向后辅助站立机器人的插补运动控制

尚振东 张晓兰 徐羡弘 秦效勇

(河南科技大学机电工程学院1,河南 洛阳 471003;Tactiq有限公司2,英国伦敦 UB11 1FW)

向后辅助站立机器人的插补运动控制

尚振东1张晓兰1徐羡弘2秦效勇1

(河南科技大学机电工程学院1,河南 洛阳 471003;Tactiq有限公司2,英国伦敦 UB11 1FW)

为使辅助站立过程符合人体的生理结构和心理需求,针对辅助站立机器人的运动控制进行了研究。对照正常人体站立过程,规划了后向辅助站立的人体重心轨迹,构建了可调座椅式机械结构和站立减重系统。采用逐点比较插补技术,设计了机器人的插补运动控制器。试验中样机可辅助不同身高和体重的人体站立,辅助过程符合人性化要求。试验结果验证了设计方法的可行性。

机器人 辅助站立 插补技术 运动控制 曲线拟合

0 引言

对于下肢残疾患者,除了进行必要的医学治疗和护理之外,还需要在日常生活中进行常规康复训练[1]。大量研究表明,结合辅助器械的持续有规律的物理康复可以帮助患者增强心肺功能,恢复肌肉的张力、耐力和骨骼的强度,防止骨脱钙、预防压疮和尿路感染。同时,患者心情愉悦指数和生活质量也都得以提升[2-5]。另外,残疾患者和老年人的很多日常活动如洗浴、更衣等都需要辅助站立。

传统辅助站立装置[6-12]普遍存在自动化程度不高、不符合人性化要求等问题。为解决这些问题,在研究正常人体站立过程的基础上,将插补技术应用于向后站立辅助机器人的运动控制中,并通过试验对控制策论进行了验证。

1 机械机构

辅助站立机器人的机构运动简图如图1(a)所示(图示位置为坐姿状态),水平丝杠在伺服电机带动下旋转,通过丝杠螺母副带动活动脚踏板相对机架水平运动,竖直丝杠在伺服电机带动下旋转,通过丝杠螺母副带动靠背相对机架竖直运动。洗浴者通过固定在靠背上的扶手支撑。辅助站立机器人的机械结构示意图如图1(b)所示。机器人不工作时为可调座椅式。为适应不同身材的洗浴者,采用电动推杆调节座位高度和扶手宽度。扶手具有防前倾的凸起。脚踏板下安装重力传感器,用于检测使用者的重力,方便在站立接近结束阶段进行减重控制。

图1 后向辅助站立装置的机械结构图Fig.1 Mechanical structure of the backward auxiliary standing device

2 辅助站立重心轨迹规划

人体自然站立运动过程主要是指依靠下肢力量使人体重心由坐姿静止到立姿动态平衡的连续过程[13],如图2所示。如图2(a)所示,若以地面为参照,人体正常站立时踝关节位置不变,人体重心向前上方移动。Riley、Emadi Andani和Mohsen Sadeghi等人将正常人从坐姿到站立的过程分为三个阶段[13-15]:向前过渡阶段(forward transition phase)、向上过渡阶段(upward transition phase)和站立稳定阶段(stabilization phase)。向前过渡阶段主要表现为通过髋关节活动,上身前倾,调整重心向前,使得人体重力与地面交点能够落在脚底面区域。向上过渡阶段主要表现为通过膝关节活动,依靠下身肌肉收缩,调整人体重心向上。站立稳定阶段主要表现为通过髋关节、膝关节和踝关节等,调整人体重心,达到稳定站立。

图2 人体正常站立过程及其重心轨迹Fig.2 Normal standing process of human body and the trajectory of center of gravity

