索控式三自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人①

簡(jiǎn)卓，易金花，顧余輝，喻洪流

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年發(fā)生腦卒中患者達(dá)200萬(wàn)，發(fā)病率達(dá)1.2‰。腦卒中現(xiàn)患者700萬(wàn)，其中450萬(wàn)患者不同程度喪失勞動(dòng)力和生活不能自理，致殘率高達(dá)75%；偏癱、行走能力喪失是最主要的后遺癥?？茖W(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)腦卒中偏癱患者的肢體功能康復(fù)起著重要的作用[1-3]。目前，研究者將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域，提高康復(fù)訓(xùn)練的效率[4-8]，降低患者以及臨床醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，機(jī)器人用于康復(fù)訓(xùn)練還可以客觀準(zhǔn)確地記錄訓(xùn)練數(shù)據(jù)，提供有效的康復(fù)評(píng)價(jià)手段[9]，加之其更全面、更吸引人的三維訓(xùn)練模式，都有利于患者順利康復(fù)。

目前，國(guó)內(nèi)外上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置多數(shù)只能對(duì)上肢提供水平面內(nèi)的訓(xùn)練模式。平面運(yùn)動(dòng)型的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械裝置無(wú)法對(duì)患者肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)、曲伸功能進(jìn)行訓(xùn)練，康復(fù)效果不理想。少數(shù)具有三維空間運(yùn)動(dòng)功能的電動(dòng)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械裝置多數(shù)將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在對(duì)應(yīng)的上肢關(guān)節(jié)處，增加了使用者視野范圍內(nèi)設(shè)備的體積，不僅增加了使用者的心理壓力，而且增大了電機(jī)噪音[10-11]與電機(jī)輻射[12-13]對(duì)使用者的不良影響。本研究設(shè)計(jì)了一種具有三維空間運(yùn)動(dòng)能力，體積小巧，能夠減小電機(jī)噪音、輻射等不良影響的上肢功能障礙康復(fù)訓(xùn)練裝置。

1 機(jī)械與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求 本研究設(shè)計(jì)的是一種能夠帶動(dòng)使用者在三維空間內(nèi)進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)的索控式上肢功能訓(xùn)練裝置，要求實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)1個(gè)自由度、肩關(guān)節(jié)2個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。基于人體生物力學(xué)的基礎(chǔ)[14-16]，本裝置設(shè)定肘關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，其屈、伸范圍為20°~190°；肩關(guān)節(jié)2個(gè)自由度可以完成3項(xiàng)運(yùn)動(dòng)：①收、展運(yùn)動(dòng)，其范圍為45°~210°；②肩關(guān)節(jié)外展90°時(shí)完成屈、伸運(yùn)動(dòng)，其范圍為45°~170°；③肩關(guān)節(jié)外展180°時(shí)完成肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其范圍是40°~70°。上述運(yùn)動(dòng)的組合能基本滿(mǎn)足康復(fù)訓(xùn)練需求。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)是使用一種索控式驅(qū)動(dòng)方案。使用集中安裝在設(shè)備底座的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，利用磁粉離合器作為動(dòng)力級(jí)別調(diào)控裝置，由鋼絲繩索將動(dòng)力傳遞，并通過(guò)導(dǎo)向輪的布局設(shè)計(jì)來(lái)引導(dǎo)鋼絲繩索走向，最終將動(dòng)力按設(shè)計(jì)要求輸出到上肢的肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)處，完成所需的三自由度運(yùn)動(dòng)。由于復(fù)雜的電機(jī)、減速箱等動(dòng)力提供裝置和控制系統(tǒng)都安裝在設(shè)備底座上，能夠很好地在控制機(jī)械臂體積的同時(shí)留出較大的空間對(duì)這些高噪聲、高輻射的系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽處理。

根據(jù)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)要求，使用3根首尾相連的鋼絲繩索(圖1)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力傳出，并通過(guò)傳輸路徑上的導(dǎo)向輪引導(dǎo)動(dòng)力傳遞方向，最終將動(dòng)力傳遞至與各關(guān)節(jié)處的大滾輪。在大滾輪上有螺紋導(dǎo)向槽，用于增加摩擦力，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)鋼絲繩能夠帶動(dòng)大滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)曲、伸，肩關(guān)節(jié)的收、展和肩關(guān)節(jié)前曲、后伸運(yùn)動(dòng)。

