徐 剛,向 馗,唐必偉,龐牧野
(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢430070)
人類在與外界環(huán)境交互時(shí)可自主調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)的“硬度”[1],以從容應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化,這項(xiàng)能力被稱為踝關(guān)節(jié)阻抗調(diào)節(jié)[2]。踝關(guān)節(jié)阻抗調(diào)節(jié)對(duì)維持身體平衡、吸收外界沖擊和推進(jìn)步態(tài)至關(guān)重要[3]。踝關(guān)節(jié)阻抗研究不僅能為人體下肢生理學(xué)研究提供線索,還能為仿生機(jī)器人控制策略研究提供重要依據(jù)。近年來,踝關(guān)節(jié)阻抗研究受到眾多領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注[4]。
阻抗測量是研究踝關(guān)節(jié)阻抗調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。在很多文獻(xiàn)中,常將關(guān)節(jié)阻抗定義為關(guān)節(jié)位置到力矩的映射,以描述關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)力矩之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系[5],一般用二階模型描述關(guān)節(jié)阻抗[6]。通常情況下,學(xué)者通過對(duì)關(guān)節(jié)施加外部干擾(常見的干擾方式為隨機(jī)激勵(lì)法和脈沖法)來獲取關(guān)節(jié)響應(yīng),并借助辨識(shí)方法獲得關(guān)節(jié)阻抗模型,以研究關(guān)節(jié)阻抗調(diào)節(jié)機(jī)制。Tucker等[7]自主設(shè)計(jì)了一款可穿戴干擾膝關(guān)節(jié)裝置。Shamaei等[8]和 Tucker[9]利用可穿戴干擾膝關(guān)節(jié)裝置分別測量了膝關(guān)節(jié)準(zhǔn)剛度和膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)阻抗。Yagi等[10]基于彈性繩快速伸曲特性設(shè)計(jì)了一款便攜式踝關(guān)節(jié)阻抗測量裝置(impedance detection device for ankle joint,IDDAJ),該裝置采用最小二乘法來估計(jì)人體在準(zhǔn)靜態(tài)條件下的踝關(guān)節(jié)阻抗,具有測量快速和方便攜帶等優(yōu)勢,但其驅(qū)動(dòng)裝置最大輸出扭矩有限,無法提供大干擾力矩,且忽略了小腿肌肉激活程度對(duì)踝關(guān)節(jié)阻抗的影響。Hassan等[11]設(shè)計(jì)了一種穿戴式阻抗測量裝置,用于測量人體在小腿肌肉放松狀態(tài)和激活狀態(tài)下的踝關(guān)節(jié)阻抗,但該裝置無法輸出大干擾力矩,測量結(jié)果與其他文獻(xiàn)相差較大。Lee等[12]自主設(shè)計(jì)了AnkleBot裝置,用于測量踝關(guān)節(jié)阻抗,該裝置配備了2個(gè)Kollmorgen電機(jī),以提供恒定大力矩和高頻干擾力矩,并采用相關(guān)分析法來辨識(shí)踝關(guān)節(jié)(2個(gè)自由度)阻抗模型參數(shù),但該裝置的成本過高。
為了準(zhǔn)確研究踝關(guān)節(jié)阻抗特性和降低設(shè)備耗費(fèi),筆者及同課題組成員[13]基于串聯(lián)彈性原理,在IDDAJ中對(duì)稱安裝了1對(duì)扭簧,以實(shí)現(xiàn)分離恒定大力矩和高頻干擾力矩的目的,提高裝置的響應(yīng)能力。但通過相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),前期設(shè)計(jì)的IDDAJ仍存在以下問題:1)扭簧易產(chǎn)生塑性形變,導(dǎo)致裝置失效;2)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機(jī)械間隙大;3)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜使得裝置阻抗模型的階次升高,采用機(jī)理法得到的二階模型可能會(huì)導(dǎo)致辨識(shí)精度降低。針對(duì)上述問題,筆者擬對(duì)前期設(shè)計(jì)的IDDAJ及辨識(shí)算法進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)的IDDAJ利用力矩傳感器代替扭簧來檢測力矩信號(hào),以提高力矩測量精度;利用定制的橡膠彈性體代替扭簧,以降低設(shè)計(jì)、安裝難度及避免塑性形變引發(fā)的精度下降問題;通過1根法蘭式中心軸直接連接踏板和橡膠彈性體,以減小機(jī)械間隙;采用增廣上三角分解辨識(shí)(augmented upper-diagonal decomposition identification,AUDI)算法[14]對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)處理以直接構(gòu)建阻抗模型。最后利用所設(shè)計(jì)的IDDAJ對(duì)人體端坐狀態(tài)下的踝關(guān)節(jié)阻抗進(jìn)行研究。
