shí)驗(yàn)。

1　單自由度外骨骼機(jī)器人模型

外骨骼機(jī)器人是多自由度系統(tǒng)，各自由度都會(huì)受到穿戴者對(duì)機(jī)器人的力與力矩，從研究其相互耦合作用機(jī)理的角度出發(fā)，選取單自由度結(jié)構(gòu)作為理論研究對(duì)象，如圖1所示。

圖1　單自由度外骨骼理論模型

圖1中為一單自由度擺動(dòng)結(jié)構(gòu)外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)為剛性鏈接，可由單一執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供力矩繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。假設(shè)機(jī)器人和穿戴者均未接觸地面，穿戴者的腿部連接在外骨骼機(jī)器人上。為簡(jiǎn)化模型，暫不考慮機(jī)器人中的彈性、諧振、摩擦等因素的影響，僅研究機(jī)器人執(zhí)行器作用與人體作用的相關(guān)聯(lián)系。

2　機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

在忽略重力的情況下，建立開環(huán)控制系統(tǒng)：

式中，v表示控制系統(tǒng)輸出量，即外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度；r表示執(zhí)行器輸入量，即執(zhí)行器施加在外骨骼機(jī)器人上的力矩；G表示執(zhí)行器輸入量的傳遞函數(shù)；d表示穿戴者對(duì)機(jī)器人施加的力矩；S代表穿戴者輸入量的傳遞函數(shù)。

圖2　執(zhí)行器與人對(duì)外骨骼關(guān)節(jié)角速度作用

上述的控制系統(tǒng)描述的是外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)沒有任何來自執(zhí)行器的反饋情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和穿戴者對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生的力矩對(duì)系統(tǒng)輸出速度v的影響。在這種控制方式下，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的是穩(wěn)定性優(yōu)先的控制器（例如高增益的速度控制器），那么就要求傳遞函數(shù)S的值盡可能小，那么帶來的影響就是外骨骼機(jī)器人對(duì)來自穿戴者的力矩的響應(yīng)變?nèi)?。在這種情況下，由于不同的穿戴者對(duì)機(jī)器人所施加的力矩d是不同的，這就使得僅通過測(cè)量d來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)十分困難。不僅如此，再進(jìn)一步思考，外骨骼機(jī)器人實(shí)際是多自由度系統(tǒng)，那么在重復(fù)性的測(cè)量過程中就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的魯棒性衰減，這對(duì)外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性影響很大。

為此，本文進(jìn)一步研究，在上述控制模型中加入一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋，如圖3所示，其傳遞函數(shù)如式(2)所示。

圖3　加入閉環(huán)后執(zhí)行機(jī)構(gòu)與人對(duì)外骨骼關(guān)節(jié)角速度作用

其中，C表示控制器對(duì)外骨骼變量的操作，衰減了自外骨骼機(jī)器人的非必要的信號(hào)，起到單位低通濾波的作用。

通過式(2)可以看出Snew≤S，添加閉環(huán)負(fù)反饋之后外骨骼機(jī)器人對(duì)人動(dòng)作的響應(yīng)是減弱的。不論是在經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論中，都力求將系統(tǒng)對(duì)外界力和力矩響應(yīng)的靈敏度函數(shù)最小化。但在外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中卻恰恰相反，我們要使得系統(tǒng)的靈敏度函數(shù)最大化，為此，我們改閉環(huán)負(fù)反饋為閉環(huán)正反饋，即：

假設(shè)：

α表示函數(shù)S的放大倍數(shù)。例如當(dāng)C=0.9G-1時(shí)，則Snew=10S。由于S增大，外骨骼機(jī)器人對(duì)外界出入（包括干擾信號(hào)）響應(yīng)靈敏度增大，隨之而來的是對(duì)系統(tǒng)魯棒性的嚴(yán)峻考驗(yàn)。在閉環(huán)正反饋中，參數(shù)變化如下：

當(dāng)放大倍數(shù)α比較大，即GC趨向1時(shí)，外界對(duì)外骨骼施加的任何變量都將被放大。例如當(dāng)不確定參數(shù)占10%）時(shí)：

假設(shè)C=0.9G-1（即α=10），由式(6)可得出，ΔSnew/Snew=0.9這就表明任何參數(shù)變量都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)有直接的影響，通過上述可以知道，10%的干擾量經(jīng)過傳遞函數(shù)便會(huì)放大9倍。因此，在單閉環(huán)系統(tǒng)下，不確定性參數(shù)的最小化問題將十分重要。

