膝關節外骨骼綜合測試系統設計與實現

劉家倫，周世通，劉宏偉，劉旭亮，尹業成

(北京精密機電控制設備研究所 航天伺服驅動與傳動技術試驗室，北京 100076)

0 引言

膝關節外骨骼機器人是一種智能可穿戴設備。它由人體穿戴和控制，能夠感應人體姿態及行動意圖，輔助執行人體的膝關節運動動作，增強穿戴者的體能和力量[1-2]。

膝關節外骨骼系統綜合測試系統(下簡稱外骨骼測試儀)作為一種外骨骼系統的測試設備，需要對外骨骼的功能及性能進行完整測試，以確定所研制的外骨骼產品各個性能指標是否滿足使用要求。下文從實際需求出發，首先對膝關節外骨骼的測試需求進行研究，后根據外骨骼產品測試需求，對膝關節外骨骼綜合測試系統的總體架構及測試方法進行設計與研究[3-5]。

1 膝關節外骨骼測試系統功能需求

膝關節外骨骼作為一種機電設備，其本身具有一些關鍵電性能參數及數據需要監測，如輸入電壓、電流、分支電流、控制器溫度、開關狀態、腳底壓力狀態等等。此外，為了監控外骨骼的實時狀態，并在出現故障時第一時間發現故障點，外骨骼系統控制器的軟件運行時產生的指令及數據也同樣有監測的必要，所以，外骨骼測試系統需要能夠實時監測外骨骼的關鍵電性能參數以及軟件數據，這是該測試系統所必要的基礎功能[6-7]。

膝關節外骨骼作為一種智能可穿戴助力設備，助力效率為判斷產品性能好壞的主要指標，助力效率越高，則穿戴者在行走、爬坡或爬樓過程中自身需要出力越小，穿戴體驗越好。所以，助力效率應為膝關節外骨骼系統的一項重要測試的指標[8-10]。

穿戴舒適度也可以作為判斷外骨骼系統性能好壞的一項主要指標，穿戴舒適度主要可分為兩部分，第一部分為外骨骼綁縛結構的舒適度，即穿戴者身穿外骨骼時，外骨骼自身結構方面因素對穿戴者的舒適度造成的影響，此部分通常需穿戴者主觀判斷，較難使用測試設備實際測量。影響穿戴舒適度的另外一個因素為運動感知系統，當穿戴者在運動時，外骨骼產品的運動感知系統是否能夠及時感知穿戴者的運動意圖，并提供助力，如果能夠及時、準確地感知到運動意圖，則外骨骼能夠為穿戴者提供助力，提升舒適度，反之，如果運動感知系統在很多時候無法感知穿戴者的運動意圖，則外骨骼很可能在該種狀態下無法助力甚至產生阻力，此時會大幅降低穿戴者的舒適感[11-13]。

外骨骼系統作為一種長時間工作的設備，其工作壽命也同樣為其較為主要的指標，是否能夠長時間、高可靠的穩定為穿戴者助力，也是衡量外骨骼產品性能好壞的一項主要標準。

除以上系統級測試科目外，外骨骼關鍵電氣組件的性能測試也同樣重要，膝關節外骨骼系統通常使用伺服驅動器驅動伺服電機作為膝關節關節位置動力原件，則伺服驅動器及伺服電機的性能好壞，同樣影響著外骨骼系統的性能[14]。

