步行训练机器人主动减重控制方法

１ 减 重 控 制方 法
减重 支撑 系 统主要 由支架 、 行 机构 、 节 架 和 执 调 控制 系统 组 成 ． 重 支 撑 系 统 中 的机 构 部 分 如 图 １ 减
所示 ［］ １． １
图 ２ 减 重 机 构 简 图
Ｆｉ ２ Ｕｎｌ ｄｉ ｍ ｅ ｈａ ｓ ｋｅ ｃ ｇ． ｏａ ｎｇ ｃ ｎｉｍ ｓ ｔｈ
图 １ 减 重 支 撑 系统
Ｆｉ ．１ Ｂｏ ｉ ｕｐｐｏ ｔｓ ｓ ｅ ｇ ｄｙ ｗｅｇｈｔｓ ｒ ｙ ｔｍ
骼 助行 腿 、 钢丝绳 阻尼和 减重 系统 机 构误 差 等 因 素 ，
减 重机 构不 可 能 实 时 跟 随患 者 的重 心 运 动 ， 而 导 从
减重支撑 系统的主要功能如下 ： 主动控制减 ①
偿， 误差 将 会 反 复 积 累 ， 终 导 致 系 统 不 能 同 步 运 最
行 ． 了弥 补这个 误 差 ， 以通过 力传 感 器 实 时检 测 为 可
减 重力 来对 重 心 运 动 轨迹 进 行 位 置 补偿 ． 置 补 偿 位 量 可 以通 过力传 感 器检 测到 的减 重力 与绞 盘设 置 的 减 重力 之 间 的差 值 来获 得．
联轴 器 、 滚珠 丝 杆和 滑轮 组构 成 的减 重机 构 来 完成 ，
减重 机 构简 图如 图 ２所 示 ． 动 减 重 的 目标 是 在 主
步行训练过程中力传感器 ｓ显示 的值 ， 即给予患
者 的减 重力 为一 个恒 定 值 ． 图 ２中 ， 者穿戴 着 外骨 骼助 行 腿 ， 照指 定 的 患 按
重量 的大小 以适 应不 同的 步行 训 练 方 案 ； 步 行训 ②
练 中在 一定误 差 范 围 内保 持 减 重 量 的恒 定 ． 重 支 减 撑 系统 中 的减 重 力 控制 部 分 主要 由交 流 伺 服 电机 、
致 减重 力存 在 一定 的误 差 ． 如果 不 对 该 误 差 进 行 补
（ 海 大 学 机 电工 程 与 自动化 学 院 ， 海 ２ ０ ７ ） 上 上 ００ ２
摘要： 减重步行训练是 治疗 由神经疾病导致 的下肢步行 障碍 的重 要手段 之一． 步行康 复训练 中 由于患者下 肢无法 承 载 自身的重量 ， 以保 持 自身的平衡 ， 难 因此设计 可为患者卸载 自重 ， 帮助其保持 平衡 的减 重支撑 系统显 得尤其 并 重 要． 对课题组设计 的减重支撑系统提 出减重控制方法 ， 并构建控制系统 ， 最终 通过实验论证其可行性． 实验 结果表
Ｆ Ｎ ｉ， Ｓ Ｅ ｉ—ｏ ｇ Nhomakorabea Ｎ ａｎ ｎ Ｑ Ａ ｉ— Ｕ Ａ Ｇ Ｂｎ Ｈ Ｎ Ｌｎｙｎ ， ＨＡ Ｇ Ｙ －ａ ， Ｉ Ｎ Ｊ Ｗ ｎ
（ｃ ｏｌ ｆ ｃａ ｏｉｓ ｎｉｅｒ ｇａ ｄＡ ｔｍ ｔ ｎ Ｓ ａｇａ Ｕ ｉ ｒ ｔ，Ｓａ ｇａ ２ ０７ ， ｈ ａ Ｓｈｏ ｏ ｈｔ ｎｃ ｇ ｅ ｎ ｎ ｕｏ ａｉ ， ｈ ｎｈｉ ｎｖ ｓｙ ｈｎｈ ｉ ０ ０ ２ Ｃ ｉ ） Ｍｅ ｒ Ｅ ｎ ｉ ｏ ｅｉ ｎ
近年 来 ， 内外 应 用 的 减 重 支 撑 系统 主 要 有 ４ 国
