一種新的康復(fù)與代步外骨骼機(jī)器人研究

黃 高 張偉民 Marco Ceccarelli 余張國(guó) 陳學(xué)超 孟非 黃強(qiáng)

一種新的康復(fù)與代步外骨骼機(jī)器人研究

黃 高1,4,5張偉民1,2,4,5Marco Ceccarelli2,6余張國(guó)1,2,4,5陳學(xué)超1,2,4,5孟非1,2,4,5黃強(qiáng)1,2,3,4,5

針對(duì)老年人及下肢障礙者康復(fù)訓(xùn)練與代步問(wèn)題,本文提出一種新的康復(fù)與代步外骨骼機(jī)器人.本文首先詳細(xì)介紹了機(jī)器人各部分組成及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,通過(guò)下肢外骨骼與輪椅的有機(jī)結(jié)合,有效保持或恢復(fù)老年人、腦卒中患者下肢運(yùn)動(dòng)能力的同時(shí),為患者提供一種方便的代步工具;運(yùn)用腳蹬車運(yùn)動(dòng)制訂康復(fù)訓(xùn)練策略,可保持下肢康復(fù)訓(xùn)練軌跡固定,保證患者安全;提出主從式操作方法及多模態(tài)康復(fù)訓(xùn)練控制流程提高使用者參與感.最后通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提康復(fù)系統(tǒng)的可行性與設(shè)計(jì)的正確性.

康復(fù)機(jī)器人,外骨骼,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),仿真,實(shí)驗(yàn)

DOI10.16383/j.aas.2016.c160180

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和醫(yī)療水平的提高,人均壽命不斷提高,隨之而來(lái)的人口老齡化問(wèn)題日益突出.《中國(guó)老齡事業(yè)發(fā)展報(bào)告(2014)》顯示,截至2014年底,我國(guó)60歲以上老年人口數(shù)量達(dá)2.12億,占總?cè)丝诘?5.5%,失能老人超過(guò)3800萬(wàn)人;到2025年前,我國(guó)高齡老年人口將保持年均100萬(wàn)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1].身體機(jī)能退化和疾病容易導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)障礙,不僅影響老年人的身體健康,而且需要大量的勞動(dòng)人員負(fù)擔(dān)照顧、護(hù)理工作,增加了社會(huì)和患者家庭的負(fù)擔(dān).另一方面,據(jù)《中國(guó)腦卒中防治報(bào)告(2015)》顯示,腦卒中患病率呈上升趨勢(shì),到2030年,中國(guó)將有3177萬(wàn)腦卒中病人[2].腦卒中引起的下肢障礙如果缺乏后續(xù)康復(fù)治療和訓(xùn)練,將會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮、潰亂甚至人體相關(guān)機(jī)能喪失,將嚴(yán)重影響腦卒中患者以及家人的生活質(zhì)量.因此,安全可靠、患者易接受的康復(fù)訓(xùn)練與代步工具研究對(duì)老年人與下肢障礙患者的康復(fù)與鍛煉具有十分重要的意義.

機(jī)器人在穩(wěn)定性、重復(fù)性方面有先天的優(yōu)勢(shì),適宜作為養(yǎng)老助殘?jiān)O(shè)備使用[3].近年來(lái),機(jī)器人技術(shù)突飛猛進(jìn),醫(yī)療康復(fù)類機(jī)器人也得到充分發(fā)展,康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)出來(lái)[4?6].下肢康復(fù)機(jī)器人大致分為以下4大類:坐臥式機(jī)器人、直立式機(jī)器人、輔助起立式機(jī)器人和多體位式機(jī)器人[7].腳蹬車運(yùn)動(dòng)因?yàn)槠渥陨頁(yè)碛械拈]環(huán)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及軌跡固定、單自由度即可實(shí)現(xiàn)下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),受到康復(fù)設(shè)備研發(fā)人員青睞[8].如美國(guó)Restorative Therapies開(kāi)發(fā)的RT300 Leg[9]和德國(guó)RECK-Technical GmbH&Co.KG的MOTOmed[10],均運(yùn)用腳踏運(yùn)動(dòng)及功能性電刺激(Functional electrical stimulation,FES),實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),結(jié)合FES的康復(fù)策略.上述種類的康復(fù)設(shè)備只能使患者在原地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,沒(méi)有代步功能,訓(xùn)練過(guò)程比較單調(diào)乏味;同時(shí)這類坐臥式康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備大多是被動(dòng)的方式進(jìn)行康復(fù)鍛煉,不易被患者接受,在一定程度上可能影響康復(fù)效果.眾所周知,輪椅是中風(fēng)偏癱患者和老人不可或缺的代步工具,康復(fù)輪椅亦是研究熱點(diǎn)[11?14];日本Yasunobu Handa公司研發(fā)的Profhand很好地利用代步的同時(shí)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練[15?17],可以使患者很好地參與到康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中,提升了患者康復(fù)訓(xùn)練的意愿.但是該設(shè)備沒(méi)有助力系統(tǒng),不適宜于病情嚴(yán)重的患者;同時(shí)對(duì)肢體沒(méi)有很好的保護(hù),腿腳麻木的患者在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中有折斷的風(fēng)險(xiǎn).

