摘要：近年來(lái)，“按需輔助”對(duì)康復(fù)外骨骼實(shí)施控制的阻抗控制方法廣泛應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中。部分研究表明膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械腿對(duì)穿戴者的運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)動(dòng)跟隨。因此，文章結(jié)合相關(guān)案例資料進(jìn)行了機(jī)械腿擺動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)分析。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié);康復(fù)機(jī)械腿;擺動(dòng)控制

1.案例資料

筆者對(duì)一名身高174cm，體重59kg，年齡26歲的上班族進(jìn)行穿戴擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中，τi—人機(jī)交互力矩;τa—穿戴者的人體力矩估算;τnet—導(dǎo)納模型力矩;qref—輸出為關(guān)節(jié)參考角度;τm—電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩;vm—輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度;vs—外骨骼機(jī)械腿轉(zhuǎn)動(dòng)速度;θm—伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度;q^—狀態(tài)估算軌跡;vs—外骨骼機(jī)械腿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;ω0—轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度截止頻率;I0—可調(diào)放大系數(shù)后;Im—電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Is—外骨骼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;kc—彈簧彈性系數(shù);bc—阻尼器阻尼系數(shù);Ie—膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械腿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Ih—穿戴者腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;S—扭矩傳感器的安裝點(diǎn)處;τm—外骨骼的驅(qū)動(dòng)力矩;τs—扭矩傳感器檢測(cè)力矩;θm—電機(jī)輸出角度，速度為vm;θs—膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械腿擺動(dòng)角度，速度為vs

2.具體實(shí)驗(yàn)分析

在擺動(dòng)過(guò)程中，試驗(yàn)者的擺動(dòng)頻率ω盡量穩(wěn)定在2rad/s（0.3Hz）附近，膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)過(guò)程中的角度、角速度及角加速度如圖1所示。

結(jié)合圖1中關(guān)節(jié)信息，基于自適應(yīng)頻率振蕩器，得到人體關(guān)節(jié)力矩τ^h（t）與重構(gòu)的τh，rec（t），人體關(guān)節(jié)力矩τ^h（t）與重構(gòu)的τh，rec（t）如圖2所示。

從圖2中可看出，重構(gòu)的關(guān)節(jié)力矩τh，rec（t）能較好的跟蹤估算的人體關(guān)節(jié)力矩，從而獲得膝關(guān)節(jié)外骨骼的助力力矩。

在實(shí)際的康復(fù)擺動(dòng)過(guò)程中，穿戴者在開(kāi)始的擺動(dòng)階段主動(dòng)性較差;經(jīng)過(guò)一段時(shí)間訓(xùn)練后具有了較為主動(dòng)的擺腿運(yùn)動(dòng);但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的全力運(yùn)動(dòng)后，穿戴者由于疲勞，其主動(dòng)擺動(dòng)減緩。基于這種實(shí)際，康復(fù)運(yùn)動(dòng)中擺動(dòng)腿的擺動(dòng)頻率先慢￣后快￣再變慢的運(yùn)動(dòng)特征，為了模擬實(shí)際的康復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，筆者設(shè)置機(jī)械腿的擺動(dòng)頻率為：從2rad/s（0.32Hz）變到2.6rad/s（0.41Hz），再到2rad/s（0.32Hz）。

在頻率由2rad/s變到4rad/s后，慣量補(bǔ)償力矩幅值明顯降低，而在人腿降低擺動(dòng)頻率后（由4rad/s變到2rad/s），慣量補(bǔ)償力矩幅值又明顯增加，導(dǎo)納模型的輸入力矩τnet也有相同的變化趨勢(shì)。慣量補(bǔ)償力矩這種隨著擺動(dòng)頻率增加呈現(xiàn)的幅值減小的趨勢(shì)與實(shí)際需求相一致，因?yàn)楫?dāng)人腿主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)不太強(qiáng)烈時(shí)，人腿會(huì)成為機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)阻力，控制系統(tǒng)增加慣量補(bǔ)償，提供較大的助力補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng);當(dāng)人腿擺動(dòng)意識(shí)增強(qiáng)，擺動(dòng)頻率增加時(shí)，機(jī)械腿與人腿相配合，降低慣量補(bǔ)償，發(fā)揮穿戴者的運(yùn)動(dòng)主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)有效的康復(fù)鍛煉。

從圖4還可以看出：根據(jù)基于自適應(yīng)頻率振蕩器生成的助力力矩τa值與關(guān)節(jié)角度值在相位上有較好的一直性，從而驗(yàn)證了控制方法實(shí)施的有效性。為了評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)對(duì)穿戴膝關(guān)節(jié)外骨骼后的康復(fù)助力的有效性，筆者進(jìn)行了助力效果評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)研究。筆者采用分析穿戴膝關(guān)節(jié)外骨骼前后穿戴者的腿部肌電信號(hào)變化的方法，對(duì)兩名健康的男性實(shí)驗(yàn)者分別進(jìn)行有無(wú)外骨骼機(jī)械腿輔助下的腿部擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者腿部通過(guò)綁縛裝置與外骨骼連接，然后進(jìn)行跟隨擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分別記錄腿部擺動(dòng)時(shí)股二頭肌和股四頭肌的肌電原始信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行均方根植（rootmeansquare，RMS）分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在輔助模式下EMG幅度顯著減小，表明膝關(guān)節(jié)外骨骼對(duì)穿戴者實(shí)現(xiàn)了有效助力。

3.小結(jié)

綜上所述，根據(jù)實(shí)際康復(fù)運(yùn)動(dòng)中擺動(dòng)腿的擺動(dòng)頻率先慢￣后快￣再變慢的運(yùn)動(dòng)特征，筆者進(jìn)行了膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)械腿的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：外骨骼機(jī)械腿能模擬康復(fù)運(yùn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)較好的擺腿運(yùn)動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉棣斐，唐志勇，裴忠才.基于導(dǎo)納原理的下肢外骨骼擺動(dòng)控制[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41（6）：1019￣1025.

作者簡(jiǎn)介

姓名：宋寶強(qiáng)?性別：男（1984年9月）?學(xué)歷：本科（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)）?職務(wù)：機(jī)械設(shè)計(jì)師?工作單位：遼寧雙星脊柱梳理科技股份有限公司?身份證號(hào)碼：210105********4610

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