文章编号：1004-2539（2021）02-0090-07DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2021.02.014一种助力髋关节伸展和屈曲的柔性外骨骼机器人
刘友福1,2卢军1
（1陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021）
（2中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳518055）
摘要随着下肢外骨骼机器人的发展，出现了各种各样应用于医疗康复等领域的刚性外骨骼。
刚性外骨骼会增加下肢额外的惯性力并限制人体运动的自由度；与刚性外骨骼相比，柔性可穿戴下肢外骨骼则可将一些对人体运动的影响因素减至最小。根据人体在行走过程中髋关节动力学变化，设计了一种为髋关节伸展和屈曲提供助力的柔性外骨骼。根据髋关节的关节力矩和关节力的变化，提出了一种助力策略和期望助力曲线控制电机追踪期望力曲线，从而得到实际作用于髋关节的实际力。为了减少由佩戴位置和穿戴者身材特征而引起的误差，提升助力效果，引入了PD型迭代学习控制（ILC）。为了评估助力效果，测量了4名受试者分别在穿戴外骨骼不助力、助力髋关节伸展和屈曲以及仅助力髋关节伸展3种不同情况下产生的新陈代谢能；通过产生的新陈代谢能的值来评估助力效果。结果表明，与仅辅助髋关节伸展和穿着外骨骼不助力的情况相比，助力髋关节伸展和屈曲的平均净新陈代谢能分别减少了0.445W/kg和1.027W/kg，平均净新陈代谢率分别降低了7.45％和15.67％。
关键词柔性外骨骼髋关节助力力曲线ILC控制新陈代谢
A Flexible Exoskeleton Robot for Assisting Both Hip Joint Extension and Flexion
Liu Youfu1,2Lu Jun1
（1College of Mechanical&Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，X′ian710021，China）
（2Shenzhen Institutes of Advanced Technology，Chine Academy of Science，Shenzhen518055，China）Abstract With growing of lower limb exoskeleton robots，large variety of rigid exoskeletons are designed for medical rehabilitation and the other purpos.Compared with the rigid exoskeletons，which added extra iner‐tial to low limb and restricted wearer movement，but the flexible wearable lower extremity exoskeleton minimiz‐es the impact of the factors on the human body locomotion.An exoskeleton that provides assistive force for both hip joint extension and flexion is designed through the variation in hip joint dynamics during strides.Bad on the change of hip joint moment，an assistance strategy desired force curve is propod.In order to obtain the actual force acting on the hip joint，motor is controlled to track the desired force curve PD type iterative learning control（ILC）method is introduced to reduce the error caud by wearing position and biol
ogical characteristics to improve assistance performance.In order to evaluate assistance performance，the metabolism of four subjects wearing exoskeleton in the situations of that without assistance，assisting both hip extension and hip flexion，and assisting hip extension respectively is measured.The assistant effect is evaluated through the metabolism. Compared with assisting hip joint extension only and wearing exoskeleton with no assistance，results indicate that the decrea in average net metabolism of assisting both hip joint extension and flexion is0.445W/kg and 1.027W/kg respectively，corresponding to the average net metabolism rate decrea is7.45%and15.67%.
