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

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

1姿態(tài)可調(diào)節(jié)的康復(fù)機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)、機(jī)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(jī)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(shí)，我們還獲取了人體和機(jī)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(jī)構(gòu)、功能等方面都對康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人提出了要求:1)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人需具備足夠多的自由度和合適的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的力/位參數(shù)、患者的生理參數(shù)以及機(jī)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(jià);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(jī)器人有要求。上肢是人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分,具有自由度多、運(yùn)動(dòng)范圍大、在日常生活中使用率高等特點(diǎn),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(jī)器人。美國麻省理工學(xué)院研制的MIT-Manus康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人采用五連桿機(jī)構(gòu)實(shí)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(jī)器人,其機(jī)械臂為三自由度的升降式搖臂結(jié)構(gòu),機(jī)械臂的腕部帶有3個(gè)被動(dòng)自由度,可實(shí)現(xiàn)手臂的三維運(yùn)動(dòng)?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)采用Barrett公司生產(chǎn)的WAM機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)康復(fù)醫(yī)療的研究,該機(jī)器人具有4個(gè)自由度,可在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。清華大學(xué)研制的UECM設(shè)備,在平面內(nèi)進(jìn)行2個(gè)自由度的運(yùn)行訓(xùn)練,華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)了便攜式的腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu),東南大學(xué)、南京郵電大學(xué)等在康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方面也展開了研究工作。人體上肢是一個(gè)多自由度結(jié)構(gòu),可在一個(gè)較大的三維空間內(nèi)自由活動(dòng)。使用康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí),通常需要將患肢與機(jī)器人末端固定以便于機(jī)器人帶動(dòng)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(dòng)作,若訓(xùn)練過程中患肢出現(xiàn)了抽搐、痙攣等異常動(dòng)作,而機(jī)器人又不能及時(shí)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(yùn)動(dòng)空間的需求,設(shè)計(jì)了一種姿態(tài)可調(diào)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(dòng)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(shí),為避免訓(xùn)練過程因患肢出現(xiàn)抽搐、痙攣等異常動(dòng)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(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。2康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)備2.1u形架和研發(fā)生物.設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人本體如圖1所示,具有5個(gè)自由度,其中3個(gè)自由度用于調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)以適應(yīng)不同體格患者的訓(xùn)練需求,2個(gè)自由度直接用于患者肢體的訓(xùn)練。升降基座實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體垂直方向的移動(dòng);U形架實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)和前后俯仰角度的調(diào)節(jié);手臂支撐臺(tái)繞支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)和手臂支架繞支撐臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的2個(gè)自由度直接用于患者手臂的康復(fù)訓(xùn)練。機(jī)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(jī)和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),用于姿態(tài)調(diào)整的3個(gè)自由度采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),用于患者康復(fù)訓(xùn)練的2個(gè)自由度采用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用光電編碼盤測量機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)處設(shè)置扭矩傳感器測量機(jī)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(jī)器人基坐標(biāo)系、各關(guān)節(jié)桿件坐標(biāo)系和機(jī)器人末端坐標(biāo)系。z軸與運(yùn)動(dòng)副的軸線重合,x軸沿著相鄰2個(gè)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(gè)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(shí)只需將手臂的肘關(guān)節(jié)支撐在機(jī)器人的手臂支撐臺(tái)上,同時(shí)前臂用松緊帶固定在手臂支撐架上,即可實(shí)現(xiàn)以肘關(guān)節(jié)為支點(diǎn)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(jī)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(jī)器人的雅克比矩陣J。對于已調(diào)整好姿態(tài)的機(jī)器人而言(即0T4固定),只需考慮用于訓(xùn)練的兩個(gè)自由度對末端位置的影響,此時(shí)求得雅克比矩陣第5、6列分別為:3患致狀態(tài)檢測機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示,主要包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)、上位機(jī)、下位機(jī)等。上位機(jī)通過向下位機(jī)發(fā)送控制命令來指導(dǎo)機(jī)器人機(jī)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(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和患肢-機(jī)器人之間的交互力,并通過下位機(jī)發(fā)送給上位機(jī)。由于作用對象的特殊性,在正常的訓(xùn)練過程中機(jī)器人需要帶動(dòng)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(shí)機(jī)器人需要及時(shí)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(jī)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(jī)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(shí),使用基于位置的阻抗控制器實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤,檢測到異常狀態(tài)時(shí)機(jī)器人切換至浮動(dòng)狀態(tài),異常消失后軌跡規(guī)劃器輸出校正軌跡使機(jī)器人回到異常狀態(tài)發(fā)生時(shí)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。患肢狀態(tài)的判別通過檢測機(jī)器人末端位置的變化率和患肢-機(jī)器人交互力的變化情況來實(shí)現(xiàn)。4實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)主要包括位置跟蹤實(shí)驗(yàn)和模擬抽搐實(shí)驗(yàn)2個(gè)部分。4.1采樣點(diǎn)軌跡跟蹤誤差為驗(yàn)證控制器對期望軌跡的跟蹤性能,設(shè)計(jì)在x-y平面內(nèi)的位置跟蹤實(shí)驗(yàn),如圖7所示,機(jī)器人末端從A點(diǎn)出發(fā)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn),再從B點(diǎn)返回A點(diǎn),記錄x、y方向的運(yùn)動(dòng)軌跡及跟蹤誤差如圖8所示。圖(a)、(b)分別為x方向的運(yùn)動(dòng)軌跡和軌跡跟蹤誤差,圖(c)、(d)分別為y方向的運(yùn)動(dòng)軌跡和軌跡跟蹤誤差。記單個(gè)采樣點(diǎn)位置跟蹤誤差為:式中:Δxi是實(shí)際位置與期望位置在x方向上的偏差,Δyi是實(shí)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(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證患肢狀態(tài)觀測器在系統(tǒng)控制中的有效性,設(shè)計(jì)模擬抽搐實(shí)驗(yàn)。在正常的訓(xùn)練過程中人為給手臂支撐架施加抖動(dòng),觀察記錄機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。x方向上運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。圖中T0時(shí)間內(nèi)施加人為抖動(dòng),此時(shí)機(jī)器人末端可隨患肢隨意運(yùn)動(dòng),T1時(shí)間內(nèi)軌跡規(guī)劃器輸出校正軌跡。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析本文設(shè)計(jì)了一種具有姿態(tài)調(diào)節(jié)能力的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。詳細(xì)描述了機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)的組成,并對設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。為滿足訓(xùn)練過程中機(jī)器人對軌跡的跟蹤性能和避免患肢出現(xiàn)抽搐等異常動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)。對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)和坐標(biāo)系{5}的原點(diǎn)之間的距離關(guān)系為:機(jī)器人末端關(guān)于基座的變換矩陣為:故當(dāng)機(jī)器人姿態(tài)固定后,機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)空間是以坐標(biāo)系{5}的原點(diǎn)(手臂支撐臺(tái)