种： 静平衡 系 统 、 动配 重 系统 、 动 弹 性 力 减 重 系 被 被
统 和主动 力减 重 系统 ． 平衡 系 统 、 动 配 重 系统 和 静 被 被 动弹性 力减 重 系 统 采 用被 动 减 重 形 式 ， 都存 在减 重力 不恒 定 和 减 重 力 大小 调 整 困难 等 问题 ． 。 而 主动 减重力 系统 可 以解 决 这 些 问题 ， 一般 由力 传 它 感器 、 控制 器 和执行 器组 成 ， 通过 实 时返 回力传 感 器
第１ ７卷 第 ６期 ２１ ０ １年 １ ２月
上 戈
报 （ 然 科 学 版） 自
Ｖ０．１ ． １ ７ Ｎｏ ６
Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｈ Ｎ Ｈ Ｉ ＮＶ ＲＩＹ Ｎ Ｔ Ｒ Ｌ ＣＥ Ｃ ） Ｏ Ｒ Ａ ＦＳ Ａ Ｇ Ａ ＩＥ Ｓ （ Ａ Ｕ Ａ ＩＮ Ｅ Ｕ Ｔ Ｓ
丝绳 的阻尼 ， 钢 丝 绳 看作 一 个 弹性 系数 近似 为 一 将 个 常数 的 弹性 系统 ， 即
Ｆ ＝ ， （） １
式中 ， Ｋ为钢 丝绳 的 弹性 系数 ， 为 钢丝 绳伸 长变 化 量． 步行 训练 时忽 略人 体 的柔 度 和阻 尼 ， 当 ＝２ ｙ
时， 钢丝 绳不 被拉 伸 ， 始 终 保 持 不 变 ． 由式 （ ） １ 可
７０ ２
上 戈
报 （ 然 科 学 版） 自
第 １ 卷 ７
值 来 实 现 闭环 控 制 ， 终 实 现 减 重力 的恒 定 与 主 动 最
减 重 ．主 动 力 减 重 系 统 中 比 较 典 型 的 是 瑞 士 Ｈ Ｃ Ｍ Ｏ Ｏ Ａ公 司研 发 的 Ｌ ｋ ｍａ 的 Ｌ ｋ ｌｔ 式 的 ｏ ｏ ｔ中 ｏ ｏｉ 形 ｆ
步态 轨迹 在跑 步 机上 进 行 步 行 训 练 ， 心 运 动 轨 迹 重 在竖 直方 向上为 Ｙ 可 以通过 仪 器 测 量来 获 得． 流 ， 交 伺 服 电机 驱 动滚 珠 丝杆 ， 丝绳 运 动 位 移 为 ． 重 钢 减 步行 训练 开始 时 通过 绞 盘 设 置减 重 力 ． 由于 减 重 机 构 选用 的钢 丝 绳 具 有 较 大 的弹 性 ， 且 减 重 步行 并 训练 时 钢 丝 绳 的 拉 伸 变形 量 很 小 ， 以可 以 忽 略 钢 所
Ｄｅ ． ２ ｅ ０１１
ｄ ｉ ０ ３ ６ ／． ｓ．０ ７２ ６ ．０ １０ ．０ ｏ：１． ９９ ｊｉ ｎ １０ －８ １２ １ ．６ ０６ ｓ
・
研 究 简报 ・
步 行 训 练 机 器 人 主 动 减 重 控 制 方 法
方 彬 ， 沈林 勇， 章 亚 男， 钱晋 武
机
减重 支撑 系统 ． 系统 消 除 了配重 块 的惯 性 冲 击 ， 该 减 重量 能保 持 恒定 ， 差 显 著 减 小 ， 误 响应 速 度 快 ， 大 最 可减 ８ ｇ但其 动力 学 模 型 较 为 复 杂 ， 制难 度 较 ０ｋ ， 控 大， 成本 高 昂． 因此 ， 研 究 设 计 了一 套 类 似 主 动减 本 重力 系统 的减 重 支撑 系统 ， 其结 构 、 制 方式 易 于 实 控 现， 成本 较低 ．