外骨骼作為輔助與助力設(shè)備也廣泛用于康復(fù)機(jī)器人中.ReWalk是美國(guó)Argo Medical Technology公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的可穿戴式外骨骼康復(fù)機(jī)器人,下肢障礙患者可穿上該外骨骼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,患者可以通過(guò)手柄控制行走速度[18?19].該機(jī)器人使用傾角傳感器檢測(cè)患者上身所處的姿態(tài),以此來(lái)推斷下肢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而輔助患者完成步行和上下樓梯等日?；顒?dòng)[20].日本筑波大學(xué)研制的Hybrid assistive limb(HAL)不僅可以幫助患者完成康復(fù)活動(dòng),而且可以支撐患者[21?22].國(guó)內(nèi)的很多高校及科研院所也開(kāi)展了外骨骼康復(fù)機(jī)器人相關(guān)的研究,如中科院自動(dòng)化所[23?24]、河北工業(yè)大學(xué)[25]、浙江大學(xué)[26]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[27]、燕山大學(xué)[28]、北京理工大學(xué)[29]等均取得相關(guān)研究成果.外骨骼既可以用來(lái)為患者康復(fù)提供助力與支撐,同時(shí)還可以在康復(fù)過(guò)程中檢測(cè)與執(zhí)行康復(fù)策略,因此在康復(fù)醫(yī)療中得到廣泛應(yīng)用,本文提出的康復(fù)與代步機(jī)器人亦是利用下肢外骨骼完成康復(fù)過(guò)程.

針對(duì)康復(fù)輪椅與外骨骼機(jī)器人各自的特點(diǎn),本文提出一種新的康復(fù)與代步下肢外骨骼機(jī)器人及相關(guān)的主從式操作方法,通過(guò)具有力反饋腳踏的方式提升患者在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的參與感,以易被接受的方式對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,在有效保持或恢復(fù)老年人、腦卒中患者下肢運(yùn)動(dòng)能力的同時(shí),為患者提供一種方便的代步工具,降低純電動(dòng)輪椅出行方式給患者帶來(lái)的恐懼心理,同時(shí)利用單自由度閉鏈?zhǔn)酵夤趋罊C(jī)構(gòu)提供必要助力并保證使用者的安全,為老年人、腦卒中患者基本生活服務(wù)提供便利.通過(guò)外骨骼的助力與康復(fù)作用高效地彌補(bǔ)輪椅不能為使用者提供康復(fù)鍛煉需求的缺陷.本文所提出的機(jī)器人可同時(shí)滿足使用者康復(fù)與代步需求,據(jù)作者所知,目前還沒(méi)有此類的康復(fù)設(shè)備.

本文章節(jié)安排如下:第1節(jié)首先描述人類腳蹬車特點(diǎn)、過(guò)程及在康復(fù)運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用等,在此基礎(chǔ)上提出動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)圖與詳細(xì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并給出相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù);第2節(jié)描述了該機(jī)器人主從式控制器及該機(jī)器人操作流程;第3節(jié)對(duì)外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行初步仿真并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性;第4節(jié)根據(jù)設(shè)計(jì)完成了樣機(jī)研發(fā)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;文章最后給出了總結(jié)并提出展望.

1 康復(fù)與代步機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 腳踏車運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

腳踏車運(yùn)動(dòng)以其獨(dú)有的特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注,使用者可借助曲柄的動(dòng)作完成鍛煉與康復(fù)活動(dòng),因此受到研究者的青睞.在腳踏車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,腿部各塊肌肉以相互協(xié)調(diào)的方式產(chǎn)生和傳遞來(lái)自身體的力量,使下肢各關(guān)節(jié)肌肉得到很好的鍛煉.腳踏車下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì),建立在認(rèn)識(shí)腳踏車運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上.如圖1所示,腳踏車運(yùn)動(dòng)可分為三個(gè)階段:推力階段、加速階段與回程階段[30].在上下推力階段,需要控制曲柄速度,主要是利用慣性通過(guò)圖中的上下死點(diǎn),此時(shí)可不使用推力但是需要控制好曲柄速度;加速階段是單邊腿部各部分肌肉鍛煉的重要階段,此時(shí)為通過(guò)推力階段的上下死點(diǎn)做相應(yīng)準(zhǔn)備;回程階段是單邊腿部肌肉放松階段,通過(guò)下死點(diǎn)后,左右腿交換進(jìn)行加速階段和回程階段.因此腳踏車運(yùn)動(dòng)是左右腿相互協(xié)作的周期性過(guò)程.

