外骨骼足端人機(jī)接觸力測(cè)量裝置研究

鄧 靜，姜文正，高海波，丘世因，李滿天，查富生

(1.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳，518052;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱，150001;3.深圳航天龍海特智能裝備有限公司，廣東 深圳，518052;4.天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院，天津 300072)

0 引言

外骨骼機(jī)器人在康復(fù)醫(yī)療、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域逐漸展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。人機(jī)交互運(yùn)動(dòng)控制是保障穿戴者的動(dòng)作靈活性和舒適性，實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用的關(guān)鍵[1]。

人機(jī)接觸力感知技術(shù)的誕生，極大地拓展了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，基于末端接觸力的隨動(dòng)控制技術(shù)，解決了機(jī)械臂軌跡示教編程問(wèn)題[2]，在醫(yī)療領(lǐng)域，人機(jī)接觸力交互感知，使微創(chuàng)手術(shù)、遠(yuǎn)程手術(shù)成為可能[3]。在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域，人機(jī)接觸力感知技術(shù)使外骨骼與人體之間的交互作用由預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡的模式轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)的力交互模式，從而讓外骨骼能夠適應(yīng)穿戴者復(fù)雜而靈活的動(dòng)作。HIT-LEX[4-5]外骨骼上應(yīng)用了基于人機(jī)接觸力的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜路面環(huán)境下對(duì)人體任意運(yùn)動(dòng)的支持，IT-Knee[6]膝部助力外骨骼，通過(guò)測(cè)量人體足底力，實(shí)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)力矩的求解，從而為外骨骼主動(dòng)輔助人體運(yùn)動(dòng)奠定基礎(chǔ)?？梢?jiàn)，足端人機(jī)接觸力測(cè)量，是解決下肢外骨骼機(jī)器人與人體交互運(yùn)動(dòng)靈活性的關(guān)鍵。

足端人機(jī)接觸力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)主要面臨以下挑戰(zhàn)：首先是足地接觸狀態(tài)復(fù)雜，足跟觸地、腳掌著地和足趾觸地等多種支撐狀態(tài)，以及路面凹凸不平引起的足底支撐點(diǎn)無(wú)規(guī)律變化，對(duì)測(cè)力裝置的適應(yīng)性提出較高要求；其次是人在行走過(guò)程中，趾關(guān)節(jié)存在背屈/跖屈運(yùn)動(dòng)，如果采用剛性鞋底結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致穿戴者趾關(guān)節(jié)無(wú)法彎曲，影響行走穩(wěn)定性和體能消耗[7]；同時(shí)外骨骼機(jī)器人是穿戴式裝備，過(guò)重、過(guò)厚的鞋底嚴(yán)重影響輕便性和靈活性。如何在有限尺寸空間和重量限制下實(shí)現(xiàn)測(cè)力傳感器的集成，同時(shí)盡量提高足力測(cè)量的精度、靈敏度、抗沖擊性和抗零點(diǎn)漂移等，是有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

人體以矢狀面運(yùn)動(dòng)為主，為了避免系統(tǒng)過(guò)于龐雜，絕大多數(shù)外骨骼機(jī)器人僅在矢狀面內(nèi)輔助人體。在矢狀面中，足端接觸力包含豎向力、前后向力、背屈/跖屈力矩共3個(gè)分量。維多利亞大學(xué)研究了基于膜片壓力傳感器的測(cè)力鞋墊[8]，結(jié)構(gòu)輕便，廣泛用于觸地檢測(cè)，但是無(wú)法獲得前后向力，對(duì)于豎向力的測(cè)量準(zhǔn)確度也欠佳。韓國(guó)延世大學(xué)設(shè)計(jì)了整體式測(cè)力鞋底[9]，測(cè)量精度較高，但是整個(gè)剛性鞋底導(dǎo)致趾關(guān)節(jié)無(wú)法彎曲，影響行走舒適性，同時(shí)為了能夠承受足跟著地時(shí)在傳感器上產(chǎn)生的大扭矩，導(dǎo)致傳感器體積大，靈敏度降低。分布式多傳感器測(cè)量方案[10-11]可以避免力傳感器承受過(guò)大的扭矩，同時(shí)可以將鞋底設(shè)計(jì)為柔性體，然而多個(gè)傳感器之間的內(nèi)應(yīng)力可能引起較大的測(cè)量誤差。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究一種適應(yīng)復(fù)雜足地接觸狀態(tài)、靈敏度較高和抗過(guò)載能力較強(qiáng)的足端人機(jī)接觸力測(cè)量裝置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1 足端接觸力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 足端人機(jī)連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

