穿戴式步行輔助機(jī)器人控制方法研究進(jìn)展

張　霞，錢　蕾，馬文濤，羅天洪

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶　400074)

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穿戴式步行輔助機(jī)器人控制方法研究進(jìn)展

張霞，錢蕾，馬文濤，羅天洪

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074)

摘要：隨著中國人口老齡化進(jìn)程的飛速演變，老年人群體利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行日常步行活動(dòng)的需求日益增大。穿戴式步行輔助機(jī)器人根據(jù)用戶體能進(jìn)行主/從運(yùn)動(dòng)輔助(據(jù)需輔助)的功能特性與人們的生理需求相匹配，對(duì)改善機(jī)械系統(tǒng)的柔性、親和力及友好感具有促進(jìn)作用。針對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的據(jù)需輔助問題，以實(shí)現(xiàn)主/從柔性輔助為目標(biāo)，提出并構(gòu)建一種髖關(guān)節(jié)中樞模式發(fā)生器(CPG)控制和膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制相結(jié)合的新型Hybrid控制方法，研究主/從輔助模式?jīng)Q策及柔性轉(zhuǎn)換機(jī)制、膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制切換及其穩(wěn)定性、以及Hybrid控制理論的據(jù)需輔助效應(yīng)，為穿戴式步行輔助機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展提供新的思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人控制；穿戴式步行輔助；Hybrid控制；據(jù)需輔助；分級(jí)阻抗控制；CPG控制

第6次人口普查顯示，中國已步入世界上人口老齡化規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的國家行列，60歲及以上人口約占全國總?cè)丝诘?3%。伴隨老年人肌力機(jī)能、心肺功能的退化，步行所占日常活動(dòng)的比例逐步減少，從而導(dǎo)致各種疾病罹患率大幅上升，如此惡性循環(huán)最終導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力的完全喪失。日常的穿戴式步行輔助有利于改善老年人的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，對(duì)預(yù)防退行性改變具有重要的康復(fù)醫(yī)學(xué)意義。伴隨機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和全球人口老齡化進(jìn)程的快速演化，穿戴式機(jī)器人技術(shù)逐漸顯現(xiàn)出非常廣闊的市場應(yīng)用前景，并已成為國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。穿戴式步行輔助機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究不僅在幫助老年人重獲自理能力、獨(dú)立參與社會(huì)活動(dòng)、提高生活質(zhì)量等助老助殘問題方面具有重要的社會(huì)意義，而且對(duì)中國全面建設(shè)和諧社會(huì)更具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

利用機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)輔助時(shí)，機(jī)器人的據(jù)需輔助(assisted-as-needed， AAN)功能是其面向日常使用的核心要素。據(jù)需輔助是指機(jī)器人實(shí)時(shí)評(píng)估用戶的體能提供與用戶需求相匹配的輔助，達(dá)到理想的輔助目的。例如，當(dāng)人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)機(jī)能低下時(shí)，希望機(jī)器人能夠主動(dòng)地牽引；當(dāng)人們?cè)谶M(jìn)行自發(fā)運(yùn)動(dòng)時(shí)，希望機(jī)器人是從動(dòng)的，否則，人們參與運(yùn)動(dòng)的積極性會(huì)受到阻礙。據(jù)需輔助的功能特性與人們的潛在生理需求相匹配，對(duì)改善機(jī)械系統(tǒng)的柔性、親和力及友好感具有極大的促進(jìn)作用。因此，穿戴式機(jī)器人控制方法及其據(jù)需輔助效應(yīng)的研究有利于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與運(yùn)動(dòng)輔助的融合，為改善穿戴式機(jī)器人的控制性能提供嶄新的思路和途徑。

1穿戴式步行輔助機(jī)器人控制方法研究現(xiàn)狀

1.1傳統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的穿戴式輔助機(jī)器人控制方法大致分為基于模型的阻抗控制和基于表面肌電信號(hào)(surface electromyography, sEMG)的控制方法。

