基于迭代学习控制的下肢外骨骼康复训练机器人运动策略_曾永阳.pdf
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1、第 卷 第 期北华大学学报(自然科学版)年 月 ()文章编号:():基于迭代学习控制的下肢外骨骼康复训练机器人运动策略曾永阳,罗春阳,王延振,李海连,陆 玥,王晓昌,王小平,田 阳(北华大学机械工程学院,吉林 吉林)摘要:将具有不依赖系统模型精度,并且能够通过不断学习实现高精度控制等优点的迭代学习策略应用于下肢康复训练机器人运动控制通过分析人体下肢结构与运动特征,得到下肢外骨骼系统各关节的空间位置参数;采用拉格朗日法对下肢外骨骼康复训练系统进行动力学分析,设计迭代学习控制器仿真结果表明:迭代学习控制策略能够实现高精度跟踪期望轨迹的目标关键词:迭代学习控制;康复训练;下肢外骨骼;轨迹跟踪中图分类
2、号:文献标志码:收稿日期:基金项目:吉林省科学技术发展计划项目(,);国家级大学生创新创业训练计划项目()作者简介:曾永阳(),男,硕士研究生,主要从事下肢外骨骼机器人研究,:;通信作者:罗春阳(),男,硕士,副教授,硕士生导师,主要从事智能机器人研究,:,(,):,:;截至 年底,我国 岁及以上人口达 亿,约占全国总人口数的,并且老龄人口比重还在持续增大随着人口老龄化程度的不断加剧,脑卒中、脊髓损伤等疾病的发病率逐年提高,这些疾病严重影响患者的下肢运动;此外,由于摔伤、交通事故、自然灾害等导致下肢肢体障碍的患者数量不断上升临床研究表明:人体的中枢神经系统具有很高的恢复能力和可塑性,在接受治疗
3、的同时,结合一些康复训练,对治疗效果和神经恢复具有良好的促进作用随着康复治疗学、智能化控制学以及机器人技术的快速发展,利用下肢外骨骼康复训练机器人进行康复训练逐渐成为下肢肢体运动障碍患者的主要训练手段,而下肢外骨骼康复训练机器人系统的运动控制策略直接影响患者康复训练效果目前,在下肢外骨骼康复训练领域应用较多的运动控制策略有计算力矩控制、自适应控制、零力矩点控制、表面肌电信号控制等其中,计算力矩控制算法的控制精度依赖于系统动力学模型的精确度,控制效果一般;自适应控制()通过修正自身特性来适应被控对象和外界扰动变化,但需要在线辨识估计控制器参数,计算量大,控制精度容易因信息的模糊处理而下降;零力矩
4、点()控制需要提前将角度传感器安装在使用者身上来获取信息,缺少便捷性;表面肌电()信号控制模糊性强,抗干扰差,且不具有通用性轨迹跟踪控制效果的优劣会在很大程度上影响患者康复训练的恢复效果和肢体安全随着下肢外骨骼设备应用场景愈发复杂多样,以及患者对下肢康复训练设备精度要求的不断提高,采用能够实现高精度轨迹跟踪的运动控制策略变得尤为重要迭代学习控制具有不依赖系统模型精度的特点,并且能够根据上一次系统输出结果误差调节系统下一次输出,通过不断学习,实现高精度控制,也因此被广泛应用于机械臂的运动控制,但针对下肢运动控制的迭代学习策略还鲜有报道本文将迭代学习控制应用在下肢外骨骼康复训练机器人运动控制中,分
