一种上肢康复训练机器人及控制方法_吴常铖

机器人运动学分析 H （ DenavitHartenberg ） 方法建 如图 2 所示， 采用 D立机器人基坐标系、 各关节杆件坐标系和机器人末端坐 x 轴沿着相邻 2 个 z 轴 标系。z 轴与运动副的轴线重合， y 轴根据右手坐标系定则确定［14］。 的公垂线，
2
2． 1
康复训练机器人机构
机器人机构设计
0
cos θi sin θi i－1 Ti = 0 0

－ sin θi cos αi cos θi cos αi sin αi 0
sin θi sin αi ai cos θi cos αi 0 1 di
－ cos θi sin αi ai sin θi

南京 210096 ； 2． 核工业理化研究院
天津 300180 ）
要： 针对上肢偏瘫患者康复训练的需求设计了一种具有姿态调节功能的康复训练机器人 。 描述了机器人本体机构的组
成， 对设计的机构进行运动学分析， 得到机器人各连杆变换矩阵和雅克比矩阵 。在描述机器人系统架构的基础上设计了带有患 肢状态监测的控制器， 满足康复训练过程中机器人对轨迹跟踪性能的要求， 同时当患肢出现抽搐等异常状态时能够及时解除机 器人对患肢的束缚， 避免对患肢造成二次损伤 。完成系统调试后进行了实验验证， 结果表明： 设计的康复训练机器人系统具有 有效性。 关键词： 康复训练机器人； 运动学； 患肢状态监测 中图分类号： TP242． 3 TH122 文献标识码： A 国家标准学科分类代码： 460． 55 510． 80
（ 8）
0
0 1 0 0 T1 = 0 0 1 L1 0 0 0 1
－ sin θ2 cos θ2 0 0 0 sin θ3 － cos θ3 0 0 0 －1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
1
0
0
0 （ 2）
n2 1 2 3 0 0 令 T4 = T1 T2 T3 T4 = n3 0
1
引
言
自由度和合适的运动空间以适应患者肢体不同部位的 训练需求； 2 ） 需具备多种训练模式以满足不同康复阶段 患者的训练需求； 3 ） 需具备完善的传感系统以获取机器 人的力 / 位参数、 患者的生理参数以及机器人和患者之 间的作用力等参数， 为康复训练提供客观评价； 4 ） 需具 备姿态调整功能以适应不同体态患者的训练需求 。 此 外， 在安全性、 舒适性、 智能化等方面也对康复训练机器 人有要求
（ 1）
第5 期
吴常铖 等： 一种上肢康复训练机器人及控制方法
0
1001
根据式 （ 1 ） 和 表 1 ， 可求得各连杆变化矩阵如式 （ 2 ） （ 7 ） 所示。
T T = 0 T1 1 T2 2 T3 3 T4 4 T5 5 T T n1 o1 o2 o3 0 a1 a2 a3 0 p1 p2 1 p3
Upper limb rehabilitation training robot and its control method
Wu Changcheng1 ，Song Aiguo1 ，Li Huijun1 ，Xu Baoguo1 ，Xu Xiaoming2
（ 1． School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096 ，China； 2． Ｒesearch Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry，Tianjin 300180 ，China） Abstract： Aiming at the demand of rehabilitation training of upper limb hemiplegia patients，a gesture adjustable rehabilitation training robot is proposed． The composition of the robot is described． The kinematics analysis of the designed robot mechanism is conducted， and the transformation matrix and the Jacobian matrix of various links of the robot are obtained． On the basis of the description of the robot system architecture，a controller with affected limb condition monitoring function was designed，which satisfies the trajectory tracking requirement of the robot in rehabilitation training process； and when abnormal phenomena such as twitches occur，the robot can release the bondage of the robot on the affected limb timely to avoid secondary injury to the affected limb． Experiment was conducted to verify the proposed design； the experiment results prove the effectiveness of the designed rehabilitation training robot system． Keywords： rehabilitation training robot； kinematics； affected limb condition monitoring
［16 ］
