基于Joystick的臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人示教再現(xiàn)功能分析

陳天聰 韓建海 王會良

( 河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南洛陽，471003)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國每年新增腦卒中等神經(jīng)性系統(tǒng)疾病的患者高達300多萬，且隨著老齡化社會的到來，腦卒中患者的人數(shù)會不斷增加[1-2]。大部分腦卒中患者經(jīng)過急性期的救治后，下肢功能會有不同程度的喪失，生活不能自理。國內(nèi)外大量的研究資料表明，大腦神經(jīng)區(qū)域具有一定的可塑性，通過一系列的康復(fù)訓(xùn)練，能最大程度地恢復(fù)或補償失去的功能[3]。

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是由理療師或醫(yī)護人員一對一完成的，這項工作勞動強度大，效率低，康復(fù)效果很大程度上依賴于理療師的水平，訓(xùn)練強度不能保證，影響患者的康復(fù)效果[4]。本文針對下肢功能喪失的偏癱患者，在已搭建的臥式康復(fù)機器人的機械系統(tǒng)平臺上，分析設(shè)計示教功能，使本設(shè)計的機器人能夠完成醫(yī)護人員的示教康復(fù)動作，減輕醫(yī)護人員的負擔(dān)。

示教盒示教是機器人編程方法中最簡單方便的一種，目前，對運動路徑比較簡單的機器人大多采用這種方法編程。示教編程器實際上是用戶操作機器人的手持設(shè)備，主要包括兩部分功能，一是以用戶設(shè)置的參數(shù)控制機器人的各個運動軸來調(diào)整機器人的位置和姿態(tài)；二是通過記錄機器人的位姿信息以及用戶設(shè)定的運動方式來進行機器人運動程序的生成與編輯[5-6]。對已有的臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人機械系統(tǒng)平臺來說，本設(shè)計是人機耦合的多剛體串聯(lián)運動模型，示教由經(jīng)驗豐富的醫(yī)師根據(jù)患者的具體病情自行設(shè)定康復(fù)動作，示教過程以患者的下肢為基礎(chǔ)，必須滿足人體的生理約束，確保人身安全。本設(shè)計選用普通的Joystick，示教時將Joystick安裝在機器人腳的底部，操作時理療師可以依據(jù)患者的具體病情，以搖桿作為手持設(shè)備，對機器人進行康復(fù)示教，操作簡單方便，經(jīng)濟適用。

1 機械平臺

臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的機械系統(tǒng)平臺是擬人化多剛體的四自由度關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，機器人本體由肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕部三部分組成。其中，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)各1個自由度，機器人的手腕部分有2個俯仰自由度[7],具體如圖1所示。

圖1 機械系統(tǒng)平臺

由圖1（a）的機械結(jié)構(gòu)圖可知，電機1 與減速器1 直連，安裝在基座上，帶動肩關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運動。后面三個電機與減速器的連接均采用帶傳動的連接方式。電機2 通過帶傳動驅(qū)動減速器2 旋轉(zhuǎn)，帶動肘關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運動。減速器3與減速器4 十字交叉安裝，電機3通過帶傳動驅(qū)動減速器3旋轉(zhuǎn)，電機4通過帶傳動驅(qū)動減速器4旋轉(zhuǎn)，分別實現(xiàn)腕部的俯仰運動。在運動過程中，電機3單獨運動，可帶動腳底板旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)腳部的背曲和趾曲運動。電機4單獨運動，可帶動腳底板旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)腳部的內(nèi)旋和外展。而電機1和電機2分別帶動機器人大臂、小臂運動，可以使患者的下肢在一個鉛垂面的平面內(nèi)做康復(fù)動作，同時腿部支撐和腳部支撐在電機3的驅(qū)動下調(diào)整姿態(tài)，可以避免康復(fù)過程中因下肢遇到死點而挫傷患者下肢各關(guān)節(jié)。因此，本設(shè)計的機器人也可以看成是三自由度的平面關(guān)節(jié)機器人。圖1（b）是簡單加工后的樣機實物照片，樣機中選用的電機均是帶13位增量光電編碼器的安川伺服交流電機。

運動控制卡GTS-800-PV(G)-PCI (固高科技公司)是以IBM-PC及其兼容機為主機，提供標準的PCI總線，可以同時控制8個軸的運動。運動控制卡提供C語言等函數(shù)庫和Windows動態(tài)鏈接庫，能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，還可以將這些控制函數(shù)與控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建造符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。同時運動控制卡自帶的A/D模塊可直接通過其提供的語言讀取狀態(tài)，應(yīng)用方便。

Joystick手柄(日本三和公司)實物如圖2所示。

此Joystick手柄為方檔，做工好，精準度高，手感舒適 、輕爽，采用歐姆龍微動，壽命長，且無振動、無延遲。此搖桿與按鍵配合使用，可以控制各個軸的正反方向運動。

運動控制卡與計算機相連，Joystick與運動控制卡自帶的A/D模塊相連，利用其自帶的A/D模塊，與基于Windows、利用Visual C++6.0編寫的軟件界面、運動控制程序及病人數(shù)據(jù)庫文件構(gòu)成系統(tǒng)，根據(jù)用戶的康復(fù)需求，對機器人的動作進行示教；計算機對傳感器數(shù)據(jù)信息進行采樣記錄，然后通過運動控制卡專用庫函數(shù)，將運動控制程序傳輸給運動控制卡，控制電機按所需軌跡旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械臂的動作控制，從而實現(xiàn)理療師設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)練動作的示教。

