微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

瞿志俊，溫宏愿，劉小軍，孫松麗，趙偉博，羅韋昊

(南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

近年來，腦卒中是嚴(yán)重威脅中老年人身體健康的疾病，并有逐漸上升的趨勢(shì)，這種疾病引發(fā)了患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的喪失等癥狀。其中，大約有85%的腦卒中患者在發(fā)病初就有上肢功能障礙[1]。此外因事故、工傷等因素造成上肢損傷人數(shù)也很多。尤其上肢運(yùn)動(dòng)能力喪失，極大影響了患者日常生活；并且，上肢功能恢復(fù)比下肢恢復(fù)更加緩慢和困難[2]。因此，上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)治療一直是當(dāng)前的熱點(diǎn)、難點(diǎn)和重點(diǎn)。傳統(tǒng)的康復(fù)治療中，治療師難以保證訓(xùn)練效率和訓(xùn)練強(qiáng)度，效果受到治療師水平的影響[3]。因此，研究人員將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)上肢康復(fù)機(jī)器人。目前，世界各國已研發(fā)出了多種類型的上肢康復(fù)機(jī)器人[4-12]，它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制特點(diǎn)各不相同。區(qū)別于當(dāng)前已有的上肢康復(fù)機(jī)器人，筆者設(shè)計(jì)了一種微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制上肢康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并利用患者主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)，充分發(fā)揮患者已恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行微力矩實(shí)時(shí)反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更有利于患者的上肢康復(fù)效果。

1 上肢康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及工作原理

人體上肢主要由肩部、大臂、小臂和手部四個(gè)部分組成，大臂與肩部通過肩關(guān)節(jié)相連，可以實(shí)現(xiàn)屈曲伸展、內(nèi)收外展與內(nèi)旋外旋三個(gè)方向的動(dòng)作，小臂與大臂通過肘關(guān)節(jié)相連，可以實(shí)現(xiàn)屈曲伸展與內(nèi)旋外旋動(dòng)作，手部與小臂通過腕關(guān)節(jié)相連，可以實(shí)現(xiàn)屈曲伸展與側(cè)偏動(dòng)作[13]。本設(shè)計(jì)是關(guān)于微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制上肢康復(fù)機(jī)器人的初步試驗(yàn)研究階段，只考慮肘關(guān)節(jié)的自由度并開展微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制研究，而肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自由度暫不研究。所以，設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)體自由度為小臂繞肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，即大臂固定在支座上(輪椅)，小臂繞肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 上肢康復(fù)機(jī)器人自由度示意圖

上肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2。大臂護(hù)具1由螺栓固定在大臂護(hù)具固定架2上，大臂護(hù)具固定架2安裝在安裝輪椅9上；小臂護(hù)具7由螺栓固定在小臂護(hù)具固定架8上，小臂護(hù)具固定架8與大臂護(hù)具固定架2由肘關(guān)節(jié)軸承3裝配連接。電機(jī)安裝座4安裝在大臂護(hù)具固定架2上，伺服電機(jī)5由螺栓安裝在電機(jī)安裝座4上，伺服電機(jī)5的轉(zhuǎn)子與力矩傳感器6固定并帶動(dòng)小臂護(hù)具固定架8繞肘關(guān)節(jié)軸承3轉(zhuǎn)動(dòng)。控制器10與伺服電機(jī)5通過數(shù)據(jù)線相連，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；力矩傳感器6與控制器10通過數(shù)據(jù)線相連，反饋力矩信號(hào)給控制器。進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，患者坐在安裝輪椅9上，右臂固定在護(hù)具上隨著護(hù)具一起運(yùn)動(dòng)，利用患者人體的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)產(chǎn)生的上肢微力矩實(shí)時(shí)反饋進(jìn)行自適應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制；力矩傳感器6不斷實(shí)時(shí)檢測(cè)患者小臂已恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)能力而產(chǎn)生的微力矩對(duì)肘關(guān)節(jié)力矩的變化，并反饋給控制器10，控制器10不斷實(shí)時(shí)修正控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小。這種微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制方法確保了上肢康復(fù)機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)肘關(guān)節(jié)上的力矩平衡，小臂運(yùn)動(dòng)角速度保持不變，讓患者已恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)能力參與康復(fù)訓(xùn)練全過程，起到更好地鍛煉下肢的作用，使患者上肢運(yùn)動(dòng)能力不斷得到恢復(fù)。

圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)1.大臂護(hù)具 2.大臂護(hù)具固定架 3.肘關(guān)節(jié)軸承 4.電機(jī)安裝座 5.伺服電機(jī) 6.力矩傳感器 7.小臂護(hù)具 8.小臂護(hù)具固定架 9.安裝輪椅 10.控制器

2 上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 小臂護(hù)具、大臂護(hù)具設(shè)計(jì)

為了考慮佩戴舒適性，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)就要與上肢匹配，同時(shí)選擇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到保證、密度小的輕質(zhì)材料作為結(jié)構(gòu)材料。因此，該康復(fù)機(jī)器人的小臂護(hù)具、大臂護(hù)具采用了小密度的輕質(zhì)材料；兩護(hù)具是由聚乙烯(PE)塑膠制造而成，兩護(hù)具上加工有多數(shù)小透氣孔便于患者大臂和小臂透氣舒適、不悶熱，同時(shí)兩護(hù)具上還設(shè)計(jì)有絨面粘貼綁帶，用于固定患者大臂和小臂，調(diào)節(jié)便利，大臂護(hù)具底端采用條形孔，利用螺栓可調(diào)節(jié)大臂護(hù)具徑向尺寸大小，針對(duì)不同患者的大臂，見圖3。

圖3 上肢康復(fù)機(jī)器人大臂護(hù)具、小臂護(hù)具實(shí)物圖

2.2 大臂護(hù)具固定架、小臂護(hù)具固定架設(shè)計(jì)

大臂護(hù)具固定架、小臂護(hù)具固定架裝配結(jié)構(gòu)見圖4，大臂護(hù)具和小臂護(hù)具通過螺栓分別安裝固定在大臂護(hù)具固定架和小臂護(hù)具固定架上。兩固定架均是采用橫截面邊長為20 mm×20 mm的正方形硬鋁型材按照設(shè)計(jì)方案組裝搭建制造而成；因?yàn)橛蹭X型材的強(qiáng)度、剛度足夠滿足上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，且硬鋁型材質(zhì)量輕、成本低，同時(shí)便于制造和組裝固定架。

為了讓小臂護(hù)具固定架繞肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂護(hù)具固定架和小臂護(hù)具固定架之間在兩側(cè)面各用一套軸承座、軸承及相配的軸連接裝配。由于兩側(cè)是軸承連接，所以轉(zhuǎn)動(dòng)過程中摩擦力非常小可以忽略不計(jì)，避免了能量損耗。

圖4 上肢康復(fù)機(jī)器人大臂護(hù)具固定架、小臂護(hù)具固定架裝配結(jié)構(gòu)

2.3 護(hù)具固定架、力矩傳感器、伺服電機(jī)之間的安裝設(shè)計(jì)

為了能讓伺服電機(jī)帶動(dòng)小臂護(hù)具固定架繞肘關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)上肢實(shí)施康復(fù)鍛煉，并不斷實(shí)時(shí)測(cè)量肘關(guān)節(jié)上的力矩變化值，因此要在上肢康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)處合理安裝力矩傳感器和伺服電機(jī)，見圖5。電機(jī)安裝座1起到支撐伺服電機(jī)3的作用，并固定在大臂護(hù)具固定架2上，在電機(jī)安裝座1外側(cè)安裝上伺服電機(jī)3并用螺栓固定。力矩傳感器4一端面通過聯(lián)軸器與伺服電機(jī)3的轉(zhuǎn)子相連，另一端面則由螺栓固定在小臂護(hù)具固定架5的側(cè)面上；并且確保伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子軸線、力矩傳感器軸線、肘關(guān)節(jié)軸承軸線共線，目的是為了保證伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠經(jīng)力矩傳感器直接帶動(dòng)小臂護(hù)具固定架繞肘關(guān)節(jié)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)力矩傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋力矩?cái)?shù)據(jù)信號(hào)給控制器。為了保證控制和運(yùn)行的精度，經(jīng)多方面比較后，最后選擇埃斯頓自動(dòng)化公司研制的EMJ-04A型伺服電機(jī)和ProNET-E-04A型伺服驅(qū)動(dòng)器，選擇蚌埠大洋傳感系統(tǒng)工程有限公司研制的力矩傳感器及對(duì)應(yīng)的變送器，見圖6。

