上肢软质外骨骼助力控制策略研究

上肢软质外骨骼助力控制策略研究

胡松华,孙利雄,熊红英

云南电网限责任公司保山供电局 云南省保山市隆阳区

【摘要】：本文设计了一种，面向航空救生的可穿戴软质外骨骼系统，系统包含软质外骨骼服、数据采集系统、传感检测模块以及控制模块几大块，主要对其主力控制策略进行研究，以综述形式呈现。

【关键词】：上肢；软质外骨骼；助力控制策略

前言

航空防护救生系统是保障飞行员作战训练内的确保高效能，保障安全救生的主要材料。但是，受到其重量影响，沉重的个体防护设备，会对飞行员的任务执行造成影响，阻碍其协调性，降低舒适性。为改变这一现状，满足上述要求，本文在相关理论基础上，设计面向航空防护救生领域的上肢软质外骨骼系统，提出助力控制策略，验证其助力效果[1]。

1软质外骨骼方案设计

如下图1所示，在外骨骼服上，整合了系统的机械部分，伺服电机驱动。选择套索（钢丝绳+套管）传动的形式执行，以此实现驱动电机、执行机构的有效分离，在肱二头肌中束部位设置肌电传感器，以检测患者的肌电信号。拉力传感器一端连接钢丝绳，另一端与套管支撑杆连接，以此测量绳上拉力，在惯性的助力下，测量飞行员的肘关节角度。如下图1（a）内的黑色部分是人体穿戴的外骨骼服，能够与飞行员的上半身贴合，不会阻碍个体防护装备（图1（b）工作，比如：头盔、面罩、抗荷服、代偿服、防寒服等。套管支撑杆由低温热塑板制作，这类材料密度较小，耐老化性能较高，受热变形，遇冷固定，可实现与肢体形状的高度匹配，减少对飞行员接触压强，确保飞行员穿戴的舒适性。

图1  航空防护救生上肢软质外骨骼设计方案

1.1基于肌电传感器的扭矩估计策略

本文提出一种肌电传感器关节扭矩估计算法，这一方法操作简单，能够获得实时关节扭矩估计值，在10～500Hz带通滤波和50Hz陷波滤波下，借助410Hz一阶巴特沃斯高通滤波器，将肌电信号能量去除，在全波整流、1Hz一阶巴特沃斯低通滤波器基础上，可获取原始的信号包络，能够展现肌肉的发力趋势，在归一化、非线性映射下，能够实现数字化与具体化，估计扭矩在0～100N，公式：

                          (1)

式子内，为归一化后的肌电值，为非线性映射肌电值，为预先定义指数曲线参数，代表的是非线性映射中曲线曲率，使用卡尔曼滤波，将高斯白噪声去除，确保曲线平滑。结合经典的卡尔曼公式，将处理后的信号代入，获得公式（2）的卡曼尔滤波预测、更新方程：

N（t-1）=N（t-1）

J(t-1）=J（t-1）+Q

F(t)=J(t-1）（J(t-1）+R

N（t）=N(t-1）+F(t                         （2）

（（t））-N(t-1）

J(t）=（1-F(t)J(t-1））

式子内，N（t-1）、N（t-1）、N（t）为上一时刻的值、先验状态估计、后验状态估计，F(t)为卡曼尔增益，Q为过程噪声，R为测量噪声的协方差，J(t-1）、J（t-1）、J(t）为上一时刻值、先验与后验协方误差。

1.2基于估计扭矩的PID助力控制策略

在PID控制器基础上，将复杂的套索模型省略，控制器输入，获得了关节扭矩，拉力传感器和关节的数学模型计算基础上，获得实际扭矩，也就是闭环反馈。通过跟踪估计扭矩，实现关节运动，结合飞行员的需求，实现力量增强，辅助运动，如下图2所示。

