一種7自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制研究

劉志輝， 孫 奕， 唐 智， 袁 濤， 孔繁磊， 王生澤

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2. 上海養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院，上海 201620)

一種7自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制研究

劉志輝1， 孫 奕2， 唐 智1， 袁 濤1， 孔繁磊1， 王生澤1

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201620；2. 上海養(yǎng)志康復(fù)醫(yī)院，上海 201620)

針對外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人自由度受限的問題，根據(jù)上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)理對上肢結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡化，提出一種改進(jìn)的7自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 并對運(yùn)動支撐的各部分單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和分析，根據(jù)安全人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行了康復(fù)運(yùn)動系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)與控制研究.研究結(jié)果表明，該7自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加符合人因工學(xué)，控制機(jī)制優(yōu)化，安全性能良好，為實(shí)現(xiàn)后期的實(shí)時(shí)控制與運(yùn)動規(guī)劃奠定了基礎(chǔ).

外骨骼機(jī)器人； 上肢康復(fù)； 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； 控制

腦卒中和心腦血管疾病、運(yùn)動損傷、職業(yè)傷害等原因引起的上肢運(yùn)動功能障礙是十分常見的， 尤其是老年人群體， 主要表現(xiàn)為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)運(yùn)功功能的部分或完全喪失. 上肢的正常運(yùn)作對人們進(jìn)行必要的日?；顒邮欠浅Ｖ匾? 世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示， 每年全球超過1 500萬人受到腦卒中和心腦血管疾病的影響， 其中，腦卒中幸存者中85%患有急性上肢功能障礙， 40%長期受損或永久性殘疾. 康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練是針對這類病癥最有效的方法. 傳統(tǒng)的康復(fù)計(jì)劃是通過理療師來一對一實(shí)現(xiàn)的， 治療時(shí)間長， 需要依賴于理療師的經(jīng)驗(yàn). 面對人力成本高以及理療師資源匱乏的現(xiàn)狀， 機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)得到了快速發(fā)展[1]. 最近研究顯示， 機(jī)器人輔助治療和虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)對恢復(fù)患者上肢運(yùn)動功能以及減少手臂受損有很好的作用[2].在國內(nèi)， 康復(fù)機(jī)器人的研究仍處于起步和發(fā)展階段， 研究主要集中在一些理工類的高等院校和科研院所， 取得的一些成果基本還停留在實(shí)驗(yàn)室階段， 很少有量產(chǎn)的產(chǎn)品出現(xiàn). 在國外， 華盛頓大學(xué)、薩爾福德大學(xué)及佐賀大學(xué)均開發(fā)過7自由度上肢康復(fù)機(jī)器人， 有很好的借鑒價(jià)值. 現(xiàn)有的外骨骼康復(fù)系統(tǒng)存在硬件限制， 比如有限的自由度；缺乏人因工程方面的研究， 導(dǎo)致穿戴的舒適性較差；結(jié)構(gòu)不合理帶來的手臂插入和移除不方便；控制系統(tǒng)不合理帶來的執(zhí)行困難及安全等問題. 在筆者學(xué)科組前期5自由度和6自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人的研究基礎(chǔ)上[3-4]， 本研究從人因工程學(xué)角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型的7自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和分析， 以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃.

1 外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人自由度規(guī)劃

在確?；颊甙踩那疤釛l件下，外骨骼上肢機(jī)器人最基本的要求是根據(jù)上肢的生理結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)理、動作結(jié)構(gòu)、運(yùn)動再學(xué)習(xí)理論實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多自由度運(yùn)動. 為了恢復(fù)和減輕人類上肢運(yùn)動， 基于人類上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動的概念提出7自由度機(jī)器人模型. 考慮到用戶的安全， 并提供執(zhí)行基本的日常生活能力(ADL)的協(xié)助， 如：吃飯、穿衣、上下床、梳理、如廁、洗澡等. 為了選擇合適的活動范圍， 初步研究的解剖范圍在圖1所示的基本上肢運(yùn)動中進(jìn)行.