Key words Flexible exoskeleton Hip joint assistance Force curve ILC Control Metabolism
0引言哈佛大学官网
近年来，下肢可穿戴外骨骼机器人技术取得了重大发展。许多研究机构对下肢可穿戴式外骨骼机器人进行了研究，并设计了各种各样的下肢外骨骼设备。这些设备旨在为健康个体减轻肌肉疲劳、降低肌肉代谢、提高运动能力，在工业生产、军队行军负重等领域具有潜在的应用前景[1-2]，也可以应用于医疗康复领域，特别是用于截瘫患者的步态康复[3-4]。但是，大多数外骨骼由刚性结构构成，刚性下肢外骨骼的关节中心与人体下肢的生物关节中心较难对齐，会增加额外的惯性力[5-6]，刚性结构也限
制了人体运动的自由度并影响穿戴舒适性[7-8]。为了解决上述问题，研究人员开始研究和设计柔性穿戴式外骨骼机器人。
哈佛大学的研究人员设计了一种可穿戴的柔性外骨骼，该设备使用尼龙等柔性材料和人体结合，带来更好的穿戴适应性和人机交互体验[9]。在该团队早期研究工作中，主要利用McKibben气动肌肉作为执行器，连接到外骨骼上，并在步态周期的适当时间产生与人体肌肉平行的拉力进行助力。由于气动肌肉行程大小的限制，助力效果并不理想；在随后的研究中，使用鲍登线代替了McKibben气动肌肉作为传递力的部件[10-11]，并致力于在行走过程中同时对单关节单方向运动或多关节进行助力[12-14]。本田公司设计了助力髋关节屈曲和伸展的外骨骼[15]，这是一种由柔性材料和刚性结构结合的设备。该设备在髋关节伸展和屈曲过程中，仅为髋关节提供较小的辅助力矩，以调节步行节奏，助力效果一般。Ding Y 等[16]设计了一种外骨骼实验平台，外骨骼的执行器位于实验平台上，可在行走过程中同时对髋关节和踝关节（踝关节屈曲和髋关节屈曲和伸展）同时助力。但是，由于实验平台的限制，穿戴者无法自由行走。此外，为了同时为踝关节和髋关节屈曲提供辅助力，在助力的起始时间上做出了妥协，使得对髋关节屈曲的助力效果并不是特别显著。
为了设计出一种能够使穿戴者舒适穿戴并自由行走的助力髋关节伸展和屈曲的外骨骼机器人，本文中利用三维运动捕捉系统分析步行过程中髋关节生物力学的变化，并基于生物力学的启发进行设计。为了有效地对髋关节伸展和屈曲助力，根据行走过程中的关节力矩和关节力的变化，提出了一种助力策
略和期望助力曲线。对所需的力进行了预先计算，并保存在迭代学习控制器中，通过控制电机位置来产生辅助拉力。最后，通过测量步行过程中的新陈代谢能来评估外骨骼设备的助力效果。1柔性外骨骼系统
1.1基于生物力学分析
自然步态可分为支撑相和摆动相。支撑相指身体一侧脚接触地面及承受重力的时间，摆动相指脚离开地面向前迈步到再次落地之间的时间。髋关节的伸展运动发生在支撑相阶段，相反，屈曲运动则发生在摆动相阶段。在身体一侧的脚后跟触地之后，脚掌的其余部分触地，臀大肌和腘绳肌使大腿伸展[17]。在髋关节运动到最大伸展角的前一小段时间，髋关节的运动方向开始从伸展变为屈曲；屈肌开始动作，开始使大腿在摆动阶段进行屈曲运动。分析在步态周期中髋关节角度和关节力矩的变化对于制定助力策略具有重要的意义。因此，利用配套有6个摄像头的三维运动捕捉系统（VICON，Oxford，UK），在一台嵌入跑步机的测力平台（AMTI，Watertown，MA）上进行实验，采集3名受试者（体质量为65±5.0kg，身高为177±5.0cm）的生物力学数据。在矢状面内的平均髋关节力矩和角度的变化如图1
所示。
图1关节力矩和关节角度
Fig.1Joint moment and joint angle
