具有姿態(tài)調(diào)節(jié)功能的康復(fù)訓(xùn)練機器人設(shè)計

具有姿態(tài)調(diào)節(jié)功能的康復(fù)訓(xùn)練機器人設(shè)計

1姿態(tài)可調(diào)節(jié)的康復(fù)機器人康復(fù)訓(xùn)練機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)、機器人學(xué)、信息科學(xué)等不斷進(jìn)步的產(chǎn)物。它的目標(biāo)是利用機器人協(xié)助或取代醫(yī)生對患者進(jìn)行康復(fù)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(xùn)過程中的相關(guān)參數(shù)，以客觀地評估培訓(xùn)的效果。由于作用對象的特殊性,在外觀、機構(gòu)、功能等方面都對康復(fù)訓(xùn)練機器人提出了要求:1)康復(fù)訓(xùn)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(yīng)患者肢體不同部位的訓(xùn)練需求;2)需具備多種訓(xùn)練模式以滿足不同康復(fù)階段患者的訓(xùn)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(shù)、患者的生理參數(shù)以及機器人和患者之間的作用力等參數(shù),為康復(fù)訓(xùn)練提供客觀評價;4)需具備姿態(tài)調(diào)整功能以適應(yīng)不同體態(tài)患者的訓(xùn)練需求。此外,在安全性、舒適性、智能化等方面也對康復(fù)訓(xùn)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(fù)訓(xùn)練,國內(nèi)外學(xué)者研制了多種康復(fù)訓(xùn)練機器人。美國麻省理工學(xué)院研制的MIT-Manus康復(fù)訓(xùn)練機器人采用五連桿機構(gòu)實現(xiàn)患者在平面內(nèi)肩-肘關(guān)節(jié)的二維康復(fù)訓(xùn)練。英國雷丁大學(xué)研制的GENTLE/S的上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人,其機械臂為三自由度的升降式搖臂結(jié)構(gòu),機械臂的腕部帶有3個被動自由度,可實現(xiàn)手臂的三維運動?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)采用Barrett公司生產(chǎn)的WAM機器人進(jìn)行相關(guān)康復(fù)醫(yī)療的研究,該機器人具有4個自由度,可在三維空間內(nèi)運動。清華大學(xué)研制的UECM設(shè)備,在平面內(nèi)進(jìn)行2個自由度的運行訓(xùn)練,華中科技大學(xué)設(shè)計了便攜式的腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu),東南大學(xué)、南京郵電大學(xué)等在康復(fù)機器人機構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu),可在一個較大的三維空間內(nèi)自由活動。使用康復(fù)訓(xùn)練機器人進(jìn)行被動訓(xùn)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(jìn)行訓(xùn)練,由于神經(jīng)系統(tǒng)損傷患者易出現(xiàn)抽搐等非自主動作,若訓(xùn)練過程中患肢出現(xiàn)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(fù)訓(xùn)練運動空間的需求,設(shè)計了一種姿態(tài)可調(diào)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練機器人,滿足人體肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練需求,具有主、被動訓(xùn)練模式,并且能夠測量訓(xùn)練過程中的位置參數(shù)和扭矩參數(shù),供分析使用。同時,為避免訓(xùn)練過程因患肢出現(xiàn)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(xiàn)對機器人的控制。2康復(fù)訓(xùn)練機器人設(shè)備2.1u形架和研發(fā)生物.設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)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(diào)整機器人姿態(tài)以適應(yīng)不同體格患者的訓(xùn)練需求,2個自由度直接用于患者肢體的訓(xùn)練。升降基座實現(xiàn)機器人本體垂直方向的移動;U形架實現(xiàn)機器人本體水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動和前后俯仰角度的調(diào)節(jié);手臂支撐臺繞支撐軸轉(zhuǎn)動和手臂支架繞支撐臺轉(zhuǎn)動的2個自由度直接用于患者手臂的康復(fù)訓(xùn)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(jìn)電機和直流電機驅(qū)動機器人的各個關(guān)節(jié)運動,用于姿態(tài)調(diào)整的3個自由度采用步進(jìn)電機驅(qū)動,用于患者康復(fù)訓(xùn)練的2個自由度采用直流電機進(jìn)行驅(qū)動。采用光電編碼盤測量機器人各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度。在機器人各個關(guān)節(jié)處設(shè)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(dá)0.1N·m。2.2基于肘關(guān)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(biāo)系、各關(guān)節(jié)桿件坐標(biāo)系和機器人末端坐標(biāo)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(jù)右手坐標(biāo)系定則確定。相鄰2個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1)所示,各連桿參數(shù)及變化范圍如表1所示。根據(jù)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(guān)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(xiàn)以肘關(guān)節(jié)為支點的手臂訓(xùn)練。根據(jù)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(guān)系:i-1Tn=i-1TiiTn,i-2Tn=i-2Ti-1i-1Tn,…,0Tn=0T11Tn,采用構(gòu)造法可求得機器人的雅克比矩陣J。對于已調(diào)整好姿態(tài)的機器人而言(即0T4固定),只需考慮用于訓(xùn)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(gòu)如圖5所示,主要包括機器人機構(gòu)、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(dǎo)機器人機構(gòu)牽引患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)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(xùn)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(dāng)患者的患肢出現(xiàn)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(dāng)患肢的異常情況消失后,機器人又需找到原先訓(xùn)練中斷的位置繼續(xù)進(jìn)行未完成的訓(xùn)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(xiàn)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(xùn)練中斷的位置后軌跡規(guī)劃器按照原先的訓(xùn)練規(guī)則繼續(xù)輸出目標(biāo)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(xiàn)。4實驗為驗證康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)的有效性,在完成系統(tǒng)調(diào)試后,對系統(tǒng)改進(jìn)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(shè)計在x-y平面內(nèi)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(shè)計模擬抽搐實驗。在正常的訓(xùn)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(jié)果如圖9所示。圖中T0時間內(nèi)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(nèi)軌跡規(guī)劃器輸出校正軌跡。5實驗結(jié)果和分析本文設(shè)計了一種具有姿態(tài)調(diào)節(jié)能力的上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人。詳細(xì)描述了機器人本體機構(gòu)的組成,并對設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)練機器人進(jìn)行運動學(xué)分析。為滿足訓(xùn)練過程中機器人對軌跡的跟蹤性能和避免患肢出現(xiàn)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(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行了實驗驗證,結(jié)果表明設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)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(biāo)系{5}相對于基坐標(biāo)系的變換矩陣為:坐標(biāo)系{5}的原點在基坐標(biāo)系中的位置為:坐標(biāo)系{T}相對于基坐標(biāo)系的變換矩陣為:坐標(biāo)系{T}的原點在基坐標(biāo)系中的位置為:在基坐標(biāo)系中,坐標(biāo)系{T}的原點和坐標(biāo)系{5}的原點之間的距離關(guān)系為:機器人末端關(guān)于基座的變換矩陣為:故當(dāng)機器人姿態(tài)固定后,機器人末端的運動空間是以坐標(biāo)系{5}的原點(手臂支撐臺