步行康復(fù)訓(xùn)練機器人協(xié)調(diào)控制的研究

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1、 步行康復(fù)訓(xùn)練機器人協(xié)調(diào)控制的研究 方彬，沈林勇，李蔭湘，章亞男 (上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院 上海 200072) 摘要：為了實現(xiàn)步行康復(fù)訓(xùn)練機器人的協(xié)調(diào)控制，對外骨骼助行腿與跑步機的協(xié)調(diào)控制以及減重支撐系統(tǒng)與外骨骼助行腿的協(xié)調(diào)控制進行了研究，提出了協(xié)調(diào)控制方法。最后用假人代替真實患者通過實驗驗證外骨骼助行腿，跑步機和減重支撐系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制效果。實驗結(jié)果表明，步行康復(fù)訓(xùn)練機器人能夠很好的對假人進行減重步行康復(fù)訓(xùn)練，外骨骼助行腿，跑步機和減重支撐系統(tǒng)實現(xiàn)了很好的協(xié)調(diào)控制，同時為進一步對真實患者進行實驗奠定了很好的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：步行康復(fù)訓(xùn)練機器人；協(xié)調(diào)控制；外骨骼助行

2、腿 中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)識碼：A Research of Coordination Control for Gait Rehabilitation Training Robot FANG Bin，SHEN Lin-yong，LI Yin-xiang，ZHANG Ya-nan (School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract：Aiming at realizing the coordina

3、tion control of gait rehabilitation training robot, the coordination control of exoskeleton leg with treadmill and the coordination control of body weight support system with exoskeleton legs were researched, and the coordination control method was proposed. At last the coordination control effect a

4、mong exoskeleton legs, treadmill and body weight support system was proved by using dummy for experiments. The experimental result shows that the gait training rehabilitation robot can realize good partial body-weight supported gait training for dummy, which demonstrates a good coordination control

5、effect among exoskeleton legs, treadmill and body weight support system, and lays the good foundation for further experiment with real patients. Keywords: gait rehabilitation training robot; coordination control; exoskeleton legs 0 前言 近年來，脊椎損傷(spinal cord injury，SCI)患者呈增加的趨勢，極大地危害著人類健康。減重步

6、行訓(xùn)練(body weight supported training，BWST)，是針對脊椎損傷患者康復(fù)治療重要手段之一，已經(jīng)得到國際康復(fù)醫(yī)學(xué)界的普遍認同。減重步行訓(xùn)練是在卸去患者自重并保持其自身平衡的前提下，通過人工或者自動化設(shè)備，模擬正常人的步態(tài)軌跡進行步行訓(xùn)練，來幫助患者恢復(fù)步行能力[1]-[6]。自20世紀90年代初以來，國內(nèi)外多家機構(gòu)已研發(fā)了一系列的用于減重步行訓(xùn)練的康復(fù)訓(xùn)練機器人。瑞士HOCOMA公司的Lokomat是外骨骼式步行康復(fù)機器人的典型代表，采用外骨骼式矯形器帶動患者在跑步機上進行訓(xùn)練，目前已成功應(yīng)用于臨床。由于LOKOMAT的實際售價過高，國內(nèi)患者很難承擔(dān)起費用，為此開

7、發(fā)具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的步行訓(xùn)練機器人具有深遠意義。 本研究設(shè)計的步行康復(fù)訓(xùn)練機器人，它的最終目標(biāo)是在減重步行訓(xùn)練基礎(chǔ)上，依靠自動化輔助步行康復(fù)訓(xùn)練裝置對脊椎損傷患者進行臨床康復(fù)訓(xùn)練，利用現(xiàn)代檢測手段給患者提供多種反饋信息，達到對損傷的神經(jīng)系統(tǒng)進行全方位刺激的目的。通過綜合分析相關(guān)信息，進行康復(fù)治療評估，且根據(jù)評估結(jié)果重新制定訓(xùn)練方案，進一步改善康復(fù)治療效果。本研究的步行康復(fù)訓(xùn)練機器人主要包括：減重支撐系統(tǒng)、跑步機、外骨骼助行腿和控制系統(tǒng)。其中減重支撐系統(tǒng)(body weight support，BWSS)，跑步機和外骨骼助行腿是步行康復(fù)訓(xùn)練機器人最重要的三部分，它們相輔相成，缺一不可。三者之間

