氣動(dòng)上肢康復(fù)機(jī)器人伺服控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究

2李向攀2郭冰菁2盛 倩

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003； 2.河南省機(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；3.固高派動(dòng)(東莞)智能科技有限公司，廣東 東莞 523808)

引言

上肢功能是日常生活中人們進(jìn)行各種復(fù)雜動(dòng)作的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)老齡化社會(huì)的到來，中風(fēng)患者的人數(shù)呈上升趨勢(shì)。中風(fēng)患者一般會(huì)存在不同程度的功能障礙，主要表現(xiàn)在肢體運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知、語(yǔ)言以及心理等方面。約一半的中風(fēng)患者在發(fā)病初期會(huì)伴有上肢功能性障礙，這嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。上肢運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)是臨床急需解決的問題之一，患者需要完成一定強(qiáng)度的康復(fù)訓(xùn)練。相對(duì)于傳統(tǒng)的醫(yī)師輔助訓(xùn)練，康復(fù)機(jī)器人更能有效的幫助患者完成上肢康復(fù)動(dòng)作[1]。因此，近年來對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究成為了機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。國(guó)外的康復(fù)機(jī)器人研究起步早，如美國(guó)麻省理工學(xué)院的MIT-Manus腦神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，可以較好的幫助中風(fēng)患者完成平面內(nèi)的康復(fù)訓(xùn)練。瑞士蘇黎世大學(xué)研發(fā)的ARMinII，實(shí)現(xiàn)了7個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，并且為患者提供重力補(bǔ)償，能協(xié)助肩肘關(guān)節(jié)完成復(fù)合運(yùn)動(dòng)[2]。在國(guó)內(nèi)，M2上肢康復(fù)機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)指引的康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)提供沉浸式的互助體驗(yàn)。郭萌等[3]設(shè)計(jì)了一種采用氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人，對(duì)控制器進(jìn)行了研究，完成了對(duì)氣動(dòng)肌肉的正弦跟蹤。張偉勝等[4]設(shè)計(jì)了新型的四自由度上肢康復(fù)機(jī)器人，并對(duì)其復(fù)合運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了結(jié)構(gòu)的可行性。劉鵬等[5]以氣動(dòng)人工肌肉作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，研發(fā)了四自由度的上肢康復(fù)機(jī)器人，并提出了有效的控制策略。趙苓等[6]針對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的非線性，設(shè)計(jì)了一種線性自抗擾控制策略監(jiān)測(cè)并補(bǔ)償系統(tǒng)中的干擾，取得了較好的位置伺服性能。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，并取得了一些臨床效果。同時(shí)，許多學(xué)者開始以氣動(dòng)執(zhí)行元件作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其伺服控制策略進(jìn)行研究。但國(guó)內(nèi)對(duì)擺動(dòng)氣缸的研究多停留在位置伺服控制上，將其應(yīng)用到康復(fù)機(jī)器人方面的很少。

對(duì)于康復(fù)機(jī)器人來說，人機(jī)接觸的安全性是非常關(guān)鍵的一個(gè)問題。相對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用氣壓驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)柔順控制更符合生物驅(qū)動(dòng)的特性，并具有安全性高、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)[7]。但由于擺動(dòng)氣缸伺服系統(tǒng)的非線性與遲滯等原因，需要研究一種可靠的控制系統(tǒng)。同時(shí)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)患者上肢功能的恢復(fù)有明顯的促進(jìn)作用[8]。

本研究提出了一種兩自由度的氣動(dòng)上肢康復(fù)機(jī)器人，系統(tǒng)采用比例調(diào)壓閥控缸控制回路，對(duì)擺動(dòng)氣缸關(guān)節(jié)的位置伺服控制策略進(jìn)行了研究。對(duì)機(jī)器人的單關(guān)節(jié)和雙關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了對(duì)健康人上肢的康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制算法的可靠性。同時(shí)，提供了虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，有益于患者的康復(fù)體驗(yàn)，能增強(qiáng)訓(xùn)練效果。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于半實(shí)物仿真平臺(tái)搭建，以機(jī)器人控制系統(tǒng)為主體，搭載了虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。機(jī)器人與患者對(duì)向布置，其末端與患者手部相連，以日常動(dòng)作任務(wù)為指引，機(jī)器人帶動(dòng)患者進(jìn)行主被動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練。主動(dòng)訓(xùn)練能鍛煉患者肢體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性；被動(dòng)訓(xùn)練能鍛練關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)、仿真機(jī)、氣動(dòng)控制元件、康復(fù)機(jī)器人本體等。采用氣壓驅(qū)動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和柔順性。

