摘要：近年來，“按需輔助”對康復(fù)外骨骼實施控制的阻抗控制方法廣泛應(yīng)用于康復(fù)機器人系統(tǒng)中。部分研究表明膝關(guān)節(jié)外骨骼機械腿對穿戴者的運動能實現(xiàn)較好的運動跟隨。因此，文章結(jié)合相關(guān)案例資料進行了機械腿擺動控制實驗分析。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié);康復(fù)機械腿;擺動控制

1.案例資料

筆者對一名身高174cm，體重59kg，年齡26歲的上班族進行穿戴擺動實驗研究，擺動實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。其中，τi—人機交互力矩;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—電機驅(qū)動力矩;vm—輸出為電機轉(zhuǎn)動速度;vs—外骨骼機械腿轉(zhuǎn)動速度;θm—伺服電機的轉(zhuǎn)動角度;q^—狀態(tài)估算軌跡;vs—外骨骼機械腿轉(zhuǎn)動角速度;ω0—轉(zhuǎn)動角加速度截止頻率;I0—可調(diào)放大系數(shù)后;Im—電機輸出軸轉(zhuǎn)動慣量;Is—外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)動慣量;kc—彈簧彈性系數(shù);bc—阻尼器阻尼系數(shù);Ie—膝關(guān)節(jié)外骨骼機械腿的轉(zhuǎn)動慣量;Ih—穿戴者腿部的轉(zhuǎn)動慣量;S—扭矩傳感器的安裝點處;τm—外骨骼的驅(qū)動力矩;τs—扭矩傳感器檢測力矩;θm—電機輸出角度，速度為vm;θs—膝關(guān)節(jié)外骨骼機械腿擺動角度，速度為vs

2.具體實驗分析

在擺動過程中，試驗者的擺動頻率ω盡量穩(wěn)定在2rad/s（0.3Hz）附近，膝關(guān)節(jié)擺動過程中的角度、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。

在實際的康復(fù)擺動過程中，穿戴者在開始的擺動階段主動性較差;經(jīng)過一段時間訓(xùn)練后具有了較為主動的擺腿運動;但經(jīng)過一段時間的全力運動后，穿戴者由于疲勞，其主動擺動減緩?；谶@種實際，康復(fù)運動中擺動腿的擺動頻率先慢￣后快￣再變慢的運動特征，為了模擬實際的康復(fù)運動進行實驗，筆者設(shè)置機械腿的擺動頻率為：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，慣量補償力矩幅值明顯降低，而在人腿降低擺動頻率后（由4rad/s變到2rad/s），慣量補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。慣量補償力矩這種隨著擺動頻率增加呈現(xiàn)的幅值減小的趨勢與實際需求相一致，因為當(dāng)人腿主動運動意識不太強烈時，人腿會成為機械腿的運動阻力，控制系統(tǒng)增加慣量補償，提供較大的助力補償實現(xiàn)人機系統(tǒng)的擺動運動;當(dāng)人腿擺動意識增強，擺動頻率增加時，機械腿與人腿相配合，降低慣量補償，發(fā)揮穿戴者的運動主動性，實現(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，從而驗證了控制方法實施的有效性。為了評價控制系統(tǒng)對穿戴膝關(guān)節(jié)外骨骼后的康復(fù)助力的有效性，筆者進行了助力效果評價的實驗研究。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變化的方法，對兩名健康的男性實驗者分別進行有無外骨骼機械腿輔助下的腿部擺動實驗。實驗者腿部通過綁縛裝置與外骨骼連接，然后進行跟隨擺動實驗，分別記錄腿部擺動時股二頭肌和股四頭肌的肌電原始信號，并對信號進行均方根植（rootmeansquare，RMS）分析。

實驗結(jié)果顯示：在輔助模式下EMG幅度顯著減小，表明膝關(guān)節(jié)外骨骼對穿戴者實現(xiàn)了有效助力。

3.小結(jié)

綜上所述，根據(jù)實際康復(fù)運動中擺動腿的擺動頻率先慢￣后快￣再變慢的運動特征，筆者進行了膝關(guān)節(jié)康復(fù)機械腿的實驗，實驗結(jié)果表明：外骨骼機械腿能模擬康復(fù)運動模式，實現(xiàn)較好的擺腿運動。

參考文獻

[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控制[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2015，41（6）：1019￣1025.

作者簡介

姓名：宋寶強?性別：男（1984年9月）?學(xué)歷：本科（沈陽航空航天大學(xué)，機械設(shè)計及其自動化專業(yè)）?職務(wù)：機械設(shè)計師?工作單位：遼寧雙星脊柱梳理科技股份有限公司?身份證號碼：210105********4610

遼寧沈陽?110034