基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三自由度主動式上肢康復(fù)機(jī)器人研究摘要：本文針對腦卒中自主能力較弱的患者，開發(fā)設(shè)計一套基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三自由度主動式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人采用伺服電機(jī)驅(qū)動，通過磁粉離合器傳遞可控扭矩，經(jīng)由三重軸和連桿機(jī)構(gòu)傳遞運動?？刂撇糠植捎脭?shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和處理以及指令的傳遞，人機(jī)交互部分采用OpenGL技術(shù)開發(fā)康復(fù)訓(xùn)練程序，通過虛擬環(huán)境中的模型運動帶動患者完成康復(fù)訓(xùn)練。最后，對系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真和實驗，驗證了該系統(tǒng)的正確性，確定系統(tǒng)能夠幫助自主能力較弱隨著我國老齡化進(jìn)程加快，越來越多老年人的健康成為社會的一大問題。腦卒中是老年人普遍發(fā)生的一種疾病，有著發(fā)病率高、死亡率高、致殘率高的特點［1］，對老年人的健康威脅尤為重大。由于傳統(tǒng)的康復(fù)醫(yī)學(xué)治療是治療醫(yī)師與患者一對一模式，存在著效率低下以及難以普及等問題［2］?；谔摂M現(xiàn)實的康復(fù)機(jī)器人將工程學(xué)和醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來，成為新型的康復(fù)模式逐漸受到人們的重視。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練中可以提高趣味性和患者的主動性［3］，國外對此研究比較早。例如美國麻省理工學(xué)院研制的MIT-MANUS［4］，英國的雷丁大學(xué)研究的GENTLE/S機(jī)器人［5］，意大利圣安娜高等學(xué)校研制的BRANDO機(jī)器人［6］等。我國最近也有一些高校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在康復(fù)機(jī)器人方面取得了一定的進(jìn)展?？祻?fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，外骨骼式和末端牽引式［7］。外骨骼有著定位和控制精準(zhǔn)并且易于實現(xiàn)等特點被廣泛采用，但是其復(fù)雜的外形形狀容易給患者帶來恐懼感。末端牽引式因為不會與患者有過多的身體接觸，因此相對來說易于被患者接受。本文設(shè)計的上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)采用了末端牽引式的結(jié)構(gòu)，針對一些能力較弱并不能完成自主運動的患者，設(shè)計開發(fā)了一套機(jī)器人帶動患者運動的主動康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，并開發(fā)了相應(yīng)的虛擬訓(xùn)練環(huán)境。1系統(tǒng)方案設(shè)計三自由度上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)主要由下位機(jī)康復(fù)機(jī)器人、上位機(jī)虛擬現(xiàn)實交互環(huán)境和輔助訓(xùn)練設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)的整體設(shè)計原理如圖所示。圖1康復(fù)機(jī)器人原理簡圖被動式康復(fù)模式是在患者具有一定自主運動能力下進(jìn)行的一種模式，該模式簡單有效，如今很多康復(fù)機(jī)器人都能實現(xiàn)這種訓(xùn)練模式。針對一些自主能力較弱的患者，作者在實現(xiàn)了三自由度被動式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行拓展開發(fā)，設(shè)計開發(fā)了一種主動式的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，即由機(jī)器人帶動患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。2機(jī)構(gòu)方案設(shè)計由于患者能力較常人弱，故在康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須對系統(tǒng)的安全性和可靠性加以保證。考慮一般患者的康復(fù)需求以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本，作者設(shè)計開發(fā)了一套三自由度上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。該上肢康復(fù)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)患者上肢三自由度方向的運動，即肩部、肘部的屈/伸以及肩部的外展/內(nèi)收。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。圖2康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)內(nèi)部采用三重軸結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)運動過程中實現(xiàn)三個方向的運動且互不干涉。手柄傳遞運動部分采用連桿機(jī)構(gòu)，材料選用鋁合金，能實現(xiàn)大范圍的靈活運動，保證一般患者的運動需求。驅(qū)動系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)，通過DSP控制模塊可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的運動控制。電機(jī)和傳動軸之間采用磁粉離合器連接，在運動過程中通過控制磁粉離合器的電流不僅可以實現(xiàn)運動控制，還可以對電機(jī)的輸出力矩進(jìn)行實時控制，從而在一定程度上保證了患者的安全。同時，在安全方面，系統(tǒng)設(shè)計了機(jī)械擋塊，防止在軟件控制故障時出現(xiàn)失控狀況。3運動學(xué)分析已知機(jī)器人末端的位姿矩陣和各桿結(jié)構(gòu)參數(shù)（a、α、d求解關(guān)節(jié)變量θi（i=1，2，3…）。設(shè)位姿矩陣為將變換矩陣的逆矩陣左乘上式，則利用矩陣相等對應(yīng)的元素相等，上式中可以得到12個方程，其中9個是獨立的，可以求出關(guān)節(jié)變量。在MATLAB平臺下，利用RoboticsToolbox［8］工具箱建立機(jī)器人將已知的關(guān)節(jié)變量和前面求解的關(guān)節(jié)變