氣動比例控制技術在下肢康復訓練中的應用

王基威，韓建海，胡傳龍

(河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003)

氣動比例控制系統的原理是實現系統或元件的控制量(輸入)與被控制量(輸出)之間線性化，保證控制量和被控制量按給定的比例關系變化，從而實現流量、壓力連續變化的高精度控制，最終實現控制要求。近年來，隨著材料、電子、傳感器及控制理論等科學技術的發展，氣動比例控制技術的應用在各領域也得到快速提高。由于空氣的壓縮性大、黏性小，控制系統可實現流量、壓力連續變化的高精度和驅動設備高速運動控制。

文中通過分析下肢康復訓練系統原理，搭建實驗平臺進行實時控制，闡述了氣動比例控制技術在下肢康復訓練中應用的有效性和優越性。

1 下肢康復訓練機器人整體結構

首先設計了下肢康復訓練系統的整體機械結構，如圖1所示。該機構主要由外部框架、減重機構、重心平衡機構、腿部機構以及跑步機等組成。其中減重機構氣動系統主要是根據患者的自身體重及病情輕重，通過連接在繩尾部的氣缸來減輕患者的自重，同時通過實驗實現減重力恒定。實驗過程中，通過外部框架頂端彎管上邊的雙彈簧及滑輪來實現重心左右變化，通過安裝于平行四邊形機構的氣彈簧來實現重心上下變化，綜合作用實現人體重心的平衡。助力腿驅動氣動系統主要是將患者的雙腿捆綁在腿部機構上，用氣壓驅動的方式控制髖關節、膝關節來實現仿人行走，從而實現患者的步態矯正。通過整體的調試配合最終實現康復訓練的目的。

圖1 下肢康復訓練機器人整體結構

2 減重機構氣動系統設計

根據康復理論，在減重支撐訓練時保證減重力的恒定對患者的康復效果是最有效的。在減重狀態下，當患者按照設定的步態在跑步機上行走時，隨著腿部的抬起和下落，自身的重心會發生一定的變化，從而帶動鋼絲繩上的拉力發生一個隨步態變化而變化的力，這個變化的力對于患者的康復治療效果是不利的。目前康復醫療的減重設備多采用電機驅動的方式來實現減重，而電機驅動存在操作力較大、動作較慢、環境要求較高等缺點;并且存在構造復雜、維護要求高、價格昂貴等不足，利用電機驅動來實現患者的減重訓練，其剛性較大，容易對患者產生較大的沖擊，可能使人體的肌肉受傷害。而氣體的可壓縮性使得氣壓驅動的方式在很大程度上能滿足系統的安全性、柔順性、輕巧性要求。所以文中通過氣壓驅動的方式來實現減重，同時通過實驗實現減重力的恒定，并設計出減重機構氣動系統，如圖2所示。

圖2 減重機構氣動系統原理圖

系統的工作原理是:通過并聯的兩個缸徑為32 mm、行程500 mm的氣缸連接減重鋼絲繩，鋼絲繩另一端穿過外部框架上的滑輪，接上蚌埠天光傳感器有限公司生產的TJL-1型拉力傳感器，患者通過可穿戴式吊帶在跑步機上行走時，傳感器采集到電壓信號經CS-IB 動態電阻應變儀將電壓放大，送入USB2009 阿爾泰數據采集卡，最終通過計算機將數據保存處理。減重原理是通過控制電磁換向閥的磁鐵斷電和帶電實現減重氣缸的伸縮，通過SMC 公司VY1系列比例減壓閥來調節減重氣缸的供氣壓力，控制吊起力的大小，在患者行走過程中，重心隨步態上下移動，鋼絲繩會隨著重心上下移動而拉緊和松開，當拉緊時氣缸減壓，使鋼絲繩松弛些，反之則氣缸增壓，最終得到相對恒定的減重力。

在該實驗中，實驗對象是一名75 kg的正常健康男性，試驗用跑步機的速度設定為3 km/h，其速度基本為人的正常行走速度。把被測對象安全吊起來，當拉力傳感器測到當前拉力后，經應變儀放大，通過數據采集卡做A/D轉換后給PC，計算機經過控制算法后做D/A轉換，輸出一個電壓送入比例減壓閥，其壓力范圍為0～0.5 MPa，電壓量程為0～5 V，繼而驅動氣缸動作，最終實現減重力的恒定和動態調整減重系統減重力的大小，最后通過測試程序來保存該數據。為比較實驗數據，做了無反饋試驗和有反饋實驗，通過處理實驗數據，得到有反饋和無反饋時的一組實驗數據圖，見圖3。

