在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法贾山 路新亮 韩亚丽 王兴松（东南大学机械工程学院，南京）（南京工程学院机械工程学院，南京）摘要：为实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节运动轨迹的跟踪，建立了外骨骼摆动腿逆运动学模型与卡尔曼滤波预测模型，并在外骨骼摆动腿踝关节处设置人机位姿误差传感器，同时进行了人体步态实验 仿真中以实验测取的人体踝关节相对于其髋关节的运动轨迹作为外骨骼踝关节的跟踪对象，并依此计算外骨骼踝关节处人机位姿误差 采用卡尔曼滤波器对外骨骼摆动腿的髋、膝关节位置进行预测，再利用外骨骼逆运动学模型对预测结果进行校正 结果表明：该方法能良好地实现外骨骼摆动腿踝关节对人体踝关节的运动轨迹跟踪，并且卡尔曼滤波预测能明显改善跟踪的滞后性，同时仅需检测外骨骼踝关节处的人机位姿误差也有助于简化人机之间的传感器布置关键词：人机位姿误差；踝关节；运动学逆解；卡尔曼滤波预测中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）（，）：，：；收稿日期：作者简介：贾山（），男，博士生；王兴松（联系人），男，博士，教授，博士生导师，基金项目：国家自然科学基金资助项目（）、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目（，）、江苏省自然科学基金青年基金资助项目（）引用本文：贾山，路新亮，韩亚丽，等 在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法 东南大学学报：自然科学版，（）：外骨骼是一种并联于使用者身体外侧的机械系统，广泛应用于助力、助残及康复训练领域如何获取人体的运动状态，并控制外骨骼良好地随动人体运动是外骨骼研究中的关键问题之一例如，日本筑波大学的外骨骼 用具有超前性的肌电信号检测人体肌肉的运动意图 ，但信号特征 因 人 而 异，适 用 性 较 差美 国 的 通过检测足底力，映射为理想的膝关节扭矩，并进而对其 驱动器的推力进行控制，但是精度有限，最大误差达 美国加州大学伯克利分校的 通过人体上的倾角仪检测人体下肢各部分的角度，结合外骨骼上的关节编码器信号求得虚拟人机接触力，并根据经过优化的预设步态数据，得出外骨骼关节所需扭矩，该方法依赖于外骨骼动力学模型的精度 华东理工大学的“阿力”根据足底力判断步态阶段，依据预设的步态状态机确定关节扭矩的前馈值，同时人机相互作用力的检测用于扭矩控制的反馈环 上海交通大学的康复训练外骨骼检测肌电与外骨骼关节角度信号，通过模糊规则及标准步态数据库对外骨骼的关节角度与角速度进行控制 在人体上佩戴肌电电极等各类传感器或者预设标准步态数据库等都会增加系统的复杂性，如文献 认为在人体上穿戴倾角仪存在可靠性与安全性的问题上述各方法在对处于摆动相的外骨骼腿进行控制时显得较为复杂，因为处于摆动相的外骨骼腿不承担负载，其控制要求是良好地跟踪人体的运动轨迹 为此，本文介绍一种基于踝关节处人机位姿误差对外骨骼髋、膝关节进行角度、角速度的控制以减小误差的方法，采用卡尔曼滤波预测消除滞后性 该方法无需在人体上佩戴任何传感器，且对穿戴后的人机关节位置对应精度不作要求外骨骼机构及其状态检测东南大学动力辅助外骨骼机构（，）由背板、腰板、髋关节、大腿杆、膝关节、膝关节弹簧、小腿杆、踝关节、足部等部分组成（见图），采用由套索传动的液压驱动方式 其中背板宽度与大、小腿杆的长度可调，以适应不同体型的使用者 通过检测踝关节处的人机位姿误差实现对其髋、膝关节位置的控制 控制中通过图（）所示的电位器实时获知外骨骼各关节的角度、角速度等运动状态 为了测得使用者与外骨骼之间的人机位姿误差，外骨骼在末端（即踝关节处）设置用于检测该位置人机踝关节偏距的人机位姿误差传感器，如图（）所示传动套索；套索拉力传感器；踝关节处人机位姿误差传感器；液压驱动器安装支架；背板；腰板；髋关节；膝关节弹簧；膝关节；踝关节图 总体结构及样机电位器；空心轴；轴承图 