基于阻抗模型的下肢康復機器人交互控制系統設計

陳 靚，黃玉平，陶云飛，賈龍飛，郭亞星

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

0 引言

下肢康復機器人的安全性需求極高。因此，患者在康復訓練過程中，需要考慮控制系統運動軌跡的位置，同時密切關注患者康復過程中的安全性與舒適程度[1]。隨著機器人技術發展，社會對下肢康復機器人需求量增加，根據康復醫學理論，在計算機控制的模擬控制系統支持下，幫助患者模擬正常人實際走路姿勢進行康復訓練，鍛煉下肢，達到恢復肢體運動能力的目的。下肢康復機器人在訓練過程中，根據患者患病情況及時調整運動速度，使患者達到康復最佳效果[2]。研究表明，坐姿和躺姿的下肢康復訓練能夠減少腦部受到損傷的患者身體重量與髖關節和腿部負荷，提高患者下肢康復效率。由美國斯坦福大學研制的THE ARM GUIDE末端患肢完成直線軌跡機器人，采用了比例微分位置控制方式，為關節提供自由運動能力；由日本安川電機公司研制了TEM LX2 typeD下肢康復機器人，使用被動訓練方式進行主動柔順，避免患者受到二次傷害；由中國科學院研究的坐/臥式下肢康復機器人“iLeg”，可以根據患者康復階段的被動訓練方式進行阻抗訓練。上述這3種系統雖然充分考慮了下肢髖、膝兩個關節對康復的影響，但柔順能力較差，導致系統控制效果并不理想[3]。根據康復醫學理論和阻抗模型，在一套完整的下肢康復機器人交互控制系統支持下，幫助患者模擬正常人走路規律進行康復訓練，完成了可調節可拆卸交互控制系統的設計。

1 康復機器人交互控制系統總體方案

跟據上下兩級控制，設計下肢康復機器人的交互控制系統，如圖1所示。

圖1 交互控制系統總體方案

系統中，PC主機負責系統管理、狀態顯示、實時監控等[4]。以步態運動為依據，確定控制系統所運行到的位置，該位置是唯一確定的，因此步態控制系統是一個位置閉環控制系統[5]。

下肢康復機器人交互控制系統能夠對患者實施被動和主動兩種控制模式，在被動控制模式中，機器人模仿正常人生活中一些動作，帶動患者訓練。主動控制模式中，機器人帶動病情較輕的患者，對其下肢肌肉力量進行康復訓練，進而實現下肢力量訓練[6]。

2 系統整體結構

圖2為所設計系統的整體結構。

圖2 系統示意圖

其中，硬件結構是由力傳感器、反饋編碼器、霍爾開關、A/D轉換器、I/O接口、PC主機、驅動電路組成的。機器人在行走時，腳的運動軌跡形成一個橢圓，下肢康復機器人通過步態控制機構實現了橢圓軌跡，方便控制。驅動電路通過一定傳動比帶動步態控制機轉動，控制機的末端與一個滾軸相連，而在該設備上安裝一個腳踏板，患者踩在腳踏板上進行康復訓練[7]。

2.1 L型二維力傳感器

L型二維力傳感器是一種將力信號轉變為電信號形式輸出的電子元件，該力傳感器主要是由三個部分組成的，分別是彈性體、電阻應變片、電路。該型號力傳感器具有尺寸小、高度低、耐腐蝕的優勢，主要用于機器人運動空間小的力值檢測領域[8]。采用全不銹鋼材質，抗機械疲勞性較強，使用2mm機器人專用外徑導線，信號穩定，抗干擾性較強。力傳感器接線方式如圖3所示。

圖3 力傳感器接線方式

圖3所示為壓向輸出正信號，拉向輸出負信號接線方式，如需拉向輸出為正，需調換綠線和白線[9]。

DYHW-113型號微型力傳感器可以通過機械臂上內嵌的力傳感器獲取，機器人需要恒力反饋確定其推動力是否夠用，實現制造流程一致性。采用該傳感器可確定零部件位置和高度，確定兩個方向上的人機交互力，通過不斷調整抓取高度就可實現目標精準定位[10]。