8、的協(xié)調(diào)控制，尤其重要，如果協(xié)調(diào)不好，將會導(dǎo)致不能對患者進行減重步行訓(xùn)練，本研究主要對三者之間的協(xié)調(diào)控制進行研究，再通過實驗進行驗證。 1 步行康復(fù)訓(xùn)練機器人 步行康復(fù)訓(xùn)練機器人主要包括減重支撐系統(tǒng)，外骨骼助行腿，跑步機和控制系統(tǒng)四部分。步行康復(fù)訓(xùn)練機器人實驗裝置如圖1所示[7]。下面將對減重支撐系統(tǒng)，外骨骼助行腿和跑步機進行簡單介紹。 圖1 步行康復(fù)訓(xùn)練機器人裝置 1.1 外骨骼助行腿 外骨骼助行腿是一種用于幫助患者進行康復(fù)訓(xùn)練的下肢步態(tài)矯形器，它是步行康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的核心部分。外骨骼助行腿是雙腿對稱的助行機構(gòu)，每條腿有3個自由度，髖、膝、踝關(guān)節(jié)各有1個自由度，分別由獨立的

9、帶滾珠絲桿和減速齒輪的驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動，可以實現(xiàn)矢平面上關(guān)節(jié)的彎曲和伸展運動。每個關(guān)節(jié)處均裝有角度傳感器，用于檢測關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度。助行腿固定在調(diào)節(jié)架后的平行四邊形機構(gòu)上，該機構(gòu)可實現(xiàn)助行腿在矢平面內(nèi)近似的上下運動，從而在康復(fù)訓(xùn)練過程中保證外骨骼助行腿在豎直方向上隨患者的重心上下運動。為了滿足不同身高的患者，助行腿的大小腿長度均可調(diào)。系統(tǒng)工作時，患者雙腿通過卡環(huán)和繃帶固定在助行腿上，腳底踩在跑步機上，患者通過減重支撐系統(tǒng)減掉一部分自重，6個交流伺服電機按照給定的步態(tài)軌跡驅(qū)動助行腿運動，以實現(xiàn)患者按正常的人體步態(tài)在跑步機上進行康復(fù)訓(xùn)練。 1.2 減重支撐系統(tǒng)[7] 減重支撐系統(tǒng)主要由支架、減重機構(gòu)、

10、支撐平衡機構(gòu)和控制系統(tǒng)四部分組成。其中支架選用鋁型材材料來減少設(shè)計量和加工量，支架整體結(jié)構(gòu)下端與跑步機固接，上端與執(zhí)行機構(gòu)固接，保證工作時各機構(gòu)的相對位置不發(fā)生相對運動。在跑步機后端有一扇門框，門框上需安裝支撐平衡機構(gòu)，并且門框能開啟閉合，以方便患者的進出。 減重機構(gòu)由驅(qū)動機構(gòu)、滑輪系統(tǒng)、鋼絲繩和絞盤組成。驅(qū)動機構(gòu)在驅(qū)動方式上采用交流伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠的形式實現(xiàn)進給。選用兩個定滑輪和一個動滑輪構(gòu)成滑輪系統(tǒng)。通過滑輪系統(tǒng)可以改變電機驅(qū)動力與減重力的布置方向。絞盤在進行康復(fù)訓(xùn)練時可以將患者從輪椅上吊起，同時也可以粗略設(shè)定減重控制系統(tǒng)的初始減重力。 支撐平衡機構(gòu)主要由調(diào)節(jié)架，平行四邊形機構(gòu)和氣