圖1 上肢日常關(guān)節(jié)活動Fig.1 Upper limb joints of daily activities

研究分析典型成年人的上肢生理特性和關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律，采用目前常用的骨骼建模理論，依據(jù)人因工程數(shù)據(jù)測算外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人的主體參數(shù)， 如臂長、臂厚、鏈長度和慣性等[5]， 參考人體10～90百分位設(shè)置康復(fù)裝備肩關(guān)節(jié)長度為140 mm， 上臂長度為(250±88.5) mm， 前臂長度為(260±47.5) mm， 手部擺桿長為90 mm， 上臂杯直徑為120 mm， 前臂杯直徑為105 mm. 設(shè)計(jì)該裝備穿戴在上臂的側(cè)面， 目的是為了提供有效的肩關(guān)節(jié)康復(fù)(3個(gè)自由度， 水平和垂直運(yùn)動、屈曲/伸展運(yùn)動和內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn))， 肘部康復(fù)(1個(gè)自由度，屈曲/伸展運(yùn)動)， 前臂康復(fù)(1個(gè)自由度，內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn))， 腕關(guān)節(jié)康復(fù)(2個(gè)自由度，屈曲/伸展運(yùn)動和徑向/尺側(cè)偏離運(yùn)動). 綜上所述， 經(jīng)過模型簡化， 上肢康復(fù)機(jī)械手臂選取肩關(guān)節(jié)3個(gè)自由度、肘關(guān)節(jié)1個(gè)自由度、前臂1個(gè)自由度及腕關(guān)節(jié)2個(gè)自由度來進(jìn)行7自由度外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)方案框架模型如圖2所示. 為了方便設(shè)備的更新、發(fā)展及推廣， 將其命名為DHUKF-001.

圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人框架示意圖Fig.2 Schematic diagram of upper limb rehabilitation robot

2 外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

7自由度上肢康復(fù)機(jī)器人DHUKF-001包含3個(gè)部分：肩運(yùn)動的支撐、肘部和前臂運(yùn)動的支撐以及手腕運(yùn)動的支撐. 由于實(shí)際上不可能沿著上臂的旋轉(zhuǎn)軸線放置任何制動器， 而且上臂的旋轉(zhuǎn)軸和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軸線之間會有偏移，肩關(guān)節(jié)的內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn)和前臂的支撐部分的機(jī)構(gòu)稍微復(fù)雜一些， 此處引進(jìn)了一種齒輪機(jī)構(gòu)來解決這個(gè)問題. 整個(gè)DHUKF-001手臂采用鋁、樹脂和尼龍材料制作， 由于鋁是一個(gè)低密度材料， 其具有合理的強(qiáng)度特征， 可以提供一個(gè)相對輕量級的外骨骼結(jié)構(gòu). 根據(jù)質(zhì)量和慣性特性， 與現(xiàn)有的外骨骼裝置相比， DHUKF-001更輕.

在圖2所示的運(yùn)動學(xué)坐標(biāo)中， 人體上肢的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸由深黑色箭頭(即z軸)表示. 關(guān)節(jié)1、 2和3一起構(gòu)成了盂肱關(guān)節(jié)(GHJ)， 通常稱為肩關(guān)節(jié)， 關(guān)節(jié)1對應(yīng)于水平屈曲/伸展， 關(guān)節(jié)2對應(yīng)于垂直屈曲/伸展， 關(guān)節(jié)3對應(yīng)于內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn). 對于這個(gè)外骨骼機(jī)器人， 關(guān)節(jié)1、 2和3的軸在公共點(diǎn)(M)相交. 關(guān)節(jié)4和5的軸線公共點(diǎn)(N)相交在距離盂肱關(guān)節(jié)dE(肱骨長度)的位置， 其中關(guān)節(jié)4對應(yīng)于肘關(guān)節(jié)的屈曲/伸展， 關(guān)節(jié)5對應(yīng)于前臂的內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn). 關(guān)節(jié)6和7相交于距離肘關(guān)節(jié)dW的另一個(gè)公共點(diǎn)(W)， 關(guān)節(jié)點(diǎn)6對應(yīng)于徑向/尺側(cè)偏離， 關(guān)節(jié)7對應(yīng)于屈曲/伸展.

