文摘

目的。下肢外骨骼动力已获得相当大的利益,因为它可以帮助脊髓损伤(SCI)患者再次站立和行走。提供援助与SCI患者行走,大多数外骨骼设计按照预定义的步态轨迹,这使得病人走路不自然,感觉不舒服。此外,外骨骼与预定义的步态轨迹不可能总是保持平衡行走尤其当遇到障碍。设计/方法/方法。提出了一种新的步态规划方法,旨在提供可靠和平衡行走时步态援助。在这种方法中,模型的外骨骼和病人在一起,就像一个线性倒立摆(唇),获得病人的意图通过轨道能量图。实现动态步态规划的外骨骼,动态运动原始(DMP)是利用模型步态轨迹。同时,DMP动态更新的参数在一个步骤,旨在提高抵消外部干扰的能力。发现。该方法在human-exoskeleton仿真验证平台,和实验结果表明该方法的有效性和优点。创意/值。我们分解获得动态平衡步态问题分成三个部分:(1)基于外骨骼的感官信息,意图估计是为了估计迈出一步的意图;(2)在每一步的开始,离散步态规划利用获得的步长等步态参数和步骤持续时间并生成的轨迹摆动脚的基础上 ;(3)在行走过程中,连续步态调节器是用来调整步态生成的离散步态规划来抵消扰动。

1。介绍

SCI是一个临时或永久改变其功能和脊髓损伤可能会导致肌肉功能和感觉。根据世界卫生组织的调查1),从250000年到500000年人们遭受SCI每年在世界各地。SCI患者被迫卧床不起和轮椅绑定易受发展中卧位,骨密度,下肢的关节挛缩,和深静脉血栓形成2]。步态支持使用外骨骼机器人可能是一个有效的方法来解决上述问题,因为病人穿着机器人移动腿积极和地面反作用力刺激感觉和肌肉骨骼系统。此外,步态的支持有一个特别有意义的角色在几个SCI患者步行功能的恢复。因此,下肢外骨骼的设计是为患者提供运动援助SCI和吸引了越来越多的兴趣从学术研究者和工业企业家3- - - - - -5]。

对下肢外骨骼的发展援助行走,舒适和安全是两个基本特征。许多努力都是降低行走的外骨骼的发展援助。燕et al。6]表明,大多数外骨骼的援助仍然使用预定义轨迹基于离线模拟或捕获人类步态数据。生成的参考模式一般是位置跟踪控制器的驱动关节。它迫使患者将外骨骼和铅不舒服的经历。此外,随着预定义轨迹,外骨骼和病人不能保持平衡,当遇到障碍。因此,获得动态平衡步态,我们同时考虑如何一步一步。

当步骤,各种人机界面(HMI)设计。在[7),肌电图(EMG)信号是利用病人的意图。然而,很难衡量EMG信号SCI患者躯干的运动特性,比如倾斜8和上臂9)是利用获得的意图步行和触发一个步骤。基于质心(COM)的方法也用于哈尔(10]和MINDWALKER [11,12]。然而,这些方法只是基于观测信息和系统设计师的经验阈值在这些方法必须手动调整为不同病人和情况。

对于如何走路,许多动态步态规划方法提出了。在[10),外骨骼的变化的速度摆动脚动态根据支持阶段持续时间改善病人的经验。然而,外骨骼平衡不被认为是在这个研究。在[11,12),外推的质心(XCoM) [13)方法,提出了防止MINDWALKER外骨骼下降侧通过在线调整步骤宽度(臀部ab /内收)。然而,在矢状面扰动不考虑的。

在本文中,我们提出了一个动态平衡步态下肢外骨骼的步态模式方法获得平衡。我们用线性倒立摆模型human-exoskeleton系统(唇)和设计意图估计基于轨道能量图的概念。离散的步态规划(规划步态的每一步)和在线步态调节器(在线调整步态在步骤采取)提出了实现步态平衡。的轨迹摆动脚与纯数字建模,可以动态调整和顺利。在离散步态规划,我们利用一个优化方法与目标轨道能量获取步态轨迹的参数。在在线步态监管机构,我们抵制干扰的动态调整纯在一个步骤。