輔助機(jī)器人的阻抗控制策略是從傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)演化而來，引入自適應(yīng)算法等優(yōu)化策略調(diào)整機(jī)器人的機(jī)械阻抗，進(jìn)而優(yōu)化關(guān)節(jié)的位置偏差與人的作用力之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，最終生成理想的主/從運(yùn)動(dòng)模式，主要采用遺傳算法等進(jìn)行阻抗參數(shù)的優(yōu)化。RIENER等[1]為LOKOMAT機(jī)器人主動(dòng)訓(xùn)練模式設(shè)計(jì)了阻抗控制器，探討了通過改變機(jī)械阻抗對(duì)改變訓(xùn)練模式的影響。BANALA等[2]為BGO采用PD反饋軌跡跟蹤控制，提出采用阻抗控制方法的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。文忠等[3]提出了基于阻抗模型的步態(tài)軌跡自適應(yīng)算法，通過調(diào)整阻抗參數(shù)改變步態(tài)自適應(yīng)程度和訓(xùn)練的柔順性。上述研究成果表明，基于優(yōu)化策略的變阻抗控制方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了柔性主/從運(yùn)動(dòng)，但需在動(dòng)作的柔性和剛度之間做折中選擇。

基于EMG的控制方法能有效地測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)因控制肌肉收縮而釋放的電氣信號(hào)，進(jìn)一步估算人體關(guān)節(jié)力矩，從而直接對(duì)人體關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行補(bǔ)償。在步行康復(fù)訓(xùn)練中，人們廣泛采用EMG技術(shù)對(duì)腿部肌肉活性度進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)，基于EMG信號(hào)建模的控制方法能有效地跟蹤人體運(yùn)動(dòng)意識(shí)，補(bǔ)償關(guān)節(jié)力矩實(shí)現(xiàn)從動(dòng)性運(yùn)動(dòng)輔助。KASAOKA等[4]為HAL提出了基于EMG的控制方法，通過EMG信號(hào)評(píng)價(jià)肌肉活性度，補(bǔ)償關(guān)節(jié)力矩，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)輔助。KIGUCHI等[5]總結(jié)了關(guān)節(jié)力矩與肌肉活性度的關(guān)系行列式，基于EMG信號(hào)的反饋，根據(jù)關(guān)系行列式得到力矩控制信號(hào)。然而，EMG控制方法對(duì)運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)能力還存在爭議。

通過對(duì)傳統(tǒng)控制方法的發(fā)展現(xiàn)狀分析可知，如何實(shí)時(shí)地從與人體機(jī)能緊密聯(lián)系的特性參數(shù)中提取出“人體機(jī)能狀態(tài)-輔助模式”的評(píng)價(jià)函數(shù)，以便根據(jù)人體機(jī)能優(yōu)化機(jī)器人的輔助模式，提出新型步行輔助控制方法，更好地解決并實(shí)現(xiàn)主/從據(jù)需輔助的控制目標(biāo)，克服傳統(tǒng)控制方法的本質(zhì)缺陷，對(duì)改善步行輔助機(jī)器人的操作性能、提高機(jī)械系統(tǒng)的親和力及友好感是非常關(guān)鍵的。

1.2Hybrid控制方法

為了克服上述單一控制方法的本質(zhì)缺陷，穿戴式步行輔助機(jī)器人的控制方法正在向Hybrid控制策略的方向發(fā)展。Hybrid控制策略是多種、單一、基礎(chǔ)性控制方法的綜合體系，通過多種控制策略的切換或參數(shù)的調(diào)整，使各種控制策略能夠相互取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)主/從據(jù)需輔助的目標(biāo)?，F(xiàn)有的Hybrid控制策略大多是由傳統(tǒng)的阻抗控制、順應(yīng)控制及相關(guān)穩(wěn)定性策略構(gòu)成。HAL-3(2005)采用了EMG控制與阻抗控制相結(jié)合的混合控制方法，以期通過切換控制模式，實(shí)現(xiàn)主/從步行輔助的控制目標(biāo)[6]。HAL-3控制系統(tǒng)將使用者的運(yùn)動(dòng)模式細(xì)分為游腳期運(yùn)動(dòng)、支撐期運(yùn)動(dòng)、起立運(yùn)動(dòng)和爬樓梯運(yùn)動(dòng)，預(yù)先建立了各種運(yùn)動(dòng)模式相對(duì)應(yīng)的子控制器。控制器通過提取使用者執(zhí)行運(yùn)動(dòng)時(shí)相關(guān)肌肉的EMG信號(hào)，進(jìn)一步推算出肌肉活性度(分為主動(dòng)、被動(dòng)和自由狀態(tài))，結(jié)合地面反作用力信號(hào)判斷使用者的運(yùn)動(dòng)模式，以便進(jìn)行相應(yīng)子控制器的切換。HAL-3的混合控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　HAL-3的混合控制系統(tǒng)框圖Fig.1　A block diagram of the hybrid control system for HAL-3

