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user: 3. 机器人方案设计与控制 本研究的重点为估测出使用者的意图来进行适当的辅助的同时，消除由重力在机构上的影响而让使用者不需要额外负担过多来自机构的重量，并配合用户脚底所装置的压力传感器所测量到的数值来进行平衡修正，来达到辅助行走并保持平衡的目标。 本项目硬件初步设计如图16~18，控制系统架构如图9所示，此架构图主要分成三个部分，分别为使用者的外力估测，使用者平衡状态估测，辅助力矩的产生。首先需要得到使用者所施的外力，之后用使用者所施的外力矩和电机所施的状态来比较并推论出使用者的意图，接着透过辅助力产生控制策略将电机信息和用户的意图转换成需要辅助的力矩和补偿机构重量的力矩，并配合由压力传感器侦测到的用户重心位置产生的重心平衡的修正力矩，三者力量经过运算后，产生出辅助或平衡使用者的力矩。 图9. 控制系统架构图 假设 T e x t 为使用者所施的外力矩， T m 为电动机所施的力矩，J为转动惯量， α 为角加速度，D为阻尼， ϖ 为角速度， 为重力作用在机构上的力矩，f为电动机转动时的摩擦力矩。 3.1. 外力估测 使用动态模型来估测用户的外力，模型架构如图10，建构流程主要分成两个部分，分别是动态模型的建构与参数估算。 图10. 使用者外力估测架构图 为了得到使用者所施的外力矩，在此动态模型中， T m 可以藉由电动机的电流传感器所测量的电流大小并配合电动机本身的电流对应力矩的转换系数而求得， α 和 ϖ 可以经由电动机的轴编码器求出，通过参数再计算出D、 T g 和f即可经由式(1)来求得使用者所施的外力矩。 T e x t = J α + D ϖ + T g + f − T m (1) 3.2. 使用者平衡状态估测 本项目估测使用者平衡状态的架构图如图11，主要分成计算用户的重心位置，和估算用户的平衡状态。为了测量使用者重心，我们在每个下肢外骨骼机器人的脚底板上放置4个压力传感器(图12)来测量使用者行走和站立时的压力，本研究所使用的压力传感器为的A201型压力传感器，其特色为价钱低廉但有一定的稳定性，此压力传感器可视为可变电阻，其电阻值会随着受到的压力而改变，因此在使用前需要对压力传感器进行校正，即测试负荷重量对应其电压的关系图，其电路如图13所示，利用读取Arduino的模拟输入孔讯号，取得放置不同负荷重量而量测到的压力传感器电压差，并获取压力对应量测电压的关系。 图11. 使用者平衡状态的架构图 图12. 足底分别放置4个A201压力传感器 图13. 压力传感器测量电路 为计算出用户重心位置(Center of Pressure)，我们将8个压力传感器所测量到对应的压力，经过式(2计算出使用者横向重心(COPX)和使用者纵向重心(COPY)，其中 ( x n ， y n ) 为第n个压力传感器的位置， F n 为第n个压力传感器的负荷重量。 { C O P X = ( ∑ n = 1 8 X n × F n ) / F n C O P Y = ( ∑ n = 1 8 Y n × F n ) / F n (2) 使用者的平衡状态估测主要是利用使用者的重心来估测，我们通过测量当使用者在正常行走时的重心位置分布和尝试失衡时重心来当作使用者平衡状态的判断依据。 3.3. 辅助力矩计算 3.3.1. 支持力矩T s L B 为最小支持力矩，S为0~1之间的转换系数，代表者支持力矩的灵敏度。支持力矩 T s 完整反应使用者的外力 T e x t 。 { T s = ( T e x t − L B ) × S + L B ，     if       T e x t > L B ， T e x t × ϖ > 0   T s = 0                                                                                                                                                                                           otherwise (3) 3.3.2. 补偿力矩T p 在使用者穿戴下肢外骨骼机器人时，首先需要克服的状态是下肢外骨骼机器人机构的重量造成的影响，因此需要补偿力矩 T p 来将此重力造成的负向力影响抵消掉，来让使用者行走时不需负担重力作用在机构造成的力矩。图14为下肢外骨骼机器人机构姿态图。 sin θ h ， sin θ k ， sign ( ϖ h ) 由电动机编码器、电动机规格和电动机电流传感器取得计算。A，A'因为下肢外骨骼的机构过于复杂以至于直接计算各个数据的解会使得动态模型较不精确，因此我们在此使用线性代数的最小平方法，并取得正常人的步态行走以及对应的姿态。 f h 髋关节电动机摩擦力矩， f k 膝关节电动机摩擦力矩。 髋关节的补偿力矩： T p h = A sin θ h + B sin θ k + f h sign ( ϖ h ) (4) 膝关节的补偿力矩： T p k = A ′ sin θ h + f k sign ( ϖ k ) (5) 3.3.3. 平衡修正力矩T c 使用者穿戴下肢外骨骼机器人行走时，理想的状态为稳定的在平坦地面行走，但当使用者实际行走时可能会遇到有坡度的路面或是行走时失去平衡，因此需要能实时修正使用者平衡状态的修正力矩。提出以模糊控制方法设计修正力矩，图14为其架构图，图15为下肢外骨骼机器人机构姿态图。 图14. 修正力矩架构图 图15. 