從上述腳踏車的描述可以看出,對(duì)特定的曲柄,其運(yùn)動(dòng)軌跡為單一的閉鏈曲線,可保證使用者下肢在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),能避免麻木的下肢康復(fù)過(guò)程中左右擺動(dòng)產(chǎn)生二次傷害;同時(shí),在一個(gè)周期中,其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)有章可循,可在一個(gè)周期中不同的階段對(duì)曲柄施加所需的力矩,使用者感覺(jué)舒適的同時(shí),控制相對(duì)簡(jiǎn)單,且能保證系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn).因此,使用腳蹬車運(yùn)動(dòng)的康復(fù)與代步方式,可保證康復(fù)訓(xùn)練與代步機(jī)器人的安全性與可靠性.

圖1 腳蹬車運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期中三階段分布Fig.1 Three phases of the crank cycle during the cycling action

1.2 康復(fù)與代步機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

人體下肢單腿自由度分布為:髖關(guān)節(jié)3個(gè)自由度,膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度,踝關(guān)節(jié)3個(gè)自由度,其中矢平面內(nèi)髖、膝、踝關(guān)節(jié)各有一個(gè)自由度,依據(jù)解剖學(xué)可知下肢關(guān)節(jié)矢平面的運(yùn)動(dòng)可有效鍛煉下肢各關(guān)節(jié)肌肉[31],因此本外骨骼康復(fù)機(jī)器人主要針對(duì)矢平面三個(gè)自由度對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練.根據(jù)腳蹬車運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及下肢康復(fù)訓(xùn)練需求,本設(shè)計(jì)選用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)康復(fù)外骨骼為使用者下肢提供支撐.其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示,其中R2,R3,R4分別表示髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)受力大小,θ2,θ3,θ4,θp,θw,θsw分別表示髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、曲柄、輪椅后輪與前輪旋轉(zhuǎn)角度,L2、L3、L4表示搖桿、連桿與曲柄的長(zhǎng)度,L1表示輪椅前后輪之間的間距.由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)特性及本運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖可知:

圖2 外骨骼康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.2 A kinematic sketch of proposed leg-exoskeleton assisted wheelchair system and its main design parameters

由此可根據(jù)需要建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)與各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度之間的函數(shù)關(guān)系.

為了使機(jī)器人更安全柔順地完成康復(fù)工作,操作不宜過(guò)于復(fù)雜,滿足康復(fù)條件的情況下盡量減少主動(dòng)自由度.根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn),本康復(fù)機(jī)器人自由度分布如圖3所示,該機(jī)器人包含兩個(gè)主動(dòng)自由度及8個(gè)被動(dòng)自由度.外骨骼主動(dòng)電機(jī)主要針對(duì)使用者下肢的康復(fù)運(yùn)動(dòng),可通過(guò)對(duì)主動(dòng)電機(jī)的控制完成從完全主動(dòng)康復(fù)到完全被動(dòng)康復(fù)的不同康復(fù)模態(tài),通過(guò)單自由度即可實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人的康復(fù)功能.輪椅從動(dòng)電機(jī)用來(lái)控制輪椅自身的運(yùn)動(dòng),通過(guò)兩個(gè)從動(dòng)電機(jī)的配合,實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等,實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人的代步功能.