IDDAJ的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括踏板、調(diào)節(jié)螺柱、擾動(dòng)電機(jī)、承載框架、橡膠彈性體和傳感器等。踏板作為人體腳掌的承載平面,通過繃帶與腳掌綁在一起;為了適應(yīng)踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心到腳底的距離,通過調(diào)節(jié)螺柱微調(diào)踏板高度來使踏板旋轉(zhuǎn)中心和踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心重合;擾動(dòng)電機(jī)(型號(hào)為FAULHABER 3863A024C,額定功率為200 W)用于提供高頻干擾力矩,可對(duì)踝關(guān)節(jié)施加隨機(jī)擾動(dòng);橡膠彈性體(直徑為46 mm、高度為20 mm的圓柱體)的彈性系數(shù)kl=0.14 Nm/°,其左端通過法蘭式中心軸直接與踏板相連,右端固定在承載框架上;傳感器包括力矩傳感器(型號(hào)為SUNRISE M2210M)和光電編碼器(型號(hào)為HEDS-9040t),分別用于采集擾動(dòng)電機(jī)輸出的力矩和踝關(guān)節(jié)響應(yīng)角度。根據(jù)串聯(lián)彈性原理可知,當(dāng)IDDAJ的擾動(dòng)電機(jī)未施加干擾時(shí),橡膠彈性體為踏板提供靜態(tài)支撐力矩;當(dāng)擾動(dòng)電機(jī)施加干擾時(shí),橡膠彈性體提供恒定大力矩,擾動(dòng)電機(jī)輸出高頻干擾力矩,實(shí)現(xiàn)了恒定大力矩和高頻干擾力矩的分離。IDDAJ的工作原理如圖2所示,橡膠彈性體為踏板和腳掌提供靜態(tài)支撐力矩Ts,以抵消踏板和腳掌重力造成的影響,使初始狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)始終保持在其中心位置處;擾動(dòng)電機(jī)為踏板和腳掌提供高頻干擾力矩τ。
圖1 踝關(guān)節(jié)阻抗測量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical structure of IDDAJ
圖2 踝關(guān)節(jié)阻抗測量裝置的工作原理Fig.2 Working principle of IDDAJ
IDDAJ的控制原理如圖3所示。以STM32F4單片機(jī)為控制器,利用PID(proportion integration differentiation,比例積分微分)算法控制擾動(dòng)電機(jī)輸出的高頻干擾力矩;以200 Hz的頻率同步采集力矩傳感器和光電編碼器的數(shù)據(jù),借助STM32F4單片機(jī)串口,以921 600 b/s的傳輸速率將同步采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)并保存。同時(shí),借助肌電儀(型號(hào)為ELONXI EMG 100-Ch-Y-RA)實(shí)時(shí)采集小腿肌肉的表面肌電信號(hào)(surface electromyography,sEMG),并發(fā)送給上位機(jī)。
踝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)特性可用二階微分方程來描述[10]:
式中:θ和τ分別表示踝關(guān)節(jié)響應(yīng)角度和高頻干擾力矩;t為時(shí)間;I、B、K分別表示慣性、阻尼和剛度分量。
在零初始條件下,對(duì)式(1)進(jìn)行拉氏變換,得到以下傳遞函數(shù):
圖3 踝關(guān)節(jié)阻抗測量裝置的控制原理Fig.3 Control principle of IDDAJ
式中:ZA(s)表示踝關(guān)節(jié)阻抗;YA(s)表示踝關(guān)節(jié)導(dǎo)納;s表示拉氏變量。
在踝關(guān)節(jié)約束條件下,由IDDAJ和踝關(guān)節(jié)構(gòu)成的測量系統(tǒng)框圖如圖4所示,其中反饋通道模型為橡膠彈性體的彈性系數(shù)k1;前向通道模型為踝關(guān)節(jié)和IDDAJ踏板的并聯(lián)阻抗模型;θ0為IDDAJ踏板的初始角度;θ1是踏板的響應(yīng)角度。
圖4 踝關(guān)節(jié)阻抗測量裝置測量系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of detection system of IDDAJ
整個(gè)測量系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
式中:YCL(s)、ZCL(s)分別表示測量系統(tǒng)的導(dǎo)納和阻抗;YA+I(s)、ZA+I(s)分別表示踝關(guān)節(jié)和IDDAJ踏板的聯(lián)合導(dǎo)納和阻抗。
