基于加速度傳感器的下肢康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練*

趙小磊，林木松，李　齊，史小華，趙朝盛，王洪波*

（1.河南省食品藥品審評查驗(yàn)中心，鄭州450004；2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

基于加速度傳感器的下肢康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練*

趙小磊1，林木松2，李齊2，史小華2，趙朝盛2，王洪波2*

（1.河南省食品藥品審評查驗(yàn)中心，鄭州450004；2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004）

將康復(fù)治療人員的臨床治療經(jīng)驗(yàn)與康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練結(jié)合，能夠有效提高已有下肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練性能，為此提出一種基于加速度傳感器的示教訓(xùn)練方法及無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過已有的外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人，分析并推導(dǎo)出關(guān)節(jié)角度與末端軌跡的關(guān)系及關(guān)節(jié)加速度與關(guān)節(jié)角度的關(guān)系。通過加速度信息分析出軌跡信息從而控制訓(xùn)練軌跡。研發(fā)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取康復(fù)師訓(xùn)練時患者下肢加速度信息并轉(zhuǎn)化成軌跡信息，進(jìn)而被用于康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠滿足康復(fù)機(jī)器人的示教訓(xùn)練要求。

機(jī)械電子工程；加速度傳感器；機(jī)器人的示教與訓(xùn)練；下肢康復(fù)機(jī)器人；無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

EEACC：6140M doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.021

最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國肢體殘疾者約2 407萬人。2015年我國60歲以上老年人數(shù)量已超過2億，日趨嚴(yán)重的高齡化社會將會增加大量肢體殘障者。如何運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)康復(fù)治療技術(shù)，改善患者肢體運(yùn)動功能，使患者在最短時間內(nèi)達(dá)到最滿意的治療效果并最終擺脫病殘的折磨，是我國面臨的一個日趨嚴(yán)重的難題，同樣一直是康復(fù)工作者研究和實(shí)踐的重點(diǎn)［1-2］。然而，我國康復(fù)事業(yè)的現(xiàn)狀是：肢體殘障患者人數(shù)眾多，康復(fù)醫(yī)師缺口較大［3］，高端康復(fù)醫(yī)療設(shè)備嚴(yán)重短缺，特別是技術(shù)含量較高的智能康復(fù)設(shè)備［4-5］。傳統(tǒng)的人工康復(fù)治療方法效率低、重復(fù)性差，但仍是有效的訓(xùn)練方法?？祻?fù)機(jī)器人作為一種自動化的康復(fù)治療設(shè)備，可以幫助患者進(jìn)行科學(xué)有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動功能得到更好的恢復(fù)［6］。現(xiàn)行康復(fù)機(jī)器人雖然在穩(wěn)定性和重復(fù)性方面具有明顯的優(yōu)勢［7］，但提供的訓(xùn)練方法比較單一，訓(xùn)練方法多為內(nèi)置預(yù)定的運(yùn)動軌跡，醫(yī)師無法很好的融入到機(jī)器的治療過程中，不能針對不同病情進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練方案的改進(jìn)。

機(jī)器人示教訓(xùn)練技術(shù)，即機(jī)器人示教再現(xiàn)技術(shù)，它是一種特殊的程序編制及功能實(shí)現(xiàn)過程。其實(shí)現(xiàn)過程一般可以分為示教和再現(xiàn)兩部分，首先采用一定方法讓機(jī)器人達(dá)到規(guī)定的位姿，并記錄各關(guān)節(jié)運(yùn)動信息，然后結(jié)合這些信息通過某種控制算法控制機(jī)器人運(yùn)動，重現(xiàn)記錄的運(yùn)動過程［8］。在機(jī)器人領(lǐng)域不乏示教技術(shù)的應(yīng)用，諸如Dana Kulic和Kieu等人在人體動作捕捉技術(shù)示教方面的研究［9-10］。而將示教訓(xùn)練應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練，能夠?qū)⒖祻?fù)醫(yī)師的臨床經(jīng)驗(yàn)與康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合，針對不同病人提供相應(yīng)的科學(xué)、最優(yōu)的康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃，可以顯著改善康復(fù)機(jī)器人的治療效果。日本的Yoshifumi等人在近些年研發(fā)了一系列帶有示教功能的上肢康復(fù)機(jī)器人，其功能基于阻抗控制、數(shù)據(jù)預(yù)處理等原理，可以制定適合不同病患個體的運(yùn)動軌跡及訓(xùn)練方案，有效地提高了治療效果［11-13］。河北工業(yè)大學(xué)的孫建廣等人研發(fā)了一款三自由度的踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)器人，其通過位置記憶可以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的示教與再現(xiàn)［14］。河南科技大學(xué)的陳天聰?shù)热藢oystick作為示教工具與下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，治療醫(yī)師可根據(jù)患者的具體病情，通過搖桿對機(jī)器人進(jìn)行示教，操作簡單方便［15］。