圖3 康復(fù)機(jī)器人自由度分布Fig.3 The distribution of the robot's degrees of freedom(DOFs)

1.3 康復(fù)與代步機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖與自由度分布情況,圖4描述了該機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.該機(jī)器人主要分成輪椅與外骨骼兩大部分;其中輪椅操作面板上固定有輪椅操作桿,用來(lái)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)方向與速度;同時(shí)固定了各類按鈕,包括不同康復(fù)模式設(shè)置按鈕、急停開(kāi)關(guān)等;系統(tǒng)的信號(hào)指示燈固定在輪椅操作面板上;外骨骼電機(jī)及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)均固定在輪椅上,構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu).足底傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)意圖,控制機(jī)器人康復(fù)運(yùn)動(dòng)與輪椅的啟停.圖5中,外骨骼大、小腿連桿連接處做成槽型結(jié)構(gòu),連桿長(zhǎng)度L可根據(jù)不同使用者腿部長(zhǎng)度沿圖5中箭頭方向進(jìn)行相應(yīng)手動(dòng)調(diào)整;該外骨骼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度可以滿足大部分亞洲成年人身高需求[32].圖5中的異形拱可有效避開(kāi)輪椅與外骨骼的干涉,最大限度地提高關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍.各部分詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,其中,θ2,θ3,θ4的活動(dòng)范圍分別為?15°～15°,?5°～35°,0°～35°,該關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍可有效地鍛煉使用者各關(guān)節(jié)肌肉[33].

針對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)構(gòu),由于大部分關(guān)節(jié)均是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),因此需要保證旋轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)節(jié)的精度.圖6所示為外骨骼大部分關(guān)節(jié)的連接方式.此關(guān)節(jié)的剖面圖位置為圖4中I處,通過(guò)法蘭軸與軸承的結(jié)合實(shí)現(xiàn)電機(jī)與外骨骼的關(guān)節(jié)傳動(dòng).同時(shí),對(duì)于腳踏板(圖4中關(guān)節(jié)II處),一方面需要連接外骨骼傳遞蹬踩自行車運(yùn)動(dòng),另一方面需要與腳蹬連接,因此采用3軸承支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案;在裝配過(guò)程中,預(yù)留的扳手槽用于完成圖示轉(zhuǎn)動(dòng)軸與腳蹬的螺紋連接,詳細(xì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示.

圖4 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig.4 The mechanical design of the robot

圖5 外骨骼長(zhǎng)度調(diào)節(jié)連桿Fig.5 The length adjustment of the exoskeleton rod

圖6 同步帶輪關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.6 The mechanical design of synchronous pulley

圖7 腳踏板關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 The mechanical design of pedal

該機(jī)器人使用前準(zhǔn)備過(guò)程為,首先利用輪椅電機(jī)抱閘固定輪椅,使用者坐上輪椅后,通過(guò)調(diào)整大小腿桿1與2的相對(duì)位置,根據(jù)需要手動(dòng)調(diào)整大腿及小腿外骨骼長(zhǎng)度(如圖5所示),擰緊碟形螺栓,將使用者雙腿與外骨骼通過(guò)圖示綁帶相連,并手握輪椅操作器,打開(kāi)電機(jī)抱閘,準(zhǔn)備康復(fù)鍛煉.

表1 外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Specifcations of the new leg-exoskeleton assisted wheelchair

2 康復(fù)與代步機(jī)器人主從式操作方法

為提高患者康復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的參與感,消除其對(duì)醫(yī)療器械的恐懼心理,本機(jī)器人采用主從式控制方法.如圖8所示為康復(fù)輪椅主從式操作方法示意圖.圖8中,所有運(yùn)動(dòng)均從人體運(yùn)動(dòng)意圖開(kāi)始,使用者腳蹬輪椅踏板時(shí),安裝在腳底的力傳感器接收到人體運(yùn)動(dòng)意圖,同時(shí)觸發(fā)外骨骼運(yùn)動(dòng)與輪椅運(yùn)動(dòng);對(duì)于外骨骼運(yùn)動(dòng),可通過(guò)腿部傳感器的作用控制使用者康復(fù)訓(xùn)練;對(duì)于輪椅運(yùn)動(dòng),可通過(guò)使用者本人控制輪椅的前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng).因此,本機(jī)器人不僅可以使患者充分地參與到康復(fù)訓(xùn)練中,而且還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)康復(fù)與代步兩項(xiàng)功能.為實(shí)現(xiàn)上述功能,本機(jī)器人設(shè)計(jì)的主從式控制器如圖9所示,主要包括控制面板、主控制器、輪椅驅(qū)動(dòng)控制器、外骨骼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)及相關(guān)力傳感器等幾大部分組成,其中,主控制器接收到來(lái)自使用者控制面板的操作和腳底及下肢力傳感器的信號(hào),根據(jù)用戶的功能選擇與外骨骼信號(hào)反饋,實(shí)時(shí)規(guī)劃外骨骼電機(jī)及輪椅兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù);分別通過(guò)控制輪椅左右電機(jī)實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)速與運(yùn)動(dòng)方向,通過(guò)外骨骼位置與扭矩控制外骨骼伺服運(yùn)動(dòng)并利用反饋控制外骨骼電機(jī),指導(dǎo)使用者進(jìn)行相關(guān)的康復(fù)輔助鍛煉.