为了消除不同试验的差异，将步态周期标准化，一个完整的步态周期指在行走时一侧脚跟着地到该侧脚跟再次着地的过程[18]。如图1所示，整个过程表示为100%，0%代表脚跟（以右腿为例）第一次着地，表示步态周期开始，100%代表同侧脚跟再次着地，标志着一个完整步态周期结束。图1中，RHS表示右腿脚跟触地，LTO代表左腿脚尖离地，LHS代表左腿足跟触地，RTO表示右腿脚尖离地[19]；髋关节力矩正值表示髋关节伸展力矩，髋关节力矩负值表示髋关节屈曲力矩。
在支撑相末期（约在步态周期的30％~50％），髋我的大学生活英语作文
关节伸展运动开始减速。在左腿脚跟着地后（约在步态周期的40％），右腿开始有向前做屈曲运动的趋势，髋关节开始产生屈曲力矩，然后准备使大腿向前屈曲[20]。由于左腿向前迈出大步，身体整体向前运动，因此，在左腿脚跟着地到右腿脚尖离地的时间段内，右腿髋关节运动到最大伸展角（约为步态周期的50％~55％）。在右腿脚尖离地后，右腿屈肌推动右腿向前开始进入摆动相（约在步态周期的60％~100％）。右腿最大屈曲角略微发生在右腿脚跟着地之前（约在步态周期的90％）。在大腿运动到最大屈曲角之后，人体的右腿表现出向后摆动的趋势，并且髋关节的运动开始从屈曲变为伸展，1个步态周期内的运动结束。
由于在行走的过程中人体下肢的肌肉产生肌肉力以驱动下肢完成相应的动作，这将大大增加髋关节伸展和屈曲过程中肌肉的代谢能耗。
因此，根据在步行过程中人体的运动特点以及关节力矩的变化趋势，提出了一种对髋关节伸展和屈曲提供额外助力的助力方案，以减少步行过程中的代谢能。1.2
柔性下肢外骨骼系统设计
柔性外骨骼系统较为轻便，整体质量约为5kg ，结构如图2所示。外骨骼系统由执行器、绑缚、拉力传感器、惯性测量单元（IMU ）、鲍登线和调节装置组成；整个系统由锂离子电池供电。根据KNAPIK 等[21]
的研究，负载的质心尽可能靠近人体的质心，会使人体能量消耗更低。通过螺钉将执行器固定在
背心上，会为穿戴者带来更好的穿戴体验。
图2柔性外骨骼结构Fig.2
beatit歌词
Structure of soft exoskeleton
髋关节屈曲和伸展在1个步态周期的两个独立的
动作中，左腿的伸展和右腿髋关节屈曲几乎是完全相反的两个相位[22]。在执行器设计中，使用一个电机为右腿（或左腿）髋关节伸展和屈曲运动提供辅助力。整个执行器由两台无刷直流电机和其他零部件组成，电机与行星齿轮减速器相连（减速比为16∶1）。减速器的输出轴通过法兰与线盘相连。执行器的结构如图3
所示。
图3执行器结构
Fig.3
Structure of actuator
外骨骼通过控制电机驱动线盘旋转，固定在线盘上的鲍登线伸缩产生额外的拉力作用于大腿上，从而提供辅助力。每个线盘上固定两根鲍登线，鲍登线1顺时针缠绕在线盘上以助力髋关节伸展；另一根鲍登线则逆时针缠绕用于助力屈曲（图2）。为了减少鲍登线在走线的过程中的力损耗和提高穿戴的
舒适性，鲍登线穿过线管后，另一端和拉力传感器相连。拉力传感器用于实时测量力数据，并将力数据传输到微处理器，拉力传感器的另一端连接到线绳调节装置。调节装置用来根据佩戴者的身高和步幅来调整鲍登线的长度。最后，鲍登线再与绑缚上的锚点相连。为了检测步态，IMU 固定在柔性绑缚上，置于大腿侧面。控制电路板上的微处理器（STM32）被用来处理IMU 和拉力传感器采集的数据，IMU 和拉力传感器通过蓝牙和串口发送数据至STM32。当执行器启动时，电动机带动线盘旋转，从而控制鲍登线伸缩产生拉力，为髋关节屈曲和伸展提供辅助力。
2研究方法
2.1
助力策略和助力曲线
