上肢康复机器人的设计与控制研究

第３７卷第１期　河北联合大学学报（自然科学版）　２０１５年１月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．３７　ＮＯ．１　

Ｊａｎ．２０１５　

文章编号：２０９５—２７１６（２０１５）０１—００４４—０５　

外骨骼式上肢康复机器人机构的研究　

徐文墨，程秀芳，王腾飞　

（河北联合大学机械工程学院，河北唐山０６３００９）　

关键词：康复训练；上肢；肘关节；前臂　摘　要：随着近年来偏瘫患者的增多，传统的康复医疗手段已经不能满足当前社会需求。在康　

复领域中，上肢康复尤为热点。人体上肢从事各种复杂、精细活动，它的运动功能直接影响人　类的日常生活能力。提出一种两自由度的新型机构，对患者肘关节的屈、伸和前臂的前、后旋　

运动进行康复训练，以达到上肢康复的目的。　

中图分类号：ＴＨ７０３　文献标识码：Ａ　

近几年，随着社会人口老龄化的增速发展，越来越多的人成为偏瘫的高发人群。偏瘫，表现为使患者失　

去自主运动及生活的能力。根据全国脑血管病防治办公室的估计，在存活的脑卒中患者中，７５　左右的患者　不同程度地丧失劳动能力，４ｏ％重度致残，给家庭和社会造成了沉重的负担。临床医学证明，训练开始越早，　

脑的可塑性越大，运动功能恢复的潜力越大。传统的临床康复治疗是医师徒手或者借助机械器材对患者进　行的一对一的连续被动训练，效率低，效果不明显，消耗费用高，很难推广。这一中风后的常见症状给患者家　

庭带来了沉重的经济负担。针对这种行动能力有问题的人群，国内外科研单位相继研制出很多康复机械系　

统来帮助患者实现适合自己的康复过程。康复机器人的应用，大大减小了医师的运动强度，提高了康复效　

率，保证康复过程中的动作始终如一，保持正确的运动路线，使患者得到更好的康复。　人体上肢从事各种复杂、精细活动，它的运动功能直接影响人类的Ｅｔ常生活能力。因而，偏瘫后上肢运　

动能力的恢复是康复医疗领域的重要课题。康复的主要目的是：预防残疾的发生和改善运动、语言交流、认　知以及其他受损的功能（身体水平上）；尽可能地恢复患者的日常生活活动能力（活动水平上）；使患者在精神　

第３６卷第４期２０１９年４月机 电 工 程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３６Ｎｏ.４Ａｐｒ.２０１９

收稿日期:２０１８－１０－１６基金项目:江苏省特种机器人技术重点实验室开放基金项目(２０１７ＪＳＪＱＲ０３)ꎻ三一重工企业专项资助项目(ＸＺＸ/１７Ｂ０１１－１８)作者简介:孙超(１９９４－)ꎬ男ꎬ安徽六安人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事机器人及智能制造系统控制与优化方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:２９９５３０６４５４＠ｑｑ.ｃｏｍ通信联系人:苑明海ꎬ男ꎬ副教授ꎬ硕士生导师ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｙｍｈａｉ＠ｈｈｕ.ｅｄｕ.ｃｎＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０１９.０４.００８

外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究∗

孙　超ꎬ苑明海∗ꎬ周　灼ꎬ蔡仙仙(河海大学机电工程学院ꎬ江苏常州２１３００２)

摘要:针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题ꎬ在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上ꎬ提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案ꎮ首先ꎬ从仿生学角度出发ꎬ对该康复机器人的整体机械结构进行了建模ꎬ并设计了３处长度调节固定机构ꎻ然后ꎬ对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算ꎬ通过模型动作编写了ｓｔｅｐ函数ꎬ将函数与三维模型图导入Ａｄａｍｓ进行了动力学仿真ꎻ得到了各关节的驱动力矩曲线图ꎬ再将其与理论计算结果作了对比分析ꎻ最后ꎬ对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析ꎮ研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性ꎬ能帮助患者实现康复训练ꎮ关键词:结构设计ꎻ康复机器人ꎻ动力学仿真ꎻ强度分析中图分类号:ＴＨ１２２ꎻＴＰ２４２ 文献标志码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０１９)０４－０３８３－０４Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔ

上肢外骨骼康复机器人控制系统研究

由于我国60岁以上老年人口增加、人们饮食习惯的改变等诸多原因,脑卒中发病率在我国大大提高,而术后的脑卒中患者存在着偏瘫等后遗症,需要进行运动康复训练恢复其身体机能。但我国存在着康复治疗医院稀少,正规的康复理疗师数目不足等问题,故短缺的康复治疗资源与患者的运动康复需求这对矛盾日益彰显。

随着机器人技术、检测技术、无线通讯等技术的高速发展与成熟,利用康复机器人牵引患者患肢进行康复运动不仅可以减省人力,使患者得到专业护理,还可以采集运动数据,给出康复效果的客观评价。本文针对偏瘫患者的上肢运动康复需求,研究设计了人机共融交互性好的上肢外骨骼康复机器人控制系统,其主要包括机器人执行机构、驱动机构、上层主控计算机、底层运动控制器、传感器模块、生理指标检测模块、能源模块等,该康复机器人可感知运动意图,具有良好的人机界面,能完成患者信息采集、方案制定、运动控制等任务,并设置保护措施,满足代替人工方式对偏瘫患者上肢进行锻炼的需要。

本文主要研究与工作内容如下:(1)系统组成设计。通过对上肢康复机器人的国内外目前先进技术的研究与分析,结合本课题上肢外骨骼康复机器人的需求和指标,完成了机器人的系统组成设计。

参照人体上臂臂长参数和活动关节角度,设计上肢外骨骼康复机器人为主从双臂同型同构各五自由度形式,进一步根据控制系统需求,完成了控制架构和电机等硬件选型的设计。(2)运动模型分析。

通过齐次坐标变化下的人体上肢模型,利用蒙特卡洛算法,得到人体上肢末端腕部的活动空间;建立康复机器人D-H运动模型,通过计算得到机器人运动学正、逆解析式,并对其进行了仿真得到机械臂模型与康复机器人末端腕部活动空间,验证了所设计的机器人活动范围与人体上肢活动范围基本一致,符合需求;进而对机器人训练臂康复轨迹进行规划,使训练轨迹平滑柔顺,为控制问题打下运动学基础。(3)主从训练方法设计。

设计多种运动锻炼模式以满足不同偏瘫患者的需求;为提高人机共融性设计了一种基于模糊逼近的主从训练控制方法,使患者患肢可根据健康侧肢体运动意图进行双臂协同训练,主从训练控制器的稳定性通过Lyapunov函数验证,并进行仿真验证方法效果,保证了从臂跟随主臂的康复运动效果。在训练过程中,设计了以机器人状态和患者生理情况的双轨并行防护机制,保护患者的安全。

３２一、引言我国是中风病的高发地区之一，在幸存者中约７０％￣８０％的病人留有不同程度的残疾。对于中风病人，对其偏瘫部位进行康复训练是十分重要和关键的医疗手段，及早进行康复训练可以大大减少残疾的可能性。传统的康复治疗中，治疗师手把手地对患者进行一对一的康复训练，这种方式的训练效率和训练强度难以保证，训练效果受到治疗师水平的影响，而且缺乏评价训练参数和康复效果关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗方案。上肢康复训练机器人的研究进展及前景o 李会军 宋爱国东南大学仪器科学与工程系