綜上所述，膝關節外骨骼系統的測試需求主要由如下幾個方面：

1)可監測膝關節外骨骼關鍵電氣及軟件數據并實時存儲；

2)可完成膝關節外骨骼系統助力效率測試；

3)可完成膝關節外骨骼系統穿戴舒適度測試；

4)可完成膝關節外骨骼系統的壽命測試；

5)可完成外骨骼系統關節伺服驅動部分的伺服驅動器及伺服電機性能測試。

2 膝關節外骨骼綜合測試系統架構設計

外骨骼綜合測試系統(簡稱外骨骼測試儀)主要由計算機系統、數據采集適配箱、模擬負載臺組成，結構如圖1所示。

圖1 外骨骼綜合測試儀結構框圖

外骨骼測試儀具備模擬輸入接口、CAN總線接口、422接口、EtherCAT總線接口、I/O口等，工業控制計算機還應支持WIFI通信，測試儀通過CAN總線、RS422總線或WIFI向外骨骼發送控制指令，通過EtherCAT總線向模擬負載臺發送負載扭矩指令，外骨骼系統帶動具有負載特性的模擬負載臺轉動并完成閉環控制。外骨骼測試儀可根據試驗需求采集模擬負載臺上傳的轉矩、轉速、角位置信號，并發送或接收時間同步信號，接收外骨骼遙測信號，試驗數據顯示在工控機上位機軟件中[15-17]。

同時，外骨骼測試儀上位機軟件還應兼容指定外部測量設備的數據處理，并將該數據與遙測數據、測試數據及負載臺數據按照時鐘同步格式同步儲存及展示。

3 電氣硬件、模擬負載臺架構設計及軟件要求

3.1 電氣硬件架構設計

3.1.1 工業控制計算機

1)采用嵌入式工控機或柜式工控機形式，外接23寸顯示器；

2)除EtherCAT總線接口外具有一路或以上以太網口；

3)內置高速穩定的無線wifi網卡，支持Wi-Fi @2.4 GHz 802.11b/g/n及5 GHz 802.11ac無線標準。

3.1.2 EtherCAT總線通信設備

1)工業控制計算機為EtherCAT主模式，其他設備為從模式；

2)總線連接方式支持環型、線型或星型總線連接；

3)需配備用于星型總線連接的EtherCAT中繼器，接口數量≥4；

4)測試儀內部同步信號由EtherCAT網絡控制數據采集適配箱的模擬輸出模塊發起， Xsens專用測試設備接收到同步信號后開始工作。

3.1.3 CAN通信要求及RS-422通信

1)CAN總線傳輸滿足1 Mbps波特率要求；

2)可設置總線匹配電阻分別為0 Ω、60 Ω和120 Ω；

3)配套相關CAN總線接口電纜；

4)具有標準RS-422接口，支持同步422及異步422通信，最大通信速率10 Mbps。

3.1.4 數據采集及信號發生功能設計

外骨骼測試儀的模擬數據采集及信號發生原理如圖2所示，所設計的數據采集適配箱負責采集所有可能的模擬信號，發送外骨骼控制數據并接收遙測數據，通過EtherCAT總線發送至上位機，從而實現外骨骼遙測遙控、模擬信號采集等。

圖2 數據采集及信號發生原理框圖

同時，數據采集適配器負責時間同步信號的對外發送或對內接收，支持外部設備同步信號接收(上升沿電平)，實現測試儀測試數據與外部測試設備測試數據時間同步。

3.2 模擬負載臺設計

模擬負載臺主要包括假腿工裝及扭矩負載臺兩部分，用于測試外骨骼系統的疲勞強度、結構強度、整機控制響應特性等，通過將外骨骼系統綁縛到假腿工裝上，并帶動具有負載特性的假腿工裝轉動并閉環控制，實現相應的測試科目。模擬負載臺如圖3所示。

圖3 模擬負載臺裝配示意圖

3.2.1 假腿工裝架構設計

假腿轉軸處與負載臺轉子使用推力軸承連接，從而推力軸承下端可隨負載臺轉子轉動，推力軸承上端與外骨骼關節電機外部相連，假腿大腿末端與大地固連，小腿末端與負載臺轉子固連。從而關節電機外部轉動部分(若外部是與小腿相連而非大腿綁縛)可以通過外骨骼小腿綁縛帶動小腿在有負載轉矩的情況下轉動，在轉動時大腿綁縛與小腿綁縛均傳遞力矩，從而可以完成外骨骼系統的壽命測試以及關節驅動部分特性測試。

3.2.2 扭矩負載臺設計要求

扭矩負載臺與常用的伺服系統扭矩負載臺類似，負責輸出負載扭矩，測試關節助力性能。所不同的是為了方便外骨骼系統在無重力附加扭矩的條件下測試，其負載轉軸軸向方向為垂直于鉛垂線，而非較常見的水平線。