因此,我们的贡献是双重的:首先,我们的方法使得外骨骼行走的病人的意图。其次,我们的方法获取步态轨迹行走时和调整它动态稳定平衡。在模拟环境实验结果显示了该方法的有效性和优点。

2。文献综述

尽管预定义轨迹的方法是利用在大多数SCI患者的外骨骼,一些关注技术获得平衡步态模式。在本节中,我们将制定相关工作技术和行走时下肢外骨骼系统保持平衡。一些生物力学研究人员揭示几种方法平衡恢复人形机器人(14]。这些方法可以分为两类:内部联合方法和步骤方法。这些方法也被用于平衡控制的外骨骼。

2.1。内部连接的方法

关节的外骨骼控制服务等关键功能平衡零力矩点(ZMP)内部联合的方法。在[15),实时平衡控制,变量物理刚度执行机构实现外骨骼。扭转弹簧飞轮,一个抽象的两足动物模型是用来捕捉近似角动量和物理刚度。ZMP和物理刚度描述之间的数学关系模型。此外,ZMP被视为稳定的条件。因此,想要保持平衡,ZMP是联合执行机构的刚度。

文献[16)表明,在动态平衡,静态平衡的条件说重心的投影(CoM)应该在支持多边形是不够的,原来是瞬时捕捉点(ICP)应该在多边形的支持。摘要(17]提供了一个平衡控制的下肢外骨骼基于ICP的概念和实现它的外骨骼名叫EMY-Balance (CEA-LIST)。计算关节力矩的具体驱动EMY-Balance ICP支持多边形。

在这些方法中,脚踝关节需要驱动。然而,对于便携性在大多数SCI患者的外骨骼,脚踝关节驱动。

2.2。步进方法

步进方法被广泛用于对类人机器人平衡控制(18,19和外骨骼11,12,20.]。MINDWALKER [11,12)是一种动力下肢外骨骼设计用于截瘫患者重获运动能力。它每条腿上有五个自由度,髋关节屈曲/扩展和内收/绑架和膝关节屈曲/扩展由海洋,而髋关节旋转和踝关节内翻/旋后被动地持续一定的刚度。有限状态机(FSM)定义了各种状态和状态转换也可以触发当用户操纵CoM user-exoskeleton系统的位置。触发器启动步骤将生成的投影矢状和横向位置在地面上所需的象限。

防止user-exoskeleton下降,MINDWALKER实现在线校正步骤宽度的调整所需的臀部ab /内收在摇摆不定的阶段。髋关节的需要调整决定使用XCoM [13]。如果user-exoskeleton系统逐渐向一侧由于外部扰动如被推肩或内部扰动等用户的上半身运动,脚位置调整导致宽度更宽或更窄的步骤来抵消这种扰动。然而,这种XCoM方法不能适应的矢状面数。

在[20.),步态规划是基于ZMP平衡。7-links模型(21外骨骼)是利用模型。轨迹的臀部、膝盖和脚踝的建模参数。这些参数与目标ZMP获得的最优算法。然而,这种方法是基于外骨骼的7-links模型太复杂。

3所示。动态平衡步态

在本节中,我们将介绍动态平衡步态的方法。我们首先提出这种方法的框架之后,子系统的细节。

3.1。动态平衡步态的框架

在SCI患者的下肢外骨骼的发展,大部分的脚踝关节被动(没有执行机构)。因此,我们提出了一个新颖的步态规划方法在本文基于战略和嘴唇模型。图1显示的框架提出动态平衡步态策略,分解成三部分:目的估计量,离散的步态规划,监管机构和持续的步态。

步态分为单一支架阶段和双脚支撑阶段在正常行走。在单一支架阶段,上半身的human-exoskeleton系统由髋关节控制站的腿,它应该保持躯干保持垂直。因此,human-exoskeleton系统可以表示为脚的步态轨迹的摆动腿。我们与纯数字模型摆动脚的轨迹,可以学习样本轨迹的健康人,调整步态轨迹在线顺利。基于LIP模型和步态与纯描述,图中三个基本的部分1是用来实现动态平衡的步态。根据感觉信息的外骨骼,意图估计是为了估计迈出一步的目的。在每一步的开始,离散的摇摆步态规划利用获得轨迹。目的评估的步骤,离散步态规划获得步态步长等参数和步骤持续时间 。利用纯再生轨迹与这些不同的参数 。关节控制服务这些轨迹领导外骨骼和病人前进。过程中迈出一步,在线步态调节器调整参数 基于步态刨床抵消扰动。