圖5 傳感器、伺服電機(jī)和固定架裝配三維圖

圖6 傳感器、伺服電機(jī)和固定架裝配實(shí)物圖

2.4 運(yùn)動(dòng)控制器選用

運(yùn)動(dòng)控制器是實(shí)現(xiàn)微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵部件，要能夠獲得精確的力矩傳感器的實(shí)時(shí)力矩信號(hào)，并根據(jù)力矩的實(shí)時(shí)變化情況發(fā)送相應(yīng)的指令信號(hào)給伺服電機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確實(shí)時(shí)控制。因此選用埃斯頓自動(dòng)化公司研制的ESMotion-NGQ控制器作為該上肢康復(fù)機(jī)器人控制器，該控制器可進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)多功能控制，基于EtherCAT總線、CANopen總線集成，具有VTB編程環(huán)境，見實(shí)物圖7。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制器

3 上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析研究是機(jī)器人設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)起到了指引作用。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是利用大臂、小臂的運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系推導(dǎo)得出運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型；動(dòng)力學(xué)分析是通過拉格朗日法建立了動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。上肢康復(fù)機(jī)器人在實(shí)施康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，其小臂護(hù)具固定架繞肘關(guān)節(jié)往復(fù)擺動(dòng)，以此建立結(jié)構(gòu)模型，見圖8。

圖8 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

小臂由水平位置繞肘關(guān)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)過程中與水平位置的夾角為φ(t)，小臂護(hù)具固定架長度為l，φ(t)的范圍為0°～90°。所以，康復(fù)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，隨著時(shí)間t變化，小臂護(hù)具固定架頂端A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

對(duì)(1)式進(jìn)行求導(dǎo)，即可得出A點(diǎn)的速度為：

(2)

對(duì)(2)式進(jìn)行求導(dǎo)，即可得出A點(diǎn)的加速度為：

(3)

3.2 動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析，建立物體運(yùn)動(dòng)和受力之間的的數(shù)學(xué)關(guān)系式，為康復(fù)機(jī)器人控制方面研究提供理論基礎(chǔ)。研究機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的方法有很多，當(dāng)前的主流有牛頓歐拉法、高斯法、拉格朗日法、凱恩法以及旋量對(duì)偶法等[14-15]，其中拉格朗日法應(yīng)用最為廣泛。這得益于拉格朗日法簡(jiǎn)單適用，因?yàn)槔窭嗜辗ㄊ腔谙到y(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能的算法，使用它解決動(dòng)力學(xué)問題只需要速度及位置信息就可以，因此本次動(dòng)力學(xué)分析選用了拉格朗日法。

根據(jù)拉格朗日函數(shù)定義，可得：

L=Ek-Ep

(4)

式中：Ek為整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能，Ep為整個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能。

設(shè)上肢康復(fù)機(jī)器人小臂質(zhì)量為m1，患者人體的小臂質(zhì)量為m2，整個(gè)小臂系統(tǒng)的總質(zhì)量為m，可得：

m=m1+m2

(5)

上肢康復(fù)機(jī)器人小臂的長度為l，機(jī)器人小臂的質(zhì)心到肘關(guān)節(jié)的距離約為小臂長度l的一半。設(shè)D為患者人體小臂質(zhì)心到肘關(guān)節(jié)的距離，d為整個(gè)小臂系統(tǒng)的質(zhì)心到肘關(guān)節(jié)的距離，可得：

(6)

設(shè)整個(gè)小臂系統(tǒng)繞肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jo，患者人體小臂長度為ly，可得：

(7)

由拉格朗日法，需分別求出整個(gè)小臂系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能，即:

(8)

Ep=mgdsinφ(t)

(9)