3.2.3 假腿工裝及負載臺三維模型詳細設計

假腿工裝及扭矩負載臺詳細設計三維模型如圖4所示。

圖4 擬負載臺三維模型

3.3 上位機軟件架構

外骨骼測試儀采用單臺計算機測控方式，實現對外骨骼系統及負載臺的模式參數指令下發、基本參數讀取和下發、數據采集及顯示。軟件同時也應具有MicroSD卡數據讀取及曲線展示功能。當測試軟件用于實時測試時，需具有數據儲存功能，方便后續數據分析。

該上位機軟件可應用于工作壽命測試、助力效率測試、穿戴舒適度測試、單機或整機關節伺服驅動響應特性測試等，亦可用于穿戴外骨骼進行短距離運動試驗時的遙測遙控及數據顯示記錄。

4 測試科目及測試方法

本章從常規參數測試、主力效率及舒適度測試、壽命測試、關節驅動特性測試4個方面，描述膝關節外骨骼使用該測試系統進行各個科目測試時的測試方法。

4.1 常規參數測試

常規參數測試主要依靠測試儀與外骨骼實時通信的遙測數據，外骨骼在工作過程中將給測試儀發送遙測數據，并將將內部監測到的相關參數及軟件數據發給測試儀實時記錄，通信方式可以為RS422、CAN總線或WIFI。

4.2 外骨骼系統助力效率及穿戴舒適度測試

此部分測試需要借助Xsens專用測試設備與外骨骼測試儀共同配合使用。Xsens專用測試設備可以檢測人體姿態并設計人力關節動力學模型，通過人體重量、身高等相關參數輸入以及Xsens系統自帶的光捕系統及足底壓力采集系統，可準確計算出人體在不同姿態下膝關節需要輸出的總關節扭矩Tz。膝關節外骨骼系統使用伺服電機作為助力動力源，其電機輸出扭矩Tdj與電流Idj成正比，電流Idj可通過測試儀測出，比例系數k可通過其他專用設備測得或由電機廠家提供，假設比例系數為k，則助力效率Pz計算公式為：

膝關節外骨骼的助力控制基于設備內部的運動感知系統，內部運動感知系統測試出人體當前姿態以及預測未來姿態后將數據傳入系統控制器，由控制器控制膝關節伺服電機進行助力動作，所以其運動感知系統直接影響外骨骼穿戴者的舒適度。設計外骨骼將其運動感知系統測得的當前姿態數據實時回傳到測試儀，并與Xsens系統測得的人體姿態數據在同一波形圖中進行對比，則可從該波形圖中感知系統測得的姿態曲線與Xsens系統測得的姿態曲線偏差程度估算出膝關節外骨骼的助力舒適度。

助力效率測試及舒適度測試硬件如圖5所示。

圖5 助力效率測試框圖

如圖5，工業控制計算機接收到Xsens時鐘同步信號后控制數據采集適配箱對外骨骼下發開始運動控制指令，并實時接收遙測數據，穿戴外骨骼的實驗人員開始進行運動測試，在運動測試期間，上位機軟件僅采集外骨骼遙測信號，Xsens設備測試數據通過網口傳輸到另一便攜式工控機中。測試完成后，使用便攜式工控機或綜合測試儀工控機通過專用軟件處理Xsens的設備數據，并導入到測試儀上位機軟件中，得到Xsens測得的姿態及動力學模型數據，上位機通過該數據與遙測得到的對應數據比較，從而可得整個運動過程中的助力效率曲線及助力舒適度曲線。

4.3 外骨骼系統壽命測試

外骨骼系統壽命測試需使用4.2節中提出的模擬負載臺、工業計算機以及數據采集適配箱，進行壽命測試時，外骨骼綁縛在模擬負載臺上，設計負載臺為被動扭矩輸出，恒定扭矩，外骨骼帶動負載臺做往復運動，測試其可正常工作時間，從而測試外骨骼的工作壽命指標。外骨骼系統壽命高低使用兩個參數進行考核。第一個參數為當外骨骼綁縛在模擬負載臺上時，外骨骼的力傳遞效率PL，第二個參數為間隙值Ljx。