2.1肩部運(yùn)動的支撐

肩關(guān)節(jié)運(yùn)動支撐部分有3個(gè)自由度， 輔助水平和垂直屈曲/伸展運(yùn)動的裝置， 由兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)鏈接(鏈接A和鏈接B)和兩個(gè)電位計(jì)組成. 電動機(jī)1控制鏈接A的末端， 鏈接A的另一端連接在機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)上， 如圖3(a)所示. 為了適應(yīng)主體肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)， 連接電機(jī)1和2的另一端的鏈接B設(shè)計(jì)成L形. 因此， 電機(jī)1和2的旋轉(zhuǎn)軸線應(yīng)該相交在肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心. 電機(jī)1負(fù)責(zé)肩關(guān)節(jié)水平屈曲/伸展運(yùn)動， 電機(jī)2負(fù)責(zé)垂直屈曲/伸展運(yùn)動.通過調(diào)整座位高度(如使用能夠調(diào)節(jié)高度的椅子)很容易對準(zhǔn)DHUKF-001的肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn). 此裝置不需要抬高肩胛骨的高度， 而是固定在GHJ下旋轉(zhuǎn). 由于GHJ彎曲， 肩關(guān)節(jié)通常會被允許在垂直彎曲范圍內(nèi)移動. 如果患者肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心與DHUKF-001保持一致， 就不會感到不適.

(a) 肩部運(yùn)動支撐

(b) 肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)支撐

(c) 驅(qū)動機(jī)制內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn)

(d) 前臂運(yùn)動支撐

(e) 手腕運(yùn)動支撐

為了輔助肩關(guān)節(jié)的內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn)， DHUKF-001的上臂鏈接包含：1個(gè)滑動鏈接(鏈接C)、1個(gè)固定鏈接(鏈接D)、1個(gè)電機(jī)、1個(gè)定制的開式軸承、1個(gè)環(huán)形齒輪、1個(gè)反間隙齒輪、1個(gè)電位計(jì). 上臂鏈接和電機(jī)2鉸接在一起， 如圖3(b)所示， 鏈接C剛性地鏈接到外圓環(huán)上， 并且能夠沿著上臂連桿滑動， 通過調(diào)節(jié)上臂杯和肩關(guān)節(jié)之間的距離(以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)之間的距離)來適應(yīng)更多的患者. 外圓環(huán)設(shè)計(jì)用來在上臂杯兩側(cè)固定不銹鋼珠， 如圖3(c)所示. 這些鋼珠是為了定位凹槽之間的內(nèi)外圓環(huán)， 同時(shí)作為一個(gè)無摩擦的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使用. 開放式的半圓上臂杯結(jié)構(gòu)使得患者輕松地定位手臂位置. 圖3(c)所示的反間隙齒輪是沿電機(jī)軸固定的， 其將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞到環(huán)形齒輪， 開放式的環(huán)形齒輪牢固地連接在上臂杯上， 負(fù)責(zé)將上臂杯旋轉(zhuǎn)到定制的開式軸承.

2.2肘部和前臂運(yùn)動的支撐

肘部運(yùn)動支撐部分由手臂的前臂鏈接、1個(gè)固定的鏈接(鏈接D)、1個(gè)電機(jī)和1個(gè)電位計(jì)組成. 如圖3(b)所示， 鏈接D作為肩關(guān)節(jié)內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn)和肘部運(yùn)動支撐之間的橋梁， 其一端與上臂杯組裝， 另一端固定在DHUKF-001肘部電機(jī)和肘部運(yùn)動支撐部分. 前臂鏈接在肘關(guān)節(jié)處與肘部電機(jī)鉸接， 并承載整個(gè)前臂的運(yùn)動支撐部分.

前臂運(yùn)動支撐部分由1個(gè)滑動鏈接(鏈接E)、1個(gè)電機(jī)、 1個(gè)定制的開式軸承、1個(gè)環(huán)形齒輪、 1個(gè)反間隙齒輪、 1個(gè)電位計(jì)組成. 滑動鏈接(鏈接E)剛性地連接到外圓環(huán)上， 并且能夠沿著前臂鏈接滑動以調(diào)節(jié)尼龍臂帶和肘關(guān)節(jié)之間的距離以及肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)之間的距離. 像上臂杯一樣， 前臂杯開放式的半圓形結(jié)構(gòu)使得患者容易放置前臂， 不必插入一個(gè)圓形的封閉結(jié)構(gòu). 電機(jī)5剛性地固定在外圓環(huán)的背面， 前臂運(yùn)動支撐的驅(qū)動機(jī)制和肩關(guān)節(jié)的內(nèi)部/外部運(yùn)動支撐的部分基本一樣. 為了將上臂和前臂保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫?使用柔軟的尼龍臂帶來固定上臂杯和前臂杯.