2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)采用平面兩關(guān)節(jié)串聯(lián)的的運(yùn)動(dòng)形式，能提供帶動(dòng)患者手臂肩肘關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的自由度。為了降低系統(tǒng)耗能和慣性沖擊，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，采用流線式外形，便于走線[9]。選用擺動(dòng)氣缸作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊，氣缸一端安裝有位置傳感器，以氣壓作為驅(qū)動(dòng)力。相比于電驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)具有很好的柔順性且易維護(hù)；關(guān)節(jié)處不需要安裝減速器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)，降低了成本。同時(shí)，機(jī)器人本體選用鋁合金材料，既能保證較高的機(jī)械強(qiáng)度，又能減輕重量。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人由空壓機(jī)作為氣源提供動(dòng)力，壓縮空氣經(jīng)過氣動(dòng)三聯(lián)件進(jìn)入1個(gè)二位三通開關(guān)閥，其作為整個(gè)氣動(dòng)回路的總開關(guān)，然后再進(jìn)入2個(gè)比例調(diào)壓閥，其出口壓力分別作為擺動(dòng)氣缸的進(jìn)出口壓力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)控制，單關(guān)節(jié)氣動(dòng)回路如圖2所示。以其中1個(gè)比例調(diào)壓閥的出口壓力作為背壓，相當(dāng)于增加了氣缸的阻尼，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選用的比例調(diào)壓閥，壓力響應(yīng)迅速，并且能實(shí)時(shí)的反饋擺動(dòng)氣缸兩腔的氣壓值，避免了使用額外的壓力傳感器。

圖2 單關(guān)節(jié)氣動(dòng)回路圖

根據(jù)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)控制回路的分析，搭建了上肢康復(fù)機(jī)器人的樣機(jī)，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 工作原理

系統(tǒng)采用Simulink控制模型+實(shí)際物理系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，可以快速驗(yàn)證控制算法的有效性。使用MATLAB建模環(huán)境結(jié)合LinksRT仿真軟件包把Simulink模型與實(shí)際的物理系統(tǒng)連接起來，用Simulink建模對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

系統(tǒng)的工作原理框圖如圖4所示。在上位機(jī)中搭建系統(tǒng)的控制模型，上位機(jī)與仿真機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，將由控制算法處理得到的數(shù)據(jù)輸出給模擬量輸出卡，來控制比例調(diào)壓閥，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過程中的傳感器數(shù)據(jù)(脈沖、壓力等)經(jīng)由采集卡和計(jì)數(shù)卡傳輸給上位機(jī)，作為控制算法的反饋輸入并傳遞給虛擬平臺(tái)。同時(shí)康復(fù)醫(yī)師可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以適應(yīng)患者的實(shí)際情況差異。

圖4 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

3.2 控制策略分析

初步采用傳統(tǒng)PID控制策略對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)進(jìn)行位置伺服控制。為了避免積分器在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的超調(diào)或震蕩，選用了PD控制算法[10]。由于氣動(dòng)系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性和低阻尼特性，選用PD控制雖然可以增大系統(tǒng)阻尼，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是仍然會(huì)存在較大的跟蹤軌跡誤差。因此在控制策略中加入速度前饋的算法[11]，可以有效的消除系統(tǒng)的遲滯。速度前饋的支路是求取期望軌跡的微分，通過增益Kvff產(chǎn)生比例于期望速度的信號(hào)?？刂圃韴D如圖5所示。

圖5 機(jī)器人控制原理框圖

實(shí)驗(yàn)中采用的PD+速度前饋的控制算法為：

(1)

式中，u為比例調(diào)壓閥的控制電壓；KP為比例增益；KD為微分增益；Kvff為速度前饋增益；e為位置誤差；k為實(shí)驗(yàn)的計(jì)算步長(zhǎng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了保證關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的平滑性，選擇以正弦函數(shù)作為單關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的期望軌跡，此時(shí)患者做被動(dòng)訓(xùn)練，采用PD+速度前饋的控制算法對(duì)機(jī)器人的單關(guān)節(jié)進(jìn)行軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)。使用半實(shí)物仿真平臺(tái)在Simulink中建模，通過板卡建立模型與物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，并可以在上位機(jī)軟件RT-Sim中實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)變化的曲線。

圖6為空載時(shí)機(jī)器人關(guān)節(jié)的正弦軌跡跟蹤曲線，圖6a為采用PD控制的機(jī)器人關(guān)節(jié)的實(shí)際跟蹤曲線；圖6b為采用PD+速度前饋控制的機(jī)器人關(guān)節(jié)的實(shí)際跟蹤曲線。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械?個(gè)重要控制參數(shù)KP,KD,Kvff的取值如表1所示。

圖6 空載時(shí)機(jī)器人關(guān)節(jié)的正弦跟蹤曲線

表1 控制參數(shù)

為了驗(yàn)證該控制算法的穩(wěn)定性，對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人輔助使用者手臂做正弦軌跡的康復(fù)訓(xùn)練，采用PD+速度前饋的控制算法，得到的關(guān)節(jié)正弦軌跡跟蹤如圖7所示。本實(shí)驗(yàn)所選的使用者為健康人。

