單兵助力外骨骼系統控制方案遺傳算法仿真

李 楊，李回濱，李 仲，管小榮， 徐 誠

(1.泰州學院 船舶與機電工程學院， 江蘇 泰州 225300；2.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

單兵助力外骨骼系統，是一種穿戴于人體，為人體負重提供助力的裝置[1]。可用于在士兵負重行軍時，實時向穿戴者提供行走助力，以降低士兵的行軍負擔，提高行軍效率的裝置[2]。同樣適用于地震災區等運輸困難地區的物資輸送。目前，國內單兵助力外骨骼系統得到了軍方的重大關注。于2015年，總裝備部輕武器論證研究所主辦舉辦了助力無限外骨骼挑戰賽，并計劃于2019年10月舉行第二屆單兵助力外骨骼全國挑戰賽。

在單兵助力外骨骼控制方案方面，美國伯克利大學是較早系統研究助力外骨骼的機構，其樣機BLEEX[3-5]采用了一種新穎的靈敏度放大控制的按方案，此控制方案對傳感器的靈敏度以及結構的動力學模型有極高要求。日本筑波大學研制的HAL[6]樣機采用肌電控制策略，但由于肌電傳感器易脫落并且需要緊貼于人體皮膚，因此難以用于輔助士兵行軍。新加坡南洋理工學院研制的外骨骼樣機[7]采用ZMP控制策略，所實現的外骨骼行走步態與人體相差較大。中國海軍航空工程學院的楊智勇[2]等提出了基于位置內環的直接力控制策略，期望單兵助力外骨骼的廣義接觸力為零。

肌電控制方案及靈敏度放大控制等都是人體運動預判控制方案，也是大多數研究者傾向于采用的單兵助力外骨骼系統控制方案。在我們先期的研究工作中，提出了將人體看作單兵助力外骨骼系統的工作環境，基于電機電流控制環的外骨骼交互力控制方案。通過力控制方式使外骨骼與人體時刻保持較小的交互作用力[8]，并能使系統保證較高的響應速度，從而實現人機協調。但是，通過建模仿真及實驗，研究結果表明，此單兵助力外骨骼傳統交互力控制方案中采用的PI控制器不具備較好的適應性。因此，本文提出使用遺傳算法對單兵助力外骨骼系統傳統PI控制器進行優化。

1 單兵助力外骨骼交互力控制方案

所設計的單兵助力外骨骼交互力控制方法只對力信號進行控制，控制方案原理框圖如圖1所示。當外骨骼與人體運動不一致時，拉壓力傳感器檢測到人機交互作用力并通過PI控制器控制電機轉矩使外骨骼順從于人體的運動，從而實現人機協調運動并保持較小交互作用力。

圖1 外骨骼交互力控制方案原理框圖

1.1 單兵助力外骨骼交互力控制方案仿真模型

根據人機電總體系統模型建立的Simulink仿真模型如圖2所示。模型中外骨骼模型為平面三連桿結構狀態微分方程，電機的控制信號由小臂的交互力信息經由PI控制器處理獲得[9]。

圖2 人機電一體化仿真模型

1.2 單兵助力外骨骼交互力控制方案仿真結果

1.2.1角度偏差

在Simulink仿真模型中設置仿真參數，進行仿真獲得的外骨骼與人體關節角度偏差曲線如圖3、圖4所示。

圖3 低速角度偏差曲線

圖4 高速角度偏差曲線

分析可知，由于是根據低速運動整定的PI控制器參數，因此低速運動時，單兵助力外骨骼能夠較好地匹配人體運動。而當運動速率及幅度提高到高速運動時，外骨骼與人體角度偏差較大，雖然較大仍在勉強接受范圍之內，但必將較大地影響系統性能。

1.2.2驅動轉矩

仿真獲得電機與人體在外骨骼踝關節、膝關節及髖關節的驅動轉矩曲線如圖5～圖8所示。

由圖5～圖8可知，單兵助力外骨骼的關節電機驅動轉矩遠大于人體驅動轉矩。說明外骨骼在背負較重負載行走時，其大部分關節驅動轉矩由電機提供。因此，驗證了此交互力放大控制方案的助力效果。

圖5 低速運動電機驅動轉矩曲線

圖6 低速運動人體驅動轉矩曲線

圖7 高速運動電機驅動轉矩曲線

此外，同樣能夠看出高速運動時控制效果要差很多，說明固定參數的傳統PI控制器應用于外骨骼時沒有較好的工況適應性。因此需對單兵助力外骨骼系統的PI參數進行自適應整定，使其在各種運動工況下都具有較好的控制效果。

2 外骨骼遺傳自適應PI控制器參數整定

外骨骼遺傳自適應PI控制器參數整定步驟如下。

步驟1編碼。定義單兵助力外骨骼PI控制器，比例參數及積分參數染色體編碼如下：

(1)

步驟2產生初始群體。使用隨機函數產生具有不同比例、積分系數的G個個體組成的初始群體。

(2)

(3)

步驟4交叉。采用算術交叉的方法，α為0～1隨機數，交叉后單兵助力外骨骼相鄰的染色體如下：

(4)

定義自適應交叉概率pc如下：

(5)

步驟5變異。選擇單兵助力外骨骼群體中的一個個體i，以一定的概率對選中的個體隨機地改變字符串中某個字符的值，即：

(6)

定義自適應變異概率pm如下：

(7)

步驟6選擇。計算每個個體的適應度值，將當前群體中適應度值高于下代群體中最高適應度的個體復制到下一代，替換下一代中適應度較低的個體。

步驟7收斂判斷。如達到收斂標準，則把適應度值高的字符串作為結果，否則從步驟3重復以上操作。

步驟8解碼。把達到收斂標準的適應度值高的字符串解碼變成實際的單兵助力外骨骼自適應PI控制器的P、I參數。

3 仿真分析

3.1 遺傳自適應PI控制器仿真模型

單兵助力外骨骼遺傳自適應PI控制器仿真模型框圖如圖9，S-Function即為使用程序實現的遺傳自適應算法，外骨骼其他模型不變。

圖9 遺傳自適應PI控制器仿真模型框圖

3.2 角度偏差

將單兵助力外骨骼仿真模型的PI控制器換成遺傳自適應PI控制器，仿真獲得支撐腿外骨骼與人體的關節角度偏差曲線如圖10、圖11所示。

圖10 低速運動關節角度偏差曲線

圖11 高速運動關節角度偏差曲線

3.3 驅動轉矩

由圖12～圖15可以看出，在添加了遺傳自適應算法后，高速運動時人體需要提供的驅動轉矩有一定降低，即降低了人機交互作用力，提高了人體舒適性。

圖12 低速運動電機驅動轉矩曲線

圖13 低速運動人體驅動轉矩曲線

圖14 高速運動電機驅動轉矩曲線

圖15 高速運動人體驅動轉矩曲線

4 結論

通過遺傳自適應算法對單兵助力外骨骼的交互力放大控制方案中的PI控制器進行了優化。通過仿真發現，所設計的遺傳自適應PI控制器能夠使低速運動時的系統特性保持較好，同時還能夠使高速運動時人機交互作用力大幅減小、人體舒適性有所提高。從而說明了所設計的遺傳自適應PI控制器能夠有效提高單兵助力外骨骼系統的環境適應性。