由于IDDAJ的踏板和人體腳掌通過繃帶綁定一起,兩者在運(yùn)動(dòng)過程中的位移相同。此時(shí),踝關(guān)節(jié)和IDDAJ踏板的聯(lián)合阻抗可表示為:
式中:ZA(s)、ZI(s)分別表示踝關(guān)節(jié)和IDDAJ踏板的阻抗。
在未受到人體踝關(guān)節(jié)約束的條件下,對(duì)IDDAJ進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果辨識(shí)得到IDDAJ的阻抗(ZI(s)+k1),然后在同等條件利用IDDAJ對(duì)踝關(guān)節(jié)的阻抗進(jìn)行測量,得到測量系統(tǒng)的阻抗(ZA+I(s)+k1),再利用式(4)計(jì)算得到踝關(guān)節(jié)的阻抗。
AUDI算法具有計(jì)算簡單、便于實(shí)現(xiàn)以及對(duì)未知階數(shù)模型辨識(shí)快速和準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。通過上三角分解,可直接得到n0(不大于給定的最大模型階次)階模型的待辨識(shí)參數(shù)[14],避免了復(fù)雜的建模過程。本文采用該方法對(duì)IDDAJ和踝關(guān)節(jié)的阻抗模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。在辨識(shí)過程中,將m階時(shí)域模型離散化,可得[14]:
式中:ai、bj分別表示阻抗模型輸出和輸入的系數(shù),i和j的取值由模型階次決定,本文取1~m;z(k)、u(k)分別表示阻抗模型的輸出和輸入;v(k)表示均值為零的白噪聲;k表示時(shí)刻。
將式(5)轉(zhuǎn)換為矩陣形式,可得:
其中:
式中:θm和hm分別表示由輸入和輸出的系數(shù)構(gòu)成的模型參數(shù)向量和由輸入和輸出構(gòu)成的數(shù)據(jù)向量。
定義增廣數(shù)據(jù)向量φm為:
利用輸入和輸出數(shù)據(jù),構(gòu)造k時(shí)刻的信息壓縮矩陣cm(k),表示為:
為辨識(shí)式(7)中的模型參數(shù)向量,利用上三角分解法分解信息壓縮矩陣cm,以構(gòu)建AUDI算法。信息壓縮矩陣cm可分解為:
其中:
式(5)所示離散模型經(jīng)雙線性變換[15]后變?yōu)檫B續(xù)時(shí)域模型,可直接辨識(shí)相關(guān)參數(shù)。
挑選8名健康男性(年齡為23~25歲,體重為60~75 kg)參與踝關(guān)節(jié)阻抗測量實(shí)驗(yàn),所有受試者近5年內(nèi)沒有小腿關(guān)節(jié)受傷史,在實(shí)驗(yàn)前均簽署了知情同意書。
踝關(guān)節(jié)阻抗測量實(shí)驗(yàn)分3步:預(yù)備實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)以及測量實(shí)驗(yàn)。預(yù)備實(shí)驗(yàn)的目的是獲取肌肉最大主動(dòng)激活程度(maximum voluntary contraction,MVC),以對(duì)采集的原始sEMG進(jìn)行歸一化處理;訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)的目的是訓(xùn)練受試者控制肌肉激活程度;在進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)時(shí),將整個(gè)IDDAJ置于水平面上,通過彈性繩將人體大腿懸掛于一定高度,高度隨受試者腿長進(jìn)行調(diào)整,人體腳掌與IDDAJ踏板通過繃帶連接;擾動(dòng)電機(jī)對(duì)踝關(guān)節(jié)施加高頻干擾力矩,采用AUDI算法離線辨識(shí)得到IDDAJ和踝關(guān)節(jié)的阻抗模型參數(shù)。踝關(guān)節(jié)阻抗測量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。鑒于脛骨前?。╰ibialis anterior,TA)、腓腸?。╣astrocnemius,GAS)和比目魚?。╯oleus,SOL)的激活程度對(duì)踝關(guān)節(jié)阻抗有重要影響,且其sEMG易于獲取,本文對(duì)TA、SOL和GAS的sEMG進(jìn)行采集,并發(fā)送到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示,便于受試者按要求控制肌肉的激活程度。參照國際標(biāo)準(zhǔn),設(shè)置電極片貼附位置和進(jìn)行事前皮膚處理[16]。
圖5 踝關(guān)節(jié)阻抗測量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.5 Experimental site of ankle joint impedance detection