足端人機(jī)連接機(jī)構(gòu)的作用是使測(cè)力裝置牢固連接在人體足端。采取如圖1 所示的連接方式。

圖1 足端人機(jī)連接機(jī)制

將人的足弓視為剛體，在足弓下方設(shè)置1塊硬質(zhì)的碳纖維板，通過(guò)腳背繃帶和腳跟繃帶與足弓連接。足底平面約束3個(gè)自由度，綁帶約束左右平移、前后平移2個(gè)自由度，另外在腳趾處設(shè)置繃帶，配合其他2個(gè)繃帶限制繞小腿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的1個(gè)自由度。通過(guò)上述方式，實(shí)現(xiàn)6自由度全約束。為了避免干擾趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，在趾關(guān)節(jié)下方設(shè)置可撓屈的彈性薄鋼板，通過(guò)薄鋼板撓曲變形來(lái)適應(yīng)趾關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 足底傳感器布置

關(guān)于傳感器布置位置的設(shè)計(jì)，主要考慮對(duì)足底的有效支撐，以及在各種觸地狀態(tài)下足力的有效測(cè)量。

本文采取分布式的多傳感器方案，包含1個(gè)三維力傳感器和2個(gè)一維力傳感器。在足跟下方設(shè)置1個(gè)高過(guò)載裕度的一維力傳感器來(lái)測(cè)量地面對(duì)足跟的支撐力Fz1，該傳感器能直接承受足跟著地過(guò)程的大沖擊載荷。在趾關(guān)節(jié)下方偏后的位置設(shè)置1個(gè)三維力傳感器，該傳感器可獲取豎向支撐力Fz2和前后向支撐力Fx2。足跟離地后，趾關(guān)節(jié)開(kāi)始彎曲，壓力中心轉(zhuǎn)移到趾關(guān)節(jié)和腳趾上，在趾頭下方設(shè)置了一維力傳感器來(lái)測(cè)量足尖下方的地面支反力Fz3。

1.3 傳感器連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了剛?cè)峤Y(jié)合的測(cè)力鞋底結(jié)構(gòu)，如圖2所示。測(cè)力鞋底整體分上下2層，上層鋼板與人足相連，下層鋼板與外骨骼相連，2層鋼板之間通過(guò)力傳感器連接以實(shí)現(xiàn)足力的測(cè)量。足弓下方采用碳纖維板增加剛度，對(duì)足弓形成強(qiáng)有力的支撐。趾關(guān)節(jié)下方的區(qū)域不設(shè)置碳纖維板，當(dāng)趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下2層彈性鋼板通過(guò)柔性撓曲變形來(lái)順應(yīng)。

圖2 測(cè)力鞋底結(jié)構(gòu)

多個(gè)力傳感器同時(shí)測(cè)量同一個(gè)對(duì)象的情況下，如果安裝結(jié)構(gòu)上存在過(guò)約束，則容易引起內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移等測(cè)量誤差。為此在3個(gè)力傳感器的連接結(jié)構(gòu)上增加運(yùn)動(dòng)副，以消除或減少冗余約束：3個(gè)力傳感器的下端都與下層彈性鋼板固連；三維力傳感器的上端通過(guò)1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與上板連接，釋放背屈/跖屈方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束；前后2個(gè)一維力傳感器通過(guò)具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的球鉸鏈和1個(gè)平動(dòng)自由度的滑動(dòng)副連接到上板，使一維力傳感器只承受軸向拉壓力和側(cè)向力，避免對(duì)前后方向力測(cè)量的干擾。腳趾下方的一維力傳感器上的滑動(dòng)副有較長(zhǎng)的滑道，當(dāng)趾關(guān)節(jié)彎曲時(shí)，上下2層彈性鋼板會(huì)出現(xiàn)前后搓動(dòng)，滾針排沿滑道滾動(dòng)，防止運(yùn)動(dòng)干涉，保證趾關(guān)節(jié)的活動(dòng)度。

2 力傳感器信號(hào)處理電路

2.1 低噪聲電源電路

基于橋式應(yīng)變片的力傳感器輸出信號(hào)幅值小，僅有數(shù)毫伏，對(duì)噪聲干擾較為敏感，因此信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)上需嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)噪聲，其中來(lái)自供電電源的噪聲不容忽視。為此，設(shè)計(jì)了超低噪聲的正負(fù)電源模塊，如圖3所示。