下面我們?cè)偌尤氪┐髡邉?dòng)力學(xué)作用，得到圖4所示的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。外骨骼機(jī)器人是綜合人體運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)外界的變化的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)控制的。穿戴者對(duì)外骨骼機(jī)器人的力作用效果d既代表了動(dòng)力學(xué)（H）作用，也代表了穿戴者的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)。H則主要由穿戴者的動(dòng)力學(xué)因素決定。假設(shè)H是一個(gè)非線性的操作，可定義：

圖4　雙閉環(huán)控制模型

在圖4中，上面的閉環(huán)表示了穿戴者的運(yùn)動(dòng)對(duì)外骨骼機(jī)器人的作用，下面的閉環(huán)表示了執(zhí)行器對(duì)外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)下進(jìn)一步探究穿戴者的行為動(dòng)作對(duì)外骨骼機(jī)器人的穩(wěn)定性的影響。由圖4可以看出，為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須滿足：

對(duì)于一個(gè)單自由度系統(tǒng)，S=G=1/Js，J表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，s表示拉普拉斯變換。則穿戴者的阻抗H=MHs+CH，MH和CH表示正系數(shù)。如果α=10（C=0.9Js）得：

將上述參數(shù)帶入式(8)中得：

從式(11)中就可以看出，在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，只要改變參數(shù)，令J＜10MH，系統(tǒng)就會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖5所示為六自由度外骨骼機(jī)器人。在外骨骼機(jī)器人實(shí)際行走過程中，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度大，在人腿擺動(dòng)過程中受到小腿對(duì)機(jī)械的力矩作用較明顯，所以選用膝關(guān)節(jié)作為單自由度人機(jī)耦合模型控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象。穿戴者通過柔性捆綁帶與外骨骼機(jī)器人連接，機(jī)器人以電機(jī)編碼器作為執(zhí)行器反饋元件，以穿戴者小腿與機(jī)器人捆綁處的壓力傳感器作為穿戴者對(duì)機(jī)器人的力矩反饋元件。

圖5　外骨骼機(jī)器人單關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

控制系統(tǒng)采用三層控制架構(gòu)：上位機(jī)為工控機(jī)，在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行人機(jī)耦合控制系統(tǒng)；下位機(jī)為專用控制器，運(yùn)行底層控制程序；驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)，電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)剛性肢干繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)輸入連續(xù)的點(diǎn)到點(diǎn)位置信號(hào)，如圖6所示。通過人機(jī)耦合控制系統(tǒng)，獲得電機(jī)編碼器位置實(shí)際輸出，分析誤差情況，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性。實(shí)際行走情況如圖7所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)執(zhí)行器輸入

【】【】

圖7　外骨骼機(jī)器人實(shí)際行走圖

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8　實(shí)驗(yàn)實(shí)際輸出

圖9　關(guān)節(jié)位置誤差

實(shí)驗(yàn)測(cè)量元件為增量式編碼器，輸入信號(hào)最大增量幅值為10000counts，最小增量幅值為3000counts，如圖9所示。電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)輸出如圖10所示，可以看出，輸出端輸出位置軌跡基本貼合輸入信號(hào)，僅在電機(jī)改變方向時(shí)有所抖動(dòng)。關(guān)節(jié)位置誤差如圖11所示，誤差最大值為200counts，誤差率η為200/30000×100%=0.67%，小于1%，滿足控制穩(wěn)定性的要求，可以認(rèn)為在人機(jī)耦合控制系統(tǒng)作用下，該關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制。

4　結(jié)束語

本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外外骨骼機(jī)器人控制策略方面的相關(guān)資料，針對(duì)外骨骼機(jī)器人穩(wěn)定控制的問題，研究了一種人機(jī)耦合的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。并通過位置控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這種控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的穩(wěn)定控制。

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The study of man-machine coupling control system of exoskeleton robot

ZHU Xin-yi1, MEI Tao2, WANG Yu-cheng2, SUN Peng2

TP271

A

1009-0134(2016)02-0035-04

2015-11-30

中國(guó)科學(xué)院合肥研究院院長(zhǎng)基金（YZJJ201522）；常州市科技支撐計(jì)劃（CE20150013）

朱昕毅（1991 -），男，江蘇溧陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制。