圖2 Joystick圖片

2 應(yīng)用程序的開發(fā)

該系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)、利用Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境開發(fā)的，其強大的中斷機制、線程調(diào)度和內(nèi)核操作服務(wù)完全滿足示教所要求的關(guān)鍵任務(wù)的性能要求。GTS-800-PV(G)-PCI運動控制卡在Windows下具有VC高級編程工具的動態(tài)鏈接庫，控制程序利用人機界面輸入的參數(shù)值生成相應(yīng)的運動控制卡控制指令，同時向人機界面發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)值。

控制程序主要子程序有：患者數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建程序、系統(tǒng)初始化程序、工作位置程序、數(shù)據(jù)處理程序、示教程序、動作重現(xiàn)程序等,程序的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于本設(shè)計的機器人是人機耦合的機電一體化模型，且以人的生理約束為條件，因此在示教過程中要防止醫(yī)護人員的誤操作。根據(jù)患者的實際情況，編程首先設(shè)置軟限位，及設(shè)定每個電機的最大位移，一旦電機位移超出最大值，電機立即停止工作，保證患者安全。

在示教過程中，人機耦合的機電一體化模型運動可以映射到直角坐標系中，映射關(guān)系如圖4所示。

圖3 示教流程圖

圖4 直角坐標系映射圖

圖中l(wèi)1、l2分別代表患者大腿和小腿的長度，L 是機器人大臂和小臂的長度，h是腿心高（機器人肩關(guān)節(jié)軸線與患者下肢大腿軸心O0的垂直距離），θ1、θ2是機器人肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)以Y軸為中心運動的角度，θ4、θ5是患者下肢大腿小腿康復(fù)的角度，θ3是機器人腕關(guān)節(jié)運動角度。在運動過程中，機器人末端P與人體下肢末端O1始終重合。依據(jù)患者的大腿長度l1、小腿長度l2及測量出的腿心高h，并依據(jù)患者的具體情況設(shè)定患者下肢康復(fù)的最大角度θ4、θ5，可以計算出θ1、θ2的最大角度，如下:

O2坐標值(x2,y2)為(O1x-l1,O1y-h), O1坐標值(x1,y1)為:

以此設(shè)定電機的最大位移限位θ1、θ2,保證患者安全。

在示教過程中提取的電機編碼器特征值，都是以Y軸坐標的正方向為機器人每個關(guān)節(jié)的零位，每個軸的運動角度都是相對Y軸基準運動的角度,順時針為正，逆時針為負。再現(xiàn)過程依據(jù)特征值進行樣條差值計算，設(shè)定軌跡，保證電機運動連續(xù)、平滑。

3 試驗及其結(jié)果分析

應(yīng)用程序開發(fā)完成后，把應(yīng)用程序定制到操作系統(tǒng)內(nèi)核中，配置為開機啟動。示教界面的截圖如圖5所示。

實驗是以正常人為實驗對象，被測人的患側(cè)為左側(cè)，患者的大腿長度為410mm，小腿長度為400mm，腿心高為100mm，大腿康復(fù)角度最大限制為110°，小腿康復(fù)角度最大限度設(shè)為110°。打開示教界面，輸入患者的參數(shù)及限制條件，然后啟動機器人使其運行到工作位置，將Joystick的示教器固定在機器人的腳步支撐架上，實驗對象的小腿和腳固定在腿部支撐架和腳底板上，然后開始進行示教。示教動作是以一個簡單的抬腿和收腿動作為例，圖6為示教過程中的一組圖片。

圖5 示教界面

圖6 示教實驗

圖7 曲線軌跡1

圖7為示教過程中對圖6所示的示教動作的各運動關(guān)節(jié)提取特征值并進行樣條插值后，得到的函數(shù)軌跡曲線及動作重現(xiàn)的曲線。圖中（b）、（c）、（d）三個關(guān)節(jié)的運動曲線都是以Y軸為基準，以工作位置為起始位置。（a）圖為人體腳踝O1的運動軌跡曲線。

圖8是另一隨機示教動作的腳踝運動軌跡曲線。

圖8 軌跡曲線2

4 結(jié)束語

在硬件平臺上，使用Windows操作系統(tǒng)和VC++開發(fā)環(huán)境開發(fā)的基于Joystick的機器人示教功能，經(jīng)過測試，該示教功能可以實現(xiàn)設(shè)定的康復(fù)動作的示教和再現(xiàn)，滿足了患者的康復(fù)需求，能夠取代理療師和醫(yī)師的大量重復(fù)工作。與以往的示教盒相比，該設(shè)計具有以下優(yōu)點：

1)以運動控制卡為核心，運行精度大大提高；

2)基于Joystick的示教工具取代傳統(tǒng)的示教盒，操作簡單且更貼近所需軌跡，維護方便；

3)人機界面友好，信息顯示更加完善。

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