步行器结构与控制系统设计

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1、1 步行器的概述1.1 步行器的定义步行器(walking aids)即为辅助人站立与行走的工具和装置。行走是人类健康的重要标志，也是口常生活中重复最多的动作。近年来随着交通事故和意外损伤的增多，脑血管病患者的相对增加。一旦病情平稳后，改善和恢复步行功能摆到了康复医学的首要位置。另一方面伴随着我国人民生活水平的不断改善，人口老龄化必然出现。由于年迈肌肉力的耐力减弱，需要借助步行器械和矫形器获得安全步态的人越来越多，在临床康复治疗中接受康复治疗的多数患者，在步行的开始就需要借助步行器械和矫形器的支持。有些患者的步行甚至需要终生使用步行器械和矫形器。1.2 步行器的功能 从康复步行器所能实现的功能

2、，可以把其功能分成三个部分：行走功能，减重支撑功能，控制驱动功能1。1.2.1 行走功能 步行器，顾名思义必须要实现行走康复的功能。脊髓损伤使得神经系统失去了对下肢的控制，无法实现正常的行走功能，容易出现一系列的并发症。所以在不伤害下肢体的前提下，借助其他的工具使下肢进行步行等运动，可以促进血液循环，减少肌肉萎缩等并发症，改善患者心情，促进身心康复。 步行系统主要设有一仿人髋关节结构，长腿支柱，脚部，转向系统等主要的机构，可以保汗患者进行简单的步行训练。1.2.2 减重支撑功能 患者长时间不运动或者很少运动，下肢会出现不同程度的萎缩，无法承受整个人体的重量。那么减重支撑功能就是要为患者分担大部

3、分体重的功能，减少人体重量对下肢的压迫，防止下肢关节压迫受伤。 减重支撑系统可以更好地促进、辅助行走功能。步行器对患者的减重支撑的主要有几个部位：腋下的支撑系统对一身体两边起到“托住”的作用，相当于一个拐杖的支撑；膝关节的锁定，减少自由度，大腿小腿连起来组成一个“整体”，此时的骨骼起到了一个支撑作用；骸关节设计处需要“卡住”胯部，以便电机带动骸关节的扭动，这样也起到了一定的减重功能，另外此处设计有比较厚的保护垫，以防患者受伤。1.2.3 控制驱动部分 患者长时间卧床，缺乏锻炼，体力会出现明显下降。如果单纯依靠患者健全上肢的力量来带动下肢运动，患者会比较吃力，并且病人做一个动作的难度是普通人的好

4、几倍。所以需要借助一定的外力与患者共同合作，实现行走功能。控制系统包括微型控制器，驱动电机，传感器，变速箱等，可以使患者实现人机合作，并且简单快捷省力的操作。1.3 步行器的运动方式 对于外骨骼类步行器，一般会采用两种方法进行步态规划。其一就是利用仿人结构。首先研究人体的基本构造，然后简化为机构简图。结合已测出的各个关节的运动曲线，规划和模拟人的步态。其二就是运用数学的方法进行人体的建模。通过对步行器的运动学求解建模，从而得出步行器的步态规划。尤其对于康复类外骨骼，步态的规划是否合理，将极大的影响穿戴者的舒适性，同时也会影响到患者康复的积极性。 在规划步行器行走步态时，应对人体下肢运动关节和主

5、要运动特点进行详细的分析和认知。人类本身是靠双足直立行走，同样步行器也是双足直立行走的运动方式，只是下肢膝关节锁定。本质上，两者在运动原理上是类似的，只不过由于人类的肢体结构比较精细复杂，在行走的过程中可以做很多细节调整，所以动作很灵活流畅；而步行器的结构相对还是比较简单，活动方式也比较机械，所以动作相对也会显得比较僵硬。2 步行器的结构2.1 结构设计的基本理念和功能定位 步行器设计的基本理念和主要特点就是能够实现人机的合作，实现站立和基本的行走训练。即步行器的控制系统与患者本人的参与结合起来，从而使得人机合作更加有效。患者的主动参与，可以促进对患者体力的锻炼，激发起康复训练的积极性，改善患

6、者的心态，从身体和心理促进了患者的康复。 步行器的设计初衷就是要通过患者身体重心的左右摇摆，带动步行器的左右摆动，脚底传感器采集和转换左右摆动的信息，控制器控制电机转动，并且配合患者健全上肢对控制手柄的控制，实现前进、后退和转弯等简单行走，进而达到一个步行康复的目的。2.2 步行器的总体结构一个完整的人体系统不可或缺的三大系统有骨骼肌肉系统，中枢神经系统，能量供给系统。骨骼肌肉系统支撑整个人体的重量，中枢神经系统控制整个人体的运动，能量供给系统提供人体活动的能源，从而实现正常的人体活动。正如人体的三大系统一样，步行器总体结构分为三大系统2（如图1所示）：图1 步行器的结构图2.2.1 机械系统