圖8 康復(fù)輪椅主從式操作方法示意圖Fig.8 A scheme for the slave-master actuation for the robot

圖9 主從式控制器組成Fig.9 The components of slave-master controller

為實(shí)現(xiàn)上述康復(fù)輪椅主從式操作方法及主從式控制器的設(shè)計(jì),該機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練控制流程如圖10所示.使用者腳蹬輪椅時(shí),外骨骼和輪椅控制器分別檢測(cè)力傳感器中力的大小,根據(jù)設(shè)定分別執(zhí)行各自任務(wù);對(duì)于輪椅,可根據(jù)力的大小控制輪椅前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎速度,對(duì)于外骨骼,根據(jù)力度大小及下肢力傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷使用者是否有足夠力量完成腳蹬車運(yùn)動(dòng),該過(guò)程可通過(guò)比例系數(shù)K(K≥0)值來(lái)表示.如果力量不夠(K=0),可通過(guò)控制電機(jī),帶動(dòng)人腿完成康復(fù)訓(xùn)練,此時(shí)為完全被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練;如果人體下肢力量足夠(K≥1),則外骨骼只輔助人腿運(yùn)動(dòng)不提供助力,必要時(shí)還可以通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)提供部分阻力供使用者鍛煉,此時(shí)為完全主動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài);當(dāng)使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成腳蹬車運(yùn)動(dòng)時(shí)(0＜K＜1),此時(shí)可為患者提供部分助力,此時(shí)為主被動(dòng)融合的康復(fù)模式;同時(shí)腳蹬車運(yùn)動(dòng)的速度與輪椅行進(jìn)的速度之間包含正相關(guān)的反饋調(diào)節(jié),即使用者腳蹬車越快,輪椅前進(jìn)速度越快,反之亦然,使用者腳蹬車停止,輪椅停止運(yùn)動(dòng),由此讓使用者感覺(jué)到是自己蹬車前進(jìn)的,切實(shí)提升使用者參與感.該過(guò)程可通過(guò)如下公式表示:

圖10 機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練控制流程Fig.10 The robot's control fow for the rehabilitation training

其中,Fr為康復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程所需力的大小,?Fm為康復(fù)電機(jī)提供的力的大小,?Fu為患者腿部提供的力的大小.由此可見(jiàn),該康復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程是人機(jī)相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的結(jié)果.

3 仿真分析

本文針對(duì)外骨骼部分進(jìn)行初步的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.將Solidworks軟件設(shè)計(jì)的三維模型導(dǎo)入Adams中進(jìn)行仿真分析,初始條件參數(shù)設(shè)置如表2所示,主要包括系統(tǒng)質(zhì)量與速度參數(shù)和外骨骼關(guān)節(jié)摩擦相關(guān)參數(shù).其中,在仿真環(huán)境中,為充分考慮人體質(zhì)量對(duì)仿真結(jié)果的影響,人體的質(zhì)量60kg按照人體質(zhì)量比例分布到仿真模型中人身體各部分中,以保證仿真結(jié)果的正確性與嚴(yán)密性;同時(shí),仿真設(shè)置中,將大、小腿分別與外骨骼大小腿桿固定相連;仿真環(huán)境中各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置如圖11所示.為驗(yàn)證外骨骼各連桿參數(shù)的正確性,初始輸入條件為曲柄的速度為30RPM,因此一個(gè)周期時(shí)間為2s,運(yùn)行仿真時(shí)間20s,選取比較穩(wěn)定的階段14s～18s作為仿真結(jié)果,如圖12～14所示.

圖11ADAMS環(huán)境中機(jī)器人與人的模型及各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)示意Fig.11 An ADAMS model of the design in Fig.4 with indication of parameters

圖12所示為2周期內(nèi)左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度曲線,由圖12可知,外骨骼系統(tǒng)運(yùn)行平滑,髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度范圍分別大約為:?13°～12°,?4°～32°,0°～32°,角度的正負(fù)值取決于仿真環(huán)境中的世界坐標(biāo)值,結(jié)果基本與設(shè)計(jì)參數(shù)吻合,誤差存在于身高參數(shù)設(shè)置的不同;同時(shí)該參數(shù)會(huì)根據(jù)不同身高有些差異.