為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的充分性和有效性,對(duì)每個(gè)受試者進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),舍棄受試者未按要求控制肌肉激活程度得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選取其中8組有效數(shù)據(jù)用于踝關(guān)節(jié)阻抗估計(jì)。采用擬合優(yōu)度R2、均方根誤差ERMS(root mean square error,RMSE)和百分方差占比PVAF(percentage variance accounted for,PVAF)來評(píng)價(jià)阻抗模型[14]:R2越接近1,ERMS越小,說明所構(gòu)建模型的擬合效果越好,PVAF越大表明所構(gòu)建模型的可靠性越高[17]。
sEMG的處理流程如下:全波整流、線性包絡(luò)提取以及歸一化處理。全波整流指移除sEMG的均值和信號(hào)整流,線性包絡(luò)提取指對(duì)sEMG進(jìn)行濾波處理和提取其包絡(luò)線,歸一化處理指將sEMG的值歸一化[18]。采用零相移巴特沃茲濾波器對(duì)力矩傳感器和光電編碼器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,并對(duì)濾波得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理,保留其動(dòng)態(tài)分量。
3.3.1 IDDAJ阻抗模型參數(shù)辨識(shí)
采用AUDI算法辨識(shí)得到不同階次的IDDAJ阻抗模型的損失函數(shù)值,如圖6所示。各階模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。
圖6 不同階次的IDDAJ阻抗模型的損失函數(shù)值Fig.6 Loss function values of IDDAJ impedance models with different orders
表1 不同階次的IDDAJ阻抗模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Evaluation indexs of IDDAJ impedance models with different orders
根據(jù)圖6可得,三階及三階以上的IDDAJ阻抗模型的損失函數(shù)值基本相同;由表1可知,二階和四階模型的 R2<0.9,PVAF<90%,三階模型的 R2>0.9,ERMS<0.6,PVAF>90%,故采用三階模型更為合適。辨識(shí)得到的三階IDDAJ阻抗模型采用雙線性變換法[15]進(jìn)行連續(xù)化處理,可得:
通過辨識(shí)得到IDDAJ阻抗模型中的彈性系數(shù)為0.27 Nm/°,與文獻(xiàn)[13]的測量值0.388 Nm/°相比約減小了30%,說明本文裝置的柔順性更好。本文三階IDDAJ阻抗模型的PVAF的平均值為91.53%,比文獻(xiàn)[13]的87.66%增大了3.87%,說明本文三階模型的可靠性更高。
3.3.2 放松狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)阻抗模型參數(shù)辨識(shí)
放松狀態(tài)下某位受試者小腿上TA、SOL和GAS的sEMG如圖7所示。由圖可知,TA、SOL和GAS的sEMG基本小于0.01,且波動(dòng)較小(見表2)。結(jié)果表明該受試者小腿處于放松狀態(tài),且按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行阻抗測量。
圖7 放松狀態(tài)下小腿肌肉的表面肌電信號(hào)Fig.7 sEMG of calf muscle in relaxed state
表2 放松狀態(tài)下小腿肌肉表面肌電信號(hào)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Mean value and standard deviation of sEMG of calf muscle in relaxed state
根據(jù)8位受試者的踝關(guān)節(jié)阻抗測量數(shù)據(jù),采用AUDI算法辨識(shí)踝關(guān)節(jié)阻抗模型的參數(shù),結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出,大部分R2>0.9,ERMS在0.4左右波動(dòng),說明二階線性時(shí)不變模型的擬合效果較好,絕大多數(shù)的PVAF>90%,說明該二階線性時(shí)不變模型可以較準(zhǔn)確地估計(jì)放松狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)的阻抗;個(gè)別R2<0.9,對(duì)應(yīng)的PVAF<90%,表示實(shí)際阻抗模型中含有較顯著的非二階模型成分,且該成分對(duì)阻抗模型的參數(shù)辨識(shí)具有一定程度的影響;基于8號(hào)受試者踝關(guān)節(jié)阻抗測量數(shù)據(jù)得到的慣性分量I與基于其他受試者得到的相比存在較大差異,這可能是因?yàn)樾⊥然虼笸戎亓Φ墓餐绊憽T趯?shí)驗(yàn)過程中,通過調(diào)整大腿懸掛高度以減少小腿和大腿重力的影響,但高度調(diào)整主要依靠受試者的主觀感受,無法準(zhǔn)確檢測實(shí)際效果,從而導(dǎo)致根據(jù)不同受試者的踝關(guān)節(jié)阻抗測量數(shù)據(jù)辨識(shí)得到的慣性分量I具有較大的差異。本文得到的踝關(guān)節(jié)阻抗模型的阻尼和剛度分量與文獻(xiàn)[12]結(jié)果處于同一數(shù)量級(jí),但整體數(shù)值小于文獻(xiàn)[12]的結(jié)果。