KAZEROONI等[7]為下肢外骨骼輔助機(jī)器人BLEEX建立了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模的Hybrid控制策略包括主-從(master-slave)控制方法和靈敏度增幅(sensitivity amplification)控制方法兩部分。在支撐期采用主-從控制，而在游腳期采用靈敏度增幅控制，文獻(xiàn)[7]指出，為確?？刂葡到y(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性，文獻(xiàn)所提出的Hybrid控制方法要求進(jìn)行精確的動(dòng)力學(xué)建模。RAJASEKARAN等[8]為外骨骼機(jī)器人H1提出了基于踝、股關(guān)節(jié)分級(jí)控制的順應(yīng)控制策略，結(jié)合基于COMp的姿勢(shì)穩(wěn)定及重構(gòu)策略，以期實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走及據(jù)需輔助的控制目標(biāo)。OH等[9]提出了基于干擾前饋補(bǔ)償控制、目標(biāo)軌跡反饋控制、軌跡前饋控制及力矩控制的Hybrid控制系統(tǒng)，分別對(duì)各類控制規(guī)律進(jìn)行了線性化處理，盡可能地實(shí)現(xiàn)各類控制算法之間的連續(xù)、平滑切換。

綜上所述，傳統(tǒng)、單一的控制策略很難實(shí)現(xiàn)據(jù)需輔助的控制目標(biāo)，Hybrid控制方法已成為穿戴式機(jī)器人控制方法發(fā)展方向的主流。然而，已有的Hybrid控制器主要由傳統(tǒng)的阻抗控制、順應(yīng)控制、干擾補(bǔ)償控制等構(gòu)成，這些子控制器均需要進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模，導(dǎo)致整個(gè)控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的成倍增加，且人機(jī)固連環(huán)境下人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能評(píng)估、子控制算法的切換和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題亦未取得突破。

2CPG控制方法

2.1CPG控制機(jī)理

圖2　傳統(tǒng)控制與CPG控制Fig.2　Conventional control and CPG control

伴隨動(dòng)物運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)生理學(xué)的研究與發(fā)展，人們對(duì)基于中樞模式發(fā)生器(central pattern generator, CPG)神經(jīng)電路模型的生物控制方法在機(jī)器人節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的探索性與應(yīng)用性研究，使其在提高機(jī)器人親和力、柔性、環(huán)境適應(yīng)性等方面的優(yōu)越性得到認(rèn)可。生物學(xué)家普遍認(rèn)為，動(dòng)物的節(jié)律運(yùn)動(dòng)是低級(jí)神經(jīng)中樞的自激行為，由位于脊髓中的CPG控制。機(jī)器人的生物控制方法通過對(duì)CPG控制機(jī)理的模擬，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。CPG模型作為控制機(jī)制有以下主要特點(diǎn)：1)可以在缺乏高層命令和外部反饋的情況下自動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的節(jié)律信號(hào)，而反饋信號(hào)或高層命令又可以對(duì)CPG的輸出行為進(jìn)行調(diào)節(jié)；2)結(jié)構(gòu)簡單，有很強(qiáng)的適應(yīng)性，易于和輸入信號(hào)或物理系統(tǒng)耦合，使節(jié)律行為在整個(gè)系統(tǒng)中傳遞。KIMURA等[10]指出，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)通常將控制過程分為規(guī)劃-控制這2個(gè)獨(dú)立階段，通過控制實(shí)際位置與規(guī)劃軌跡的偏差實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)控制機(jī)理如圖2 a)所示。而動(dòng)物的節(jié)律運(yùn)動(dòng)沒有明顯的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程，基本的節(jié)律信號(hào)通過CPG產(chǎn)生，運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性通過基于反射機(jī)制的感知-運(yùn)動(dòng)融合功能實(shí)現(xiàn)，通過神經(jīng)系統(tǒng)、機(jī)械本體、環(huán)境三者之間的交互，實(shí)現(xiàn)節(jié)律行為的全局傳遞，是一種將運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃和控制過程合二為一的控制方式，CPG控制機(jī)理如圖2 b)所示。與傳統(tǒng)的控制方法相比較，CPG控制方法規(guī)避了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及其逆解算，具有非精確、快速運(yùn)動(dòng)、自組織、自適應(yīng)的行為特點(diǎn)，這與人類實(shí)施節(jié)律運(yùn)動(dòng)的行為特點(diǎn)相吻合，是一種更加簡潔、自然、直接、快速的運(yùn)動(dòng)控制方法和理論。

在仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，于海濤等[11]利用改進(jìn)的Van der pol方程構(gòu)造非線性振子作為單個(gè)CPG的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有線性反饋項(xiàng)的環(huán)狀CPG網(wǎng)絡(luò)模型，并給出了機(jī)器人步態(tài)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的控制方法。IJSPEERT[12]利用漏極積分器建立了段、體、肢3個(gè)層次的CPG網(wǎng)絡(luò)，采用遺傳算法調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，模擬蠑螈的水陸兩種運(yùn)動(dòng)方式。吳炯等[13]采用CPG模型的輸出建立上肢運(yùn)動(dòng)的六肌模型，得到所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)KEN等的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中人體手臂運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。KASUGA等[14]采用Matsuoka模型控制握手機(jī)器人，通過調(diào)節(jié)與外部信號(hào)的耦合強(qiáng)度改變主/從人機(jī)協(xié)同握手運(yùn)動(dòng)。盧振利等[15]針對(duì)多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人建立了基于循環(huán)抑制的CPG模型，實(shí)現(xiàn)了蛇形機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)控制。汪明等[16]構(gòu)建了仿生機(jī)器魚的CPG網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚直游、倒游、胸鰭-尾鰭協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)等多種模式。魏武等[17]針對(duì)蛇形機(jī)器人鏈?zhǔn)紺PG模型，采用PSO算法優(yōu)化CPG控制模型參數(shù)。WANG等[18]提出了雙足機(jī)器人跳躍運(yùn)動(dòng)控制的中間神經(jīng)元-運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元CPG雙層網(wǎng)絡(luò)。在步行康復(fù)方面基于CPG控制的FES電刺激系統(tǒng)也有較廣泛研究。王穎等[19]對(duì)康復(fù)訓(xùn)練提出了基于CPG網(wǎng)絡(luò)的FES電刺激系統(tǒng)，正常受試者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生非自主運(yùn)動(dòng)的有效性。此外，CPG控制在步行輔助領(lǐng)域中也有初步研究。MIYAKE[20]研制的步行伴侶Walk-mate用耦合振蕩器產(chǎn)生與偏癱患者健康側(cè)腿步調(diào)一致的同步信號(hào)，用聲音提醒偏癱患者兩腿按目標(biāo)步調(diào)行走。臨床研究結(jié)果驗(yàn)證了CPG對(duì)偏癱患者的輔助治療效果。文獻(xiàn)[21]采用耦合振蕩器控制機(jī)器人髖關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人體步行運(yùn)動(dòng)的相位同步。

上述文獻(xiàn)表明，CPG控制規(guī)避了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模，能夠根據(jù)環(huán)境的要求，通過優(yōu)化CPG參數(shù)改變運(yùn)動(dòng)的相位、周期及幅值，實(shí)現(xiàn)自然穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制，在節(jié)律運(yùn)動(dòng)控制包括多足步行運(yùn)動(dòng)控制、仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。以CPG中樞模式發(fā)生層為核心、加以高層輔助模式?jīng)Q策機(jī)制的CPG控制理論對(duì)穿戴式步行輔助機(jī)器人控制方法研究提供了很有潛力的研究思路。

2.2人體步行運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其周期振蕩特征

自然人體步行運(yùn)動(dòng)可看作是多關(guān)節(jié)復(fù)合節(jié)律運(yùn)動(dòng)的綜合產(chǎn)物，步行過程中的髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)既具有截然不同的運(yùn)動(dòng)特征，亦具有極大的關(guān)聯(lián)性。伴隨步態(tài)過程中支撐期和游腳期的交替變更，髖關(guān)節(jié)始終交替地進(jìn)行矢狀面內(nèi)的伸展/彎曲運(yùn)動(dòng)，具有典型的振蕩特性和節(jié)律運(yùn)動(dòng)特性。上述特征使得CPG技術(shù)能夠方便地將髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)從一種振蕩狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一種振蕩狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)主/從步行運(yùn)動(dòng)輔助，并保證振蕩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性、快速性。

相比于髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)在步態(tài)過程中的運(yùn)動(dòng)特征比較復(fù)雜，具體體現(xiàn)在：膝關(guān)節(jié)在支撐期時(shí)的主要作用是維持姿勢(shì)穩(wěn)定，而在游腳期時(shí)的主要作用是為小腿及以下部分的屈伸運(yùn)動(dòng)提供關(guān)節(jié)力矩，步行過程中的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)交叉融合了周期運(yùn)動(dòng)和非周期運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，步行運(yùn)動(dòng)中髖膝關(guān)節(jié)關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)具有如下特征：首先，處于游腳期時(shí)，髖關(guān)節(jié)開始做彎曲運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)伴隨髖關(guān)節(jié)的彎曲自然地向前擺動(dòng)；其次，處于單腳支撐期時(shí)，髖關(guān)節(jié)開始做伸展運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)伴隨髖關(guān)節(jié)的伸展保持大腿和小腿的直立狀態(tài)。為了能夠更好地模擬自然步行運(yùn)動(dòng)，有必要針對(duì)機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器和同側(cè)髖膝關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