正常人站立过程中的重心位置轨迹可理想化为其矢状面(the sagittal plane)上的一条平面曲线。图2(b)是Mohsen Sadeghi等人提出的人体站立过程重心轨迹[15]。在人体矢状面上,以矢状面与地面交线为横轴(X轴),以站立稳定时人体中心线为纵轴(Y轴)建立坐标系,则人体站立过程重心轨迹是该坐标系中的一条曲线。用曲线上节点N0、N1、N2和N3来区分正常人从坐姿到站立的过程。该过程分为三个阶段,其中:N0-N1为向前过渡阶段,N1-N2为向上过渡阶段,N2-N3为站立稳定阶段。也可以认为节点N0表示站立开始,N1表示人体重心开始上移,N2表示人体重心已经上移到站立时的最终垂直位置,N3表示结束[15]。

为满足辅助站立机器人占用空间小、容易实现和方便与其他装置集成的要求,付东辽等提出了一种两自由度向后辅助站立的设计思路[16-17],如图3所示。向后辅助站立过程如图3(a)所示,由于有机器人的辅助,向后辅助站立无需向前过渡阶段(N0-N1),也无需站立后期的站立稳定阶段(N2-N3)。因此,只要使机器人辅助人体实现向上过渡阶段(N1-N2)即可。具体实现方法是:向后辅助站立机器人由一个带动人体重心向上移动竖直提升装置,和一个带动人体小腿和脚向后运动水平运动的装置,两轴协调运动将人体搀扶起来。

图3 后向辅助站立及其重心轨迹Fig.3 Backward auxiliary standing and the trajectory of the center of gravity

向后站立过程若以地面为参照,踝环节向后移动,人体重心向上方移动;若仍以踝关节位置为参照,则人体重心相对仍是向前上方移动。因此这种向后辅助站立的运动方式与人体自然站立运动时的重心运动趋势是一致的,即这种向后辅助站立的运动方式在一定程度上是符合人体自然站立运动规律的。

取出图2(b)的N1-N2段曲线,以Xcm=0为旋转轴旋转180°,得到图3(b)所示的曲线。图3(b)中坐标系为:在矢状面上通过人体重心的竖直直线作为纵轴(Y轴,向上为正),纵轴与地面的交点作为原点,矢状面与地面的交线作为横轴(X轴,指向人体前方为正),横轴和纵轴的单位与图2(b)一致。

如图3(b)所示,考虑到不同人的不同重心高度和不同的腿长,增加一段水平运动(从N′0-N1)和竖直运动(N2-N′3)。如人的腿相对较长,通过水平运动可以弥补;如果人体较高,通过竖直运动弥补。

从图3(b)中的N1-N2段曲线量取坐标点,输入Matlab,拟合出二次曲线方程为[18]:

式中:误差平方和SSE为0.002978;相关系数平方和Rsquare为0.991 8;根的平方差RMSE为0.009 802。

当辅助站立开始时,纵向(Y轴)电机停止,横向(X轴)电机驱动脚踏板运动,带动洗浴者的脚后移,当X到0.22 m位置时,进入插补运动。

3 辅助站立插补器

向后辅助站立插补器采用逐点比较法,通过编制软件实现。其基本原理是每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲,而每走一步都要计算偏差,并决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别四个步骤组成。

如图3(b)所示,人体站立过程中重心轨迹为第一象限的一段曲线。

3.1 偏差函数及插补规则

如图3(b)所示,起点N1(x1,y1),终点N2(x2,y2),对于任一轨迹点P(xi,yi),代入式(1):

因此,可得到偏差函数:

3.2 偏差函数的递推算法

根据偏差函数式(3),可构建如下插补规则。

①若P在规划轨迹右侧或规划轨迹上,则偏差函数fi≥0,应向-x方向走一步;若P在规划轨迹左侧,则fi＜0,向+y方向进一步。

②若fi≥0,向-x方向走一步,则此时有:

③若fi＜0,向+y方向走一步,则有:

计算偏差的同时,还要对动点的坐标进行加1、减1的运算,为下一点的偏差计算作好准备。

3.3 插补终点判断

当查补进入终点时,考虑身高较矮者的应用,查补终点判断首先判断减重目标(详见下节)。若减重目标达到,停止辅助站立;否则,分别判别各坐标轴的进给步数。

两坐标轴进给步数全部完成,到达图3(b)的N2点,查补结束。

4 减重控制

为减轻半失能者在辅助站立起来后由于重力对腿和足等部位的压力,对辅助站立的最后阶段(图3(b) N2-N′3)进行减重控制。考虑到半失能者的不同身高、不同体重,减重控制是根据辅助站立过程中洗浴者对脚踏板的实时压力,按一定比例(如30%)减重。

同时,减重目标达到与否,也是整个站立过程结束的判断条件。当到达图3(b)的N2点时,横向(X轴)电机停止,纵向(Y轴)电机驱动辅助站立支撑机构继续竖直上升,由安装于脚踏板下的称重传感器检测人体体重[19-20],计算机将之与设置的减重目标值比较。当式(8)满足后,即满足减重目标,辅助站立系统停止运动。

式中:G(t)为称重传感器实时测试的力;Gmax为洗浴者入浴和辅助站立过程中测试最大恒定力(即为洗浴者的重力)。减重控制采用了运动控制器的点动(Jog)运动模式来实现。

5 试验研究

辅助站立机器人样机采用两个台达ECMA低惯量系列的伺服电机C306(1个200 W和1个400 W)实现辅助站立运动。机器人的控制系统采用以微型计算机和运动控制器为核心控制单元。微型计算机发出控制指令,通过通信总线传递给运动控制器,运动控制器完成插补计算并控制运动轨迹,从而实现向后辅助站立。同时,运动控制卡完成对多个伺服编码器、传感器等信息的采集。

在辅助站立机器人样机上对前述插补运动控制方法进行的验证试验。以一名年龄22岁、身高174 cm、体重73 kg的健康男子为试验对象,进行辅助站立试验。利用伺服电机自带的绝对值型光电编码器进行轨迹跟踪。图4为试验跟踪点和规划曲线的对比图,实线为规划曲线,小圆点为实际跟踪点(根据光电编码器数据折算到试验者的重心)。由图4可以发现,辅助站立过程的实际跟踪点基本上和规划曲线重合,仅在末端由于减重控制目标提前实现,跟踪点与规划曲线产生了较大偏差,完全符合设计预期。另外,其他不同身高的多名试验对象也都被平稳地辅助站立起来,所有受试者在被辅助起立过程中无明显不适感。

图4 试验结果曲线Fig.4 The experimental results curves

6 结束语

本文面向半失能的老年人和残疾人,根据正常人站立过程重心曲线,规划了向后辅助站立重心轨迹。分析和试验结果表明,向后辅助站立基本符合正常人体站立过程,符合残疾人和老年人的站立习惯,辅助站立过程满足使用者的心理预期。

后向站立辅助装置采用逐点比较法插补技术,偏差函数为优化后重心规划轨迹的拟合样条函数,设计了后向辅助站立插补运动控制器。辅助站立过程的末段通过减重控制,避免因用力过大而对使用者造成不适,同时还为使用者的平稳站立提供支撑。

辅助站立试验结果表明设计的插补器能够模拟人体自然站立过程,方便实现,插补运动精确平稳。

[1] 许明珠,王曙辉,崔韶阳,等.运动想象和常规康复训练结合早期井穴麦粒灸对脑梗死患者下肢功能的影响[J].中华物理医学与康复杂志,2013,35(10):831-832.

[2] Gritsenko V,Prochazka A.A functional electric stimulation-assisted exercise therapy system for hemiplegic hand function[J].Archives of Physical Medicine and Rehabilitation,2004,85(6):881-885.

[3] Ragnarsson K.Functional electrical stimulation after spinal cord injury: current use,therapeutic effects and future directions[J].Spinal Cord, 2007,46(4):255-274.

[4] Kern H,Hofer C,Vogelauer M,et al.Functional electrical stimulation of denervated muscle:clinical improvements[J].Basic Appl Myol, 2006,16(3):97-99.