圖7 機(jī)器人輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的關(guān)節(jié)跟蹤曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

(1) 采用PD控制時(shí)，在正弦軌跡跟蹤的整個(gè)過程中，大臂和小臂關(guān)節(jié)氣缸均存在較大的遲滯。在加入速度前饋算法后，系統(tǒng)的滯后已被有效地抑制。說明采用PD+速度前饋的控制算法,能精準(zhǔn)地控制機(jī)器人兩關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤；

(2) 當(dāng)機(jī)器人輔助使用者進(jìn)行被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，小臂關(guān)節(jié)也能實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的正弦跟蹤。并且當(dāng)期望的正弦軌跡頻率變化即運(yùn)動(dòng)的速度改變時(shí)，小臂關(guān)節(jié)的跟蹤效果也較好，因此該控制策略能對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)進(jìn)行有效控制，具有一定的穩(wěn)定性；

(3) 在關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸轉(zhuǎn)換時(shí)，擺動(dòng)氣缸需要換向，比例閥的出口壓力會(huì)產(chǎn)生較大的壓差變化。因此，在換向過程中存在摩擦及沖擊等不確定性因素影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成了正弦上下峰值處的軌跡跟蹤誤差；

(4) 根據(jù)不同患者的健康程度差異，康復(fù)醫(yī)療師能設(shè)定合適的軌跡規(guī)劃，以調(diào)整被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的不同關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和速度。

4 機(jī)器人復(fù)合運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過樣機(jī)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)。康復(fù)軌跡的選取對(duì)于患者的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)非常重要，當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作符合日?；顒?dòng)的需求時(shí)，更有助于大腦損傷神經(jīng)細(xì)胞的重塑，有利于康復(fù)后患者將其轉(zhuǎn)化到實(shí)際生活中[12]。本研究以取水杯和擦玻璃兩個(gè)動(dòng)作為例，進(jìn)行相應(yīng)的軌跡規(guī)劃。

軌跡規(guī)劃的實(shí)驗(yàn)是在Simulink中將規(guī)劃好的末端軌跡輸入到機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求解出兩關(guān)節(jié)角位移的規(guī)劃曲線。再將關(guān)節(jié)規(guī)劃輸入到控制模型中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。然后，在得到實(shí)際的關(guān)節(jié)跟蹤曲線后，運(yùn)用正運(yùn)學(xué)計(jì)算可得機(jī)器人末端在x,y方向上的實(shí)際跟蹤曲線，與理論規(guī)劃進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證機(jī)器人對(duì)規(guī)劃的跟蹤效果和可行性。

當(dāng)以取水動(dòng)作為訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，人手跟著機(jī)器人在人體矢狀軸方向作直線運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃公式為：

當(dāng)以擦玻璃動(dòng)作為訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，人手跟著機(jī)器人在人體水平面內(nèi)左右擺動(dòng)并沿矢狀軸方向前進(jìn)，規(guī)劃公式為：

式中，x為機(jī)器人末端在人體矢狀軸方向的位移量；y為機(jī)器人末端在人體冠狀軸方向的位移量；t為時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)中動(dòng)作的規(guī)劃周期為6 s，x的最大位移量為408.15 mm，y的最大位移量為120 mm，在正常人手的活動(dòng)范圍內(nèi)。機(jī)器人進(jìn)行取水和擦玻璃動(dòng)作時(shí)，實(shí)驗(yàn)得機(jī)器人的軌跡跟蹤曲線如圖8、圖9所示。

從圖中可以看出關(guān)節(jié)軌跡連續(xù)且平滑，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度不發(fā)生突變減少了沖擊，符合康復(fù)訓(xùn)練的要求。同時(shí)跟蹤效果良好，證明了機(jī)器人復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)康復(fù)規(guī)劃的有效性。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種兩自由度的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。以擺動(dòng)氣缸作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊，結(jié)合了氣動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，增加了系統(tǒng)的安全性和柔順性。以比例調(diào)壓閥作為擺動(dòng)氣缸的控制元件，可以不考慮氣缸摩擦力對(duì)位置伺服的影響，采用PD+速度前饋的算法即可對(duì)關(guān)節(jié)位置進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，簡(jiǎn)化了控制策略。并控制小臂關(guān)節(jié)帶動(dòng)使用者以不同速度進(jìn)行了康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了較好的軌跡跟蹤，證明了控制策略的有效性和穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)機(jī)器人末端進(jìn)行了軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確跟蹤，驗(yàn)證了康復(fù)機(jī)器人的規(guī)劃的合理性和可行性。但系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的研究，后續(xù)需要利用氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)對(duì)主動(dòng)訓(xùn)練的助力和抗阻模式進(jìn)行控制研究。

圖8 取水動(dòng)作機(jī)器人的軌跡跟蹤曲線

圖9 擦玻璃動(dòng)作機(jī)器人的軌跡跟蹤曲線