11、彈簧組成。調(diào)節(jié)架可以跟據(jù)不同患者的身材、體形通過搖柄手動調(diào)節(jié)高度和寬度。平行四邊形機構(gòu)和氣彈簧可實現(xiàn)助行腿在矢平面內(nèi)做近似的上下運動，從而在康復(fù)訓(xùn)練過程中使助行腿在豎直方向隨患者的重心上下運動。支撐平衡機構(gòu)還保證了患者在行走時重心上下運動不受限制。 控制系統(tǒng)由硬件與控制程序構(gòu)成，最終控制系統(tǒng)通過控制交流伺服電機來實現(xiàn)對患者的減重。 1.3 跑步機 跑步機是步行康復(fù)訓(xùn)練機器人重要組成部分，它的主要作用是：支撐患者部分體重；與外骨骼助行腿協(xié)調(diào)隨動，以實現(xiàn)患者的原地步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。跑步機與控制系統(tǒng)的信息通信通過串口來實現(xiàn)。 2 協(xié)調(diào)控制 經(jīng)分析，步行康復(fù)訓(xùn)練機器人的協(xié)調(diào)控制主要是減重支撐系

12、統(tǒng)，跑步機和外骨骼助行腿之間的協(xié)調(diào)控制。三者之間的協(xié)調(diào)控制如果處理不好，將會導(dǎo)致步行康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)無法正常對病人進行康復(fù)訓(xùn)練。三者之間的協(xié)調(diào)控制主要是外骨骼助行腿與跑步機的協(xié)調(diào)控制以及減重支撐系統(tǒng)與外骨骼助行腿之間的協(xié)調(diào)控制。 2.1 外骨骼助行腿與跑步機的協(xié)調(diào)控制 步行訓(xùn)練過程中，由于患者的支撐腿與跑步機相互接觸并存在耦合運動，它們之間的耦合運動可能使步行訓(xùn)練出現(xiàn)故障甚至導(dǎo)致患者損傷。因此，助行腿與跑步機必需協(xié)調(diào)好。助行腿與跑步機的協(xié)調(diào)控制主要解決兩個問題：(1)外骨骼助行腿步態(tài)循環(huán)初始位置的確定；(2)外骨骼助行腿與跑步機速度匹配問題。 為了使助行腿的初始位置不與跑步機干涉，通過

13、實驗對助行腿步態(tài)進行重新規(guī)劃，初始位置采用外骨骼助行腿左腿支撐，右腿屈膝，如圖2，3所示。采用如圖所示的外骨骼助行腿初始位置后，當(dāng)外骨骼助行腿進行步態(tài)循環(huán)的時候，兩者之間將不會產(chǎn)生干涉。 圖2 外骨骼助行腿初始位示意圖 圖3 外骨骼助行腿初始位實物圖 外骨骼助行腿步態(tài)循環(huán)的初始位置確定好了以后，助行腿與跑步機協(xié)調(diào)控制的第一個問題也就解決了。而助行腿與跑步機的速度匹配是助興腿與跑步機協(xié)調(diào)控制最重要的一方面，兩者匹配不好將會導(dǎo)致助行腿不能在跑步機上進行步行訓(xùn)練。 為了研究外骨骼助行腿與跑步機速度匹配問題，建立如圖4所示的人機系統(tǒng)與跑步機運動模型[8]。 圖4 人-機系統(tǒng)與跑步

14、機運動模型[2] 圖4中jh，jk，ja分別是助行腿髖、膝和踝關(guān)節(jié)的理想的運動軌跡，設(shè)為基于時間的函數(shù)。大腿、小腿和踝關(guān)節(jié)到腳底的長度各自為lh，lk，la。由圖4中的人–機系統(tǒng)幾何關(guān)系可得到患者的腳底水平位移，如式(1)所示。 對式(1)求導(dǎo)，可以求出理想患者的腳的速度vf，如式(2)所示。 (2) 當(dāng)腳和跑步機接觸時，跑步機的跑步帶帶動腳一起運動，腳底在跑步機上接觸點的位移為x(t)。假定跑步機的跑步帶勻速運轉(zhuǎn)，速度為vTM，則

