具有姿態(tài)調節(jié)功能的康復訓練機器人設計

1姿態(tài)可調節(jié)的康復機器人康復訓練機器人是康復醫(yī)學、機器人學、信息科學等不斷進步的產物。它的目標是利用機器人協(xié)助或取代醫(yī)生對患者進行康復治療，提高治療效率，降低治療成本。同時，我們還獲取了人體和機器人在培訓過程中的相關參數，以客觀地評估培訓的效果。由于作用對象的特殊性,在外觀、機構、功能等方面都對康復訓練機器人提出了要求:1)康復訓練機器人需具備足夠多的自由度和合適的運動空間以適應患者肢體不同部位的訓練需求;2)需具備多種訓練模式以滿足不同康復階段患者的訓練需求;3)需具備完善的傳感系統(tǒng)以獲取機器人的力/位參數、患者的生理參數以及機器人和患者之間的作用力等參數,為康復訓練提供客觀評價;4)需具備姿態(tài)調整功能以適應不同體態(tài)患者的訓練需求。此外,在安全性、舒適性、智能化等方面也對康復訓練機器人有要求。上肢是人體運動系統(tǒng)的重要組成部分,具有自由度多、運動范圍大、在日常生活中使用率高等特點,針對上肢的康復訓練,國內外學者研制了多種康復訓練機器人。美國麻省理工學院研制的MIT-Manus康復訓練機器人采用五連桿機構實現患者在平面內肩-肘關節(jié)的二維康復訓練。英國雷丁大學研制的GENTLE/S的上肢康復訓練機器人,其機械臂為三自由度的升降式搖臂結構,機械臂的腕部帶有3個被動自由度,可實現手臂的三維運動。卡內基梅隆大學采用Barrett公司生產的WAM機器人進行相關康復醫(yī)療的研究,該機器人具有4個自由度,可在三維空間內運動。清華大學研制的UECM設備,在平面內進行2個自由度的運行訓練,華中科技大學設計了便攜式的腕關節(jié)康復訓練機構,東南大學、南京郵電大學等在康復機器人機構設計及控制方面也展開了研究工作。人體上肢是一個多自由度結構,可在一個較大的三維空間內自由活動。使用康復訓練機器人進行被動訓練時,通常需要將患肢與機器人末端固定以便于機器人帶動患肢進行訓練,由于神經系統(tǒng)損傷患者易出現抽搐等非自主動作,若訓練過程中患肢出現了抽搐、痙攣等異常動作,而機器人又不能及時解除對患肢的束縛,則容易對患肢造成二次損傷。本文針對上肢康復訓練運動空間的需求,設計了一種姿態(tài)可調節(jié)的康復訓練機器人,滿足人體肘關節(jié)和肩關節(jié)的康復訓練需求,具有主、被動訓練模式,并且能夠測量訓練過程中的位置參數和扭矩參數,供分析使用。同時,為避免訓練過程因患肢出現抽搐、痙攣等異常動作而對患肢造成的二次損傷,采用一種帶有患肢狀態(tài)觀測的控制器實現對機器人的控制。2康復訓練機器人設備2.1u形架和研發(fā)生物.設計的康復訓練機器人本體如圖1所示,具有5個自由度,其中3個自由度用于調整機器人姿態(tài)以適應不同體格患者的訓練需求,2個自由度直接用于患者肢體的訓練。升降基座實現機器人本體垂直方向的移動;U形架實現機器人本體水平面內的轉動和前后俯仰角度的調節(jié);手臂支撐臺繞支撐軸轉動和手臂支架繞支撐臺轉動的2個自由度直接用于患者手臂的康復訓練。機器人中各部件的具體連接參見專利ZL201010533277.2。分別采用步進電機和直流電機驅動機器人的各個關節(jié)運動,用于姿態(tài)調整的3個自由度采用步進電機驅動,用于患者康復訓練的2個自由度采用直流電機進行驅動。采用光電編碼盤測量機器人各個關節(jié)的轉動角度。在機器人各個關節(jié)處設置扭矩傳感器測量機器人與患者之間的作用力,選用的扭矩傳感器量程為0~10N·m,測量精度可達0.1N·m。2.2基于肘關節(jié)的加工過程如圖2所示,采用D-H(Denavit-Hartenberg)方法建立機器人基坐標系、各關節(jié)桿件坐標系和機器人末端坐標系。z軸與運動副的軸線重合,x軸沿著相鄰2個z軸的公垂線,y軸根據右手坐標系定則確定。相鄰2個坐標系之間的轉換關系如式(1)所示,各連桿參數及變化范圍如表1所示。