專家醫(yī)師的徒手治療信息是作為康復(fù)機(jī)器人示教信息的最優(yōu)選擇，然而上述示教方法在示教信息采集時需要借助機(jī)器人本身，無法脫離機(jī)械直接的采集醫(yī)師的治療信息，故此產(chǎn)生了研發(fā)一種結(jié)合傳感技術(shù)的外置采集設(shè)備的設(shè)想。傳感技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，不乏先例。其中西北工業(yè)大學(xué)的劉歌群等人曾將磁航向傳感器應(yīng)用在機(jī)器人定位上，該方案具有很高的性價比［16］。鄭州大學(xué)的陳輝等人將傳感技術(shù)應(yīng)用在輪式機(jī)器人控制方面，該系統(tǒng)運(yùn)動控制性能穩(wěn)定，能夠在測試環(huán)境下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動路徑的準(zhǔn)確控制［17］。經(jīng)過討論與學(xué)習(xí)，最終提出一種基于加速度傳感器的下肢康復(fù)機(jī)器人的示教訓(xùn)練方法。其基本原理是：將外置加速度傳感器固定在患者下肢各關(guān)節(jié)的特定位置，康復(fù)醫(yī)師對患者進(jìn)行治療的過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提取患者下肢的運(yùn)動加速度數(shù)據(jù)并生成運(yùn)動軌跡，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信息，控制下肢康復(fù)機(jī)器人按照上述康復(fù)治療過程對患者進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練。

1　機(jī)械平臺

本研究是基于課題組現(xiàn)有的外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)平臺，如圖1所示。

該外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人的由左機(jī)械腿、右機(jī)械腿、可移動座椅、控制箱和觸摸顯示屏五部分組成。機(jī)械腿左右對稱，設(shè)計(jì)采用了擬人化的三自由度關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，由踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)三部分組成，各關(guān)節(jié)均為一個自由度。機(jī)械腿內(nèi)置的長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大小腿長度調(diào)節(jié)，且整機(jī)兩腿之間的寬度可調(diào)，可以適應(yīng)不同身高體型的患者。各關(guān)節(jié)由直流電機(jī)與傳動驅(qū)動鏈驅(qū)動。各關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合實(shí)現(xiàn)各連桿的運(yùn)動，最后使機(jī)械腿的末端完成特定的運(yùn)動軌跡。可移動座椅可以和機(jī)器人主體分離，方便病患的搬移。該康復(fù)機(jī)器人擁有主動訓(xùn)練模態(tài)、被動訓(xùn)練模態(tài)等多種訓(xùn)練模態(tài)［18］。

圖1　外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人

2　無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于三軸加速度傳感器設(shè)計(jì)了人體下肢加速度信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集主系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)組成。采用星狀點(diǎn)對多點(diǎn)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式，數(shù)據(jù)采集主系統(tǒng)與每一臺數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)都通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊以雙向通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集主系統(tǒng)包括控制單元、NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、串口通信模塊和電源模塊4部分，如圖3所示。其功能主要是接收并解析上位機(jī)發(fā)送的串口控制指令，與接收無線數(shù)據(jù)分系統(tǒng)通信獲取加速度數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)。

圖3　數(shù)據(jù)采集主系統(tǒng)實(shí)物圖

數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)包括控制單元、NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、ADXL345加速度計(jì)模塊和電源模塊四部分，如圖4所示。選用的加速度傳感器是ADI公司采用MEMS技術(shù)開發(fā)的數(shù)字式三軸加速度計(jì)ADXL345，其功能主要是通過ADXL345加速度計(jì)模塊采集當(dāng)前加速度值，并發(fā)送給采集主系統(tǒng)。

圖4　數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)實(shí)物圖

使用時加速度傳感器固定在使用者下肢的大腿和小腿的特定位置，如圖5所示。ADXL345芯片以O(shè)-xy平面豎直進(jìn)行布置，其中，x軸沿大腿、小腿軸線方向。

圖5　測量裝置使用方法

2.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件是基于NI（National Instrument）公司的 LabVIEW軟件編寫的。主要由加速度信號分時采集、數(shù)據(jù)處理、軌跡生成以及其他附加功能等幾部分組成。軟件流程圖如圖6所示。

圖6　無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件流程圖

上位機(jī)軟件的用戶界面包括參數(shù)設(shè)置、控制按鈕、角度顯示、姿態(tài)顯示和末端軌跡顯示等五部分內(nèi)容。如圖7所示，為調(diào)試時的數(shù)據(jù)參數(shù)，可以清楚直觀的顯示出運(yùn)動的姿態(tài)、軌跡圖及角度等信息。