圖12 左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度曲線(實(shí)線為左腿,虛線為右腿)Fig.12 Angle curves of left and right legs at hip,knee, ankle(continuous line is for left foot and dot line is for right foot)

圖13 左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角速度曲線(實(shí)線為左腿,虛線為右腿)Fig.13 Angular velocities of left and right legs at hip, knee,ankle(continuous line is for left foot and dot line is for right foot)

圖14 左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)接觸力曲線(實(shí)線為左腿,虛線為右腿)Fig.14 Joint reaction forces at left and right legs at hip, knee,ankle(continuous line is for left foot and dot line is for right foot)

圖13所示為左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角速度曲線,各關(guān)節(jié)角速度不超過(guò)60deg/s,速度最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的為圖1中所示的腳蹬車運(yùn)動(dòng)的上下死點(diǎn)階段.圖14所示為左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)接觸力曲線,三關(guān)節(jié)的最大接觸力大小分別為:54N, 43N,85N,其中,髖關(guān)節(jié)的接觸力大小可為外骨骼電機(jī)的選擇提供參考依據(jù).綜上所述,該仿真過(guò)程驗(yàn)證了外骨骼系統(tǒng)的有效性.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的正確性,通過(guò)開(kāi)發(fā)原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),康復(fù)機(jī)器人原理樣機(jī)如圖15所示.本論文實(shí)驗(yàn)分為兩部分,實(shí)驗(yàn)1通過(guò)正常人腳蹬輪椅并記錄相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線對(duì)比確定康復(fù)電機(jī)的控制策略;實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行外骨骼與輪椅的主從式控制方法的驗(yàn)證.

圖15 康復(fù)機(jī)器人原理樣機(jī)Fig.15 A prototype of the rehabilitation robot

4.1 外骨骼運(yùn)動(dòng)特征分析實(shí)驗(yàn)

通過(guò)仿真分析了外骨骼運(yùn)動(dòng)的可行性,為研究固定在腳踏板上的力傳感器輸出特性與外骨骼運(yùn)動(dòng)、輪椅運(yùn)動(dòng)的匹配關(guān)系,本次完成了外骨骼運(yùn)動(dòng)特征分析實(shí)驗(yàn).首先邀請(qǐng)一個(gè)健康的志愿者(體重約60 kg,身高170 cm,年齡30歲).志愿者坐上輪椅,根據(jù)下肢長(zhǎng)度調(diào)整外骨骼長(zhǎng)度后,系上綁帶將大小腿與外骨骼固定;然后,根據(jù)志愿者坐上輪椅后的狀態(tài)校準(zhǔn)腳底力傳感器,判定運(yùn)動(dòng)模式為主動(dòng)模式(健康志愿者、力量足夠);判定完成后,開(kāi)始康復(fù)與代步運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程序列圖如圖16所示,該序列為一個(gè)周期中志愿者腳蹬輪椅康復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作過(guò)程.在此過(guò)程中腳底力傳感器受力情況及外骨骼電機(jī)位置值如圖17所示.

圖16 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一周期內(nèi)康復(fù)運(yùn)動(dòng)序列圖及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景照片F(xiàn)ig.16 Experimental scene photos with one cycle rehabilitation movement sequence diagram in the experimental process

圖17 外骨骼運(yùn)動(dòng)特征分析實(shí)驗(yàn)Fig.17 The experiment for characteristics analysis of the exoskeleton motion

傳感器是粘貼在腳踏板上的,圖17可以看出,左右腿對(duì)稱軸是13N左右,因此可知其預(yù)受力是13N左右.由于腳蹬車運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),曲線均成周期性變化且極限位置是確定的,表明了結(jié)果的正確性,同時(shí)可為不同的康復(fù)運(yùn)動(dòng)策略提供理論基礎(chǔ).針對(duì)圖17(b)和圖17(c),與圖17(a)中各階段的受力周期相比,圖17(b)比圖17(c)中的曲線更平滑、運(yùn)動(dòng)特征更鮮明,并且位置信號(hào)比速度信號(hào)更容易得到,因此本機(jī)器人宜采用位置控制的康復(fù)策略控制方法.

4.2 主從式操作方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本文提出的主從式操作方法中,主動(dòng)運(yùn)動(dòng)為人的腳蹬車運(yùn)動(dòng),從動(dòng)運(yùn)動(dòng)為外骨骼與輪椅的運(yùn)動(dòng).本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輪椅的運(yùn)動(dòng)對(duì)外骨骼運(yùn)動(dòng)的跟隨性.在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,志愿者按自身意愿腳蹬踏板,記錄外骨骼運(yùn)動(dòng)速度與輪椅前進(jìn)速度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18所示,圖中所示的外骨骼運(yùn)動(dòng)速度與輪椅運(yùn)動(dòng)速度具有較好的跟隨性.可在此主動(dòng)模式的基礎(chǔ)上完成被動(dòng)模式、主被動(dòng)融合模式的康復(fù)訓(xùn)練策略.