3.2。人类和外骨骼的典范

在许多应用程序的外骨骼,病人用拐杖走路保持平衡(8,9,11,12]。因此,四足机器人模型是用来表达这些human-exoskeleton系统。使用这个模型,静态稳定的基于CoM被认为是在行走过程中。尽管患者再次启用走这种方法,为稳定,他们必须依靠拐杖,步态模式不太流利,低于自然步态。因此,实现快速和自然步态,我们用唇在矢状平面模型human-exoskeleton系统如图2。线性倒立摆(唇)是广泛应用于双足机器人18,22,23]。在嘴唇,我们人体模型与一个质点的位置的伸缩机制(代表腿),接触到平地上。质点是保存在一个水平面合适的广义力的机制。大多数外骨骼的脚踝关节不驱动并激活8- - - - - -10]。因此,钟摆的基础可以被看作是一个点,与位置脚踝。脚的位置变化,发生在一个步骤,都假定瞬时,没有瞬时影响质点的位置和速度。患者可以应用外力来CoM拐杖与外骨骼进行交互。

通过定义之前提到的,我们可以得到质点的运动方程(设置为外部力量)如下: 在哪里质点的位置(),的唇角。表示沿着唇所施加的力。是引力常数。与 和 ,质量是保持在一条水平线 。在这种情况下,质点的运动可以写成: 在哪里和质点的位置在吗飞机。因此,给定初始条件和 ,我们可以得到CoM的运动方程如下: 在哪里是 。

3.3。目的估计迈出一步

跟着外骨骼是一个周期性的现象,和一个完整的步行周期由两个阶段组成:双脚支撑阶段和单一支架阶段。双脚支撑阶段开始向前的鞋跟脚的脚趾接触地面,结束于后方的脚离开地面。在双脚支撑阶段,双脚与地面接触。在单一支架阶段,一只脚固定在地面上,另一只脚的波动从后面到前面来。结束后一个步骤(摆动腿接触地面),human-exoskeleton系统进入双支撑阶段。

在这个阶段,病人有两个选择:停止行走,以一个新的台阶。如左边的图所示3,病人移动向前/向后略;重量将加载在前面/后面的腿。因此,我们还可以使用唇这个系统模型。通过这个模型,我们可以设计一个意图估计量为一步根据轨道能量图的概念。

轨道的能量(24)可以获得的集成 :

这是两项的总和:动态能量和潜在的能量。它在一个支持阶段是守恒的。鉴于 ,嘴唇直的位置 。我们可以推断,如果原价 ,嘴唇直位置可以移动 ,否则它将回来。因此,让 ,我们可以得到一条线: 。与轴 和这条线。如图3,我们单独的嘴唇的运动状态 到8个地区。因此,我们称之为轨道图。当 我们可以从轨道得到结果图:(1)如果 , 和 ,嘴唇会穿过正上方的位置。(2)如果 , 和 ,嘴唇就会回到初始位置。(3)如果 , 和 ,嘴唇会向后移动。(4)如果 , 和 ,嘴唇将背包。

如图3,如果站的腿是前腿和系统的状态可以用状态描述1、7和8,那么必须采取步骤防止跌倒。通常,转型后的重量,系统将进入状态1 7和8。如果站的腿腿,后面的系统可以被描述状态3、4和5,外骨骼必须采取防止坠落的倒退。因此,在确定站的腿,我们可以获得病人的意图(进步或倒退)象限的轨道能量图,状态 属于。

