臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人力覺拖動示教研究

楊 浩，韓建海，2，李向攀，2

（1.河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.河南省機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室，河南 洛陽 471003）

1 引言

在臨床實踐中，傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練過程主要是由醫(yī)護人員或者理療師對患者進行一對一訓(xùn)練的，但是這項工作勞動強度較大、效率較低，而康復(fù)訓(xùn)練效果很大程度上由理療師個人的技術(shù)水平?jīng)Q定，訓(xùn)練的強度和手法的準確性不能保證，對患者的康復(fù)效果有很大的影響[1-2]。

目前，將康復(fù)醫(yī)學(xué)與機器人技術(shù)結(jié)合起來的康復(fù)機器人技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。國外，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院機器人系統(tǒng)實驗室開發(fā)的坐臥式外骨骼下肢康復(fù)機器人MotionMaker，由一張傾斜度可調(diào)的躺椅和兩條三自由度的機械腿組成，可以完成下肢髖膝踝關(guān)節(jié)的曲伸運動[3]。德國柏林自由大學(xué)研制的一種活動踏板式下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置HapticWalker。該機構(gòu)主要由兩個獨立機械臂組成，機械臂末端裝有兩個腳踏板，操作者可以自定義腳踏板運動軌跡，腳踏板可以根據(jù)需要完成相應(yīng)的人體站立時的康復(fù)動作[4]。以上兩種下肢康復(fù)機器人均是預(yù)先編程的方式進行控制，編程復(fù)雜，動作設(shè)計受到限制。

國內(nèi)，某大學(xué)研制的臥式下肢康復(fù)機器人通過借助于自行車腳蹬的原理而設(shè)計?？梢酝瑫r活動患者踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)，通過增加腳蹬軸的阻尼力，完成患者從被動到主動的一個康復(fù)過程[5]。但是該機構(gòu)的缺點在于康復(fù)訓(xùn)練動作單一且關(guān)節(jié)活動幅度較小，因此康復(fù)效果不太明顯。燕山大學(xué)研制的截癱患者下肢康復(fù)機器人通過設(shè)計與人體下肢相同關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，使用伺服電機驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)，帶動下肢關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對偏癱患者下肢的被動模式訓(xùn)練[6]。該機器人的控制模式主要為上位機軟件控制，編程復(fù)雜，訓(xùn)練軌跡改變困難，不能適應(yīng)個性化訓(xùn)練的要求。

目前，基于力覺的拖動示教主要應(yīng)用在工業(yè)機器人上，用以簡化手動編程和離線編程的繁瑣和精度問題，在康復(fù)訓(xùn)練機器人領(lǐng)域使用拖動示教作為編程手段的例子還較為少見。文中在實驗室現(xiàn)有的臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的基礎(chǔ)上，利用在工業(yè)機器人上使用的基于力覺的拖動示教的原理，設(shè)計了一種基于力覺拖動示教的臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人。通過抬腿實驗證明了，基于力覺拖動示教的臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)能夠有效地簡化程序編程的繁瑣過程，實現(xiàn)對不同患者的個性化、多樣化康復(fù)訓(xùn)練，減輕理療師的工作負擔(dān)。

2 機器人示教系統(tǒng)總體設(shè)計

臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人力覺拖動示教系統(tǒng)由機器人本體系統(tǒng)、傳感器采集系統(tǒng)、半實物仿真平臺系統(tǒng)（北京靈思創(chuàng)奇科技有限公司）、計算機控制平臺系統(tǒng)組成。其示意圖，如圖1所示。

圖1 力覺拖動示教系統(tǒng)組成Fig.1 The Constitutition of Force Sense Drag and Teach System

臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人本體系統(tǒng)由大腿、小腿、腳踝部、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)組成。傳感器采集系統(tǒng)由六維力覺傳感器及信號處理器組成。為了便于拖動示教，設(shè)計了一個安裝傳感器的安裝支架，將安裝支架安裝在機器人腳踝部末端部位。半實物仿真平臺由固高GTS-800運動控制卡、PCI6251采集卡及相應(yīng)接口組成。計算機控制平臺系統(tǒng)實現(xiàn)上位機控制。

