平衡偏癱下肢康復(fù)訓(xùn)練器設(shè)計(jì)

馮超 馬早

摘要：本文采用穿戴式外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一款用于偏癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練及助行的裝置。為了使患者在訓(xùn)練和行走時(shí)更好的步態(tài)和協(xié)調(diào)平衡能力，在控制上通過(guò)采樣患者的健肢的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行識(shí)別處理，來(lái)控制患肢的運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：外骨骼 編碼器 偏癱 伺服電機(jī) 步態(tài)

1.背景

我國(guó)現(xiàn)有各類殘疾人員8296萬(wàn)人，占我國(guó)人口6.34%，其中下肢體殘疾2412萬(wàn)人，所占比重29.1%，現(xiàn)在下肢殘疾患者中，由中風(fēng)引起的偏癱居多，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)每年新發(fā)中風(fēng)的病人超過(guò)200萬(wàn)[1]，其中80%以上的患者會(huì)留下一側(cè)肢體癱瘓的癥狀，給其身心帶來(lái)了雙重傷害，給獨(dú)立生活帶來(lái)困難，也給家庭社會(huì)帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)。這部分患者可以通過(guò)科學(xué)的、正確的康復(fù)訓(xùn)練能夠回復(fù)到正常。

作為康復(fù)訓(xùn)練來(lái)講，一是要由科學(xué)的訓(xùn)練方法和步驟，二是要有有效的訓(xùn)練器械。傳統(tǒng)的訓(xùn)練是通過(guò)人工輔助和簡(jiǎn)單的訓(xùn)練器械進(jìn)行的，其訓(xùn)練強(qiáng)度，規(guī)范性都受到較大的制約，最終導(dǎo)致患者達(dá)不到希望的訓(xùn)練效果，甚至造成患者步態(tài)發(fā)生嚴(yán)重的變化，使患者失去康復(fù)的信心，造成終生殘疾。設(shè)計(jì)有效的偏癱下肢康復(fù)訓(xùn)練器是必要的。

偏癱下肢康復(fù)訓(xùn)練器使用時(shí)，穿戴在患者的肢體上，通過(guò)電動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)使患者相應(yīng)關(guān)節(jié)反復(fù)衩動(dòng)屈伸，持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以刺激關(guān)節(jié)，使其生理性關(guān)節(jié)液產(chǎn)生良性循環(huán)，減輕關(guān)節(jié)腫脹，可防止或治療因創(chuàng)傷或運(yùn)動(dòng)不足等原因?qū)е禄蚩赡軐?dǎo)致的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度減小，關(guān)節(jié)僵硬和靜脈栓塞[2]等。

2.功能要求

1）被動(dòng)單肢運(yùn)動(dòng)，平衡行走，起坐;主動(dòng)單肢運(yùn)動(dòng)行走。

2）被動(dòng)控制模式下，具有速度，步幅，步頻可調(diào)。

3）具有運(yùn)動(dòng)信息的采集、存儲(chǔ)。

4）具有三重安全保護(hù)措施和應(yīng)急措施。

5）體積小穿戴使用方便，使患者康復(fù)訓(xùn)練不受時(shí)間地點(diǎn)限制。

3.結(jié)構(gòu)組成

偏癱下肢康復(fù)訓(xùn)練器依托穿戴式外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，其主要構(gòu)成部分為：控制器，伺服驅(qū)動(dòng)，傳感器、機(jī)械關(guān)節(jié)連桿等四部分構(gòu)成。其構(gòu)成框圖（圖一）和機(jī)械結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖二）

伺服系統(tǒng)：是由直流伺服電機(jī)（120w空心杯直流電極），增量式光電編碼器（500線），伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（CAN總線驅(qū)動(dòng)），減速器（諧波減速機(jī)40：1）構(gòu)成，主要完成在控制器的作用下對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

機(jī)械關(guān)節(jié)連桿：主要由髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)，腰托，上枝條，腳托，大小腿連桿，腿托等構(gòu)成，這些連桿是由關(guān)節(jié)連在一起形成外骨骼，使用時(shí)通過(guò)胸托，腰托，大小腿托，腳托捆綁在患者的下肢上，在控制系統(tǒng)的作用下，通過(guò)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)患者肢體運(yùn)動(dòng)。為了適應(yīng)不同的患者使用，腰托，大小腿連桿的尺寸都是可調(diào)節(jié)的;每個(gè)關(guān)節(jié)都設(shè)計(jì)有運(yùn)動(dòng)范圍（角度）安全保護(hù)裝置，以保護(hù)患者使用時(shí)的人身安全。

傳感器：傳感器是由扭力傳感器、光電傳感器、肌張力構(gòu)成，其作用一是作為訓(xùn)練效果的測(cè)評(píng)，二是對(duì)出現(xiàn)的痙攣進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù);三是檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息為運(yùn)動(dòng)控制提供依據(jù)。

控制器：由嵌入式單片機(jī)（STM32）成承擔(dān)，完成對(duì)信息的采集、處理和對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

