舉升力動態控制的電液輔助坐墊設計

倪晨超 李毅康 勞立明

（臺州學院 航空工程學院，臺州 318000）

老年人由于肌肉萎縮下肢力量較弱，普遍存在從座椅上起身困難的問題，對生活質量有較大影響。此外，部分下肢創傷患者在完全康復前也需要護理人員提供起身輔助。

不少學者研發了具有輔助起身功能的老年椅或者坐墊，并從起立動作分析[1]、輔助機構運動學分析[2]以及結構設計[3]等方面展開研究。這些設計通常未考慮起身過程所需支撐力的動態變化，以實現起身運動軌跡為主要目標，造成使用者在起身過程中的強迫感，甚至造成恐慌心理。論文討論了一種以舉升力控制為目標，能夠適應起身時膝關節力矩需求的輔助坐墊，與起身過程匹配良好。

1 坐姿起身的膝關節力矩

輔助坐墊的結構及控制設計需要獲得人體起身過程中的膝關節力矩。本文采用測量起身過程中的關節角度，通過人體模型的動力學逆解求解關節力矩[4]。

1.1 關節角度測量

關節角度測量采用3個慣性傳感器，分別綁在實驗者的小腿、大腿和腹部，隨起身過程中軀干的運動而發生角度變化，如圖1所示。3個慣性傳感器通過Modbus總線連接，電腦上位機軟件能實時采集并保存傳感器角度值。

圖1 關節角度測量

自下而上3個傳感器角度值分別為θ1、θ2和θ3。踝關節轉角變化為θ1，膝關節轉角變化為θ2-θ1，髖關節轉角變化為θ3-θ2。關節轉角測量值如圖2所示。

1.2 膝關節力矩估計

SolidWorks motion是以ADAMS為內核的三維運動與動力學仿真插件。在三維軟件中建立仿真人體模型，模型人身高為175 cm，質量為65 kg，仿真結果如圖3所示。

圖2 關節角度變化數據

圖3 SolidWorks仿真人體模型

仿真分析過程如下：

（1）設置仿真人初始位置為落座姿態，添加踝關節、膝關節和髖關節處的“馬達”，馬達角位移按圖2測得數據給定；

（2）設置腳底面和其他部位不動，并添加重力場；

（3）SolidWorks解算人體從坐姿起身的膝關節處馬達扭矩。

起身過程膝關節動態力矩如圖4所示。可見，初始階段所需要的膝關節力矩最大約36 N·m，起身完成時所需的膝關節力矩較小，起身困難出現在初期階段。

2 坐墊結構及電液驅動設計

2.1 坐墊結構設計

坐姿起身過程中，臀部運動是平移和旋轉的復合運動。現有大部分起身坐墊只能實現單一旋轉運動，與起身過程不匹配。

圖4 膝關節力矩仿真結果

新型坐墊機械結構如圖5所示，主要包括底座、坐板、可調支架桿和驅動油缸4部分。底座提供基礎支撐，并容納驅動油缸和控制電路。坐板支撐臀部，實現旋轉和平移的復合運動。可調支架桿通過銷釘在調節孔處與另一支架桿配對鉸接。油缸驅動坐板抬升。

圖5 坐墊機械結構

該結構在傳統剪叉式升降機構上進行創新，把固定居中的支架鉸接點重新設計為可調且偏置的。選擇合適的孔位，在銷釘約束下坐墊將向斜上方抬起，呈現為平移和翻轉的復合運動，更加符合人體起身姿態。

2.2 電液驅動設計

坐板舉升由液壓缸推動，推力受液壓壓強控制。通過控制進入密閉容腔的油液流量調節液壓壓強，相對剛度小于電動推桿，具有更好的控制效果。

電液系統如圖6所示，主要包括直流無刷電機、微型齒輪泵、溢流閥、換向閥、壓力傳感器和微型油缸。直流電機由電機控制器動態調節轉速，并驅動微型齒輪泵變轉速工作。轉速越高，泵輸出油液流量越大。換向閥得電時，油路接通，泵輸出油液通過進入液壓缸的無桿腔。通過控制液壓缸無桿腔壓強，可調節坐墊舉升力大小。

