基于主動交互控制的家用康復治療床自適應阻抗控制實現

劉中華

（湘潭醫衛職業技術學院 醫療設備與管理學院 湖南湘潭 411104）

人口老齡化是近年來出現的一個比較突出的問題，老年患者容易出現神經系統疾病，在近年來神經系統疾病的發病率逐年升高，患病后80%的患者都會留下殘疾，影響生活自理能力，必要時要對患者進行康復治療。康復治療時間越早恢復效果越好，并發癥也就越少。肢體殘疾在所有殘疾中發生率最高，因此對肢體殘疾患者進行康復治療十分有必要。家用康復治療床是在現代科技的發展背景下，將機器人技術與現代醫學康復技術相結合下的產物，為肢體癱瘓的患者提供了有效的康復訓練。自適應控制在各種控制方法中脫穎而出，因此，研究一種基于主動交互控制的家用康復治療床自適應阻抗控制，通過檢測人機交互作用力的方式判斷患者的主動運動意圖則顯得極其重要。

1 家用康復治療床控制系統方案設計

家用康復治療床其主要功能就是幫助下肢障礙患者進行康復治療訓練，以幫助能夠正常行走[1]。它針對患者的殘疾程度進行多種肢體的康復治療，以幫助患者今早恢復健康。

家用康復治療床控制系統中，下位機是整個系統的核心。控制系統通過觸摸屏向下位機發送信息，從而讓系統獲取患者的治療信息。伺服輸出、伺服驅動器、伺服電機作為系統的主要組成部分，需要相互配合[2]。運動控制器會向伺服驅動器發送信息指令，再由伺服驅動器完成向伺服電機的信息傳送，兩者形成一個控制閉環系統，從而完成下肢康復訓練。在整個系統中，傳感器的作用就是采集機器人的各種位置信息，為控制系統提供重要信息，以實現閉環控制，從而保證系統的安全性。

2 基于主動交互控制的模糊自阻抗控制器設計

當康復訓練進入到治療后期時，患者可以根據自己的恢復情況主動參與到康復訓練中。阻抗控制方法的作用就是完成人機交互，讓患者能夠與機器人達成一個很好的訓練與被訓練的關系，從而主動參與到康復訓練中。控制系統通過模糊阻抗控制器將人機交互作用力轉換為修正量，并通過機器人逆運動學將修正量作用在位置控制內環中，從而實現主動康復。家用康復治療床通過傳感器檢查患者下肢與康復訓練機器人的交互作用，從而建立兩者的動態關系。

家用康復治療床對患者進行康復治療時，可以設定治療床的運動狀態，讓它能夠一直保持低速運動狀態，如果沒有慣量項的作用，會影響機械機構的作用力[3]。由于家用康復治療床在進行下肢行走訓練時，由下肢髖關節和膝關節聯動，因此大小腿人機之間的接觸力會形成一個速度修正量，根據人體下肢標準可以得到，膝關節的與髖關節的運動范圍不同，因此阻抗參數也不同。如果采用模糊自適應阻抗控制，首先需要對阻抗參數進行統一化整理，使其能夠在實際的康復訓練中獲得較慢的訓練速度，但是這種會影響患者的恢復效果，因此對阻抗參數的調整要慎重。根據大小腿產生的作用力對阻抗系數進行調整即可。

在對患者進行下肢主動康復訓練之前需要對患者進行接觸力測評，讓患者平躺后，對大小腿的絕對平均主動作用力進行康復訓練方案制定，患者在不同階段所采取的訓練速度有所不同[4]，前期比后期的主動訓練輕松，當患者的下肢恢復一定效果后需要適當加訓練速度，因此，針對康復訓練階段進行了阻抗參數模糊規則表的設計，如表1所示。

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3 實驗結果分

模糊自適應阻抗控制可以幫助患者更好的實現主動康復訓練，在此基礎之上對其進行仿真，以床體0°平躺康復訓練為例，假設阻抗參數相同[5]，采取大小不同的力對患者進行阻抗控制實驗，并比較訓練的效果。如果阻抗控制實驗中，主動作用力相似，則需要采取不同的阻抗參數進行實驗。假設初始阻抗參數為z=0.2，得到當力較大時[6]，速度也較大，當阻抗參數相同時，主動力越大則速度調整量越大；當絕對平均主動力基本相同時，阻抗參數越大則速度越小。在進行模糊自適應阻抗控制時，需要對變量進行模糊處理，并根據模糊結果對阻抗參數進行調整。

采用模糊自適應阻抗控制可以更加快速準確的判斷出患者的運動意圖，從而讓患者可以主動參與到康復訓練中，提高肌肉力量，達到快速恢復的效果。

結束語

針對患者下肢存在訓練障礙的問題，提出了一種家用康復治療床控制算法，通過模糊自適應阻抗控制讓治療床可以通過人機交互作用力對患者的運動意圖進行判斷，根據患者的恢復效果提高訓練速度，驗證了模糊自適應阻抗控制的有效性，讓患者可以主動參與康復訓練，讓患者盡早恢復身體機能。