3新型Hybrid控制方法研究展望

結(jié)合自然人體步行運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性分析，綜合考量以上各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)基于CPG控制和阻抗控制相結(jié)合的新型Hybrid控制策略。采用CPG輸出作為髖關(guān)節(jié)的目標(biāo)關(guān)節(jié)角，再利用PD反饋控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軌跡的跟蹤控制，從位置環(huán)直接控制能夠更為直觀地獲得機(jī)器人髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的頻率、幅值、維持左右髖關(guān)節(jié)的逆相位。同時(shí)，借助髖關(guān)節(jié)CPG的周期特性，將CPG的神經(jīng)元狀態(tài)作為變量分配給膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，建立同側(cè)髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的鏈接，實(shí)現(xiàn)髖膝關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)。一方面使得髖關(guān)節(jié)做彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)能夠自由地向前擺動(dòng)，髖關(guān)節(jié)做伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)能夠保持一定的姿勢(shì)維持步行穩(wěn)定性。另一方面，采用CPG控制和阻抗控制相結(jié)合的方法亦規(guī)避了多關(guān)節(jié)CPG網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、控制參數(shù)繁多、不利于獲得良好控制性能的問題。新型Hybrid控制策略的研究內(nèi)容主要包含以下兩部分。

1)髖關(guān)節(jié)CPG控制

首先，開展CPG特性研究獲得機(jī)器人髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的頻率、幅值、維持左右髖關(guān)節(jié)的逆相位；其次，開展人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別研究，使機(jī)器人具有對(duì)人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)適應(yīng)的能力；最后，開展主/從輔助模式?jīng)Q策及轉(zhuǎn)換方法研究，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能的要求進(jìn)行主/從輔助模式?jīng)Q策與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)主/從據(jù)需輔助的控制目標(biāo)。

2)膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制

根據(jù)支撐期和游腳期分別執(zhí)行膝關(guān)節(jié)的高、低阻抗控制規(guī)律，并結(jié)合髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特征形成自然的髖膝關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)自然的步行運(yùn)動(dòng)。該部分的重點(diǎn)研究內(nèi)容分為步態(tài)過程檢測(cè)方法研究；膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制研究；髖膝關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)策略研究；膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制切換方法及其穩(wěn)定性研究。

3.1亟待解決的科學(xué)問題

為了突破當(dāng)前步行輔助控制技術(shù)的局限性，以下科學(xué)問題需要亟待解決。

1)人機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。無論采用何種控制方法，穿戴式輔助機(jī)器人都需要考慮人機(jī)協(xié)調(diào)這一要素。因此，圍繞人機(jī)協(xié)調(diào)這一控制目標(biāo)，研究人體運(yùn)動(dòng)意識(shí)感知及自適應(yīng)方法、機(jī)器人多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制技術(shù)，是該領(lǐng)域需要解決的基礎(chǔ)問題。

2)主/從輔助模式?jīng)Q策及轉(zhuǎn)換方法。主/從輔助模式?jīng)Q策及轉(zhuǎn)換方法是實(shí)現(xiàn)主/從據(jù)需輔助、提高機(jī)器人親和力及友好感的關(guān)鍵要素。為了解決這個(gè)問題，需要提取與人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能密切聯(lián)系的特征信號(hào)，通過輔助模式?jīng)Q策機(jī)制的研究辨識(shí)人體運(yùn)動(dòng)機(jī)能，建立“人體機(jī)能狀態(tài)-機(jī)器人輔助模式”的評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化輔助模式，進(jìn)一步通過輔助模式轉(zhuǎn)換方法研究，以期實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輔助模式主/從柔性轉(zhuǎn)換。

3)膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制方法及其穩(wěn)定性。雙足步行運(yùn)動(dòng)處于支撐期時(shí)，膝關(guān)節(jié)的主要作用是維持姿勢(shì)穩(wěn)定；處于游腳期時(shí)，膝關(guān)節(jié)的主要作用是為小腿及以下部分的屈伸運(yùn)動(dòng)提供關(guān)節(jié)力矩。研究符合自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律的膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制方法，為支撐期和游腳期建立相應(yīng)的高、低阻抗分級(jí)控制規(guī)律，進(jìn)一步開展分級(jí)阻抗控制切換方法研究，確?？刂菩盘?hào)的平滑和連續(xù)。