3 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

設(shè)計的下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人為三關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機器人，D—H法建立機器人各關(guān)節(jié)之間的關(guān)系[7]。其D-H參數(shù)，如表1所示。

表1 D-H參數(shù)表Tab.1 D-H Parameter Table

表中：L1—大臂長；L2—小臂長。

臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的機械系統(tǒng)，如圖2所示。

通過對機器人求逆解可得：

當(dāng)θ2＜0時：

當(dāng)θ2＞0時

通過對機器人求逆解得到髖關(guān)節(jié)θ1，膝關(guān)節(jié)θ2，踝關(guān)節(jié)θ3的角度值。根據(jù)機器人運動過程中的實際情況，排除奇異解，選擇合理的逆解，將逆解編寫成逆解程序，便于下一步使用。

圖2 機械系統(tǒng)Fig.2 Mechanical System

4 機器人力覺拖動示教原理

4.1 傳感器采集及位姿矩陣計算

系統(tǒng)使用六維力覺傳感器及數(shù)據(jù)采集卡采集力/力矩模擬量信號（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz），在控制系統(tǒng)中通過導(dǎo)納算法將力/力矩信號轉(zhuǎn)化為機器人笛卡爾坐標系下的三個坐標X、Y、Z的變化量和繞三個坐標軸旋轉(zhuǎn)的a，b，c的變化量即Y、P、R角的變化量。

系統(tǒng)中所采用的策略為導(dǎo)納控制策略，其意義為：將采集和處理后的力信號作為輸入，將機器人的位置或速度作為輸出[8-9]。其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)納控制策略結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure Diagram of Admittance Control System

圖中：F0—理想力值；Fa—經(jīng)過平均濾波器處理的力信號；ΔF—力偏差信號；ΔX—位置偏移量。試驗設(shè)計的導(dǎo)納控制器輸出信號為位置信號。其表達式，如式（5）所示：

其中，

表示各方向上的力模擬量偏差信號；

表示在機器人坐標系上的偏移量；M為力/位移轉(zhuǎn)換的6階系數(shù)矩陣，如式（8）所示。

通過導(dǎo)納控制策略實現(xiàn)力/位移、力矩/位移轉(zhuǎn)換。機器人位姿矩陣

4.2 拖動示教原理及程序設(shè)計

試驗在半實物仿真平臺系統(tǒng)上完成控制過程，通過在Matlab/Simulink軟件上調(diào)用圖形化語言，簡化編程過程。在半實物仿真平臺上完成拖動示教控制算法設(shè)計、再現(xiàn)程序設(shè)計等[10]。臥式下肢康復(fù)機器人力覺拖動示教原理流程，如圖4所示。

圖4 拖動示教系統(tǒng)原理流程Fig.4 The Constitutition of Drag and Teach System

拖動示教原理及程序編寫過程如下：安裝在腳踝部末端上的六維力覺傳感器，將采集到的模擬量信號輸送到PCI6259數(shù)據(jù)采集板卡上，完成信號輸入。將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號輸入到程序中，通過軟件濾波使所采集到的信號更為準確。在simulink模型程序中根據(jù)導(dǎo)納算法計算出力/位移的轉(zhuǎn)換量，得到機器人末端在空間坐標系下的位姿。將得到的機器人末端位姿代入到機器人求逆解模塊，即可求出對應(yīng)時刻的各個關(guān)節(jié)角度。根據(jù)伺服電機驅(qū)動器電子減速比，以及與伺服電機連接的減速器減速比的綜合計算，得到角度與脈沖的對應(yīng)數(shù)量關(guān)系。將已得到的各關(guān)節(jié)角度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖值，輸入到固高GTS-800運動控制卡，對各關(guān)節(jié)伺服電機驅(qū)動器發(fā)出控制指令，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，從而使機器人按照理療師所示教的軌跡進行動作。