表3 放松狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)阻抗模型的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果及其評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Parameter identification results and evaluation indexes of ankle joint impedance model in relaxed state
3.3.3 不同肌肉激活程度下踝關(guān)節(jié)阻抗模型參數(shù)辨識(shí)
不同肌肉激活程度下某位受試者小腿上TA、SOL和GAS的sEMG如圖8所示。結(jié)果表明,在不同肌肉激活程度下,受試者小腿上各肌肉的sEMG在小范圍內(nèi)波動(dòng),這說明單獨(dú)控制小腿某一部分肌肉的激活程度存在一定難度?;?位受試者的踝關(guān)節(jié)阻抗測量數(shù)據(jù),采用AUDI算法辨識(shí)得到4種肌肉激活程度下踝關(guān)節(jié)阻抗模型,結(jié)果如表4所示。由表4可知,該模型的ERMS<0.4,大多數(shù) PVAF>80%,少數(shù)R2和PVAF較小,一方面是因?yàn)楸M管對(duì)IDDAJ進(jìn)行了一些優(yōu)化改進(jìn),但I(xiàn)DDAJ仍存在機(jī)械間隙和摩擦力,這些非線性因素將會(huì)對(duì)辨識(shí)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響;另一方面是因?yàn)榧∪饧せ畛潭茸兓瘯?huì)導(dǎo)致阻抗模型的參數(shù)發(fā)生變化。結(jié)果表明踝關(guān)節(jié)阻抗與小腿肌肉激活程度密切相關(guān),阻尼分量B、剛度分量K均隨著肌肉激活程度的增大而增大,其中剛度分量K的增大幅度大于阻尼分量B,慣性分量I基本保持不變。
不同肌肉激活程度下踝關(guān)節(jié)阻抗模型的伯德圖如圖9所示。當(dāng)輸入頻率高于4 Hz時(shí),踝關(guān)節(jié)阻抗模型的幅度變化主要由慣性分量I引起;當(dāng)輸入頻率低于4 Hz時(shí),踝關(guān)節(jié)阻抗模型的幅度隨肌肉激活程度的增大而增大,但其斜率幾乎為0,此時(shí)剛度分量K的影響占主導(dǎo)作用。本文所得結(jié)果在變化趨勢上與文獻(xiàn)[19]結(jié)果一致,但其數(shù)值比文獻(xiàn)[19]結(jié)果稍大。
為提高阻抗模型的辨識(shí)精度,本文主要從IDDAJ的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和辨識(shí)算法兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。由于IDDAJ存在機(jī)械間隙和摩擦力,機(jī)理法建模對(duì)裝置的測量精度有一定影響。本文采用AUDI算法辨識(shí)IDDAJ阻抗模型的最優(yōu)階次。本文辨識(shí)得到的三階IDDAJ阻抗模型的百分方差占比PVAF的平均值為91.53%,相比于文獻(xiàn)[13]增大了3.87%。借助IDDAJ,采用AUDI算法,獲得不同肌肉激活程度下踝關(guān)節(jié)阻抗模型。結(jié)果表明,踝關(guān)節(jié)阻抗與小腿肌肉激活程度密切相關(guān),阻尼分量B、剛度分量K均隨肌肉激活程度的增大而增大,其中剛度分量K的增大幅度大于阻尼分量K,慣性分量I基本保持不變。本文所得結(jié)果與文獻(xiàn)[12]和[19]保持一致。
本文實(shí)驗(yàn)方法可為IDDAJ的設(shè)計(jì)提供參考,也可為仿生智能機(jī)器人阻抗控制提供理論指導(dǎo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為踝關(guān)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)疾病檢測提供理論依據(jù)。
圖8 不同肌肉激活程度下小腿肌肉的表面肌電信號(hào)Fig.8 sEMG of calf muscle under different activation levels of muscle
表4 不同肌肉激活程度下踝關(guān)節(jié)阻抗模型的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果及其評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 4 Parameter identification results and evaluation indexes of ankle joint impedance model under different activation levels of muscle
圖9 不同肌肉激活程度下踝關(guān)節(jié)阻抗模型伯德圖Fig.9 Ankle impedance model Bode diagram under different activation levels of muscle