3.2技術(shù)路線

髖關(guān)節(jié)CPG控制技術(shù)的研究工作涵蓋了人行走意圖感知與自適應(yīng)、主/從輔助模式?jīng)Q策與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵要素，需要首先研究并確立CPG控制對(duì)步行輔助的科學(xué)意義。在確立CPG控制可行性的基礎(chǔ)上，研究工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制。膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制技術(shù)的研究工作涵蓋了分級(jí)阻抗控制研究、髖、膝關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)策略研究和分級(jí)阻抗控制切換方法及其穩(wěn)定性研究的關(guān)鍵核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制的重要基礎(chǔ)。

因此，依據(jù)CPG建模、人體運(yùn)動(dòng)意識(shí)自適應(yīng)機(jī)制、髖關(guān)節(jié)主/從輔助模式?jīng)Q策及柔性轉(zhuǎn)換機(jī)制、膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制及其穩(wěn)定性研究的大致思路，采取如圖3所示技術(shù)路線，逐步探索Hybrid控制系統(tǒng)的搭建；在此基礎(chǔ)上，開展Hybrid控制的據(jù)需輔助效應(yīng)研究；最終確立步行輔助機(jī)器人基于CPG模型及分級(jí)阻抗控制的Hybrid控制方法，實(shí)現(xiàn)據(jù)需輔助的控制目標(biāo)。

圖3　總體研究技術(shù)路線Fig.3　Overall research technology route

4結(jié)語

現(xiàn)有的步行輔助控制技術(shù)是從傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)演化而來，距離據(jù)需輔助的控制目標(biāo)還存在較大差距，Hybrid控制策略已成為穿戴式步行輔助機(jī)器人控制方法發(fā)展方向的主流。今后的研究重點(diǎn)在于，針對(duì)步行運(yùn)動(dòng)的據(jù)需輔助問題，以實(shí)現(xiàn)主/從柔性輔助為目標(biāo)，提出并構(gòu)建一種髖關(guān)節(jié)CPG控制和膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制相結(jié)合的新型Hybrid控制方法，采用理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)、深入地研究“人機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)”、“主/從輔助模式?jīng)Q策及柔性轉(zhuǎn)換機(jī)制”、“膝關(guān)節(jié)分級(jí)阻抗控制切換及其穩(wěn)定性”的關(guān)鍵科學(xué)問題，進(jìn)一步開展Hybrid控制理論的據(jù)需輔助效應(yīng)研究，初步探索出一套基于CPG模型及阻抗控制的Hybrid控制策略，為穿戴式步行輔助機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展提供新的思路。

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Research advances in control methods of wearable walking assist robots

ZHANG Xia, QIAN Lei, MA Wentao, LUO Tianhong

(Department of Mechatronics and Automobile Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract:As the proportion of the elderly in China increases, the need for robotic assist walking is growing. The assisted-as-needed (AAN) property of a wearable walking assist robot matches a user’s biological need and improves the flexibility, appetency and friendliness of a mechanical system. To realize AAN walking and aiming at realizing master/slave flexible assist, a new hybrid control method consisting of hip joint control based on central pattern generators and knee joint impedance structured control is proposed. The adaptation of a robot's master/slave motion mode to a user's physical function, the continuous switching method for knee joint impedance structured control and its stability, and the AAN effect of the Hybrid control theory are studied, which provides a new thought for the development of wearable walking assist robots.

Keywords:robot control；wearable walking assist; Hybrid control; assisted-as-needed; impedance structured control； CPG control

中圖分類號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：張霞(1982—)，女，重慶人，副教授，博士，主要從事機(jī)器人控制方法與理論、外骨骼運(yùn)動(dòng)輔助機(jī)器人方面的研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51505048)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1500526)

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-02-29；責(zé)任編輯：陳書欣

doi:10.7535/hbkd.2016yx02002

文章編號(hào)：1008-1542(2016)02-0118-06

E-mail:zx512@126.com

張霞，錢蕾，馬文濤，等.穿戴式步行輔助機(jī)器人控制方法研究進(jìn)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(2):118-123.

ZHANG Xia, QIAN Lei, MA Wentao,et al.Research advances in control methods of wearable walking assist robots[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(2):118-123.