4.3.1 力傳遞效率

由于綁縛結構的變形程度、損壞程度等因素影響，外骨骼綁縛在負載臺上時，其輸出力矩無法完全傳遞至負載臺上，當綁縛結構的變形程度較大甚至損壞時，可能會對力傳遞效率造成更大的影響。所以，外骨骼帶動負載臺做往復擺動測試時，測試其力傳遞效率變化情況，并設置判定值，當力傳遞效率超過判定值時，則判定外骨骼結構已達到其疲勞壽命。

設伺服電機輸入電流為Iin，輸入電壓為Vin，輸入功率為Pin,負載臺扭矩為Tfzt，轉速為ω，負載臺承受功率為Pfzt，則力傳遞效率計算公式：

式中，輸入電流、輸入電壓、負載臺轉矩、轉速均可直接測得。

4.3.2 間隙值

外骨骼綁縛結構在長時間工作時可能會增大撓曲變形，或個別綁縛結構斷裂，類似情況出現時，會出現外骨骼結構與負載臺工裝間隙增大，故間隙值也可以作為判定外骨骼疲勞壽命的標準。間隙值測量方式為：

間隙值=|負載臺角位置-關節電機角度值|

其中：負載臺角位置可以直接通過負載臺內置角度測量傳感器得到，關節電機的角度值可以通過電機角度測量裝置得到，通過測試儀監測兩個值的差值絕對值，及可得到間隙值Ljx。

4.3.3 硬件架構及測試方法

硬件連接圖如圖6。在模擬負載臺的假腿工裝上綁縛外骨骼，假腿帶固定載荷，測試特定運動狀態下，外骨骼工作壽命。工作壽命以力傳遞效率和結構綁縛間隙為考核，當力傳遞效率或結構綁縛間隙達到設定數值時，運動停止，計算工作時間。力傳遞效率需檢測關節機構輸出功率，假腿負載臺輸入功率，計算效率。結構綁縛間隙需檢測外骨骼關節機構角度，假腿負載臺角度，計算間隙。

圖6 壽命測試結構框圖

預先設置負載裝置加載力傳遞效率和結構綁縛間隙失效值。測試儀發出運動控制指令并開始計時，采集遙測數據中的母線電壓、電流，計算輸入功率。采集假腿加載端轉矩、轉速(勻速狀態下)，計算輸出功率，計算效率與失效值對比。采集遙測信息中的關節機構角度數據，采集負載臺角度值，計算角度偏差，與失效值對比。

4.4 外骨骼關節驅動部分特性測試

關節驅動特性測試的目的為測試伺服電機的性能，可主要分為兩類，第一類為關節電機單機測試，第二類為外骨骼系統測試，兩類測試的不同點是有無假腿工裝及綁縛結構，但測試科目基本相同，故合并在本小節進行說明。

4.4.1 測試設備連接框圖

測試設備連接框圖如圖7，測試儀下發控制信號后，外骨骼系統或外骨骼驅動器根據控制信號執行響應動作，測試儀采集位置、速度、電流情況，并與發出的指令進行對比，從而得出功率驅動部分的控制特性。

圖7 關節驅動響應特性測試連接框圖

關節驅動部分特性測試主要分為速度環特性、電流環特性、暫態特性以及頻率特性。

4.4.2 速度環特性測試

4.4.2.1 測試設備

外骨骼系統、外骨骼綜合測試儀

4.4.2.2 測試儀下發數據

速度模式指令，方波或階躍速度信號，扭矩設定值

4.4.2.3 測試儀采集數據

負載臺轉速、負載臺轉矩，遙測信號中的轉速值、三相電流、三相電壓、母線電流、母線電壓，示波器在同步狀態下測試指定電流、電壓值。

4.4.2.4 測試方法

外骨骼系統或關節電機工作在速度模式時，設定負載扭矩后，給驅動器輸入速度階躍、方波或正弦信號，信號幅值、頻率、周期可調，采樣頻率默認為1 kHz。在上位機軟件中顯示原始指令信號，測試儀測得的速度信號，以及外骨骼系統遙測數據反饋的速度信號，三路信號在同一實時示波器中顯示，對比觀察控制系統的上升時間、下降時間、超調量、穩態誤差等數據。