3.4。步态描述与纯

许多研究步态规划(25- - - - - -27)认为,双脚支撑阶段是即时的、我们专注的步态单一支架的阶段。如果脚轨迹和髋关节轨迹已经知道,所有的关节轨迹的外骨骼可以由运动学方程。徒步行走模式因此可以表示独特的轨迹和髋关节轨迹。外骨骼的大多数踝关节不动作,脚下站的腿可以建模为点。与已知的初始位置和初始速度的嘴唇,轨迹的臀部是已知的。因此,步态模式可以通过轨迹建模摆动腿的踝关节。在[21),步态模式是由一个完整的脚轨迹的约束和制定生成轨迹由第三样条插值。在[10),min-jert方法用于这个轨迹模型。然而,这些方法,整个轨迹必须重新计划如果一个单点的运动改变了。在我们的方法中,我们获得正常人的脚轨迹和再生目标步长和持续时间 。DMP利用再生这轨迹调整轨迹在线。

DMP已广泛用于机器人的应用程序,因为它可以解决耦合条件(灵活的建模问题28]。很容易学习和统计方法可以通过几个参数调整后模仿学习(29日,30.]。此外,它很快就可以适应不可避免的扰动的动态变化,随机环境。建模框架DMP的轨迹,轨迹应该是质量弹簧阻尼系统的输出力摄动的条件: 在哪里和分别表示系统的位置和速度。和是启动和目标位置。是一个时间比例因子。和弹簧和阻尼系统的因素。因此,用已知的 , 可以通过逆系统的计算。然后,通过结合高斯内核可以学到: 在哪里 是高斯基函数中心吗和宽度 。 是权重应该学到的东西。阶段变量的非线性函数(6)是用来避免直接依赖了。使用一阶动力学变量定义阶段 :

我们的目标接近一开始工作 ,一个小的变化可能会导致巨大的加速度,这可能达到外骨骼系统的限制。因此,修改后的系统方程中引入[31日使用: 第三项可以避免跳跃运动在每一步的开始。在获得目标函数: 加权参数可以通过统计学习方法学习。与指定起始位置和目标位置 ,脚可以生成轨迹通过学习权重 。在我们的方法中,我们第一次模仿轨迹单一支架脚摆动腿的阶段 的持续时间。然后,如图4,我们重新生成轨迹不同 通过改变和由以下方程: 在哪里之前是DMP学习的时间常数。

3.5。离散的步态规划

旨在获取步态平衡,我们定义平衡的概念基于N-step capturability [18,32:腿系统的能力来阻止没有下降通过N或更少的步骤。外骨骼建模的唇,“停止”意味着轨道能量( 当 )。因此,外骨骼的平衡的定义是:轨道能量可以控制摆动腿的速度和长度的限制。换句话说,如图5(一个),如果太大降低甚至扩展摆动腿以最大速度,CoM的嘴唇会限制站的腿和身体旋转的脚趾如图所示。然而,与外骨骼行走,患者可以通过施加外力变化轨道能源拐杖。因此,对于容易行走,他们希望不断走几步,顺利不应用力外骨骼。因此轨道能源需要保持一个积极的价值。

控制轨道的能量,我们认为两个步骤,如图5并考虑的行走步态开始摆动腿离开地面,最后接触地面。表示这个过程被称为步态周期的时间成本。在第一步中,如果没有外力造成的嘴唇,我们可以获得和和与最初的和 。腿的时候切换、CoM速度不会改变( )[22,23]。因此,我们获得轨道能量的第二步以下方程: 在哪里步长如图5 (b)。与这个方程,第二步的轨道能量可以通过调整控制 。

考虑到目标轨道能量 ,步态刨床获得 在每一个步骤的开始。这个计划称为离散步态规划(文章),因为它计划步态在每一步的开始。

随着和非线性的函数吗 ,我们不能直接解决它。此外,对于一个给定的目标 ,山的解决方案是无限的。当我们学习轨迹( 从健康人)记录,我们期望轨迹生成的方法是类似于原来的。因此,我们制定这个问题作为优化问题如下。 在哪里 , ,和目标值的轨道能量、步长和持续时间的步态。 是加权参数。梯度下降法是利用梯度来解决这个优化问题如下: 在哪里 和 显示如下:

迭代优化的目的 或数字的迭代达到限制。如果 是次迭代后,我们获得的解决方案 更接近目标在这一步。和会更接近目标一步一步。

3.6。连续步态调节器

正如我们提到的,文章开始计划一个步态一步和下一步调整轨道的能量。步态规划后,轨迹的脚是固定在一个步骤。,如果在单一支架阶段发生扰动时,步态不能改变,直到腿切换的时刻。因此,我们设计一个连续步态调节器(CGR)调整步态不断摇摆的阶段。