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)圖

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)使用NXP公司LPC1766作為MCU。LPC1766擁有豐富的外設(shè)，包括UART、SPI、MOTORPWM、RIT、TIMER等各種常用外設(shè)，能夠滿(mǎn)足上肢康復(fù)機(jī)器人的控制需求(圖2)。本文設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人控制較為復(fù)雜，主要是針對(duì)3個(gè)角度角速度傳感模塊、3臺(tái)磁粉離合器、3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)使用LPC1766的UART模塊與PC主控機(jī)的上位機(jī)程序進(jìn)行通訊，接收控制命令，反饋運(yùn)行數(shù)據(jù)；同時(shí)使用LPC1766中的MotorPWM模塊產(chǎn)生方波提供給THB6064AH步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中方波脈沖頻率決定步進(jìn)電機(jī)速度，方波脈沖數(shù)決定步進(jìn)量；采用增量式光電編碼器對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角速度、角位移信息進(jìn)行采集、計(jì)算，得到的反饋信息一方面用于使用者運(yùn)動(dòng)意圖判斷，一方面用于修正控制參數(shù)。另外還使用LPC1766的PWM模塊產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波來(lái)控制磁粉離合器驅(qū)動(dòng)模塊輸出0~24 V可調(diào)的直流電壓，從而控制磁粉離合器輸出的力矩。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用7段S曲線(xiàn)法對(duì)步進(jìn)電機(jī)加減速控制[21-22]。7段曲線(xiàn)算法的加速度和速度曲線(xiàn)平滑連續(xù)，能夠保證步進(jìn)電機(jī)在變速過(guò)程中速度和加速度能夠均勻變化，有利于減小沖擊，提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

角度角速度傳感模塊使用1000線(xiàn)增量式光電編碼器，并采取2倍頻采集算法對(duì)光電編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算以提高其分辨率，在增量式光電編碼器發(fā)出的脈沖的A下相或B相的上、下沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣相當(dāng)于編碼器轉(zhuǎn)過(guò)360°會(huì)產(chǎn)生2000個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)，所以分辨率提高了。

圖2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

利用運(yùn)動(dòng)分析軟件檢驗(yàn)機(jī)械裝置是否能完成一些設(shè)定的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，確定關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能否適應(yīng)后期研究中將要增加的虛擬現(xiàn)實(shí)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的有效康復(fù)訓(xùn)練[17-18]。運(yùn)動(dòng)分析軟件采用SolidWorks中的Motion仿真分析模塊[19-20]，該模塊功能強(qiáng)大，可以對(duì)角位移、角速度、角加速度等參數(shù)進(jìn)行分析。

2.1 手部水平面畫(huà)圓運(yùn)動(dòng) 利用SolidWork的Motion仿真分析模塊，將手部抓握處限定為畫(huà)圓運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)由手部抓握處的一個(gè)虛擬旋轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，100 r/min，仿真時(shí)間5 s。仿真結(jié)束后對(duì)肘關(guān)節(jié)曲伸、肩關(guān)節(jié)收展角位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，確定是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果如圖3所示，其中如圖3a為肘關(guān)節(jié)角位移-時(shí)間圖，圖3b為肩關(guān)節(jié)收、展角位移-時(shí)間圖。由圖中數(shù)據(jù)可知，完成水平面手部畫(huà)圓動(dòng)作，肘關(guān)節(jié)曲、伸范圍44°~85°，滿(mǎn)足肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)；肩關(guān)節(jié)收、展角位移范圍在137°~174°，滿(mǎn)足肩關(guān)節(jié)收、展運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)。

2.2 乒乓球正手攻球動(dòng)作運(yùn)動(dòng) 將乒乓球正手攻球動(dòng)作分解為肩關(guān)節(jié)曲、伸運(yùn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)收、展運(yùn)動(dòng)以及肘關(guān)節(jié)曲伸運(yùn)動(dòng)的組合進(jìn)行仿真。乒乓球正手攻球動(dòng)作的仿真使用3個(gè)模擬旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，分別位于肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸，肩關(guān)節(jié)收、展轉(zhuǎn)軸，肩關(guān)曲、伸轉(zhuǎn)軸處。仿真結(jié)果如圖4所示，其中圖4a為肘關(guān)節(jié)角位移-時(shí)間圖，圖4b為肩關(guān)節(jié)曲、伸角位移-時(shí)間圖，圖4c為肩關(guān)節(jié)收、展角位移-時(shí)間圖。由圖中數(shù)據(jù)可知，完成乒乓球正手攻球動(dòng)作，肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角位移范圍在76°~140°，滿(mǎn)足肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)；肩關(guān)節(jié)曲、伸角位移范圍在8°~26°，滿(mǎn)足肩關(guān)節(jié)曲、伸運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)；肩關(guān)節(jié)收、展運(yùn)動(dòng)角位移范圍在120°~200°之間，滿(mǎn)足肩關(guān)節(jié)收、展運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)。