5 總結(jié)與展望

簡(jiǎn)單實(shí)用型康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)對(duì)老人及下肢障礙者有重要意義.本文運(yùn)用腳蹬車運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)兼具康復(fù)鍛煉與代步功能的外骨骼型機(jī)器人并提出主從式操作方法.首先,運(yùn)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)方案,建立下肢康復(fù)機(jī)器人三維模型;為提高使用者參與感,設(shè)計(jì)主從式控制器,并運(yùn)用主從式控制方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制;通過(guò)仿真,初步驗(yàn)證了外骨骼系統(tǒng)的正確性;最后,通過(guò)實(shí)驗(yàn),確定主從式控制中不同康復(fù)模式的初始輸入條件與康復(fù)運(yùn)動(dòng)控制方法,并驗(yàn)證了從式運(yùn)動(dòng)對(duì)主式運(yùn)動(dòng)的跟隨性.本文只對(duì)外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行了初步仿真驗(yàn)證,對(duì)于主從式操作方法及其介紹的控制流程還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn);同時(shí),對(duì)相關(guān)傳感器的靈敏度及各傳感器配合情況仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,后續(xù)實(shí)驗(yàn)可加上綁縛處人機(jī)交互作用力作為腳踏板處交互力的補(bǔ)充,使控制過(guò)程更精準(zhǔn);最后,針對(duì)使用者如何方便地坐上輪椅,以及如何最大限度地提高該機(jī)器人的康復(fù)效果,仍需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).

圖18 主從式運(yùn)動(dòng)速度曲線Fig.18 The plots of master-slave motion

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黃 高北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院智能機(jī)器人研究所博士研究生.2010年獲得武漢輕工大學(xué)機(jī)械學(xué)院學(xué)士學(xué)位.主要研究方向?yàn)榭祻?fù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).

E-mail:huanggao@bit.edu.cn

(HUANGGaoPh.D.candidate at the Intelligent Robotics Institute, School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology,China.He received his bachelor degree from Wuhan Polytechnic University in 2010.His main research interest is rehabilitation robot system design technology.)

張偉民北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院智能機(jī)器人研究所副教授.1999年獲得北京理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位,2002年和2005年分別獲得北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士學(xué)位和博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人.本文通信作者.

E-mail:zhwm@bit.edu.cn

(ZHANG Wei-MinAssociate professor at the Intelligent Robotics Institute,School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,China.He received his bachelor,master and Ph.D. degrees from the School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,China in 1999,2002 and 2005, respectively.His research interest covers bio-robots.Corresponding author of this paper.)

Marco Ceccarelli意大利卡西諾大學(xué)教授.1982年獲得羅馬大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位,1987年獲得羅馬大學(xué)博士學(xué)位.主要研究方向機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械原理及機(jī)械工程歷史.

E-mail:ceccarelli@unicas.it

(MARCO CeccarelliProfessor at University of Cassino and South Latium Via Di Biasio,Italy.He received mechanical engineering degree from the University La Sapienza of Rome, Italy,in 1982.He received his Ph.D.from the University La Sapienza of Rome,Italy in 1987.His research interest covers mechanism design,mechanics and design of robots, and history of mechanical engineering.)

余張國(guó)北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院智能機(jī)器人研究所副教授.1997年和2005年獲得西南科技大學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位,2009年獲得北京理工大學(xué)博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人.

E-mail:yuzg@bit.edu.cn

(YU Zhang-GuoAssociate professor at the Intelligent Robotics Institute, Beijing Institute of Technology,China.He received his bachelor and master degrees from Southwest University of Science and Technology,China in 1997 and 2005,respectively.He received his Ph.D.degree from Beijing Institute of Technology,China in 2009.His research interest covers bio-robots.)

陳學(xué)超北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院講師. 2007年和2013年分別獲得北京理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人和機(jī)器人動(dòng)力學(xué).

E-mail:chenxuechao@bit.edu.cn

(CHEN Xue-ChaoLecturer at the School of Mechatronics Engineering,Beijing Institute of Technology,China. He received his bachelor and Ph.D.degrees in mechatronics engineering from the Beijing Institute of Technology,China in 2007 and 2013,respectively.His research interest covers humanoid robotics and robot dynamics.)

孟 非北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士后. 2008年和2010年分別獲得北京理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)士和碩士學(xué)位, 2016年獲得北京理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制,仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.