5、析人体下肢结构与运动特征,确定下肢各关节的运动形式与活动范围;采集正常人体行走步态数据,作为迭代学习控制器运动仿真的期望轨迹;采用拉格朗日法对下肢外骨骼康复训练系统进行动力学分析与建模;根据下肢外骨骼康复训练机器人运动控制系统的特点设计迭代学习控制器,并通过 进行仿真 人体下肢运动机理图 人体空间坐标系 人体下肢结构为准确描述人体下肢结构和步态运动机理,采用人体解剖学和临床医学定义人体坐标系,见图 坐标轴及坐标平面构成人体基本参考系,通过相互垂直的矢状轴、冠状轴、垂直轴以及矢状面、冠状面、水平面描述人体的空间结构及位置关系人体下肢主要包括大腿、小腿和足部 个部分,各部分通过关节相互连接其中,髋
6、关节连接大腿骨骼与人体上肢、躯干,主要承担人体上肢、躯干的重量,并保持运动过程中的人体平衡;膝关节连接大腿骨骼与小腿骨骼,主要承受关节力矩并控制下肢运动;踝关节连接小腿骨骼和足部骨骼,主要调整足部姿态,并具有一定的运动缓冲作用关节间通过肌肉、韧带和中轴骨等人体组织相连接,组成精密的人体结构正是人体下肢各骨骼、关节与肌肉之间的相互配合才实现了人体的行走功能表 为各关节在不同坐标面下运动的平均范围,可作为步态参数测量、患者下肢自由度限制及外骨骼设计的基础表 髋、膝、踝关节运动形式与活动范围 ,关节名称运动特征旋转轴动作功能最大活动范围()行走活动范围()伸展 弯曲冠状轴跨步髋关节外扩 内收矢状轴改
7、变步行方向旋外 旋内垂直轴控制平衡膝关节伸展 弯曲冠状轴跨步踝关节背屈冠状轴离地趾屈冠状轴落地 人体下肢运动分析设计下肢外骨骼康复训练机器人运动策略需要充分了解人体下肢步态运动规律,因此,分析人体下肢运动十分必要行走过程中,人体下肢所表现出的姿态称为步态,健康人体正常步态是呈周期性的,一个完整步态周期见图 由图 可知:一个步态周期为左下肢与右下肢各完成 次迈步动作以右脚刚接触地面第 期曾永阳,等:基于迭代学习控制的下肢外骨骼康复训练机器人运动策略图 人体步态运动周期 为一个步态周期的起始点,首先,人体着力点逐渐从左下肢移至右下肢,进入右足支撑、左足准备离开地面状态;接着进入右足独立支撑状态,左
8、腿单腿摆动,完成向前迈步动作,进入左足触地状态,完成整个步态周期的 在一个步态周期内,下肢存在两种状态,分别为支撑状态和摆动状态支撑状态指人体足后跟接触地面到足尖离地,约占整个步态行进周期的;摆动状态指足尖离地到足后跟接触地面,约占整个步态行进周期的支撑状态又分为单腿支撑状态和双腿支图 正常步态信息采集 撑状态,单腿支撑状态约占支撑周期的,双腿支撑状态约占支撑周期的 就步态规律而言,男、女之间无明显差异人体双侧下肢呈交替性重复运动,所以,由一只腿部步态参数就可以确定整个下肢步态运动过程关节角度的变化对于步态的特点诠释最为明显,可以代表人体下肢步态运动过程 下肢步态数据采集与分析为获得正常人行走
9、的步态数据,拆除外骨骼驱动装置,同时增设位移量采集装置,见图 通过传感器识别、标记以正常步态行走过程中人体下肢各关节坐标点数据,并实时反馈给上位机为保证步态参数具有普遍性,寻找 位没有下肢腿部肌肉、神经疾病的试验者进行试验受试者以 的行进速度沿直线匀速前行为保证试验质量,防止身体疲劳,行走 次为 组,完成 组试验后休息 进行第 组试验通过试验,得到行进过程中下肢各关节点的坐标数据根据上位机存储的坐标点数据,通过关节角度三维向量变换将由传感器测得的位移量转换为关节角度变化量,并通过 对其进行拟合处理循环步态周期为 ,各关节点取各次试验角度的平均值作为标准数据图 为 个周期内下肢髋关节、膝关节角度
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