步态康复训练机器人行走步态仿真研究

2009年 1月 第 37卷 第 1期 机床与液压 MACH INE TOOL & HYDRAULICS Jan�2009 Vol�37 No�1 收稿日期: 2008- 01- 28 作者简介: 李向攀 ( 1977� ) , 男, 河南科技大学机电学院硕士研究生, 嵌入式系统师。电话: 0379- 62191268, E - m ai:l you li777@ 163� com。 步态康复训练机器人行走步态仿真研究 李向攀, 韩建海, 赵书尚 (河南科技大学机电工程学院, 河南洛阳 471003) 摘要: 步态康复训练机器人是对下肢行走障碍患者进行步态康复训练的一种助力康复设备, 其行走步态的研究对于控 制的制定有着重要意义。本文作者提出了步态康复训练机器人总体结构设计方案, 利用 M atlab /S imu link仿真环境下的 机构系统模块集 ( S imM echan ics) 建立了步态康复训练机器人系统的仿真模型, 并将斯坦福 OpenSim 下肢肌肉骨骼模型得 到的下肢关节运动数据作为设定输入对机器人进行了运动仿真和研究, 为下一步机器人样机制作和实际控制奠定了理 论基础。 关键词: 步态康复训练; 机器人; S imu link运动学仿真; SimM echanics 中图分类号: TP24� � 文献标识码: A� � 文章编号: 1001- 3881 ( 2009) 1- 154- 3 W alkingGait S imulation Research of a Gait�rehabilitation�train ing�robot LIX iangpan, HAN Jianha,i ZHAO Shushang ( Schoo l o fM echatron ics Eng ineering, H enanUn iversity of Science and Techno logy, LuoyangH enan 471003, Ch ina) Abstrac t: Ga it�rehabilitation�training�robo t is a rehabilitation training ass istance equipm ent used for ind iv idua ls w ith patho log ica l ga it, the w alk ing gait o f the robo t is v ita l im po rtant fo r the contro l scheme. The structure of a ga it�rehab ilitation�tra in ing�robot w as de� signed, the simu lation m ode l o f the robot w as estab lished by using S imM echan ics in M a tlab /Sim ulink s imu lation env ironm ent, the robo t w as sim ulated by using the data from the bo th leg muscu loske leta lm odel in Stan fo rd OpenS im softw are. K eywords: Ga it rehab ilitation tra in ing; Robo t; Sim ulink kinem atics sim ulation; S imM echan ics 0� 引言 机器人机构设计的目标之一是能够实现某一预 先设定的运动轨迹。在设计中利用机构仿真技术能 够预先知道机构的运动特性 , 有效地验证机械结构 设计的合理性和控制方案的可行性, 便于对设计方 案的调整和改进 [ 1]。M atlab软件中的 S mi M echanics (机构系统模块集 ) 利用牛顿动力学中力和转矩等 基本概念, 可以对各种运动副连接的刚体进行建模 与仿真, 实现对机构系统进行分析与设计的目的。 同时 S mi M echanics可以仿真三维系统的平移和转动 运动, 提供了一系列工具求解带有静力学约束、坐 标系变换等在内的机构系统的运动问题, 并利用虚 拟现实工具箱提供的功能显示机构系统运动的动画 示意图 [ 2]。 在 M atlab /S mi ulink环境下, 本文作者根据步态 康复训练机器人总体方案建立了运动学模型, 基于正 常成年人一个步行周期内下肢各关节运动参数基础 上, 利用该模型对机器人双腿的行走步态进行了仿真 分析研究。从中获取的行走步态数据, 为下一步机器 人样机制作和实际控制奠定了理论基础。 