2.3手腕運(yùn)動的支撐

手腕運(yùn)動支撐部分有2個(gè)自由度：一個(gè)用于輔助徑向運(yùn)動/尺側(cè)偏移， 另外一個(gè)輔助屈曲/伸展運(yùn)動. 為了輔助腕關(guān)節(jié)處的徑向運(yùn)動/尺側(cè)偏移， 裝置包括1個(gè)固定的鏈接(鏈接F)、1個(gè)電機(jī)和1個(gè)電位計(jì)， 如圖3(e)所示. 鏈接F剛性地連接到前臂杯上， 另一端連接電機(jī)6， 對應(yīng)于DHUKF-001的關(guān)節(jié)6(徑向/尺側(cè)偏移).

腕關(guān)節(jié)的屈曲/伸展運(yùn)動支撐部分由3個(gè)固定鏈接(鏈接G， H和I)、1個(gè)滑動鏈接(鏈接J)、1個(gè)電機(jī)、1個(gè)電位計(jì)和手腕手柄組成， 如圖3(e)所示. 鏈接G與關(guān)節(jié)6鉸接， 并連接腕關(guān)節(jié)的屈曲/伸展運(yùn)動支撐部分， 鏈接H的一端鏈接到鏈接G上， 并在另一端剛性地連接到電機(jī)7. 鏈接I與電機(jī)7鉸接， 另一端承載手腕手柄裝置. 滑動鏈接J位于鏈接I 和腕部手柄之間， 可以調(diào)節(jié)腕關(guān)節(jié)和手腕手柄之間的距離.

2.4安全設(shè)置

為確保用戶安全使用機(jī)器人， 在每個(gè)關(guān)節(jié)處都添加機(jī)械閉鎖裝置， 以限制旋轉(zhuǎn)角度在關(guān)節(jié)限制范圍內(nèi)， 這些機(jī)械閉鎖裝置是可調(diào)的， 可以根據(jù)患者主動或被動的關(guān)節(jié)活動度(ROM)要求調(diào)整. 例如， 雖然DHUKF-001肩關(guān)節(jié)的內(nèi)部/外部旋轉(zhuǎn)的ROM為70°～85°， 但可將其調(diào)整至范圍內(nèi)的任意值， 例如： -45°～45°或-70°～40°等. 同時(shí)從人因安全角度考慮， 裝置安裝了緊急開關(guān)， 以便在需要時(shí)切斷電源. 此外， 在控制算法中還增加了硬件安全功能和軟件安全功能， 包括根據(jù)患者需求限制關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)扭矩、電機(jī)電流和電壓值， 它們是控制器的最終輸出和電機(jī)驅(qū)動器的指令值.

被動治療方法[6](DHUKF-001被操縱以遵循表示被動康復(fù)訓(xùn)練的預(yù)編程軌跡)， 是機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練的類型之一， 持續(xù)治療的時(shí)間和練習(xí)的執(zhí)行速度由治療師或臨床醫(yī)生決定. 因此， 在這種情況下， 除了機(jī)械和軟件安全功能(限制關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍)之外， 理療師或臨床醫(yī)生還要確保使用DHUKF-001時(shí)患者的安全(包括ROM和運(yùn)動速度).

3 外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人工業(yè)設(shè)計(jì)

從患者的角度出發(fā)， 裝備擁有比較合適的外觀與結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)患者的親近感和良好的視覺舒適性， 結(jié)合自由度規(guī)劃、舒適性和輔助支撐， 設(shè)計(jì)了7自由度外骨骼上肢康復(fù)裝備的效果圖，如圖4所示.