圖3 低噪聲電源電路

模塊采用+12 V單電源供電，輸出1路高精度的+5 V，作為力傳感器的激勵(lì)電壓；輸出±7.5 V，為信號(hào)調(diào)理電路中運(yùn)算放大器供電。其中，+5 V、+7.5 V分別由2個(gè)NCV1117線性穩(wěn)壓芯片提供。NCV1117是安森美半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的具有高電源紋波抑制比的線性可調(diào)穩(wěn)壓芯片，對(duì)于頻率小于10 kHz的電源紋波具有60 dB以上的衰減，可以大幅度抑制來(lái)自電源的中低頻噪聲。于此同時(shí)，在NCV1117的輸入端串聯(lián)RC低通濾波電路，抑制頻率為10 kHz以上的高頻紋波，獲得高穩(wěn)定性、超低噪聲的電壓輸出。-7.5 V則是首先通過(guò)LTC3261負(fù)壓發(fā)生器將+12 V轉(zhuǎn)換為-12 V，再通過(guò)LTC1964線性穩(wěn)壓模塊調(diào)整為-7.5 V輸出。LTC3261是凌特公司生產(chǎn)的負(fù)輸出電荷泵，它通過(guò)內(nèi)置的50～500 kHz時(shí)鐘，切換電容的充放電回路，實(shí)現(xiàn)將輸入的正電壓轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)電壓的功能。LT1964則是ADI公司生產(chǎn)的低噪聲可調(diào)負(fù)壓穩(wěn)壓器，可以在10 Hz～100 kHz范圍內(nèi)提供噪聲低于30 μV電壓輸出。

2.2 力傳感器信號(hào)放大電路

本文采用橋式應(yīng)變片力傳感器。應(yīng)變橋輸出信號(hào)幅值小，內(nèi)阻較大，極易受噪聲干擾，同時(shí)橋臂共模電壓對(duì)容易造成輸出零點(diǎn)偏移，此外放大電路與AD轉(zhuǎn)換器之間的地線壓降可能造成測(cè)量誤差。為了獲得高的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了如圖4所示的信號(hào)處理電路。

圖4 力傳感器信號(hào)放大電路

在放大器輸入端設(shè)置1個(gè)由R1、C3、R2構(gòu)成低通濾波器，抑制差模噪聲干擾，同時(shí)通過(guò)C1、C2接地電容抑制共模噪聲干擾。信號(hào)前級(jí)放大器采用AD8222儀表放大器，它具有126 dB的高共模抑制比，可以抑制電橋上約2.5 V的共模電壓對(duì)輸出造成的干擾。電壓增益僅通過(guò)電阻R3設(shè)置，可以根據(jù)傳感器靈敏度、量程和輸出電壓范圍來(lái)做合理取值。輸出端采用精密運(yùn)算放大器OP2177構(gòu)成反向放大器，實(shí)現(xiàn)差分電壓輸出。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，當(dāng)采樣頻率小于被采樣信號(hào)頻率的1/2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量誤差，為此，在輸出端也設(shè)置了RC低通濾波器電路，該濾波器不僅可以抑制高頻噪聲，而且可以防止輸出短路造成運(yùn)算放大器損壞。

3 足端接觸力信號(hào)的解算

為方便計(jì)算，將足底3個(gè)力傳感器獲得的力信號(hào)統(tǒng)一向踝關(guān)節(jié)處合成，如圖5所示。

圖5 足底多個(gè)力傳感器信號(hào)的合成

在前后方向上，只有三維力傳感器獨(dú)立承擔(dān)了水平方向約束力。在豎直方向上，足跟、足弓和足尖下方的3個(gè)力傳感器共同承擔(dān)豎向約束力。在背屈/跖屈轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向上，由于3個(gè)傳感器上均設(shè)置了轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，因此不會(huì)單獨(dú)產(chǎn)生力矩約束，而是由各傳感器的受力，在力作用點(diǎn)相對(duì)與踝關(guān)節(jié)的偏移距離上產(chǎn)生力矩。列靜力平衡方程可得到合成的前后向力Fx、豎向力Fz、背屈/跖屈力矩τy,即

(1)

4 足底力測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)足端人機(jī)接觸力測(cè)量裝置的精度，采用Kistler三維力臺(tái)做對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。Kistler為瑞士出品的三維力臺(tái)，主要用于生物力學(xué)分析、可以獲取足底3個(gè)維度的力、力矩以及壓力中心等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)者體重約80 kg，穿戴足端接觸力測(cè)量裝置樣機(jī)站在三維力臺(tái)上，如圖6所示，通過(guò)不同的運(yùn)動(dòng)，在足端產(chǎn)生作用力。同時(shí)采集三維力臺(tái)和樣機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 足底力測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.1 Fz對(duì)比實(shí)驗(yàn)