力、 纠正 步态 、 善 平 衡 、 轻 肌 肉痉 挛 及 减 少 心 肺 改 减
负荷 等方 面较 传 统 治 疗 方 法 均 有 很 大 的优 势 ， 时 同
降低 了治 疗 师 的工作 强度 ， 高 了治疗 安全 性 ． 提
收 稿 日期 ：０ ００ －１ ２ １ －３２
基金项 目： 国家高技术研究发展计划 （６ ８ ３计划 ） 资助项 目（ ０６ Ａ ４ ２ ４ ； ２０ Ａ Ｏ Ｚ ２ ） 国家 自然科学基金 资助项 目（０ ７ １５ ； ５９ ５ ６ ） 上海 大学研究 生创 新 基 金 资 助 项 目 （ ．６ １９ ９７９） Ａ １－ ０－ － ０ ０ ４ 通信作者 ： 沈林勇 （９ ２～） 男 ， １６ ， 副研究员 ， 研究方 向为机器人技术．Ｅｍａ ：ｈｎｙｎ ６ ．ｏ ・ ｉ ｓｅ ｌ ＠１３ ｃｎ ｌ ｃ
步行 康 复训 练 中 由于患 者下肢 无 法 承载 自身 的 重 量 ， 以保 持 自身 的 平 衡 ， 以在 训 练 过 程 中 ， 难 所 必 须采 用必 要 的方 式 为 患者 卸 载 自重 ， 帮助 其 保 持 并 平衡 ． 已有 的研究 表 明 ， 重支 撑 系统 在恢 复 步行 能 减
为了获得 位置补偿 量与 减重力差 值之 间的关 系， 本研究对图 ２所示 的减重机构进行 了动力学分 析． 电机采 用交 流伺 服 电机 ， 电机 扭矩 与 转 角 的关
明， 该减重控制方法 可以满足主动减重控制 的要求 ．
关 键词 ： 步行训 练机 器人 ； 减重支撑 系统 ； 步行训练
中 图 分 类 号 ： Ｐ２ Ｔ ４ 文 献标 志 码 ： Ａ 文章 编 号 ： ０７２ ６ （０ １ ０ －７９０ １０ － １ ２ １ ）６０ １ － ８ ５
Ａｃ ｉ ｅ Ｃｏ ｒ ｌｏ ｄ ｅｇ ｔｆ ｒ Ｇ ａ ｔＴｒ ｉ ｉ ｂｏ ｔｖ ｎｔ ｏ ｆＢｏ ｙ Ｗ ｉ ｈ ｏ ｉ ａ ｎ ｎｇ Ｒｏ ｔ
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｐ ｒｉｌｂ ｄ － ｉ ｈ ｕ ｐ ｒｅ ａｔｔａ ｎｎ ｓａ ｍ ｐ ｒａ ｔｒ ｈ ｂｉ ｔｔｏ ｅ ｎ ｎ ｃ ｒｎ ｏ ｒ ｓ ｒ ｃ ： ａ ｔａ ｏ ｙ ｗｅｇ ｔｓ ｐ ｏ ｄ ｇ ｉ ｒ ｉ ｉｇ ｉ ｎ ｉ ｏ ｎ ｅ ａ ｌ ａｉ ｎ ｍ ａ ｓ ｉ ｕ ｇ ｌ ｗｅ ｔ ｔ ｉ ｉ
知， 力传 感器 ｓ上 的力 不 变 ， 以 步行 训 练 时 可 所 以将 患 者 的重心 运 动轨迹 折算 成 电机 转 角关 系 输 入
交流伺服电机 ， 然后驱动减重机 构来 跟随患者的重
心 运动 ， 这样 就 可 以保 证 力传 感 器 上 显示 的值 为 一 个 恒定 值 ． 是 ， 步行训 练 过程 中 ， 但 在 由于患 者 、 骨 外
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