根據式(1)和表1,可求得各連桿變化矩陣如式(2)~(7)所示。如圖4所示,使用時只需將手臂的肘關節(jié)支撐在機器人的手臂支撐臺上,同時前臂用松緊帶固定在手臂支撐架上,即可實現以肘關節(jié)為支點的手臂訓練。根據連桿i與連桿(i-1)的變換矩陣i-1Ti和各連桿至機器人末端連桿的變換關系:i-1Tn=i-1TiiTn,i-2Tn=i-2Ti-1i-1Tn,…,0Tn=0T11Tn,采用構造法可求得機器人的雅克比矩陣J。對于已調整好姿態(tài)的機器人而言(即0T4固定),只需考慮用于訓練的兩個自由度對末端位置的影響,此時求得雅克比矩陣第5、6列分別為:3患致狀態(tài)檢測機器人系統(tǒng)架構如圖5所示,主要包括機器人機構、上位機、下位機等。上位機通過向下位機發(fā)送控制命令來指導機器人機構牽引患肢進行康復訓練;編碼盤和扭矩傳感器分別實時檢測機器人的運動狀態(tài)和患肢-機器人之間的交互力,并通過下位機發(fā)送給上位機。由于作用對象的特殊性,在正常的訓練過程中機器人需要帶動患者的手臂跟隨軌跡規(guī)劃器輸出的軌跡,當患者的患肢出現抽搐、痙攣等異常情況時機器人需要及時解除對患肢的束縛,避免對患肢造成二次損傷,而當患肢的異常情況消失后,機器人又需找到原先訓練中斷的位置繼續(xù)進行未完成的訓練。因此,采用如圖6所示的機器人控制器?；贾珷顟B(tài)檢測器用于檢測患肢的異常狀態(tài),未檢測到異常狀態(tài)時,使用基于位置的阻抗控制器實現軌跡跟蹤,檢測到異常狀態(tài)時機器人切換至浮動狀態(tài),異常消失后軌跡規(guī)劃器輸出校正軌跡使機器人回到異常狀態(tài)發(fā)生時刻的位置,回到訓練中斷的位置后軌跡規(guī)劃器按照原先的訓練規(guī)則繼續(xù)輸出目標軌跡?；贾珷顟B(tài)的判別通過檢測機器人末端位置的變化率和患肢-機器人交互力的變化情況來實現。4實驗為驗證康復訓練機器人系統(tǒng)的有效性,在完成系統(tǒng)調試后,對系統(tǒng)改進了實驗驗證。實驗主要包括位置跟蹤實驗和模擬抽搐實驗2個部分。4.1采樣點軌跡跟蹤誤差為驗證控制器對期望軌跡的跟蹤性能,設計在x-y平面內的位置跟蹤實驗,如圖7所示,機器人末端從A點出發(fā)運動至B點,再從B點返回A點,記錄x、y方向的運動軌跡及跟蹤誤差如圖8所示。圖(a)、(b)分別為x方向的運動軌跡和軌跡跟蹤誤差,圖(c)、(d)分別為y方向的運動軌跡和軌跡跟蹤誤差。記單個采樣點位置跟蹤誤差為:式中:Δxi是實際位置與期望位置在x方向上的偏差,Δyi是實際位置與期望位置在y方向上的偏差。位置跟蹤誤差平均值為:位置跟蹤誤差均方差為:4.2x方向上運動控制實驗為驗證患肢狀態(tài)觀測器在系統(tǒng)控制中的有效性,設計模擬抽搐實驗。在正常的訓練過程中人為給手臂支撐架施加抖動,觀察記錄機器人的運動狀態(tài)。x方向上運動控制實驗中記錄實驗結果如圖9所示。圖中T0時間內施加人為抖動,此時機器人末端可隨患肢隨意運動,T1時間內軌跡規(guī)劃器輸出校正軌跡。5實驗結果和分析本文設計了一種具有姿態(tài)調節(jié)能力的上肢康復訓練機器人。詳細描述了機器人本體機構的組成,并對設計的康復訓練機器人進行運動學分析。為滿足訓練過程中機器人對軌跡的跟蹤性能和避免患肢出現抽搐等異常動作對患肢造成二次損傷,采用具有患肢狀態(tài)監(jiān)測的力位混合控制器控制機器人運動。對設計的系統(tǒng)進行了實驗驗證,結果表明設計的康復訓練機器人系統(tǒng)具有可行性和有效性。式中:n=o×a,o·o=1,a·a=1,o·a=0,n·n=1。坐標系{5}相對于基坐標系的變換矩陣為:坐標系{5}的原點在基坐標系中的位置為:坐標系{T}相對于基坐標系的變換矩陣為:坐標系{T}的原點在基坐標系中的位置為:在基坐標系中,坐標系{T}的原點和坐標系{5}的原點之間的距離關系為:機器人末端關于基座的變換矩陣為:故當機器人姿態(tài)固定后,機器人末端的運動空間是以坐標系{5}的原點(手臂支撐臺