[5] 金德闻,季林红,杨建坤,等.生物机械学研究在康复工程中的应用[J].中国医疗设备,2011,26(4):1-4.

[6] 李姗姗.人体起立过程建模与起立功能康复训练控制系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009:7-27.

[7] Olivetti L,Schurr K,Sherrington C,et al.A novel weight-bearing strengthening program during rehabilitation of older people is feasible and improves standing up more than a non-weight-bearing strengthening program:a randomised trial[J].Australian Journal of Physiotherapy,2007,53(3):147.

[8] Kamnik R,Bajd T.Human voluntary activity integration in the control of a standing-up rehabilitation robot:a simulation study[J].Medical Engineering and Physics,2007,29(9):1019-1029.

[9] Kamnik R,Bajd T,Williamson J,et al.Rehabilitation robot cell for multimodal standing-up motion augmentation[C]//Proceedings of the2005IEEEInternationalConferenceonRoboticsand Automation,2005:2277-2282.

[10] 姜洪源,马长波,李姗姗.一种新型辅助起立康复机器人的设计与逆运动学分析[J].康复医学工程,2009,24(2):162-164.

[11] 吴松,张欢欢,赵家庆,等.多功能辅助站立座椅[J].中国科技信息,2012,(20):120.

[12] 潘礼正,宋爱国,徐国政,等.基于动态插补方法的上肢康复机器人运动控制[J].机器人,2012,4(5):539-545.

[13] Mathiyakom W,Mc J L,Requejo P,et al.Modifying center of mass trajectory during sit-to-stand tasks redistributes the mechanical demandacrossthelowerextremityjoints[J].Clinical biomechanics,2005,20(1):105-111.

[14] Emadi A M,Bahrami F.COMAP:A new computational interpretation of human movement planning level based on coordinated minimum angle jerk policies and 6 universal movement elements[J].Human Movement Science,2012(31):1037-1055.

[15] Sadeghi M,Andani M E,Bahrami F,et al.Trajectory of human movement during sit to stand:A new modeling approach based on movement decompositionandmultiphasecostfunction[J]. Experimental Brain Research,2013,229(2):221-234.

[16] 付东辽,韩建海,胡志刚.卫生护理机器人辅助站立装置设计与研究[J].机械传动,2013,37(11):43-46.

[17] 韩建海,付东辽,胡志刚.卫生护理机器人自动减重系统设计与研究[J].机械设计与制造,2013(12):41-43.

[18] 张银娟,王永科.遗传算法在NURBS曲线拟合精度的研究应用[J].自动化仪表,2012,33(1):9-11.

[19] 潘国新,张秀峰,李剑.偏瘫步行康复训练机器人减重支撑系统的研究[J].中国康复医学杂志,2013,28(11):1041-1045.

[20] 巍先民.经验模态分解在称重检测中的应用研究[J].自动化仪表,2012,33(7):63-65.

Interpolation Motion Control for Backward Auxiliary Standing Robot

In order to make the auxiliary standing process conform physiological structure and psychological needs of human body,the motion control of auxiliary standing robot has been studied.In accordance with normal human standing process,the trajectory of the center of gravity for backward auxiliary standing is planned,and the adjustable seat style mechanical structure and standing weight reduction system is constructed. By adopting point-to-point comparison interpolation technology,the interpolation motion controller for robot is designed.The prototype in test can assist human body in different weight and height to stand,the auxiliary process meets the humanization requirements.The result of experiments verifies the feasibility of the design.

Robot Auxiliary standing Interpolation technique Motion control Curve fitting

TP271+.4

A

国家国际科技合作基金资助项目(编号:2011DFA10440)。

修改稿收到日期:2014-04-16。

尚振东(1968-),男,1999年毕业于哈尔滨工程大学机械电子工程专业,获硕士学位,副教授;主要从事个人服务机器人的研究。