再將式(8)、(9)代入式(4)，可得整個(gè)小臂系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)，即：

mgdsinφ(t)

(10)

(11)

(12)

因此，可得肘關(guān)節(jié)上的力矩M：

(13)

式中：Md為伺服電機(jī)提供的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩；My為患者人體小臂對(duì)肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)微力矩。

4 控制策略與實(shí)驗(yàn)研究

4.1 微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制策略

此次設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人的控制策略是在上肢康復(fù)訓(xùn)練過程中總是保持小臂以恒定的角速度ω繞肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，則φ(t)=ωt，其中ω的值可根據(jù)患者康復(fù)情況自主設(shè)置改變。根據(jù)實(shí)際情況，上肢康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者上肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)存在三種可能，并制定相應(yīng)的控制策略：①患者嚴(yán)重情況下，上肢完全無肌力，這時(shí)完全由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂護(hù)具固定架并帶動(dòng)患者小臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；②患者恢復(fù)了一定的肌力情況下，利用自己的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)，發(fā)揮已恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)能力使小臂主動(dòng)繞肘關(guān)節(jié)往運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，力矩傳感器上的力矩會(huì)瞬間減小，此時(shí)力矩傳感器便會(huì)向控制器發(fā)出信號(hào)，控制器立刻向伺服電機(jī)發(fā)出指令減小伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；③患者陷入疲憊肌力不足情況下，此時(shí)患者停止自己主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，力矩傳感器上的力矩會(huì)瞬間增大，此時(shí)力矩傳感器會(huì)向控制器發(fā)出信號(hào)，控制器立刻向伺服電機(jī)發(fā)出指令增大伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。由不斷的微力矩反饋實(shí)時(shí)自適應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制調(diào)整伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大小來保證肘關(guān)節(jié)上力矩平衡，保持了患者小臂的勻速擺動(dòng)。將患者自身的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)產(chǎn)生的微力矩參與到整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練過程中，充分發(fā)揮了患者的已恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制，這種運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)一步提高了上肢的康復(fù)效果。圖9為上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的肘關(guān)節(jié)上所受力矩情況，其中Ma、Mb、Mc分別代表伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩、整個(gè)小臂系統(tǒng)重力產(chǎn)生的力矩、患者人體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)產(chǎn)生的微力矩。整個(gè)過程控制策略的流程見圖10。

圖9 上肢康復(fù)機(jī)器人肘關(guān)節(jié)所受力矩情況

在上肢康復(fù)機(jī)器人正常工作階段，伺服電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為：

Ma(t1)=Mb(t1)=mgdcosφ(t1)=mgdcos(ωt1)

(14)

式(14)中m為整個(gè)小臂系統(tǒng)總質(zhì)量，由式(5)可得，d為整個(gè)小臂系統(tǒng)質(zhì)心到肘關(guān)節(jié)的距離，由式(6)可得。

圖10 上肢康復(fù)機(jī)器人控制策略流程圖

此時(shí)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與整個(gè)小臂系統(tǒng)總重力對(duì)肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩正好相等，同時(shí)力矩傳感器上產(chǎn)生的力矩就是整個(gè)小臂系統(tǒng)總重力對(duì)肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩。如果患者在這時(shí)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)產(chǎn)生微力矩Mc(t1)，那么此時(shí)力矩傳感器上的力矩則為Md(t1)，則可得：

Mc(t1)=Ma(t1)-Md(t1)=mgdcos (ωt1)-

Md(t1)

(15)

緊接著，為了達(dá)到保持整個(gè)小臂系統(tǒng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、肘關(guān)節(jié)上力矩平衡，控制器立刻向伺服電機(jī)發(fā)出指令，控制電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩為：

Ma(t2)=mgdcos (ωt2)-Mc(t1)

=mgdcos(ωt2)-mgdcos (ωt1)+

Md(t1)

(16)

在康復(fù)訓(xùn)練過程中，如果患者再次利用主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)產(chǎn)生微力矩為Mc(t2)，這時(shí)力矩傳感器上的力矩變?yōu)镸d(t2)，則可得：

Mc(t2)=Ma(t2)-Md(t2)