圖7　上位機(jī)軟件用戶界面

3　示教軌跡算法

基于加速度傳感器獲取人體下肢運(yùn)動軌跡，需要通過一定方法建立人體下肢運(yùn)動的加速度與運(yùn)動軌跡的對應(yīng)關(guān)系。通過確定各關(guān)節(jié)的尺寸參數(shù)和角度信息，即可得到肢體的位姿，而運(yùn)動軌跡就是下肢位姿序列，只需再確定關(guān)節(jié)角度與加速度之間的關(guān)系即可推導(dǎo)出加速度與運(yùn)動軌跡的關(guān)系。所以示教軌跡算法的基本內(nèi)容是確定關(guān)節(jié)角度與末端運(yùn)動軌跡的關(guān)系和關(guān)節(jié)加速度與角度的關(guān)系。

3.1關(guān)節(jié)角度與末端運(yùn)動軌跡的關(guān)系

末端軌跡主要是大腿和小腿部分運(yùn)動的結(jié)果，因此將下肢模型簡化為二連桿機(jī)構(gòu)。建立其簡化模型如圖8所示。

圖8　人體下肢簡化的二連桿模型

圖8中OA表示大腿部分，即連桿1，AB表示小腿部分，即連桿2。L1、L2分別是人體下肢大腿、小腿的長度，O、A、B表示髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，C、D為傳感器安裝位置。O-x0y0為基坐標(biāo)系，O-x1y1、A-x2y2分別與連桿1、連桿2固連，B-x3y3固定在連桿2的末端。θi為Li-1繞zi軸轉(zhuǎn)到Li的轉(zhuǎn)角，規(guī)定逆時針為正、順時針為負(fù)。

B點(diǎn)相對基坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)（xB，yB）為：

末端運(yùn)動軌跡即為B點(diǎn)相對基坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)序列。

3.2關(guān)節(jié)加速度與角度的關(guān)系

將人體下肢在矢狀面內(nèi)等效成平面2R串聯(lián)機(jī)構(gòu)，采用遞推的牛頓-歐拉遞推動力學(xué)方程對各連桿的速度和加速度進(jìn)行推導(dǎo)。該方法的特點(diǎn)是在連桿坐標(biāo)系中描述自身的運(yùn)動，而連桿運(yùn)動一般是用連桿坐標(biāo)系原點(diǎn)的速度和加速度，以及連桿坐標(biāo)系的角速度和角加速度來描述的［19］。

用vi和ωi分別表示連桿坐標(biāo)系｛i｝相對于基坐標(biāo)系｛0｝的線速度和角速度，ivi和iωi表示vi和ωi在坐標(biāo)系｛i｝中的線速度和角速度，i+1vi+1和i+1ωi+1是在坐標(biāo)系｛i+1｝中的線速度和角速度，是在坐標(biāo)系｛i｝中的線加速度和角加速度，和是在坐標(biāo)系｛i+1｝中的線加速度和角加速度。

角速度和線速度傳遞公式可以表示為：

角加速度和線加速度傳遞公式可以表示為：

3.2.1單關(guān)節(jié)單桿模型

首先對大腿傳感器位置進(jìn)行速度和加速度推導(dǎo)，以髖關(guān)節(jié)作為支點(diǎn)，運(yùn)動可以看成是剛體圍繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動的平面運(yùn)動。

通過上述式（2）、式（3）求出加速器安裝位置點(diǎn)C相對于基坐標(biāo)系｛0｝表示的線加速度

由加速度傳感器采集到的加速度信號可知：

代入式（4）中，得到關(guān)于θ1的二階微分方程組

式中ax為加速度計(jì)自身x軸的測量值，ay為加速度計(jì)自身y軸的測量值，g為重力加速度，l1對應(yīng)于連桿1上加速度傳感器安裝的位置。

3.2.2雙關(guān)節(jié)二連桿模型

采用相同的方法求出小腿傳感器安裝位置D相對于基坐標(biāo)系｛0｝表示的線加速度

由加速度傳感器采集到的加速度信號可知：

代入式（7）中，得到關(guān)于θ2二階微分方程組方程組

式中ax為加速度計(jì)自身x軸的測量值，ay為加速度計(jì)自身y軸的測量值，g為重力加速度；L1是連桿1長度，l2對應(yīng)于連桿2上加速度傳感器安裝的位置，θ1為連桿1關(guān)節(jié)角度。

這樣便確定了加速度與關(guān)節(jié)角度的關(guān)系，進(jìn)而即可求解人體下肢運(yùn)動軌跡。

4　試驗(yàn)及其結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)者大腿長度400 mm，小腿長度420 mm，即為所述L1與L2；加速度安裝位置分別為200 mm和210 mm，即為所述l1與l2。圖9為下肢康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)流程圖。