(a) 第一視角

(b) 第二視角

4 外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)

DHUKF-001的電氣配置由具有可重新配置的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的CPU處理器、主板、7個(gè)電機(jī)驅(qū)動卡和實(shí)時(shí)電腦(RT-PC)組成. FPGA單元有兩個(gè)以太網(wǎng)端口(10/100 Mb)， 用于通過傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)與RT-PC進(jìn)行通信. 為了安全起見，主板上電機(jī)驅(qū)動卡的插槽安裝了緊急停止開關(guān)， 以防止緊急情況下斷電. 系統(tǒng)的控制架構(gòu)如圖5所示， 控制器的輸出是關(guān)節(jié)扭矩指令， 扭矩指令轉(zhuǎn)換為電機(jī)電流， 最后轉(zhuǎn)換為參考電壓， 因?yàn)殡妷褐凳请姍C(jī)驅(qū)動器的直接驅(qū)動指令. 扭矩計(jì)算控制器每1 ms更新一次扭矩指令， 并在RT-PC中執(zhí)行(圖5中左側(cè)循環(huán)). 此外， 為了實(shí)現(xiàn)DHUKF-001的實(shí)時(shí)控制， 確保正確的扭矩控制指令發(fā)送到關(guān)節(jié)(以及驅(qū)動器的參考電壓指令)， 系統(tǒng)添加了一個(gè)比例積分(PI)控制器， PI控制器比計(jì)算出的扭矩控制回路快10倍， 并且在FPGA中執(zhí)行.

圖5 系統(tǒng)的控制架構(gòu)Fig.5 System control architecture

從電機(jī)驅(qū)動器的電流監(jiān)視器輸出測量的電流信號以0.1 ms進(jìn)行采樣， 然后用阻尼因子ζ=0.9和固有頻率ω=300 rad/s的二階濾波器進(jìn)行濾波， 再發(fā)送到PI控制器. 過濾對于從所需信號中消除高頻或噪聲數(shù)據(jù)很重要. 每個(gè)關(guān)節(jié)處的電位計(jì)也以1 ms進(jìn)行采樣，然后再發(fā)送到控制器之前用相同的二階濾波器進(jìn)行濾波. 通過反復(fù)試驗(yàn)(即通過以不同的速度操縱機(jī)器人)進(jìn)行估算， 達(dá)到控制上肢康復(fù)機(jī)器人的目的.

5 結(jié) 語

目前， 外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人的研究仍處于起步發(fā)展階段， 本文在自主開發(fā)的5自由度和6自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的基礎(chǔ)上， 從人體上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)理出發(fā)， 針對康復(fù)訓(xùn)練要求設(shè)計(jì)了一種7自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人并進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析， 然后從安全人因工程角度進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制研究. 實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)， 不論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)， 最重要的一點(diǎn)就是以人為本， 即把使用者的安全當(dāng)作最重要的設(shè)計(jì)原則， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)、合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制規(guī)劃. 后續(xù)工作是對外骨骼進(jìn)行舒適性研究，并利用人機(jī)交互中的體感設(shè)備開發(fā)康復(fù)運(yùn)動的新模式.

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(責(zé)任編輯：徐惠華)

StudyonDesigningandControlof7-DoFExoskeletonUpper-LimbRehabilitationRobot

LIUZhihui1，SUNYi2，TANGZhi1，YUANTao1，KONGFanlei1，WANGShengze1

(1.College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Yangzhi Affiliated Rehabilitation Hospital， Shanghai 201620， China)

Aiming at the limited degree of freedom of exoskeleton rehabilitation robot， the model of upper limb movement was simplified according to the mechanism of upper limb joint movement. An improved 7-DoF exoskeleton upper limb rehabilitation robot structure design was proposed， and the motion support parts of the unit were modeled and analyzed. Electrical design and control research of rehabilitation exercise system were carried out according to safety ergonomics. The results show that the 7-DoF exoskeleton upper limb rehabilitation robot is more suitable for human engineering， the control mechanism is optimized and the safety performance is good， which lays a solid foundation for realizing the real-time control and motion planning in the later stage.

exoskeleton robot；upper-limb rehabilitation；institutional design；control

TH 122；TP 3

A

1671-0444 (2017)04-0535-06

2017-03-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(22322014D3-40)

劉志輝(1981—)，男，河北唐山人，高級實(shí)驗(yàn)師，博士研究生，研究方向?yàn)槿艘蚬こ?、工業(yè)設(shè)計(jì). E-mail： liuzhihui@dhu.edu.cn

王生澤(聯(lián)系人)，男，教授. E-mail： wasz@dhu.edu.cn