康复训练机器人是康复医学、 机器人学、 信息科学 等不断发展进步的产物， 目的在于用机器人辅助或替代 治疗医师对患者进行手把手的康复训练， 提高治疗效率 和降低治疗成本， 同时获取训练过程中人体和机器人的 相关参数以便对训练效果提供客观的评价。 由于作用 对象的特殊性， 在外观、 机构、 功能等方面都对康复训练 机器人提出了要求： 1 ） 康复训练机器人需具备足够多的
第 35 卷 第 5 期 2014 年 5 月
仪
器
仪
表
学
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Chinese Journal of Scientific Instrument
Vol. 35 No. 5 May． 2014
一种上肢康复训练机器人及控制方法
1 1 1 1 2 吴常铖 ，宋爱国 ，李会军 ，徐宝国 ，徐晓明
*
（ 1． 东南大学仪器科学与工程学院 摘
1000
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报
第35 卷
肢的康复训练， 国内外学 者 研 制 了 多 种 康 复 训 练 机 器 Manus 康复训练机 人。美国麻省理工学院研制的 MIT器人采用五连杆机构实现患者在平面内肩肘关节的二 维康复训练。 英国雷丁大学研制的 GENTLE / S 的上肢 ［8 ］ 其机械臂为三自由度的升降式摇臂 康复训练机器人 ， 结构， 机械臂的腕部带有 3 个被动自由度， 可实现手臂 。 Barrett 的三维运动 卡内基梅隆大学采用 公司生产的 WAM 机器人进行相关康复医疗的研究， 该机器人具有 4 个自由度， 可 在 三 维 空 间 内 运 动 。清 华 大 学 研 制 的 ［7 ］ UECM 设备， 华 在平面内进行 2 个自由度的运行训练 ， 东 中科技大学设计了便携式的腕关节康复训练机构 ， 南大学、 南京邮电大学等在康复机器人机构设计及控制 方面也展开了研究工作
［1112 ， 1516 ］ ［10 ］ ［9 ］
图1
机器人机构图
。 2． 2
Fig． 1 The robot mechanism
人体上肢是一个多自由度结构， 可在一个较大的三 。 维空间内自由活动 使用康复训练机器人进行被动训 练时， 通常需要将患肢与机器人末端固定以便于机器人 带动患肢进行训练， 由于神经系统损伤患者易出现抽搐 ［13 ］ ， 若训练过程中患肢出现了抽搐、 痉挛 等非自主动作 等异常动作， 而机器人又不能及时解除对患肢的束缚， 则容易对患肢造成二次损伤。 本文针对上肢康复训练运动空间的需求， 设计了一 种姿态可调节的康复训练机器人， 满足人体肘关节和肩 关节的康复训练需求， 具有主、 被动训练模式， 并且能够 测量训练过程中的位置参数和扭矩参数， 供分析使用。 同时， 为避免训练过程因患肢出现抽搐、 痉挛等异常动 作而对患肢造成的二次损伤， 采用一种带有患肢状态观 测的控制器实现对机器人的控制。
图2
机器人本体及机构分析图
Fig． 2 Ｒobot body and mechanism analysis
各 相邻 2 个坐标系之间的转换关系如式（ 1 ） 所示， 连杆参数及变化范围如表 1 所示。
表1 Table 1
i 1 2 3 4 5 T ai 0 0 0 0 0 L
设计的康复训练机器人本体如图 1 所示， 具有 5 个 自由度， 其中 3 个自由度用于调整机器人姿态以适应不 2 个自由度直接用于患者肢体 同体格患者的训练需求， 的训练。升降基座实现机器人本体垂直方向的移动； U 形架实现机器人本体水平面内的转动和前后俯仰角度 的调节； 手臂支撑台绕支撑轴转动和手臂支架绕支撑台 转动的 2 个自由度直接用于患者手臂的康复训练。 机 器人中各部件的具体连接参见专利 ZL201010533277． 2 。 分别采用步进电机和直流电机驱动机器人的各个关节 运动， 用于姿态调整的 3 个自由度采用步进电机驱动， 用于患者康复训练的 2 个自由度采用直流电机进行驱 动。采用光电编码盘测量机器人各个关节的转动角度。 在机器人各个关节处设置扭矩传感器测量机器人与患 者 之 间 的 作 用 力，选 用 的 扭 矩 传 感 器 量 程 为 0 10 N·m， 测量精度可达 0． 1 N·m。
12 收稿日期： 2013本科研业务资助项目 Ｒeceived Date： 201312
。
上肢是人体运动系统的重要组成部分， 具有自由度 多、 运动范围大、 在日常生活中使用率高等特点， 针对上
* 基金项目： 国家自然科学基金（ 61325018 ） 、 江苏省产学研前瞻性研究项目（ BY2012201 ） 、 常州市科技支撑计划（ CE20120085 ） 、 东南大学基
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L2 1
坐标系｛ 5 ｝ 相对于基坐标系的变换矩阵为： T5 = 0 T4 4 T5 坐标系｛ 5 ｝ 的原点在基坐标系中的位置为：
（ 9）

（ 4）
L3 1
0 p + a1 L5 sx 1 sy 0 p2 + a2 L5 4 0 s = = T4 T5 = 0 sz p3 + a3 L5 1 1 1
，
cos θ2 sin θ2 1 T2 = 0 0 sin θ3 0 2 T3 = 1 0 0 0 0 3 T4 = 0 0
cos 1 0 0 1 0 cos θ3

（ 3）
o·o = 1 ， a·a = 1 ， o·a = 0 ， n·n = 式中： n = o ˑ a ， ［14 ］ 。 1
各连杆参数及变化范围
αi 0 0 π /2 π /2 π /2 0 di L1 L2 L3 0 L5 0 θi 0 θ2 = － π /2 θ3 = π 0 θ5 = － π /2 θ6 = 0 range l0 2 l0
Parameters and ranges of various links
－ π /2 0 π /2