15、 (3) 式(3)中t0為腳跟開始接觸跑步機的時間，x0為腳跟接觸跑步機時腳的初始位置。在運動過程中，若式(2)和式(3)計算的位移無誤差，表明理想的vf=vTM，腳和跑步機之間在接觸點產(chǎn)生的力剛好維持兩者的同步運動。若計算的位移存在誤差，則vf vTM，腳和跑步機之間在接觸點產(chǎn)生的力，與腳的水平位移誤差成比例。其位移誤差可用速度之間的差值的積分表示，如式(4)所示。 (4) 式(4)中，，為初始位置。若

16、式(4)求得的這個位移誤差太大，導(dǎo)致支撐腳和跑步機之間在接觸點產(chǎn)生的相應(yīng)耦合力過大，可能造成負作用傷害患者。因此，基于安全角度考慮，需要首先研究助行腿步行速度去適應(yīng)跑步機速度，再考慮人機系統(tǒng)與跑步機之間的速度匹配。 本研究中，首先利用上述理論分析，計算助行腿的腳的運動速度。然后使用運動捕捉儀測量助行腿腳的運動軌跡，求其速度。通過分析比較，選用運動捕捉儀測量的數(shù)據(jù)更能接近助行腿支撐腳的運動速度。采取將跑步機的速度手動調(diào)整至與助行腿腳的運動速度匹配的方法，進行助行腿與跑步機同步調(diào)試實驗。通過實驗結(jié)果分析，助行腿步態(tài)周期為5s，4s，3s，2s，跑步機對應(yīng)速度為0.7 km/h， 0.9 km/h

17、 ，1.1 km/h， 1.4 km/h時，公式(4)所示的位移誤差最小[8]，說明跑步機與助行腿之間的匹配性最好。 在步行康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)平臺測試初期，采用目前這種半自動調(diào)試的方法是可取的，但該方法影響到步行康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)的自動化程度，不能滿足實際應(yīng)用要求。所以，以后的研究中，需根據(jù)訓(xùn)練要求在線調(diào)整兩者速度的匹配，關(guān)鍵技術(shù)涉及在線改變助行腿步態(tài)軌跡和跑步機的運動速度如何跟隨助行腿速度的變化。這部分內(nèi)容將會在今后的工作中進一步深入研究。 2.2減重支撐系統(tǒng)與外骨骼助行腿的協(xié)調(diào)控制 減重步行康復(fù)訓(xùn)練時，由于患者下肢無法承載自身的重量、難以保持自身的平衡，所以在訓(xùn)練過程中，必須利用減重

18、支撐系統(tǒng)為患者卸載自重，并幫助其保持平衡。因此外骨骼助行腿和減重支撐系統(tǒng)必需實現(xiàn)好協(xié)調(diào)控制。兩者協(xié)調(diào)不好，將會導(dǎo)致減重系統(tǒng)不能對患者減重，同時患者不能按照正常步態(tài)進行康復(fù)訓(xùn)練。因為步行訓(xùn)練時，助行腿按照固定步態(tài)進行運動，所以患者的重心軌跡也是固定的。兩者在進行協(xié)調(diào)控制時，可以將外骨骼助行腿的步態(tài)軌跡和患者重心運動軌跡折算過去的減重機構(gòu)運動軌跡都分成50個數(shù)據(jù)點，只要助行腿步態(tài)軌跡和減重機構(gòu)運動軌跡的每一個數(shù)據(jù)點都一一對應(yīng)，這樣減重機構(gòu)就可以實時跟隨患者重心運動，實現(xiàn)主動減重，同時患者可以按照正常給定步態(tài)進行訓(xùn)練，兩者達到了很好的協(xié)調(diào)控制。協(xié)調(diào)控制通過控制程序來實現(xiàn)，程序流程圖如圖5所示。