为了确定助力的时间点以及期望力曲线的力峰值，分析了髋关节的髋关节力和关节机械功率，在1个步态周期内其变化如图4所示。
图4关节力和功率
Fig.4Joint force and power
髋关节在支撑相初始阶段和摆动相初始阶段除了承受很大的力矩和力，髋关节还产生了很大的机械功率。结合图1可知，伸展力矩在步态周期约40％处变为负力矩，此时大腿具有向前的运动趋势并且髋关节开始准备屈曲。最大伸展角发生在约为步态周期的55％。在髋关节屈曲时，最大的髋关节屈曲角
出现在摆动相的末期（约为步态周期的90％），略微早于脚跟着地[23]。因此，将达到髋关节最大屈曲角度的时间点作为髋关节伸展助力的开始时间点。结合图2、图4所示可知，在髋关节伸展阶段，人体的髋关节力和关节力矩约在步态周期的13%，所以，峰值力的时间选择为步态周期的约13％；由于约在步态周期的40％时，髋关节准备开始作屈曲运动，为了使拉力不影响正常步态，力终止时间点选定为步态周期的40％；最终，将运动到最大髋关节伸展角的时间点作为髋关节屈曲助力开始点。类似地，选择髋关节屈曲助力区间为步态周期的55％~85％。助力峰值点定在在步态周期的70％处。为了获得髋关节伸展和屈曲的期望力，设计了一种期望力曲线，该曲线是根据关节力矩和力的趋势以及分析的助力时间点而得到的正弦曲线。根据IMU采集的关节角度，将一个正常的步态从髋关节运动到最大伸展角到下一个最大伸展角的这段时间T划分为100等份，在行走过程中随着关节角度实时变化，时间变量t在T内取值。期望力曲线的分段函数表达式如式（1）所示。将助力伸展和屈曲的期望参考力曲线分段函数编程语言改写成程序代码的一部分，使用编程器通过数据线将程序代码刷写入STM32中并保存。在行走过程中，随着关节角度的变化，时间变量t在T内的取值不断变化，每个时刻的期望力根据式（1）计算得出，作为控制目标力。每个时刻作用于大腿上的实际力和控制目标力实时比较，获得力误差并在下一个控制周期内修正。F
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2(T fp-T f0)T f0≤t<T fp
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π(t+T f0-2T fp)
2(T fe-T fp)T fp≤t<T fe
0其他
（1）
式中，F d为期望力；F ep为伸展的峰值力;F fp为屈曲的峰值力。根据测力平台收集的力数据，将伸展和屈曲的峰值力分别设为140N和130N。T e0、T ep和T ee 分别定义为助力髋关节伸展的起始时间、峰值时间和终止时间，分别等于0、13%T和40%T。T f0、T fp 和T fe则分别对应助力屈曲的起始时间、峰值时间和终止时间，分别等于55%T、70%T和85%T。时间T 通过STM32计算得出。期望力曲线如图5
所示。
图5期望力和大腿运动角度
Fig.5Expected force and thigh movement angle
2.2步态检测
为了准确收集人体的运动信息，使用两个IMU 来实时检测矢状面内的最大髋关节伸展角和最大髋关节屈曲角（分别约为108°和62°，见图5）。由于髋关节角度与大腿角度相似，并且检测大腿角度比髋关节角度更容易。每个IMU分别固定在大腿侧面的绑缚上以测量大腿摆动的角度。如图5所示，最小值对应于最大伸展角，最大值对应于最大屈曲角，角度呈现周期性变化。
2.3控制系统
中国古代政治与文化由于外骨骼工作时柔性绑缚被拉伸，产生了非线性变形，从而会对控制系统造成干扰。不同穿戴者身体特征参数的差异以及柔性绑缚不同的穿戴位置会导致在助力髋关节时，鲍登线的收缩长度出现误差。因此，为了补偿控制器的误差，针对不同佩戴者建立了前馈模型。穿戴外骨骼行走时，外骨骼