［作者简介］　李会军，博士，南京东南大学仪器科学与工程系，主要研究领域为：遥从作机器人、虚拟环境技术［摘 要］　利用机器人技术进行康复训练是康复治疗的重要手段之一。依据康复医疗训练机器人技术的发展意义及社会需求，结合该领域的研究背景、发展现状及趋势，回顾了国内外近些年来的研究进展和主要研究成果，分析了本地上肢康复训练机器人、基于网络的康复训练机器人和基于虚拟环境的康复医疗训练机器人的系统构造及其应用，着重介绍了一对多力觉辅助远程康复训练机器人系统的设计与特点，指出了待解决的问题，并分析了上肢康复医疗训练机器人在机械设计、控制器设计、力觉辅助、多路复用及评价策略等方面的发展趋势。［关键词］　机器人技术　力觉辅助　远程康复　虚拟环境　多路复用[Abstract]　Ｓｔｒｏｋｅ　ｉｓ　ｃｏｍｍｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｄｅｒｌｙ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ａｎｄ　ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒ　ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｏｋｅ　ｓｕｒｖｉｖｏｒｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｐｅｏｐｌｅ　ｗｉｔｈ　ｕｐｐｅｒ－ｌｉｍｂ　ｄｅｆｏｒｍｉｔｙ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｏｃｉａｌ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　ｒｏｂｏｔ，　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｆｉｅｌｄ，　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｉｓ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．　Ｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ　ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　ｒｏｂｏｔ　ｆｏｒ　ｕｐｐｅｒ－ｌｉｍｂ，　ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　ｒｏｂｏｔｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ａｎｄ　ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　ｒｏｂｏｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．　Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ　ｆｏｒｃｅ　ａｓｓｉｓｔａｎｔ　ｔｅｌｅ－ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ　ｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．　Ｔｈｅ　ｐａｔｉｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒａｐｉｓｔ　ａｒｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｂｙ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｉｎｓｅｒｖｅｒ／ｃｌｉｅｎｔ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ．　Ｔｈｅ　ｐａｔｉｅｎｔｓ　ｒｅｃｅｉｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒａｐｉｓｔ　ａｎｄ　ｅｘｅｒｃｉｓｅ　ａｔ　ｈｏｍｅ．Ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｖｉｄｅｏ　ｉｍａｇｅｓ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｏｒｃｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｅｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｅｒ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｗａｙ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒａｐｉｓｔｓ　ｃａｎ　ｍｏｎｉｔｏｒ／ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｐａｔｉｅｎｔｓ　ａｎｄ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅｒａｐｙ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ．　Ｍａｉｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｅ　ｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｆｏｒｃｅ　ａｓｓｉｓｔａｎｔ，　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｒｅ　ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．[Key words]　ｒｏｂｏｔｉｃｓ；　ｆｏｒｃｅ　ａｓｓｉｓｔａｎｔ；　ｔｅｌｅ－ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ；　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ机器人　技术应用栏目主持：刘远江 ３３为了减轻家庭和社会的经济负担，提高康复训练效率，研究者们将机器人技术应用于康复领域，既可提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健的成本。另外，机器人可以记录详实的治疗数据及图形，能提供客观、准确的治疗和评价参数，有助于机器人辅助治疗偏瘫研究的深入开展，具有改善康复效果和提高康复效率的潜力。近年来，国外一些研究机构开展了上肢康复机器人的研究，已得到一些初步的结论。二、上肢康复机器人的研究进展上肢康复医疗训练机器人系统经过十几年的发展，从系统结构上分，主要包括三个阶段：１、本地康复医疗训练机器人系统１９９１年，ＭＩＴ设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统ＭＩＴ－ＭＡＮＵＳ，该设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性，用于病人的肩、肘运动，如图１所示。ＭＡＮＵＳ具有辅助或阻碍手臂的平面运动功能，可以精确测量手臂的平面运动参数，并通过计算机界面为患者提供视觉反馈，在临床应用中取得了很好的效果。在此基础上，他们又研制了用于腕部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临床实验。与一般工业机器人不同，ＭＩＴ－ＭＡＮＵＳ在机械设计方面考虑到了安全性、稳定性以及与患者近距离物理接触的柔顺性。另一个典型的上肢康复训练机器人系统是ＭＩＭＥ（ｍｉｒｒｏｒ－ｉｍａｇｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｅｎａｂｌｅｒ），该设备包括左右两个可移动的手臂支撑，由工业机器人ＰＵＭＡ－５６０　操纵患者手臂，为患肢提供驱动力，既可以提供平面运动训练，也可以带动肩和肘进行三维运动。但是ＰＵＭＡ－５６０本源上是工业机器人，因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及载荷、运动速度以及输出力控制等原因，该系统在医疗领域的应用也有其局限性。１９９９年，Ｒｅｉｎｋｅｎｓｍｅｙｅｒ等研制了辅助和测量向导ＡＲＭ－Ｇｕｉｄｅ，用来测定患者上肢的活动空间。２０００年他们对该装置进行改进，用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能。该设备有一个直线轨道，其俯仰角和水平面内的偏斜角可以调整。实验中患者手臂缚在夹板上，沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力。这种设备训练方式单一，无法进行更深入的研究。２００５年，瑞士苏黎世大学的Ｎｅｆ等开发了一种新型的上肢康复机器人ＡＲＭｉｎ，它是一种６自由度半外骨架装置，安装有位置传感器及６维力／力矩传感器，能够进行肘部屈伸和肩膀的空间运动，用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的活动。此外关于上肢康复训练机器人的报道还有：ＲＥＨＡＲＯＢ　以及华盛顿大学设计的７ＤＯＦ上肢外骨架装置等。但是，上述设备也有一些不足之处，机器人系统比较复杂，而且没有利用网络，