19、 圖5 減重機構(gòu)與外骨骼助行腿協(xié)調(diào)控制流程圖 圖5中的減重步行訓(xùn)練為外骨骼助行腿和減重機構(gòu)各自按照預(yù)先設(shè)置的運動軌跡進行軌跡循環(huán)。減重步行訓(xùn)練中外骨骼助行腿的步態(tài)軌跡由NI 7356運動控制卡產(chǎn)生，減重機構(gòu)的運動軌跡由NI 6251數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生。減重機構(gòu)與外骨骼助行腿運動軌跡循環(huán)周期相同，但經(jīng)過實驗驗證當(dāng)循環(huán)周期為5s時，運動控制卡實際循環(huán)周期為5.7s，而數(shù)據(jù)采集卡的實際循環(huán)周期為5.2s。因此可知兩張卡定時器存在一定的差異，這樣就很難保證外骨骼助行腿步態(tài)運動軌跡的50個數(shù)據(jù)點與減重機構(gòu)運動軌跡的50個數(shù)據(jù)點一一對應(yīng)，兩者很難協(xié)調(diào)好?？梢酝ㄟ^對減重機構(gòu)的運動軌跡進行位置補償，彌補卡定時器

20、的差異，以更好的跟隨患者重心運動，實現(xiàn)很好的協(xié)調(diào)控制。 3 實驗 為了驗證減重支撐系統(tǒng) 、跑步機和外骨骼助行腿三者之間的協(xié)調(diào)控制效果，用假人代替患者在跑步機上進行了實驗驗證。搭建的實驗平臺如圖6所示。 圖6中，假人穿戴好吊帶服，由操作人員通過絞盤設(shè)置好初始減重力，然后再將外骨骼助行腿穿戴在假人雙腿上，運行實驗程序，使假人在步行速度為0.8km/h下按照給定的步態(tài)軌跡在跑步機上進行減重步行訓(xùn)練。實驗過程中，通過NDI儀器（位置傳感器）實時測量外骨骼助行腿髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的三個角度；通過力傳感器測量減重力的變化。圖7為通過NDI儀器采集的外骨骼助行腿的三個關(guān)節(jié)角度曲線，圖8為減重20

21、kg時實際減重力的值。 圖6 實驗平臺 圖7助行腿關(guān)節(jié)角度曲線圖 圖8 減重20kg曲線 圖7中的目標(biāo)曲線為三個關(guān)節(jié)的給定角度軌跡曲線。從三個關(guān)節(jié)的采集曲線可以看出，外骨骼助行腿基本上沒有受到跑步機的干涉，而是基本上按照給定的步態(tài)運動軌跡進行步態(tài)循環(huán)。從圖8中的減重曲線可以得知，雖然減重力有一定的相對波動，但減重支撐系統(tǒng)已基本可以達到對患者的減重需要。圖7和圖8說明外骨骼助行腿，跑步機和減重支撐系統(tǒng)三者之間得到了很好的協(xié)調(diào)控制。 4 結(jié)束語 本研究提出的步行康復(fù)訓(xùn)練機器人的協(xié)調(diào)控制方法得到了實驗驗證，實驗結(jié)果表明此控制方法可以實現(xiàn)步行康復(fù)訓(xùn)練機器人的協(xié)調(diào)控制性能指標(biāo)

22、，并為以后的研究提供了重要參考依據(jù)。 在下一階段，本研究將通過真人減重步行訓(xùn)練實驗來進一步驗證步行康復(fù)訓(xùn)練機器人的協(xié)調(diào)控制方法。由于真人減重步行訓(xùn)練與假人減重步行訓(xùn)練有較大的差異，因此在今后的研究中，可能需要進一步改進該協(xié)調(diào)控制方法，減少實驗誤差，以實現(xiàn)對患者較好的康復(fù)訓(xùn)練。 參考文獻(References): [1] HESSE S, KONRAD M, UHLENBROCK D. Treadmill walking with partial body weight support venus floor walking in himiparetie subjects[J]. Arch

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