穿戴式步行辅助的Hybrid控制体系及其据需辅助效应研究

Along with the high growth of the elderly population of our country, the need of the elderly to utilize robotic assist technology for daily walking is growing rapidly. The assisted-as-needed (AAN) property of a wearable walking assist robot mates the need of a user’s biological need, and has extreme promotional effects on the improvement of flexibility, appetency and friendliness of a mechanical system. Existed control methods for walking assist are developed from control technologies of traditional industrial robots, and have a large distance to reach the goal of AAN effect. To realize the AAN effect of walking, this study proposes a new hybrid control method consisting of the hip joint control basing on CPGs and the knee joint impedance structured control. By carrying out theoretical research and experimental verifications, the robot’s active/passive mode adaptive to user’s physical function is constructed, and the continuous switching method of the knee joint impedance structured control is constructed. Assistive walking experiments are conducted to verify the assisted-as-needed effect, and to verify the feasibility and validity of the proposal for walking assist. The results of this study will provide theoretical foundation and technical guidance for solving the key problem of assisted-as-needed and other relative technologies for wearable walking assist.

随着我国人口老龄化进程的飞速演变，老年人群体利用穿戴式机器人辅助技术进行日常步行活动的需求日益增大。穿戴式步行辅助机器人根据用户体能进行主从动辅助（据需辅助）的功能特性是其面向日常使用的核心功能要素之一，对改善机械系统的操所性能具有极大的促进作用。现有的步行辅助控制技术是从传统工业机器人的控制技术演化而来，距离据需辅助的控制目标还有较大差距。本项目针对步行运动的据需辅助问题，以实现主从动柔性辅助为控制目标，提出髋关节CPG控制和膝关节分级阻抗控制相结合的新型Hybrid控制方法，采用理论研究与实验验证的研究手段，对“主从动辅助模式决策及转换机制”、“膝关节分级阻抗控制切换及其稳定性”等关键科学问题进行系统、深入研究，进一步开展Hybrid控制理论的据需辅助效应研究，初步探索出一套基于CPG模型及阻抗控制的Hybrid控制策略，为推动我国步行辅助机器人技术的研究与发展奠定坚实的理论研究基础。

现有的步行辅助控制技术是从传统工业机器人控制技术演化而来，无法根据用户的体能进行主/从运动辅助，从而影响了穿戴式辅助装置的临床使用舒适性。针对步行辅助中人机交互柔顺性和髋膝关节协调自律控制的问题，以实现主/从柔性运动辅助为目标，本项目构建了新型Hybrid控制方法，将仿生控制理论与传统阻抗控制相结合，并对其髋膝关节联动控制、人体运动机能识别与主/从辅助模式决策、控制稳定性和运动辅助机理进行了深入的研究。研究结果表明，基于非线性特征的肌肉疲劳评估方法和基于Hill模型的关节力矩计算方法能够定性地区分人体运动机能的高低状态，为主/从辅助模式决策提供依据；基于CPG拓扑网络及其特性研究，确立了CPG自激振荡和外部激励的耦合作用机制，从而阐明了所提控制方法的运动辅助机理、主/从运动生成及停止再运动等柔性运动产生机理；将CPG仿生控制和传统阻抗控制相结合，构造了新型Hybrid控制方法，利用了髋关节伸展、弯曲神经元的交替兴奋机制，建立起了以神经元状态为变量的关联函数，建立了同侧髋关节与膝关节的链接，实现了髋膝关节的自然联动，规避传统控制方法中运动学和动力学建模的难题，并且采用李亚普诺夫稳定性理论研究和评价了膝关节高低阻抗切换稳定性，研究结果表明，控制系统满足李亚普诺夫稳定性判据，系统平衡点附近稳定且存在吸引域和运动极限环；在此基础上，开展穿戴式步行试验证明了所提方法对生成步行中自然髋、膝关节协调运动的有效性，并且采用肌肉活动强度、步长和步行速度三个指标，运用对比试验的方法讨论和分析了步行辅助效果。基于上述理论研究和试验验证，确立了所提控制方法的有效性，为促进我国穿戴式步行辅助机器人技术的研究与发展奠定坚实的理论研究基础。