徐元杰+樊軍
摘 要:本文在傳統(tǒng)ZMP穩(wěn)定性判據(jù)的基礎(chǔ)上對ZMP穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn),建立了人的外界干擾因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響的數(shù)學(xué)模型,然后對下肢外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動過程穩(wěn)定性進(jìn)行研究,按最大穩(wěn)定裕量原則對步態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。為了在不同情況下保持平衡,提出了步幅、調(diào)整新的控制措施。通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了所提出方法的正確可行性。
關(guān)鍵詞:下肢外骨骼;ZMP;穩(wěn)定性;優(yōu)化
中圖分類號:TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
外骨骼步行穩(wěn)定的重點(diǎn)在于如何保持支撐腳與地面的相對安穩(wěn),維持外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的平衡,使外骨骼穿戴者步行時不發(fā)生傾倒。目前,零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point,ZMP)是基于外骨骼人機(jī)系統(tǒng)動態(tài)步行是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)。ZMP是人機(jī)整體所受的重力、慣性力和地面反作用力三者的合力,在地面上投影應(yīng)呈限于兩腳之間,即支撐腳底與地面接觸所構(gòu)成的最小凸多邊形有效撐持區(qū)間內(nèi),則外骨骼人機(jī)系統(tǒng)才能使穩(wěn)定行走。下肢外骨骼在靜態(tài)行走時人機(jī)系統(tǒng)均處于平衡穩(wěn)定狀況,對于地面上重心的投影能夠一直處于支撐面之內(nèi),因此外骨骼人機(jī)系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)定狀況。但是,下肢外骨骼在穿在人身上后動態(tài)步行時,人體的外界不確定性因素使外骨骼在前向和側(cè)向產(chǎn)生慣性力作用,會使ZMP隨著擺動腳的落地變化可能超出支撐區(qū)域,這樣就造成了人體在穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)中來回變換??芍猌MP穩(wěn)定性判據(jù)對系統(tǒng)外界的干擾因素的動態(tài)穩(wěn)定性評估具有一定的局限性。因此在ZMP穩(wěn)定性判據(jù)的基礎(chǔ)上需對ZMP穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)的ZMP動態(tài)穩(wěn)定性評估方法能有效地對下肢外骨骼冠狀面和矢狀面內(nèi)動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行評估。由于人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動過程比較復(fù)雜,如果同時考慮人機(jī)系統(tǒng)在行走過程中的側(cè)向和前向運(yùn)動之間的耦合,那么分析會比較復(fù)雜。結(jié)合步態(tài)實(shí)際特征,為了得到人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動受擾時平衡狀態(tài)的計(jì)算判定方法,本文僅考慮對在側(cè)向運(yùn)動人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。
1.動態(tài)步行穩(wěn)定性檢測
下肢外骨骼在動態(tài)行走時,質(zhì)心具有速度,即便質(zhì)心投影處于支撐區(qū)域內(nèi)部也有存在失穩(wěn)的可能性,因此需要判斷下肢外骨骼運(yùn)動受擾時是否處于平衡狀態(tài)。由于下肢外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的側(cè)向運(yùn)動可以簡化為倒立擺的模型運(yùn)動并且具有周期性。
設(shè)人機(jī)的質(zhì)量m集中于質(zhì)量中心(center of mass, COM)。其中D1為質(zhì)心的位移;D2為人體腳底在地面的反力與壓力中央的位移,它的范圍被限制在人體的撐持面區(qū)域(即BOS)內(nèi),其極限值分別為D2-min和D2-max,根據(jù)動力學(xué)原理,運(yùn)動中若平衡,則人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動中平衡的判斷條件為
其中,人機(jī)系統(tǒng)質(zhì)心的速度大小是V1。
2.改進(jìn)的動態(tài)穩(wěn)定性評估方法
若參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化時,由(1)式可以很快判斷出此時人機(jī)系統(tǒng)是否平衡。如果人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同控制能力處于失穩(wěn)狀態(tài),首先要確定外骨骼人機(jī)系統(tǒng)所在的支撐多邊形(BOS)中哪個邊是旋轉(zhuǎn)邊界,由此可以計(jì)算出來ZMP到旋轉(zhuǎn)邊界之間的距離。本文假設(shè)腳掌形狀為矩形,那么兩只腳共包括8個邊。候選的BOS是所有連接兩只腳的8個角的連線。左腳的頂角點(diǎn)分別用P1,P3,P5,P7來表示,右腳用P2,P4,P6,P8表示,其中P(X,Y)。通過兩個點(diǎn)Pi和Pj的連線用Lij表示。
則ZMP到Lij的距離可表示為
其中,Pij是zmp到Lij的垂足的位置矢量。
假如已知ZMP所處的位置,則通過等式(4)可以來確定旋轉(zhuǎn)邊界。由于在實(shí)際步態(tài)穩(wěn)定控制時需要按最大穩(wěn)定裕度d的要求對規(guī)劃的外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,亦可采用公式(5)來定量描述步態(tài)的穩(wěn)定程度。當(dāng)d大于零時,步態(tài)處于平穩(wěn)狀態(tài),且d的值越大,穩(wěn)定性越好;當(dāng)d等于零時,步態(tài)臨界處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)d小于零時,則步態(tài)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
3.步態(tài)控制策略
可以通過采用跨步的方式來改變撐持多邊形,從而達(dá)到下肢外骨骼在受到外力擾動的情況下仍保持其平衡。人采取的動作和行為,其機(jī)理是改變支撐多邊形,由于協(xié)調(diào)控制的要求,必須研究跨步隨動的控制機(jī)制(策略)。如圖1所示,在沒有外部力量支撐的條件下,則移動的腳應(yīng)當(dāng)處于正常步副的平面位置上。但在外力作用情況下,下肢外骨骼要繞著旋轉(zhuǎn)邊旋轉(zhuǎn)。這時,腳的落地位置應(yīng)該改變,以達(dá)到人機(jī)系統(tǒng)保持平衡的要求。
腳所移動的距離I *f 可由下計(jì)算得出:
其中,a*為腳的移動方向改變角α為旋轉(zhuǎn)腳與水平線夾角,β為移動后腳與水平線夾角。
假設(shè)我們忽視腳部的額外移動所發(fā)生的重心改變量,則下肢外骨骼在新的落腳點(diǎn)與落腳時將是十分平穩(wěn)的。
4.簡述仿真分析
完成人機(jī)系統(tǒng)的建模之后,我們采用動力學(xué)分析軟件ADAMS構(gòu)建外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的仿真型,對擴(kuò)大步幅的仿真進(jìn)行了考量。通過一系列的數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)受到來自外部力量的作用時,外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的平穩(wěn)進(jìn)行也能夠通過調(diào)整步幅來維持。
結(jié)語
本文對ZMP穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn),對人的外界干擾因素對下肢外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動過程穩(wěn)定性進(jìn)行研究,按最大穩(wěn)定裕量原則對步態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。將下肢外骨骼簡化為倒立擺模型來進(jìn)行動態(tài)步行穩(wěn)定性分析。討論了維持穩(wěn)定的方法:改變腳的著地位置。數(shù)字化仿真的模式體現(xiàn)了該方式的可行性。但如何實(shí)現(xiàn)可穿戴式下肢外骨骼在外界干擾下的實(shí)時控制還有待進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
[1]徐汝龍.一種可穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃及康復(fù)策略[D].西華大學(xué),2012.