外骨骼状态与人机位姿误差的检测方式外骨骼运动学逆解及人体运动分析步态特征因人而异，为减少外骨骼对人体运动的限制，仅在腰部与踝关节处与人体绑定，即人机之间在髋、踝关节处保持相对固定的位置关系，膝关节处相对自由 因此，在摆动相中 对人体下肢运动的随动不是要求各关节角度轨迹的跟随，而是要求处于末端的人机踝关节运动轨迹的跟随在髋关节处建立基础坐标系 的外骨骼摆动腿运动学模型，如图（）所示，图中，髋、膝关节角度均为正方向 与实际使用时相同，模型中无须考虑各关节处的人机位置对应精度 图（）为反映人机摆动腿运动不一致性的踝关节处人机位姿误差模型图 外骨骼摆动腿模型东南大学学报（自然科学版）第 卷：踝关节（即人机位姿误差传感器 所在处）坐标系 至其髋关节基础坐标系 的 变换为 （）（）（）（）（）（）则 踝关节处人机位姿误差传感器 在其髋关节基础坐标系 中的坐标为 （）（）（）踝关节处人机位姿误差定义（即传感器所测得的量）如图 所示图 人机位姿误差在外骨骼踝关节处的表示希望 踝关节能良好地随人体踝关节 运动，因此根据人机位姿位移误差 与角度误差，可得到 踝关节在其髋关节基础坐标系中的期望坐标，为 （）（）（）（）根据该期望坐标，对 髋、膝关节角度，进行运动学逆解，过程如下：设 ，是当前逆解得到的 的新关节角度值，则有 （）（）（）式（）中有 可得 槡从而有 （，）（）将式（）代入式（），可得 （）式（）中 ，设 槡，（，）则由式（）可得 （）（）从而有 ，()（）对式（）和（）进行修正，使其满足 ，()及 ，()，即符合外骨骼关节角度范围为了获得 踝关节在仿真中所对应跟踪的人体踝关节 的轨迹，并依据该轨迹求取仿真中的 踝关节处人机位姿误差，在自行开发的人体步态测量台（见图（）上进行了行走实验 根据 中以实验结果能够覆盖 的中国成年人为依据，邀请了 名健康年轻男性实验者，年龄为（）周岁，体重为（），身高为（），每人分别进行 次步态数据采集，求均值后进行运动学分析 实验中采用 法 在人体上设置标记点（见图（），上位机通过图像采集系统对标记点进行坐标追踪并计算出实验者下肢各关节的运动学数据，算法详见文献 由图（）可见，人体大、小腿的长度在步态周期中是变化的（由标记点坐标计算而得），其主要原因是人体下肢各关节的球窝 滑车特性，该特性直接导致人体踝关节与 踝关节在同一髋关节基础坐标系中的明显轨迹偏差（见图（），其中 踝关节相对于其髋关节的运动轨迹是根据式（）代入实验所得人体大、小腿长的均值（，）和人体髋、膝关节角度轨迹求得由于在 的实际使用中无须检测人体运动数据，因此在仿真中使用的人体踝关节 相对第 期贾山，等：在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法：于其髋关节的运动轨迹数据仅用于计算 踝关节处的人机位姿误差，如图 所示 将通过实验获得的人体踝关节 在髋关节基础坐标系 中的坐标（，）转化到 踝关节坐标系中，坐标（，）为()()()()()()()()型高速相机；步道；足底力测力板；上位机；专用服装；标记点图 人体步态测量实验与人体大小腿长度变化式中，表示；表示 进而得到仿真所需的 踝关节处人机位姿误差为（槡），()基于运动学逆解的仿真在实际的行走步态中，一条腿的摆动相约占左右 为了在更大的范围内检验本方法，仿真中使用了整个步态周期的关节运动数据，可视为悬吊在空中的行走动作由图（）所示实验数据可知，实验者平地直立时，大、小腿长分别约为 ，；实验中开始采集数据时的髋关节初始角度约为 、膝关节初始角度约为 设 的大腿长 、小腿长 ，即膝关节处均存在明显的人机位置穿戴误差；设外骨骼髋关节初始角度 、膝关节初始角度 ，即存在明显的初始时刻人机位姿误差仿真流程如图 所示 仿真结果如图（）中实（）人机踝关节轨迹误差（）人机踝关节轨迹跟踪（）人机位姿误差图 人机踝关节轨迹与踝关节人机立姿误差线所示 可见 踝关节能够随动人体踝关节，但存在明显滞后，这使得人机位姿误差最大达到约 这是因为依据 时刻的人机位姿误差通过运动学逆解而得到的外骨骼关节位置刷新值东南大学学报（自然科学版）第 卷：只能在 时刻实现，而仿真实验数据的采样速率为 帧 步态周期 