7、 对截瘫病人而言，机械系统相当于截瘫病人的下肢骨骼，起到支撑整个人体重量和辅助行走的功能，可以看出机械系统的重要性。事实也如此，机械系统如同外骨骼，支撑患者体重，使患者具各一定的行走和站立能力，所以机械系统必不可少。机械系统设计的好坏，直接影响到患者康复的积极性和康复的效果。2.2.2 控制系统 截瘫患者的脊髓损伤，使得神经系统无法控制下肢运动。那么，步行器的控制系统就相当于在执行人体中枢神经的任务，使得下肢运动，对于截瘫患者尤为突出。比较合理的控制系统，可以实现人机的合作，能够节省体力，使得运动非常高效。从身体和心理两方面得到康复，效果更加明显。2.2.3 驱动系统 驱动系统就相当于人体的肌

8、肉和能量供给系统。患者下肢长时间不运动，肌肉就会出现不同程度的萎缩、体力下降等，难以支撑身体和带动身体运动。驱动系统带动腿部运动，从而实现步行训练。所以需要根据设计要求选择合适的驱动方式和电机，以满足截瘫患者的需求。3 步行器控制系统的设计 一个好的控制系统是步行机实现智能化的关键。本控制系统是按照软硬件协同规划方法，严格按照步行机控制体系的物理模型，设计实现具备步行机中各控制层的功能。3.1 控制系统常用方法3.1.1 分散控制系统 分散控制系统 （Distributed Control System）以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代

9、仪表控制系统。DCS是分散控制系统的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。每个子系统只能得到整个系统的一部分信息，只能对系统变量的某个子集进行操作和处理，各自有独立的控制目标3。3.1.2 分布式控制系统 分布式控制系统是由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统 。每个子系统的控制单元是按

10、子系统分布的。系统控制目标分配给个子系统，它们之间可以进行必要的信息交换。3.1.3 阶梯控制系统 各子系统的控制作用是按照一定的优先级和从属关系安排的，由决策单元实现。同级的决策单元可以并行工作，并对下级施加作用，它们又要受到上级的干预，下级各单元可以通过上级交换信息。3.2 步行机的阶梯控制系统结合步行机的性质，并考虑到阶梯控制系统具有层次分明、易于实现的特点，步行机控制系统采用阶梯控制系统设计。按层次可分为：远程命令层、运动规划层和控制实现层。如图2所示：任务下达、实时监控最高级决策 远程命令层 任务 高级 完成 指令信息库 反馈信息融合步行器路径规划 运动规划层 传感器实时传入 任务

11、步态 完成 选择 反馈 指令关节控制器 任务 电机 控制实现层 完成 控制 反馈 指令各电机控制图1 步行机的控制层远程命令层位于体系的最上端，预测生成达到某种程度远距离的步行机应该移动方向、速度、移动姿态等命令，即对整个步行机实施监控和发号口令，进行任务的下达，其由人来控制，该层起到了与控制者之间的接口的作用4。运动规划层是中间级，它一方面接收远程命令层指令，通过信息库进行决策翻译，另一方面通传感器感受外部环境，在不断学习的基础上进行路径规划、决策分析，然后向控制层发送命令。控制实现层处于最下端，负责按照接收的命令完成各个关节的转角信号，控制各足之间的协调工作，形成步态，同时接收传感器信息，

12、进行自我调整，力图使步行机达到稳定。按照这种架构进行分成控制，层次简洁，便于信息传递，提高系统实时性。层次越高所完成的任务越宏观，层次越低完成的任务越具体。从高到底，任务被逐次分解，每层只和相邻的交换信息，下层等待上层规划，上层等待下层完成任务。3.3 步行机控制系统处理器的选择整个系统采用基于ARM+DSP的嵌入式设计。ARM作为机器人运动规划层，主要负责系统路径导航，远程通讯等。该层强调信息分析，所以必须有个操作系统，而且有大量外部信息进入，其接口必须丰富。而DSP是控制实现层，接受ARM指令，按相关协议进行转换，进而对电机进行控制，实现对步行机的运动步态控制5。3.4 步行机控制系统总体

13、结构根据设计初衷，我们采用集中控制方案，即用一个DSP处理器结合若干伺服驱动器对电机进行控制，然后DSP直接与ARM单对单通信。中央控制模块PC运动规划模块ARM运动控制模块DSP伺服驱动器+电机图3 关节集中控制 如图2所示，控制系统分为中央控制模块、运动规划模块、运动控制模块，分别对应远程控制命令层、远程规划层、控制实现层。其中中央控制模块和运动规划模块可划为上位机，而运动控制模块以及下部分划为下位机。上位机进行高层分析及决策，涉及后续步行机合作、步行机图像处理、步行机导航等研究，必须借助高级算法，通过研究智能化控制方法来使步行机具有自主分析能力。比较而言，下位机进行关节控制，形成步态行走，这是整个控制系统软硬件设计要完成的主要目标。结 论 根据控制系统设计的总体要求，在行为分析的基础上提出了递阶分布式的总体控制框架，并对框架中的每一层功能模块划分做了概述。结合步行器实际使用情况，对步行器结构进行了结构与控制系统的分析，运用有限元分析方法，从理论上对不同比例作用力情况下和结构在一定范围移动情况下步行器形变和弯矩相对输出分布进行了分析。其结果为下一步步行器测力系统多传感器位置的选择提供了良好的理论依据，确保多传感器融合的有效进行。介绍了控制系统的总体结构，并分别对伺服控制功能模块和协调控制模块进行了简单介绍。- 7 -