4.運(yùn)動(dòng)模型

運(yùn)用D-H表示法建立單下肢運(yùn)動(dòng)模型（正運(yùn)動(dòng)模型[4]）：

通過(guò)求解矩陣，就可以得到末端的位姿。

運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解：給定末端的運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)，求解各關(guān)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)角度。設(shè)末端的坐標(biāo)為（xp，yp），姿態(tài)角ɑ=θ1+θ2+θ3，確定各關(guān)節(jié)的角度θ，其位姿矩陣為[3]：

在已知末端坐標(biāo)和姿態(tài)角及連桿參數(shù)下，求解位姿矩陣，就可得到各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，在求解時(shí)，得到的解可能有多個(gè)，這時(shí)要根據(jù)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)范圍來(lái)確定。

4.步態(tài)分析

根據(jù)人的下肢行走時(shí)與地面接觸情況，將人的行走過(guò)程分為[2]：承重反應(yīng)期（0-15%）、站立中期（15%-40%）、站立末期（40%-50%）、邁步前期（50%-60%）、邁步初期（60%-70%）、邁步中期（70%-85%）、邁步末期（85%-100%）。

步態(tài)分析的目的就是根據(jù)步態(tài)不同區(qū)間建立該區(qū)間的動(dòng)力模型，以確定控制系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)信息，達(dá)到驅(qū)動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)的目的。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)獲得步態(tài)信息，通過(guò)在正常人髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)處做明顯的標(biāo)志，通過(guò)攝像獲得連續(xù)一個(gè)周期的步態(tài)周圖像，運(yùn)用背景差分法對(duì)圖像進(jìn)行分析處理，得到步態(tài)曲線。

對(duì)各關(guān)節(jié)的時(shí)間-角度曲線進(jìn)一步分析，可得到角速度-時(shí)間曲線。

5.控制策略

對(duì)于被動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，設(shè)置運(yùn)動(dòng)的步幅、速度，來(lái)確定各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度;對(duì)于平衡訓(xùn)練來(lái)講，通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)健肢的運(yùn)動(dòng)信息，來(lái)控制患肢的運(yùn)動(dòng);對(duì)于主動(dòng)行走控制，是來(lái)檢測(cè)患肢的運(yùn)動(dòng)意圖，運(yùn)用靈敏度放大的控制方式進(jìn)行跟隨控制。

對(duì)于被動(dòng)控制模式，控制方法主要采用pid算法，該算法非常成熟，這里就不敘述。主動(dòng)控制模式，采用SAC靈敏度放大控制方法，該方法是有美國(guó)加州大學(xué)提出并成功應(yīng)用于BLEEX下肢行走外骨骼上。這種控制方法是在傳統(tǒng)抗擾動(dòng)靈敏度分析的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是通過(guò)增加外骨骼控制系統(tǒng)對(duì)人體施加于其上的力或力矩的響應(yīng)靈敏度從而實(shí)現(xiàn)外骨骼跟隨人體運(yùn)動(dòng)[5]。

建立SAC控制器的關(guān)鍵是建立外骨骼系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，我們知道，外骨骼的工作是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械關(guān)節(jié)進(jìn)行的，所以外骨骼的傳遞函數(shù)可以視為直流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，模型如下[6]：

6.控制流程

7.總結(jié)

本文論述了平衡偏癱下肢康復(fù)訓(xùn)練器的組成、模型以及控制原理和流程;設(shè)計(jì)了被動(dòng)、平衡、主動(dòng)3種訓(xùn)練模式，以更好地適用偏癱患者的訓(xùn)練;尤其是用健肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)控制患肢的運(yùn)動(dòng)，使患者更好的掌握平衡，步態(tài)更趨于合理;主動(dòng)模式采用了具有自學(xué)習(xí)能力的ASC控制方法，使患者訓(xùn)練時(shí)能感到舒適，自然。

參考文獻(xiàn)：

[1]我國(guó)康復(fù)機(jī)器人的現(xiàn)狀 、機(jī)遇和未來(lái)，賢集網(wǎng)2021-06-16

[2]蔡廣文等編著.中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練手冊(cè)，世界圖書(shū)出版公司，2009-10-1

[3]張宏亮.外骨骼式老年人輔助行走裝置設(shè)計(jì)研究，南京理工大學(xué)學(xué)位論文，2011.3

[4]董慧穎.機(jī)器人原理與技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社2014年9

[5]Kazerooni H.，Racine J.-L.，Huag Lihua，Steger R.，On the Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton （BLEEX）[J].Proceedings of the 2005 IEEE Intermationgal Conference on Robotcs and Automation.2005，4;18-22

[6]留錦波，張承惠。電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006

作者簡(jiǎn)介：

馮超，1987.10，陜西西安人，男，漢，本科，研究方向：機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)施，職稱：電氣工程師。

馬早，1988.07，女，漢，河南 鄭州人，本科，研究方向：機(jī)電設(shè)備運(yùn)行與管理，職稱：機(jī)械助理工程師。