图（）中虚线为将实验数据通过差分翻倍（即 帧 步态周期）后的仿真结果，可见最大误差缩小到 以内 说明可以通过提高控制系统的采样速率改善控制精度为了在有限的采样速率（即有限的硬件成本）条件下提高控制精度，本文引入卡尔曼滤波预测算法对 的关节位置控制进行改进图 含卡尔曼滤波预测的仿真流程基于运动学逆解与卡尔曼滤波预测的仿真采用卡尔曼滤波器估计过程的状态，并使得估计均方差最小 外骨骼关节角度、角速度 的离散差分状态方程为（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，分别对应髋、膝关节；为采样周期；（）为第 采样时刻的关节角加速度以关节角度 为观测变量，观测方程为（）（）（）（）（）（）其中，外骨骼关节角加速度（）可通过所测角度差分求得，定义为过程噪声 过程噪声和与由信号检测误差导致的观测噪声 均为正态分布且相互独立的白噪声，设其对应的协方差阵 ，由图（）可见，采用采样速率 帧 步态周期的数据预测得到的 踝关节轨迹能良好地跟踪人体踝关节的运动，与图（）所示的仅保证下肢各关节角度轨迹跟随人机踝关节轨迹差异相比，具有明显的改善；由图（）中点划线可知，预测得出的踝关节处人机位姿误差迅速收敛并保持在 以内，具有良好的精度由图（）可见，在步态周期 阶段踝关节处人机位姿误差出现小幅震荡现象，分析其产生原因为：由于人体髋、膝关节的球窝 滑车特性导致了人体踝关节在该阶段存在相对于其髋关节的运动方向和速度的快速变化（见图（）圆圈阶段），仿真中 踝关节在该阶段又严格跟踪了人体踝关节的轨迹在 的实际使用中，由于其踝关节处人机位姿误差传感器与人体之间的绑缚机构以及人体皮肤肌肉组织的柔性等，使得 踝关节在该阶段不会出现相对于其髋关节运动状态的剧烈变化，因此图（）中所示的小幅震荡现象对外骨骼髋、膝关节角度预测和实际使用的影响不大含卡尔曼滤波预测的仿真流程如图 所示结语本文提出了一种基于踝关节处人机位姿误差和卡尔曼滤波预测的外骨骼踝关节对人体踝关节的轨迹跟踪方法 仿真中使用人体步态测量实验获得的人体踝关节相对于其髋关节的轨迹数据，通过人机运动学模型逆解计算外骨骼踝关节处的人机位姿误差，并由此对外骨骼髋、膝关节角度进行预测 仿真结果表明，引入卡尔曼滤波预测在不提高系统采样频率的情况下有效改善了运动学模型逆解算法在人机踝关节轨迹跟踪方面的滞后性，并使得外骨骼踝关节处人机位姿误差迅速收敛 同时，用本文所述方法设计外骨骼摆动腿控制系统无需在人体上佩戴任何传感器，也无需保证穿戴时的人机关节位置对应精度，具有较好的便利性参考文献（），第 期贾山，等：在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法：，：，：，：，：，：，：，（），（）：，：，：曹恒，孟宪伟，凌正阳，等两足外骨骼机器人足底压力测量系统 传感技术学报，（）：，（）：（）王瑜，曹恒，凌正阳，等基于人机系统运动仿真的数字人步态规划方法 华东理工大学学报，（）：，：，（）：（）印松，殷跃红下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计 高技术通讯，（）：，（）：（）尤跃东，殷跃红下肢外骨骼机器人运动学分析与轨迹控制实现 机械与电子，（）：，（）：（），：，：，：东南大学学报（自然科学版）第 卷在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法在摆动相中用于下肢外骨骼跟踪人体踝关节轨迹的方法作者：贾山，路新亮，韩亚丽，王兴松，Jia Shan，Lu Xinliang，Han Yali，Wang Xingsong作者单位：贾山,路新亮,王兴松,Jia Shan,Lu Xinliang,Wang Xingsong(东南大学机械工程学院,南京,211189)，韩亚丽,Han Yali(南京工程学院机械工程学院,南京,211167)刊名：东南大学学报（自然科学版）英文刊名：Journal of Southeast University(Natural Science Edition)年，卷(期)：2014(1)本文链接：http:/