4.4.3 電流環特性測試

4.4.3.1 測試設備

外骨骼系統、外骨骼綜合測試儀。

4.4.3.2 測試儀下發數據

電流環模式及參數指令，扭矩設定值。

4.4.3.3 測試儀采集數據

負載臺轉速、負載臺轉矩、遙測信號中的轉速值，遙測信號中的驅動器電流值、三相電流值、控制指令值、關節轉速值。外部示波器在時間同步的情況下采集三相或母線的電流及電壓值。

4.4.3.4 測試方法

外骨骼系統或關節機構工作在電流環模式，設定負載扭矩后，給驅動器輸入電流方波信號、正弦信號或階躍信號，信號幅值、頻率、周期可調，電流及電壓采樣頻率默認為1 MHz。在上位機軟件中顯示原始信號，外骨骼系統遙測數據反饋的電流信號，兩路信號在同一實時示波器中顯示，對比觀察控制系統的上升時間、下降時間、超調量、穩態誤差等數據。

4.4.4 暫態特性

4.4.4.1 測試方法

外骨骼系統工作在位置模式時，給關節機構輸入位置方波、正弦或階躍信號，信號幅值、頻率、周期可調，采樣頻率默認為1 kHz。顯示上升時間、平均速度、最大速度等數據[18]。

4.4.4.2 數據處理要求

圖8 暫態特性

圖中：h(∞)為響應終值；0.1h(∞)指響應終值10%；0.9h(∞)指響應終值90%；h(tp)為響應最大值。

1)上升時間tr：

上升時間反應的是跟蹤輸入的快慢，它指的是單位階躍響應從穩態值的10%上升至穩態值的90%所需的時間。

3)最大速度Ωmax：

在暫態特性的反饋曲線中，以固定步長Δt(本系統取50 ms)，計算該步長下的最大位置變化Δhmax，可得最大速度為：

4.4.5 頻率特性

輸入信號為位置、速度或電流正弦信號，幅值、負載扭矩可調，測試0.5～50 Hz頻率下的頻率特性，每個周期正弦信號采樣點≥20，信號采樣頻率10 kHz,根據負載臺反饋的角度值、角速度值，基于輸入信號指令處理出幅頻特性和相頻特性圖，并可計算出幅頻寬(-3 dB)、相頻寬(-45°)、諧振頻率和諧振峰值等技術指標[19]。

5 測試驗證

根據上文設計的膝關節外骨骼測試系統架構，設計得到外骨骼測試儀原理樣機[20]，其常規參數及速度模式特性測試界面如圖9所示。

圖9 外骨骼測試儀原理樣機測試界面圖(常規參數及速度模式)

如圖9所示，測試儀中左部分為狀態監測、模式選擇、參數讀取、數據保存等功能。能夠實時監測外骨骼系統關鍵參數，并能夠進行不同測試模式的選擇。右側部分為實時示波器，可以根據需求選擇不同的參數進行展示或隱藏。右側偏下部分為實時姿態監測以及腳底壓力監測，可以為助力效率及穿戴舒適度測試提供數據支撐。

助力效率測試界面如圖10所示。通過輸入過人體重量、身高等參數，借助外部同步的Xsen數據，可實時計算出外骨骼助力效率。測試過程中，還支持部分參數實時配置。

圖10 外骨骼測試儀原理樣機測試界面圖(助力效率測試)

6 結束語

本文基于膝關節外骨骼機器人的功能特性，首先對膝關節外骨骼系統的測試需求進行了研究，得出了基本數據監測、助力效率、穿戴舒適度、壽命、驅動器及關節電機性能五項基本的測試科目，后基于上述測試科目，對測試系統的電氣硬件、模擬負載臺以及上位機軟件進行了架構設計，最后，對所有測試科目的測試方法進行了研究，基于測試科目、測試架構以及測試方法，對測試系統的軟硬件進行了詳細設計及驗證。通過驗證結果表明，該測試系統符合膝關節外骨骼系統的測試需求，對于外骨骼類產品的系統測試具有一定借鑒意義。