CGR调整步态通过改变参数 从离散的步态规划。提高文章的能力,保持平衡。在每个样品时间 ,我们可以获得和 。我们计算 相同的最优方法的文章和更新保持时间原来的轨迹生成的文章。然后,我们改变参数的纯数字 和 。

4所示。实验仿真

在本节中,我们第一次躺在性能指标定义和评估这种方法在模拟平台。

4.1。性能指标的定义

评估建议的方法的性能评估的能力保持平衡发生扰动时尤其如此。正如我们前面所提到的,平衡系统是依赖于可控的轨道能量的能力。因此,在我们的评估中,我们产生干扰和比较轨道的能量在整个过程中不同的方法。

4.2。模拟器的介绍

我们建立一个模拟器来评估我们的方法的性能在一个桌面计算平台与CPU: i7 4790 k和8 G RAM露台机器人仿真软件,如图6。由于病人持有拐杖保持下降的侧面在正常走路,我们模型这一耦合系统模型如图6在矢状面和限制运动。在这个模型中,髋关节(弯曲/扩展)和膝关节屈曲/扩展驱动只是像大多数的外骨骼。PID控制器与1000 Hz采样频率与输出转矩限制每个联合使用200新墨西哥州在每一个关节,关节内嵌编码器获得关节的运动状态。我们在每条路线模拟3000 ms与嘴唇的初始状态: 。针对轨道能量将 。四个比较步态模式在我们的实验中:

步态与固定参数: 。

步态与固定参数: 。

步态生成的文章。

文章结合CGR步态生成。

不同的扰动:−5 N,−15 N, N−25, 5 N, 25 15 N, N在矢状平面构成在唇从500毫秒到2000毫秒。跟踪结束如果模型摔倒在散步。轨道能量和脚过渡的不同的步态模式记录评估保持平衡的能力。

4.3。实验结果

图7说明了不同的步态模式的模拟结果与积极的外力干扰:5 N, 25 15 N, N。与固定的步态模式,human-exoskeleton的模型模拟向前摔倒后5个步骤。患者有控制的身体坚持保持平衡与固定的步态。文章和文章结合CGR都可以保持平衡5 N - 15 N的干扰。随着干扰增加,文章的错误轨道能量显著增加。仅与文章,轨道的能量系统不能回到给定目标后一步。如图7 (f)产生的摆动脚轨迹,轨迹文章结合CGR调整步长后遇到障碍。因此,文章结合CGR达到更好的性能比文章轨道能量控制。

仿真结果与本地外力扰动图所示8。行走与固定步态模式,病人摔倒时没有提供力量保持平衡。与外部力量−5 N,步态生成的文章和文章CGR可以在整个过程中达到平衡。然而,如图8 (d)和8 (f)与外力增加,模型就倒了−15 N。与文章相比,文章还OGR仍然可以达到平衡与扰动(−25 N)和控制轨道的能量接近给定值。

5。结论和未来的工作

在本文中,我们提出了一个新颖的方法来获取动态平衡步态。我们用嘴唇和表达模型exoskeleton-human系统和DMP步态轨迹。三个子系统的目的估计量、离散步态规划和连续步态监管机构设计。目的估计设计基于轨道能量图打算一步向前或向后。为了病人,离散步态规划获得步态参数 保持平衡。改善抵消干扰的能力,连续步态监管机构旨在改变步态。实验仿真和实际系统与不同环境演示这种方法的效率。

在未来,我们将首先这种方法扩展到不同的环境中。例如,外力会让系统失去平衡在行走过程中,这是不可接受的。唇应该修改模型的改变高度楼上走的情况。外骨骼SCI患者的踝关节总是被动地驱动。因此,嘴唇模型与点脚是用来模拟exoskeleton-human系统。然而,弹簧阻尼系统用于外骨骼应该考虑。

数据可用性

的读者可以访问数据支持这一研究克隆的git项目:“https://gitee.com/kipochen_uestc/LIP_python.git”或从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(没有。61503060,6157021026)。这项研究受到了中央大学的基础研究基金(ZYGX2014Z009)。