下肢外骨骼机器人机构姿态图 髋关节为支撑点所受到的重力作用在机构上的力矩为 T g h ，由膝关节为支撑点所受到的重力作用在机构上的力矩为 T g k 。 T c = G T g h − T g h (6) 此实验使用者身高为178 cm，体重为75 kg。经转换分析，髋关节力矩如式(7)，膝关节力矩如式(8)： T e x t h + T m = 3.55 α + 35.99 ϖ + 20000 sin ( θ h ) + 520 sin ( θ k ) + 800 sign ( sin ( θ h ) ) (7) T e x t k + T m = 4.02 α + 18.52 ϖ + 20000 sin ( θ k ) + 22 sign ( sin ( θ k ) ) (8) 髋关节的重力补偿力矩，其大小为如式(9)，膝关节的重力补偿力矩，其大小为式(10)： 髋关节的补偿力矩： T p h = 20000 sin θ h + 520 sin θ k + 800 h sign ( ϖ h ) (9) 膝关节的补偿力矩： T p k = 2020 sin θ h + 22 sign ( ϖ k ) (10) 3.4. 下肢外骨骼机器人设计 下肢外骨骼机器人具备稳定性及坚固性以达成稳定且持续的运行；另一方面需要拥有一定的可调整性来让此硬件可以调整外骨骼机器人硬件的大腿跟小腿的长度来让不同身高的使用者在使用时可以更舒适，并且可以在一些程序无法应付的状况时(如电动机encoder出现问题)可以保护使用者的安全。此外，下肢外骨骼机器人硬件设计着重在自由度的设计、硬件长度的可调整性和安全机构的设计，初步设计方案如图16~18。 图16. 机械结构设计图 图17. 可调性的设计(适用不同高度使用者) 图18. 卡榫设计 3.4.1. 建立步态模型 图19为一般人正常步行状态的关节角度变化图，横坐标表示步态百分比，纵坐标表示关节的弯曲角度。以右脚的膝关节来观察，0%~60%约为右脚的站立期，大约在30%部份有较小的波锋和在70%部份有一个较大的波锋，第一个较小的波锋表示脚与撞击时，膝关节为了避免受伤，而与地面配合所产生的弯曲，其波锋变化较缓以维持整个人体重心高低的稳定，而在60%~100%剩余部分，约在整体周期80%处，所产生一个较大且变化较快的波型，此变化是为了将脚往前摆动，也即是所谓的摆荡期，此刻也可以看到髋关节与膝关节的角度快速增加，直到下一次的脚跟撞击地面，右脚重新再一次进入站立期，髋关节开始伸展，髋关节角度值开始下降。 图20和图21分别代表上楼梯与下楼梯的髋关节与膝关节角度变化，楼梯级深为28 cm，级高19 cm的阶梯行走的数据，上楼梯的过程与一般走路的信息明显不同，上楼梯的过程两足需要产生较大的高度差，因此一般走路会有把膝关节伸直的现象无法在上楼梯观察到，因此上楼梯的数据中可以观察到左右脚的波锋与波谷有明显的交错。而下楼梯的数据中，与走路数据相比，髋关节的角度变化范围较小，髋关节的角度一般不小于0度，因为不需要和走路一样，有大幅度往前的推进，而膝关节角度与走路的差异比上楼梯小，其中大波锋的上升速度比一般走路平缓。 图22和图23分别为起立与坐下过程中髋关节与膝关节角度变化，从图22中可观察到受试者在站立的过程中需要将重心转移，因此在前往 50%的位置双足的髋关节角度增加，受试者在站立的过程中，必须 图19. 正常步行的关节角度变化图 图20. 上楼梯的关节角度变化图 先将重心转移到前方，此刻使用者可将拐杖放置身体前方，让身体重心落在拐杖和双足之间以维持平衡，之后膝关节角度增加，将身体的重心提高，完成站立动作。当使用者需要停止使用动力辅具，和脱下动力辅具时，必须从站立状态回复到坐姿，在50%之前同时增加髋关节和膝关节的角度，将人体重心降低以维持较好的平衡稳定度，当接触到椅子之后，膝关节角度趋缓增加，髋关节角度减少来完成坐姿，髋关节最后的动作则是表示将身体从弯曲的状态，将背部伸展至椅背上。 3.4.2. 走路步态参数化 由图24受试者慢速走路(速度约0.4~0.5 m/s)和图25受试者正常走路(速度0.8~0.9 m/s)比较，在正常走路时，除了髋关节的弦波角度最大值HSA和膝关节的弦波角度最大值KSA些微提高，其中高斯分布的曲线代表当走路的过程中脚冲击到地面时所产生的反馈，而这样的现象在慢速走路中所得到的反馈较小，因此在走路速度较快时，可将膝关节的角度些微提高，避免过度的冲击导致用户和装置本身损坏。 图21. 下楼梯的关节角度变化图 图22. 起立的关节角度变化图 图23. 坐下的关节角度变化图 图24. 受试者慢速走路步态的参数化模型 3.5. 控制电路硬件设计 本论文的下肢外骨骼机器人的马达为利用计算机连接NI的USB CANbus controller，并用USB CANbus controller将控制信息传送到EPOS马达控制器。首先需要测试单一马达的运转状况，使用的马达为maxon motor，其髋关节减速比为43，膝关节减速比为3.5。当测试单一马达运转为可以控制后，将使用NI的USB CANbus来串连4个maxon epos控制器(图19(a))，并在maxon官方软件上验证连接成功(图19(b))，接着搭配压力传感器系统(包含Arduino mega 2560与其测量电路，组成下肢外骨骼机器人的控制电路)，主要由电流供应电路，4个pos控制器，Arduino mega 2560和压力传感器测量电路所组成，24伏特电池与计算用计算机为另外连接，下肢外骨骼硬件架构如图26所示。下肢外骨骼机器人控制电路如图27所示，穿戴下肢外骨骼机器人行走如图28所示。 图25. 受试者A走路步态的参数化模型