1� 总体结构设计 步态康复训练机器人与工业机器人的区别在于是 图 1� 步态康复训练机器 人机械结构模型 否与人类直接接触, 在共存环境下工作, 不仅要求系统的快速 性和准确性, 还要对 系统的安全性、柔顺 性、轻巧性有更多的 考虑。气动人工肌肉 是一种新型的执行元 件, 具有柔顺、功率 / 质量比大、在力 /长度 特性上与人肌肉类似 等优点, 再加上空气 自身的可压缩性, 所 以由气动人工肌肉驱动的机械系统, 其柔顺性和安全 性会有极大提高, 本文作者所述步态康复训练机器人 就采用气动人工肌肉并联驱动。该步态康复训练机器 人主要由机械系统、气动人工肌肉驱动系统、传感器 检测系统和控制系统组成。机械系统设计是步态康复 训练机器人设计的重要部分, 其它系统的设计都必须 与机械系统相匹配, 相辅相成, 构成一个完整的机器 人系统。根据正常成年人的身高比例尺寸, 确定各个 构件的基本尺寸, 搭建可穿戴式步态康复训练机器人 外骨骼模型, 其主要机械结构及气动人工肌肉配置示 意图如图 1所示。该机器人具有髋关节、膝关节和踝 关节 3个自由度, 并在各个关节处同轴安装检测关节 转动角度的角位移传感器, 构成传感器检测系统。控 制系统部分采用 PC机和数据采集卡及相应的气动电 磁阀驱动电路构成硬件平台, 同时编写相应的传感器 数据采集、数据处理和控制软件。 2� 利用 S imM echan ics搭建仿真平台 2�1� S imM echanics简介 基于 Smi M echanics运动学分析无需建立机构的 运动学模型, 机构模型由仿真机构自动实现, 使运动 学仿真工作得到简化, 对于多自由度机构的运动学分 析很方便, 机构运动状态模拟显示直观。 Smi M echan� ics系统包含有刚体子模块组 ( Bodies)、约束与驱动 模块 组 ( Constra ints & Driver )、运 动 副模 块 组 ( Jo ints)、检测与驱动模块组 ( Seneors& Actuators )、 力单元模块组 ( Force E lem ents) 等, 各模块组中所 包涵的模块及其功能详见文献 [ 3 ]。使用这些模块 可以方便地建立复杂图形化机械系统模型, 进行机械 系统的单独分析或与任何 Smi ulink设计的控制器及其 它动态系统相连进行综合仿真。 Smi M echanics最基本 的模块就是刚体和铰链, 它们以刚体 � 铰链 � 刚体 � 铰链 � 刚体的方式组合在一起。如果要对刚体和铰链 外加驱动力或测量其参数, 就要用检测与驱动模块, 它们是将 Smi M echanics中的模块与 Smi ulink普通模块 联系起来的中介。 2�2� 建立仿真模型 在 Smi u link环境下对步态康复训练机器人进行运 动学仿真需要以下几个步骤: ( 1 ) 建立机构系统的世界坐标系。规定从纸面 向上的方向为 Z坐标轴的正方向, X轴和 Y轴的选取 符合右手法则。根据总体结构方案, 步态康复训练机 器人是在减重方式下在跑步机上引导患者的下肢原地 图 2� 可视化窗口中双 腿动态仿真图 摆动实现康复训练。 为简化设计以步态康 复训练机器人腰部作 为固定机架, 即用刚 体模块组中的 Ground 模块来表示。以腰部 与右腿髋关节交点处 设定为坐标系原点建 立机构系统的世界坐 标系, 如图 2所示。 ( 2 ) 根据总体方 案设计确立各个构件 的尺寸, 建立机架 � 髋关节 � 大腿 � 膝关节 � 小腿 � 踝关节 � 脚的组合, 完成单腿的机构模型, 仿照此步 建立另一条腿的机构模型, 同时设定相关坐标系参 数。 ( 3 ) 根据仿真需要添加传感器和驱动器模块, 添加示波器等相关模块。 由此可建立步态康复训练机器人的仿真模型 (右腿 ) 如图 3所示。 图 3� S im ulink环境下步态康复训练机器人右腿仿真模型 155 第 1期 李向攀 等: 步态康复训练机器人行走步态仿真研究 � � � 2�3� 关节驱动信号的获取 步态康复训练机器人要模拟正常的行走步态, 就 需要给其输入正常人体下肢各个关节的运动数据, 来 指导机器人在步态康复训练中相关运动参数的设置。 运动捕获是获得人体的下肢运动数据比较常用的 方法, 它是在人体肢体上安装磁性或光学标记, 通过 高速相机跟踪人体的髋、膝、踝关节运动来获得 下肢的运动资料。但是运动捕获需要高速相机、高精 度的光学传感器, 一般实验室中没有这些昂贵设备, 同时对于采集到的运动数据进行后处理需要相应的图 像处理软件, 成本较高。 国内外一些实验室对于人体的下肢运动进行了分 析, 提供了丰富的数据。