图2  估计扭矩的PID力控制框架图

2试验验证

2.1平台搭建

控制系统如下图3，试验平台如下图4。

图3 控制系统

图4  试验平台

2.2试验过程

在飞行员执行飞行及营救任务过程中，上肢要承担一定的负载。本试验中，受试者模拟飞行员的作业环境，实施负载训练。为验证助力控制策略实施效果，受试在助力、无助力情况下，举重2.5kg、5kg和7.5kg杠铃，设置轻度、中度和重度负载。试验姿势、速度相同，在不使用外骨骼的情况下，进行抬起、放下三组负载试验。每组负载下，进行6-8次抬起、放下操作，记录肌电信号值、关节估计扭矩值，在有外骨骼助力的情况下，重复以上操作。每组运动结束之后，休息5mim，以缓解肌肉疲劳。为考察这一系统在不同频率下的使用效果，设置1/12Hz、1/8Hz、1/6Hz、1/ 4Hz、1/2Hz几种不同的频率，完成抬起、放下所需时间为12s、8s、6s、4s和2s。不同频率下训练考虑不同飞行员的工作状态，分析不同频率下的助力效果。

2.3试验结果和讨论

本系统试验过程中，在确保系统结构轻质柔软、穿戴舒适美观的基础上，切实满足驱动柔顺安全、控制准确协调需求，实现人机共融协作。在关节估计扭矩曲线上，局部尖峰值存在，在外骨骼助力，相同负载下，受试者消耗能量减少，关节估计扭矩变小，反之，则外骨骼提供力减小。在外骨骼助力变小后，关节估计扭矩增加。此过程的反复，使得局部尖峰出现，但峰值较小，结合实验过程与结果可得知，这一现象不会对外骨骼的整体助力效果造成影响。

在轻度负载下，工况助力效果不如重度与重度负载，主要是因为轻度负载下，肱二头肌消耗能量较低，关节估计扭矩并不大，且外骨骼的助力也较低，助力效果一般。重负负载助力效果低于中度负载，主要是因为，第一，伺服电机输出扭矩、速度限制在一定范围内，会对重度负载下的效果产生影响

[3]。控制算法内，电机输出会受到输出扭矩与速度的影响，过大会影响实验者。第二，重负载下，肌肉的抖动程度较大，扭矩变化较大，与实验扭矩误差较大。结果表明，在轻度负载、中度负载、重度负载下，系统也具备一定的助力效果。在航天应用中，这一系统 能够缓解飞行员长时间工作引发的疲劳，即便是在弹射救生着陆之后，也可提升飞行员的自我营救能力。不同试验频率下，随着频率的增高，肌肉在短时间内可实现多次伸缩，会导致肌肉抽搐、抖动增加。除此之外，能够将硬件反应时间缩短，即便是在低频率下，助力效果也高于高频率。

由试验结果可知，本文提出的扭矩估计策略和控制方法在不同负载不同频率下都有一定的助力效果，这验证了系统能够实现助力。虽然在不同频率下的表现不尽如人意，但是基本符合飞行员执行任务时候的状态，能够减轻飞行员负担，保证其安全。

结论

综上所述，本文提出的这一系统，阐述了关节扭矩估计算法，提出的控制策略，借助试验可验证骨骼不同工况下的助力效果。在本次试验中，助力效果最佳的负载为5.0kg，频率为1/12Hz，在飞行员穿戴试验过程中，可实现飞行员运动意图的识别，可助力运动，将飞行员的负担降低，增强飞行员的自救能力，切实维护飞行员的安全。

参考文献:

[1]吴青聪,陈柏,张祖国,梁聪慧,黎雄,吴洪涛.软质肘关节外骨骼的肌力矩估计与神经网络补偿协调控制[J].中国机械工程,2021,32(23):2868-2875.

[2]张玉明. 下肢软质外骨骼结构优化设计与助力特性分析[D].南京航空航天大学,2020,05(05):104-109.

[3]陆龙海. 上肢软质外骨骼助力控制策略研究[D].南京航空航天大学,2019,10(15):114-119.