2.3 助力控制實(shí)驗(yàn) 助力訓(xùn)練是指在患者的恢復(fù)期，對(duì)患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，實(shí)時(shí)探測(cè)患者的運(yùn)動(dòng)意圖，并利用本康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)同步為患者肩關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)提供適當(dāng)?shù)卣蚧蚰嫦蜉o助動(dòng)力，從而輔助患者進(jìn)行隨意的上肢主動(dòng)訓(xùn)練。其中，提供正向力為助力訓(xùn)練，是在患者肌力不足時(shí)能幫助患者更好地完成訓(xùn)練動(dòng)作；提供逆向力則為抗阻訓(xùn)練，可以加大患者訓(xùn)練強(qiáng)度。

助力觸發(fā)級(jí)別與助力時(shí)間是軟件中的主要調(diào)控參數(shù)。助力觸發(fā)級(jí)別是指用戶(hù)需要帶動(dòng)機(jī)械臂自主運(yùn)動(dòng)一定角位移來(lái)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的助力控制，對(duì)力弱者可以調(diào)低此參數(shù)以降低觸發(fā)助力的難度，對(duì)于肌力較強(qiáng)者則可以調(diào)高此參數(shù)以增加觸發(fā)助力的難度；助力時(shí)間是指驅(qū)動(dòng)程序提供助力的持續(xù)時(shí)間。

以肩關(guān)節(jié)的助力訓(xùn)練為例，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置5組自主運(yùn)動(dòng)觸發(fā)級(jí)別以及5組助力時(shí)間進(jìn)行搭配控制，每組進(jìn)行50次控制測(cè)試，并重復(fù)進(jìn)行2遍，第1遍記錄試驗(yàn)樣機(jī)的誤識(shí)別次數(shù)，第2遍記錄響應(yīng)次數(shù)。誤識(shí)別次數(shù)是指試驗(yàn)樣機(jī)對(duì)操作人員的運(yùn)動(dòng)意圖判斷錯(cuò)誤的次數(shù)，響應(yīng)次數(shù)指的是樣機(jī)能夠響應(yīng)操作人員的自主運(yùn)動(dòng)并觸發(fā)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，不區(qū)分運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別的正確與否。結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 不同觸發(fā)級(jí)別及助力時(shí)間的誤識(shí)別次數(shù)

表2 不同觸發(fā)級(jí)別及助力時(shí)間的響應(yīng)次數(shù)

由表1可以看出，將用戶(hù)自主運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)級(jí)別設(shè)置較高，能夠得到較低的誤識(shí)別率。由表2可以看出，將用戶(hù)自主運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)級(jí)別設(shè)置較高，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的響應(yīng)次數(shù)存在減少的趨勢(shì)。而綜合表1和表2，助力時(shí)間對(duì)響應(yīng)次數(shù)與誤識(shí)別次數(shù)并沒(méi)有顯著影響。在本次實(shí)驗(yàn)中，將用戶(hù)自主運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)級(jí)別設(shè)置在3.6°以上均能夠獲得較優(yōu)的響應(yīng)效果且對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別準(zhǔn)確。針對(duì)不同使用者的肌力級(jí)別，可有針對(duì)性地調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)以獲得較好的助力訓(xùn)練效果。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的上肢功能障礙康復(fù)訓(xùn)練的新型索控式機(jī)械裝置經(jīng)軟件仿真，驗(yàn)證了其利用各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的靈活組合，可以完成手部畫(huà)圓動(dòng)作、乒乓球正手攻球動(dòng)作兩種較復(fù)雜的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者的有效康復(fù)訓(xùn)練。設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制電路，并成功利用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了肩關(guān)節(jié)的助力訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將自主運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)級(jí)別設(shè)置在3.6°以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)能獲得較好響應(yīng)效果，并且能準(zhǔn)確的識(shí)別使用者的運(yùn)動(dòng)意圖。

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