(17)

同樣的，為了達(dá)到保持整個(gè)小臂系統(tǒng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、肘關(guān)節(jié)上力矩平衡，控制器立刻向伺服電機(jī)發(fā)出指令，控制電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩為：

Ma(t3)=mgdcos (ωt3)-Mc(t2)

=mgdcos(ωt3)-Ma(t2)+Md(t2)

(18)

因此，可推得在t4、t5、t6、t7……tn時(shí)刻控制器控制伺服電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩分別為：

Ma(t4)=mgdcos (ωt4)-Mc(t3)

=mgdcos (ωt4)-Ma(t3)+Md(t3)

Ma(t5)=mgdcos (ωt5)-Mc(t4)

=mgdcos (ωt5)-Ma(t4)+Md(t4)

Ma(t6)=mgdcos (ωt6)-Mc(t5)

=mgdcos (ωt6)-Ma(t5)+Md(t5)

…

…

…

Ma(tn)=mgdcos (ωtn)-Mc(tn-1)

=mgdcos (ωtn)-Ma(tn-1)+Md(tn-1)

(19)

使用上述控制策略就可在康復(fù)訓(xùn)練過程中不斷根據(jù)患者小臂的實(shí)時(shí)微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合控制上肢康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者小臂進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這樣的微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制方法將真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，讓患者參與到自己的康復(fù)訓(xùn)練中，起到了更好的康復(fù)訓(xùn)練的效果。

4.2 實(shí)驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)上肢康復(fù)機(jī)器人微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，利用上述設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制策略編寫微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制軟件，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。選擇一名凈身高 1 764 mm、體重 66 kg、小臂長度254 mm的男性作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。實(shí)驗(yàn)時(shí)，取小臂部分由水平位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)小臂部分勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂部分與水平方向之間的夾角為φ，φ隨著時(shí)間t而改變。φ的范圍為0°～90°。實(shí)驗(yàn)期間取19個(gè)不同時(shí)刻相應(yīng)的夾角(分別是0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°)。實(shí)驗(yàn)過程中，在這19個(gè)不同夾角時(shí)，康復(fù)機(jī)器人上參與實(shí)驗(yàn)的人員小臂會(huì)隨機(jī)主動(dòng)產(chǎn)生微力矩Mc(在開始與結(jié)束時(shí)即0°、90°沒有主動(dòng)產(chǎn)生微力矩)；同時(shí)，在這19個(gè)不同夾角時(shí)由于微力矩而造成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生瞬間改變，變化量為Ma(變)。最后可得微力矩及因微力矩造成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩瞬間變化的曲線圖，見圖11。

圖11 上肢康復(fù)機(jī)器人微力矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線圖

從圖11可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在不同夾角處小臂產(chǎn)生的微力矩Mc時(shí)，相應(yīng)的因微力矩造成伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩瞬間就會(huì)變化，即變小，變化值為Ma(變)，Mc與Ma(變)的數(shù)值大小近似相等，正負(fù)相反，同一夾角處Mc與Ma(變)之和近似為0。通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了上肢康復(fù)機(jī)器人微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制策略的可行性和正確性。

5 結(jié) 論

文中研制了一種微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制上肢康復(fù)機(jī)器人，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、微力矩反饋?zhàn)赃m應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制策略研究、實(shí)驗(yàn)研究。所研制的上肢康復(fù)機(jī)器人有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)器人結(jié)構(gòu)體巧妙、簡(jiǎn)單，并且機(jī)器人的小臂護(hù)具、大臂護(hù)具采用了小密度的輕質(zhì)材料聚乙烯(PE)，兩護(hù)具上加工有多數(shù)小透氣孔便于患者大臂和小臂透氣舒適、不悶熱；②為了提高運(yùn)動(dòng)控制精度和執(zhí)行精度選用了高精度的控制器及高精度的伺服系統(tǒng)；③通過患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)，發(fā)揮患者已恢復(fù)的運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生微力矩，實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行修正并進(jìn)行自適應(yīng)耦合運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，讓患者參與到自己的康復(fù)訓(xùn)練中，起到了更好的康復(fù)訓(xùn)練的效果。