的执行器产生作用于人体腿部的实际拉力，该实际拉力通过跟踪期望力生成。行走过程呈现周期性变
化，助力过程可以看作是一个连续的重复过程。而迭代学习控制（ILC ）是一种针对在有限的时间内重复执行问题的有效控制方法[24]。由于外骨骼系统是非
线性系统，ILC 是一个开环控制系统，控制系统会受到各种误差干扰。因此，为了能通过精确地控制鲍登线的长度来获得更好的实际作用力，引入了PD 控制器。PD 控制方法已广泛用于非线性系统[25]。控制原理图如图6
所示。
图6柔性外骨骼控制原理
Fig.6
Principle of flexible exoskeleton
IMU 检测到关节角度的变化，根据第2.1节中的
期望力表达式计算出期望力F des ，控制电机的位置带
动鲍登线的伸缩产生实际拉力F meas ，实际拉力通过拉力传感器实时测量。通过PD 型迭代控制器计算出电机在下个迭代周期的期望位置增量，不断修正电机位置，使实际力和期望力之间的力误差尽可能减小。迭代学习理论公式为
sinosure
ΔP des (i ，n )=-K p e τ(i ，n )-K d V (i ，n )+P ILC团子大家族歌词
des (i ，n )（2）
P ILC des (i ，n )=P des (i ，n -1)+βe τ(i ，n -1)（3）
式中，∆P des 为电机的期望位置增量；i 为1个步态周期内的控制周期目录，取值为100；n 为步态周期目
录，取值则根据人行走时，对应的步态周期数；K p 、K d 分别为比例系数和微分系数，分别取值为350和
70；V 为电动机的速度，通过电机编码器测得传送给控制器；e τ为力误差，是在某个时刻对应期望力和拉力传感器实时采集的实际拉力的差值；β为迭代控
制系数。
3实验结果与分析美式英语口语
3.1
代谢测量实验3.1.1
实验方法
一种通用的代谢测量方法是使用无线遥测运动
心肺功能测试仪（COSMED K5）测量行走过程中的二氧化碳产生量和氧气摄入量，通过二氧化碳的产生量和氧气的摄入量计算代谢能[26]，利用代谢能评估此外骨骼机器人的助力效果。由于初次穿戴外骨骼设备可能会使实验参与人员产生不适应性，这种不适应性可能会影响参与者的正常呼吸频率和步态，为了减小其对实验的影响，将实验分为训练实验和测试实验两个环节。训练环节主要是为了让初次穿戴外骨骼设备的参与者熟悉设备，以适应外骨骼的助力方式。测试实验环节则是正常测量行走过程中
二氧化碳产生量和氧气摄入量。训练环节和测试环
节之间的时间间隔至少为一天，以避免在训练环节，实验人员产生肌肉疲劳对实验结果产生影响。考
完成的英文虑到人在平地上正常的行走速度，训练和测试阶段的实验选择在速度和坡度分别设置为5km/h 和0°的跑步机上进行。3.1.2
实验步骤
招募4名健康男性（年龄为24±2.0岁，体质量
为70±5.0kg ，身高为177±5.0cm ）参加这项测试如图7
所示。
图7代谢实验Fig.7
Metabolism experiment
在训练实验环节，所有参与者依次分别穿戴K5的呼吸面罩和柔性外骨骼，打开柔性外骨骼的电源提供助力，在地面上自由行走以熟悉外骨骼设备，之后，每名参与者依次在设置好的跑步机上自由行走，直至每名参与者确认已经适应。
实验测试阶段的实验在训练实验1天后进行，测试阶段的实验分3天进行。分别测量穿戴外骨骼不助力
、仅助力髋关节伸展和助力髋关节伸展和屈曲3种情况下的新陈代谢能。每天实验前，对K5进行标定，每天的实验时间段和实验者的顺序和前一天的