足底在豎直方向上的受力主要用于支撐人體重量，在跳躍運(yùn)動(dòng)中，足端受力狀態(tài)復(fù)雜，同時(shí)存在較大的沖擊載荷，因此選擇跳躍運(yùn)動(dòng)來(lái)分析豎向測(cè)力精度。實(shí)驗(yàn)者完成10次跳躍運(yùn)動(dòng)，獲得原始數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 足端接觸力Fz

4.2 Fx對(duì)比實(shí)驗(yàn)

足底在水平方向上的受力可引起人體在水平方向上的加減速，而踏步、跳躍等運(yùn)動(dòng)中足底水平力不顯著。為了使足底產(chǎn)生較大的水平力，采取靜態(tài)施力的方式，即實(shí)驗(yàn)者穿戴測(cè)力鞋站在三維力臺(tái)上，保持足底與力臺(tái)接觸，在不移動(dòng)足底的情況下，通過(guò)擺腿，向足底施加前后向力，獲得數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 足端接觸力Fx

4.3 τy對(duì)比實(shí)驗(yàn)

足底背屈/跖屈力矩主要有足底壓力中心移動(dòng)引起。伸蹲過(guò)程中，軀干前傾可引起較大的足底支反力矩，因此選擇伸蹲運(yùn)動(dòng)來(lái)分析背屈/跖屈力矩測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)者穿戴足端人機(jī)接觸力測(cè)量裝置站在三維力臺(tái)完成5次伸蹲，獲得數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 足端接觸力矩τy

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：足端人機(jī)接觸力測(cè)量裝置獲得的力/力矩曲線平滑，未出現(xiàn)大的噪聲干擾，信噪比良好；實(shí)測(cè)曲線與三維力臺(tái)數(shù)據(jù)曲線高度吻合，體現(xiàn)出良好的測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)性能；在跳躍時(shí)的劇烈沖擊和復(fù)雜的足端接觸狀態(tài)下仍獲得較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，體現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和抗沖擊性。

Fz實(shí)驗(yàn)中，足部騰空后，三維力臺(tái)的數(shù)據(jù)降為0，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)小的負(fù)值，該誤差應(yīng)該是由鞋底和自重引起；受力較大的情況下，曲線局部出現(xiàn)一定的偏差，應(yīng)該是由碳纖維板的撓曲變形，以及運(yùn)動(dòng)副的摩擦力引起，這種差異隨足端受力的減小而減小，不會(huì)引起顯著的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。

5 原地跑過(guò)程的足底力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

左、右足的實(shí)測(cè)足底力傳感器數(shù)據(jù)以及映射到踝關(guān)節(jié)處的合力如圖10所示。原地跑的過(guò)程中，腳趾先著地， 因此腳趾下方的力傳感器輸出信號(hào)Fz3先上升，而后支撐力主要轉(zhuǎn)移到趾關(guān)節(jié)下方，當(dāng)足跟下方的力傳感器信號(hào)Fz1上升時(shí)，說(shuō)明人的整個(gè)腳掌都著地，此后完成蹬地起跳過(guò)程，足力在豎直方向的合力顯著高于人體重力，使身體向上加速躍起直至足尖離地后足力整體降為接近0。由于測(cè)力裝置自重，在擺動(dòng)相階段豎直方向足力為負(fù)?？梢?jiàn)本足力測(cè)量裝置能較好地適應(yīng)足的不同觸地狀態(tài)，而且在支撐相和擺動(dòng)相階段都能夠獲取人的足端接觸力。

圖10 原地跑時(shí)的足端接觸力

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)外骨骼應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了足端人機(jī)接觸力測(cè)量裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了功能指標(biāo)與需求匹配，技術(shù)指標(biāo)良好。分布式的傳感器布置方案，配合用于消除傳感器之間內(nèi)應(yīng)力的機(jī)構(gòu)，可以獲得較高的測(cè)力靈敏度和抗過(guò)載能力；剛?cè)峤Y(jié)合的鞋底結(jié)構(gòu)可以較好地適應(yīng)趾關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)；各通道相互獨(dú)立的放大電路，結(jié)合程序化的多傳感器信號(hào)合成方案，解決了冗余測(cè)量和統(tǒng)一基準(zhǔn)問(wèn)題。