基于导纳原理的下肢外骨骼摆动控制

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1、2015年6月第41卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2015V01．41NO．6http：?fbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2014．0462基于导纳原理的下肢外骨骼摆动控制刘棣斐，唐志勇+，裴忠才(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191)摘要：针对下肢外骨骼摆动过程中对操作

2、者运动意图的识别和跟踪问题，首先提出了一种基于导纳原理的控制算法．该方法借鉴了物体运动过程中力和速度所具有的导纳特性，通过合理设计导纳参数将操作者与下肢外骨骼之间的交互力转化为外骨骼的期望运动轨迹．然后利用传统控制方法驱动外骨骼准确跟踪期望运动轨迹，最终实现操作者和外骨骼的协调运动．构建了包含交互力信息的人机系统模型，并在此基础上进行了仿真验证试验．仿真结果表明：相比于未驱动的外骨骼，正常摆动频率下操作者与外骨骼之间的交互力降低了约85％。并成功实现了对操作者运动的准确跟踪，误差在±0．30以内

3、．关键词：外骨骼；导纳控制；交互力；人机系统；轨迹跟踪中图分类号：TP242．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)06．1019-07外骨骼是一种仿生机器人系统，最早由美国军方出于军事目的提出相关概念¨1．外骨骼机器人通过在人体运动关节处施加外部驱动力矩以降低甚至替代操作者在运动或者负重任务过程中的自身关节出力，从而减少操作者能量消耗以延长任务时间或帮助残疾操作者实现正常运动能力．因此可以被应用于军事、医疗康复、消防救援等领域‘2引．作为一种结合了操作者智能和机械力量的典型人

4、机一体化系统，外骨骼机器人的研究热点和难点主要集中于如何识别操作者的运动意图．对此国内外学者进行了深入的研究，并取得了众多成果．美国加州大学伯克利分校在其设计的BLE—EX(BerkeleyLowerExtremityExoskeleton)中提出灵敏度放大控制方法H。5J．该方法构建了基于外骨骼结构的逆动力学模型，实时解算不同运动姿态下的关节力矩，并控制外骨骼产生相应的输出力矩作为正反馈补偿操作者关节输出力矩，使外骨骼敏锐地捕捉并放大操作者的运动意图，从而达到辅助支撑和运动的目的．这种方法的优

5、势在于只需要测量外骨骼自身参数而不涉及操作者或两者间的交互信息，但是其控制效果受限于逆动力学模型的精度且易受系统参数扰动的影响．由13本筑波大学研制的第一款商业外骨骼HAL(HybridAssistiveLimb)采用肌电信号EMG(Electromyography)作为输入，根据运动关节周围肌肉组织表面所产生的微弱电信号来辨识该关节运动时所需力矩大小，从而驱动外骨骼辅助操作者∞’71．这种方法虽然能够获取最为真实的操作者意图，但是却有着一些固有的缺陷，诸如测量噪音、穿戴麻烦、易受环境影响等【8

6、1．因此，像神经网络这样的智能方法被引入EMG信号处理中，以提高预测性能H。“．但总体而言，EMG方法的应收稿日期：2014-07—28；录用日期：2014—11-20；网络出版时间：2014—12-1714：19网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20141217．1419．008．html基金项目：国家自然科学基金(51075017)作者简介：刘棣斐(1987一)，男，河南新野县人，博士研究生，daivliu@atsee．buaa．edu。cn

7、+通讯作者：唐志勇(1976一)，男，湖南湘潭人，副教授，zyt-76@buaa．edu．cn，主要研究方向为机器人智能控制．；f用格式：刘棣斐，唐志勇，裴忠才．基于导纳原理的下肢外骨髂摆动控制UJ．北京航空航天大学学报，2015．4J(6)：1019．1025LiuDF，TangZY，PeizC．SwingmotioncontroloflowerextremityexoskeletonbasedoDadmittancemethodLlj．JoumalofBeiringUniversityofA

8、eronauticsandAstronautics，2015，41(6j：1019—1025(inChinese)1020北京航空航天大学学报用仍然受到环境的制约．人机系统内部的交互信息，通常表现为交互力，能够有效体现操作者与外骨骼之间的相对运动关系，因此也常被用于预测操作者运动．瑞士的康复训练外骨骼Lokomat借鉴了物体运动速度与所受作用力之间的阻抗特性，提出了基于交互力测量的阻抗控制方法．该方法实质上是一种双环控制，外部位置环用于将预定轨迹通过阻抗控制器转换为期望的力矩指令，然后内环的力跟