圖9　下肢康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)流程圖

具體下肢康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)過程如下。

①實(shí)驗(yàn)者下肢佩戴無線數(shù)據(jù)采集模塊，在他人幫助下完成一定的運(yùn)動。無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集人體大腿和小腿的運(yùn)動角度信息。如圖10所示，獲得圖10（a）和圖10（b）所示的實(shí)驗(yàn)者下肢運(yùn)動角度曲線，運(yùn)動數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑處理后用于機(jī)器人示教。

②將采集的人體下肢運(yùn)動信息用于康復(fù)機(jī)器人的示教，控制康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，并利用康復(fù)機(jī)器人自身的絕對位置編碼器，獲取機(jī)械腿運(yùn)動過程中大腿和小腿的角度信息。如圖11所示，獲得的機(jī)器人訓(xùn)練運(yùn)動角度曲線如圖11（a）和圖11（b）?？梢园l(fā)現(xiàn)，機(jī)器人訓(xùn)練角度曲線與實(shí)驗(yàn)者下肢運(yùn)動角度曲線基本相符，且平滑度高。

圖10　人體下肢運(yùn)動角度采集結(jié)果

圖11　康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動角度采集結(jié)果

③根據(jù)人體下肢和康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動角度信息生成各自的運(yùn)動軌跡，并進(jìn)行比較，分析該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于下肢康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練的可行性。最后生成的人體下肢與康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動軌跡如圖12所示。

圖12　人體下肢與康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動軌跡比較

由圖12可知，人體下肢運(yùn)動軌跡與康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練軌跡在部分采樣點(diǎn)處，存在較大的位置誤差，但是總體運(yùn)動趨勢相符，整體重合度較高。所以，在一定誤差允許范圍內(nèi)，使用該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行下肢康復(fù)機(jī)器人示教訓(xùn)練是可行的。

5　結(jié)論

傳統(tǒng)的人工康復(fù)與機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練各有利弊，只有將康復(fù)治療人員的臨床經(jīng)驗(yàn)與康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合，才能提供高效、穩(wěn)定、重復(fù)性好的訓(xùn)練方法。提出了一種基于加速度傳感器的人體下肢運(yùn)動信息采集方法以及相關(guān)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。確定了關(guān)節(jié)角度與末端軌跡的關(guān)系及關(guān)節(jié)加速度與關(guān)節(jié)角度的關(guān)系。設(shè)計(jì)一套無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要包括硬件搭建及其上位機(jī)相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠用于下肢康復(fù)機(jī)器人的示教訓(xùn)練。

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［15］陳輝，鄧記才，吳曉輝.多傳感器信息融合在輪式機(jī)器人運(yùn)動控制中的應(yīng)用［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24（6）：951-918.

［18］Deng Fuhai.Design and Research of the Mechanical System for A Multi-Joint Lower Limb Rehabilitation Robot［D］.Qinhuangdao：Master’s dissertation in Mechanical and Electronic Engineering Yanshan University，2014：39-41.

［19］Xiong Youlun.Robot Technology Foundation［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2010：72-77.

趙小磊（1965-），女，河南鄭州人，河南省食品藥品審評查驗(yàn)中心高級工程師，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療器械技術(shù)，18638775977@126.com；

王洪波（1956-），男，河北邢臺人，國家千人計(jì)劃特聘專家，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人學(xué)與康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人，hongbo_w@ ysu.edu.cn。

Teaching and Training of the Lower Limb Rehabilitation Robot Based on Accelerometer*

ZHAO Xiaolei1，LIN Musong2，LI Qi2，SHI Xiaohua2，ZHAO Chaosheng2，WANG Hongbo2*
（1.Center for Food and Drug Evaluation and Certification of Henan Province，Zhengzhou 450004，China；2.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei 066004，China）

It can effectively improve the training performance of rehabilitation robot by combining the clinical experience of rehabilitation physician with rehabilitation robot training，and thus a teaching and training method based on the accelerometer and a wireless data acquisition system are proposed.Using the existing exoskeleton lower limb rehabilitation robot，the relationship between the joint angle and the end trajectory，and the relationship between the link acceleration and the joint angle are analyzed.The trajectory data is analyzed from the acceleration information，so the robot training trajectory can be controlled.Wireless data acquisition system developed collects the acceleration data when patient is trained by rehabilitation physician and transforms it into trajectory data，which can be used for the control of teaching and training.The experimental results demonstrate that the system can satisfy the teaching and training requirements of rehabilitation robot.

mechatronic engineering；accelerometer；robot teaching and training；lower limb rehabilitation robot；wireless data acquisition system

TH113

A

1004-1699（2016）10-1596-06

項(xiàng)目來源：教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20131333110006）

2016-03-30修改日期：2016-05-16