根據圖形顯示在5 s 內，一共有7次電壓幅值的變化，也就是拉力傳感器的拉力值有7個周期變化。分析可知:這正好與正常人行走過程中，人的抬腿與落腿時人體重心隨著鋼絲繩伸縮成相應變化。分析圖3可得:在無反饋條件下，拉力為100～375 N，加入反饋以后，拉力為125～300 N，平均拉力為212.5 N，對于體重為75 kg的健康人來說其減重比例為28%。由此可見，增加反饋以后，減重力的變化范圍明顯減小，減重力更為穩定，起到了恒定減重力的作用。同時在增加反饋機制以后，曲線變得比較平滑，沒有出現電壓突變，這對于康復效果也是很有利的。

圖3 減重力反饋對比實驗變化圖

3 助力腿驅動氣動系統設計

在該實驗中，助行腿控制實驗的目的主要是為了實現下肢康復訓練機器人腿部機構按照設計要求做往復運動，并最終實現仿人行走。該試驗平臺主要由氣缸、費斯托MPYE-5-1/8-LF-010-B 比例流量閥、KTM微型電阻尺、數據采集卡及計算機等元件組成。實驗原理是:基于USB2009 阿爾泰數據采集卡，通過控制接在康復訓練機器人上的氣缸運動從而達到控制關節的運動。經過對助力腿上每個關節的動作控制，以及關節與關節之間的協調控制，達到助力腿能夠按照設定軌跡運動，最終雙腿能夠實現仿人行走，達到康復訓練的目的。這里僅以髖關節為例來說明。圖4為髖關節氣動控制系統的原理圖。

圖4 髖關節氣動控制系統原理圖

助行腿控制實驗分三階段進行，分別是單關節控制實驗、單腿雙關節控制實驗、雙腿聯動控制實驗。文中僅介紹髖關節的控制實驗。試驗時，空壓機連接氣缸，電阻尺連接到氣缸，并能隨著氣缸的運動而伸縮。傳感器實時的電壓信號經過數據采集卡做A/D轉換，數據采集卡接入PC機，在PC機內部利用PID控制算法，經D/A 后輸出一個電壓送入比例流量閥，從而驅動氣缸動作，來達到關節控制，從而實現了一個動態跟蹤控制。同時通過程序將采集到的數據保存并經數據處理在PC機上作出顯示。

在實驗中分別設定0.05 Hz 和0.1 Hz的正弦曲線為目標曲線，對步態控制康復訓練系統做了髖關節跟蹤試驗。

從圖5、6中不同頻率的跟蹤軌跡能夠看出:在系統響應的整個周期中，基本上能夠跟蹤預設軌跡，證明了控制策略的有效性和可行性。

圖5 0.05 Hz髖關節跟蹤曲線

圖6 0.1 Hz髖關節跟蹤曲線

4 結束語

根據下肢康復訓練機器人的設計要求，設計了康復訓練機器人的三維實際模型并搭建了完整的實驗平臺;做了減重力恒定實驗和助力腿控制實驗，闡明氣動比例控制技術在下肢康復訓練中應用的有效性;為以后實現基于肌電信號的下肢康復訓練機器人整體系統研究提供了依據。并對進一步優化這種新型的下肢康復訓練機器人提供了參考。

【1】諸靜.模糊控制原理與應用[M].北京:機械工業出版社，1995.

【2】HESSE S，WERNER C，BARDELEBEN A，et al.Body Weight-support Treadmill Training after Stroke[J].Curr Atheroscler Rep，2001(3):287－294.

【3】韓建海，張河新.氣動比例/伺服控制技術及應用[J].機床與液壓，2001(1):3－6.

【4】劉延俊，李兆文，陳正洪.氣動比例位置系統的建模與仿真研究[J].機床與液壓，2002(4):56－57.

【5】劉延俊.氣動比例位置系統的控制方法及動態特性研究[D].濟南:山東大學，2007.

【6】隋立明，包鋼，王祖溫.一種由氣動肌肉驅動的關節模型研究[J].機床與液壓，2002(6):55－56.