為了使拖動的軌跡能夠合理地重復(fù)再現(xiàn)，同時設(shè)計了一個再現(xiàn)程序，通過對拖動過程中記錄下來的數(shù)據(jù)進行處理并導(dǎo)入再現(xiàn)程序中，即可實現(xiàn)示教軌跡的再現(xiàn)，完成對患者的康復(fù)訓(xùn)練過程。

5 試驗及分析

試驗時，以正常人作為實驗對象，對試驗者的左側(cè)腿部進行拖動示教。理療師通過拖動示教手柄，使臥式下肢康復(fù)機器人按照理療師的拖動軌跡運動。以下肢康復(fù)訓(xùn)練中常見的抬腿動作為例進行試驗，臥式下肢康復(fù)機器人在示教過程中的一組示意圖，如圖5所示。圖中：箭頭—傳感器受力方向；沒有箭頭—此時傳感器不受外力作用。

圖5 示教試驗Fig.5 Experiment Diagram of Drag and Teach

傳感器采集曲線，如圖6所示。觀察傳感器的采集曲線，可以看到在拖動示教手柄時，各方向上力/力矩隨時間的變化情況。當(dāng)傳感器采集到的信號值在預(yù)先設(shè)定的范圍時，可根據(jù)導(dǎo)納控制算法計算出實時位移變化量。從而計算出機器人末端的實時位姿。在一個抬腿動作拖動過程中各關(guān)節(jié)的角度變化量曲線，如圖7所示。從圖中能清楚地看到在拖動過程中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的實時角度變化量的情況。在（0～3）s時，為開機準備階段，此時傳感器不受外部的作用力，如圖5中（a）所示。傳感器采集曲線如圖6中A階段所示，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度變化量如圖7中A階段所示。在（3～22）s時，為抬腿階段，此時傳感器受到如圖5中（b）（c）所示的作用力，傳感器采集曲線如圖6中B階段所示，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度變化量如圖7中B階段所示。在（22～27）s時，為靜止階段，此時傳感器不受外部的作用力，如圖5中（d）所示，傳感器采集曲線如圖6中C階段所示，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度變化量如圖7中C階段所示。在（27～51）s時，為放回階段，此時傳感器受到如圖5中（e）（f）所示的作用力，傳感器采集曲線如圖6中D階段所示，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度變化量如圖7中D階段所示。在（51～55）s時，為準備停機階段，此時傳感器不受外部的作用力，傳感器采集曲線如圖6中E階段所示，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度變化量如圖7中E階段所示。由圖中曲線各關(guān)節(jié)角度的變化趨勢可以看出，臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人在拖動示教過程中的運動趨勢，符合人體實際康復(fù)訓(xùn)練運動趨勢。從中可以提取特征值，便于康復(fù)訓(xùn)練再現(xiàn)程序的使用。

圖6 傳感器采集曲線Fig.6 Sensor Acquisition Curve

圖7 髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度變化量曲線Fig.7 Angle Curve of Hip，Knee and Ankle

通過試驗可以看到，基于力覺控制的臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人能夠使沒有任何編程基礎(chǔ)的理療師，根據(jù)需要方便地改變訓(xùn)練軌跡，簡化編程，達到了預(yù)期的試驗?zāi)康摹?/p>

6 結(jié)論

通過利用六維力覺傳感器，實現(xiàn)對外部接觸力的檢測，得到機器人末端的位姿，通過半實物仿真平臺的運算得到各個關(guān)節(jié)角度值，使用運動控制卡對伺服電機進行控制，從而實現(xiàn)機器人按照理療師的示教軌跡運動。通過康復(fù)訓(xùn)練中的抬腿動作試驗，證明了設(shè)計的可行性。