圖6 電液驅動系統

3 控制系統設計

3.1 控制硬件電路

控制電路元器件包括Arduino UNO控制板、電機控制器、壓力傳感器和位移傳感器等，硬件結構如圖7所示。Arduino UNO為低成本的主控板。電機控制器接收Arduino UNO輸出的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號并調節電機轉速。壓力傳感器測量油腔壓強，位移傳感器測量液壓缸位移。

圖7 控制系統硬件結構

3.2 控制策略

壓強控制程序在Arduino UNO中編寫，通過調用庫文件，Arduino UNO工作在定時中斷模式。每隔5 ms讀取傳感器數據并輸出控制，過程如下：讀取當前坐板傾角θ，計算當前液壓缸目標壓強pd；讀取液壓缸當前壓強值p，計算與目標壓強的控制誤差e；讀取液壓缸位移值，微分獲得液壓缸速度v，提供補償信號；由壓強控制誤差e和液壓缸速度v計算得到電機轉速控制指令u并輸出。

3.2.1 液壓缸目標壓力

在起身前期，坐板轉角θ和膝關節轉角近似相等。膝關節力矩近似表示為坐板轉角的函數Tx(θ)。設坐墊輔助系數為α，則提供的輔助力矩Tf(θ)為：

液壓缸舉升力乘以支撐力臂即為輔助力矩：

于是，液壓缸的目標壓強pd即為：

式中：Ap為液壓缸活塞面積；L為油缸支撐力臂長度。

3.2.2 壓強控制算法

壓強控制算法是坐墊性能的關鍵。已有研究主要討論了液壓壓強控制算法，包括PI控制[5]、模糊控制[6]等。受限于Arduino UNO的CPU算力，本文采用計算量較小的P控制方法。同時，為提高壓力控制精度，本文參考Kim等提出的速度補償算法[7]，算法框圖如圖8所示。其中：D為液壓泵排量；KF和Kω分別為壓強和速度比例系數。

圖8 控制算法框圖

液壓缸速度v由位移微分獲得，速度相關補償量為：

最終，直流無刷電機轉速控制信號為：

4 實驗與分析

如圖9所示，制作了輔助坐墊實物樣機，并開展坐墊樣機的使用性能測試。測試員通過控制自身膝關節施加力量，分成較不使力（工況1）、一般使力（工況2）、較為使力（工況3）這3種工況，模擬不同用戶下的輔助坐墊性能。力矩補償系數α設為0.5，即坐墊提供50%起身所需力矩。坐墊及控制器參數如表1所示。

圖9 輔助坐墊樣機

表1 坐墊及控制器參數

實驗測得的壓強曲線如圖10所示。可見：當用戶自身膝關節使力較小時（工況1），坐板不足以推動用戶起身，坐板位置保持不變，油缸壓強維持在最大目標壓強值6 MPa；當用戶自身膝關節力與調定的輔助系數相匹配時（工況2），坐板能始終緊貼用戶臀部，油缸壓強基本能跟隨設定的目標壓強值變化，實現了良好的輔助起身效果；當用戶自身膝關節施力較大時（工況3），壓強下降較大但仍能提供一定推力。

圖10 不同工況下的壓強曲線

分析結果表明，舉升力動態控制輔助坐墊能有效幫助用戶起身，且能適應不同膝關節力量的用戶。當膝關節力量較弱時，坐墊不會主動推動用戶起身，避免造成心理恐慌。只有當膝關節出力達到一定程度時，輔助坐墊才會跟隨使用者臀部運動，并提供一定的輔助力。

5 結語

本文通過起身時膝關節力矩估計、舉升機構創新設計以及速度補償壓強控制實施等，實現了舉升力動態控制的輔助坐墊設計。后續工作中，將對輔助坐墊的結構集成化設計、壓強控制算法智能適應以及采用EMG信號效果評估等方面開展持續研究，進一步擴展坐墊的實用性。