美国斯坦福大学生物工程和 机械工程学院等研究机构合作开发的 Opensmi 开源软 件 [ 4]可以仿真人体的肌肉关节模型, 利用其中已经建 立的双腿肌肉骨骼模型 Bothleg可以得到步态康复训 练机器人行走时需要的各个关节的角位移曲线。在一 个步态周期内, 可以得到各个关节的运动数据。对于 这些数据进行平滑处理后作为步态康复训练机器人各 个关节输入信号, 就可以启动仿真了。 3� 仿真结果分析 在 Smi ulink中设置仿真环境参数, 启动仿真。通 过可视化窗口, 可以 观察机器人的运动 状态。 S mi ulink可视化窗口中还可以根据要求将动态仿真过 程保存为 av i格式文件。图 2为可视化窗口中的一幅 仿真图。 图 4� 一个步行周期内 右腿三关节的运 动角度曲线 在示波器 Scope中还可 以得到仿真设定时间内髋、 膝、踝关节运动角度曲线如 图 4所示。 观察整个动态仿真过 程, 步态康复训练机器人能 够较好地模拟人类的行走运 动。从图 4所示一个步行周 期内 3个关节的运动角 度曲线, 可以发现膝关节运动角度在一个行走周期内 则完全小于 0!, 髋关节运动角度基本上大于 0!, 只 是在不到 1 /5的周期时间内小于 0!, 最小值不到 - 5!, 因此可以在实际控制中只对髋关节和膝关节配 置一个方向上的气动人工肌肉即可, 另一个方向的人 工肌肉用一根可伸长的弹簧代替以增加阻尼, 气动回 路通过一个 ON /OFF电磁阀控制压缩空气的流量, 其 控制方法与单作用气缸的位置控制类似 [ 5]。对于踝关 节的控制则要应用两根气动人工肌肉, 采用差压方式 驱动踝关节运动。 4� 结论 利用 M atlab /S mi ulink环境下的机构系统模块集 Smi M echan ics可方便、迅速地建立步态康复训练机器 人的物理仿真模型, 再经相关参数设置即可进行步态 康复机器人在可视化环境中的运动仿真。步态康复训 练机器人的运动数据可由关节传感器反馈给显示模 块, 仿真结果还可直观、形象地反馈到屏幕上。因此 应用计算机仿真技术可快速、准确地对机器人运动系 统进行分析, 有利于机器人机械机构的设计和控制方 案的改进, 也为下一步实际控制实验验证提供了理论 基础。 参考文献 ∀1# [美 ] 约翰 F 加德纳. 机构动态仿真 � � � 使用 M atlab 和 S imu link [M ] . 周进雄, 张陵, 译. 西安: 西安交 通大学出版社, 2002. ∀2# 薛定宇, 陈阳泉. 基于 M atlab /S imu link的系统仿真技 术与应用 [M ]. 北京: 清华大学出版社, 2002. ∀3# M athWorks Corp. S imM echan ics user�s guide 1� 1 [ M ]. M athWorks Corporation, 2002. ∀4# De lp, Ande rson, A rno ld, Loan, H abib, John, Guend� e lm an, Thelan. OpenS im: Open�source so ftw are to c reate and ana ly ze dynam ic sim ulations o fm ovem ent [ J]. IEEE Transactions on B iom ed ica l Eng ineer ing, 2007, 54 ( 11). ∀5# 韩建海, 则次俊朗. 小型空压机直接驱动型气动位置 控制系统 [ J]. 机械工程学报, 2003, 39 ( 6): 67- 91. (上接第 172页 ) 该机在实际使用过程中发现夹紧液压缸 20夹不 紧弹体, 无法正常工作。经对液压系统进行分析得 知, 图 2中三位四通电磁换向阀 8采用的是 O型滑阀 机能, 其控制腔压力油被封闭, 双向液压锁不能立即 关闭, 直至由于换向阀的内泄使控制压力油泄压后, 双向液压锁才能关闭。这就是造成液压缸 20夹不紧 弹体的原因。所以应改滑阀机能为 Y型或 H型, 才 能在中位时使双向液压锁立即关闭, 活塞停止运动, 起到夹紧保压的作用。改进后再使用该机时再也没有 出现液压缸 20夹不紧弹体的现象, 改进后的液压系 统如图 3所示。 参考文献 ∀1# 雷天觉. 新编液压工程手册 [M ]. 北京: 北京理工 大学出版社, 1998. ∀2# 张利平. 现代液压技术应用 220例 [M ]. 北京: 化 学工业出版社, 2004. ∀3# 路甬祥. 液压气动技术手册 [M ]. 北京: 机械工业 出版社, 2002. ∀4# 杨国平. 工程机械液压系统的故障诊断排除及实例 [M ]. 长沙: 湖南科学技术出版社, 2002. 156 机床与液压 第 37卷