E-mail:mfy0208@bit.edu.cn

(MENG FeiPostdoctor at the Intelligent Robotics Institute,Beijing Institute of Technology, China.He received his bachelor,master,and Ph.D.degrees from Beijing Institute of Technology,China in 2008, 2010 and 2016,respectively.His research interest covers motor control and planning for biped robots.)

黃 強(qiáng)北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院智能機(jī)器人研究所教授.1989年獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位,1996年獲日本早稻田大學(xué)博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)榉氯伺c仿生機(jī)器人,康復(fù)機(jī)器人.

E-mail:qhuang@bit.edu.cn

(HUANG QiangProfessor at the Intelligent Robotics Institute,Beijing Institute of Technology,China.He received his master degree from Harbin Institute of Technology,China in 1989 and Ph.D.degree from Waseda University in 1996.His research interest covers humanoid robot,bio-robots,and rehabilitation robot.)

Research of a New Rehabilitation and Assisting Robot

HUANG Gao1,4,5ZHANG Wei-Min1,2,4,5MARCO Ceccarelli2,6YU Zhang-Guo1,2,4,5CHEN Xue-Chao1,2,4,5MENG Fei1,2,4,5HUANG Qiang1,2,3,4,5

Towards the rehabilitation and training problems of older persons and lower limb disabilities,the paper proposes a new robot with lower limb exoskeleton for rehabilitation and walking assistance.The components and mechanical design of the robot are introduced in detail.Through the function combination of lower limb exoskeleton and wheelchair, the robot can help the users to maintain the lower limb movement efectively and provide them with a convenient tools for movement.The pedal-actuated motion training strategy can ensure the safety of users.The master-slave operational mode is put forward with multimodal rehabilitation training process control.Correctness and feasibility of the rehabilitation system are validated by computer simulation and experiment.

Rehabilitation robot,exoskeleton,mechanical design,master-slave operational fow,simulation

黃高,張偉民,Marco Ceccarelli,余張國(guó),陳學(xué)超,孟非,黃強(qiáng).一種新的康復(fù)與代步外骨骼機(jī)器人研究.自動(dòng)化學(xué)報(bào),2016,42(12):1933?1942

Huang Gao,Zhang Wei-Min,Marco Ceccarelli,Yu Zhang-Guo,Chen Xue-Chao,Meng Fei,Huang Qiang. Research of a new rehabilitation and assisting robot.Acta Automatica Sinica,2016,42(12):1933?1942

2016-03-03 錄用日期2016-10-14

Manuscript received March 3,2016;accepted October 14,2016國(guó)家

高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863 計(jì)劃)(2014AA041602, 2015AA042305,2015AA043202),國(guó)家自然科學(xué)基金(61320106012,61375103,61533004,61273348,61321002, 61673069),國(guó)際科技支撐計(jì)劃(2015BAF13B01,2015BAK35B01),北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D161100003066002,Z161100003116081),國(guó)家111引智計(jì)劃(B08043)

Supported by National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(2014AA041602, 2015AA042305,2015AA043202),National Natural Science Foundation of China (61320106012,61375103, 61533004,61273348,61321002,61673069),KeyTechnologies Research and Development Program (2015BAF13B01, 2015BAK35B01),Beijing Municipal Science and Technology Project(D161100003066002,Z161100003116081),the National“111”P(pán)roject(B08043)本文

責(zé)任編委王啟寧

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1.仿生機(jī)器人與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100081中國(guó) 2.智能機(jī)器人與系統(tǒng)高精尖創(chuàng)新中心北京100081中國(guó) 3.復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與決策國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100081中國(guó) 4.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院智能機(jī)器人研究所北京100081中國(guó) 5.仿生機(jī)器人與系統(tǒng)教育部國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室北京100081中國(guó) 6.意大利卡西諾大學(xué)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室卡西諾03043意大利

1.Key Laboratory of Biomimetic Robots and Systems(Beijing Institute of Technology),Ministry of Education,Beijing 100081,China 2.Beijing Advanced Innovation Center for Intelligent Robots and Systems,Beijing 100081,China 3.Key Labo-ratory of Intelligent Control and Decision of Complex System,Beijing 100081,China 4.Intelligent Robotics Institute,School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China 5.International Joint Research Labo-ratory of Biomimetic Robots and Systems(Beijing Institute of Technology),Ministry of Education,Beijing 100081,China 6.Laboratory of Robotics and Mechatronics DICeM,University of Cassino and South Latium Via Di Biasio,Cassino(Fr)03043,Italy