2.2 絕對值編碼器

本文設計的下肢康復機器人依據下肢解剖學設計為單側3個自由度，其髖關節屈/伸、膝關節屈/伸、踝關節屈/伸運動兼顧了對不同損傷程度的大關節到小關節的運動。為了實現對大腿長度、小腿長度、座椅寬度、座椅俯仰角度的調節，我們在機器人大小腿連桿內部、髖關節寬度調節滑臺安裝了共5個自由度的電動推桿。下肢康復的11自由度外骨骼機器人的機械結構如圖1所示，各關節由無框電機驅動。每個關節安裝了絕對編碼器，增量編碼器和轉矩傳感器，分別記錄關節角度，角速度和轉矩。編碼器可將信號或數據進行編制與轉換，并將角度轉換為電信號形式。該編碼器中心具備一個光電碼盤，通過讀取有光發射和接收器件讀取，能夠獲取正弦波相位差[11]。帶有混合式260.00的反饋步進編碼器一般分為增量型與絕對型，所設計絕對型編碼器的位置是由輸出代碼讀數確定的，因此位置輸出代碼具有唯一性[12]。

2.3 驅動電路

通過驅動電路來控制電路信號，其電路設計如圖4所示。

圖4 驅動電路

將控制電路輸出的脈沖寬度調制進行放大處理，使其足以驅動功率晶體管自動運作。以電路傳來的信號為控制目標，轉換到電力電子器件控制端處，使其開通或斬斷信號，以此保證器件具有可靠導通效果[15]。

3 參考軌跡自適應柔順控制

患者在康復過程中，容易出現痙攣等突發情況，下肢發生肌肉收縮，這與機器人的機械腿產生對抗，因此，需要機械腿體現出一定柔順性，確保患者康復過程更加舒適和自然。

3.1 阻抗控制模型

阻抗控制可以為下肢康復機器人與周圍環境之間的動態影響設定一個動態目標模型，確定目標信號。使用二階微分方程表示下肢康復機器人目標阻抗模型，如式(1)所示：

(1)

下肢康復機器人的訓練過程可以忽略加速度和向心力因素影響，構建系統控制模型如圖5所示。

圖5 系統控制模型框圖

下肢康復機器人需要在整個訓練過程保持平穩運行，因此在系統控制過程中，添加PID控制器，具有消除力誤差功能，對位置、速度都具有一定調節作用。

3.2 參考運動軌跡設計

患者被動康復過程中理想的末端運動軌跡可以設定為一個有關時間的參數式方程，對時間進行等間隔取樣，獲取相同時間間隔的末端位置序列，利用逆向運動學獲取有關關節空間的位置序列。該序列是由一階可導的光滑曲線離散化得到的，并且具有唯一屬性，為了保證序列元素唯一性，需在循環康復訓練過程中，選取的時間段被設定為一個運動周期，從該周期內獲取指定任務路徑以及系統實時位置。

基于阻抗控制模型下的患者康復訓練包括3個狀態，分別是跟蹤、主動柔順和接近：

1)跟蹤：當患者沒有出現痙攣突發情況時，下肢沒有產生肌肉收縮情況，此時當前位置與給定軌跡之間距離是小于設定閾值的，系統向遠離設定軌跡運動。

2)主動柔順：當患者出現痙攣突發情況時，下肢產生肌肉收縮情況，此時下肢康復機器人交互控制系統將會沿著肌肉收縮力矩方向偏離理想軌跡，實現主動柔順。

3)接近：當患者出現痙攣突發情況時，下肢產生肌肉收縮情況，此時當前位置與給定軌跡之間距離是大于設定閾值的，系統向靠近設定軌跡運動。

上述3個狀態充分體現了空間和時間上的主動柔順性，下肢康復機器人交互控制系統中參考運動軌跡流程設計如圖6所示。

圖6 參考運動軌跡流程設計

當患者下肢與下肢康復機器人機械腿發生對抗時，系統會停止運動，有效緩解兩者之間對抗，充分體現了主動柔順性。在下肢力矩消失后，該軌跡與初始軌跡不會出現時間偏置，保證了患者康復過程的舒適和安全。

4 柔順訓練實驗研究

對于基于阻抗模型的下肢康復機器人交互控制系統進行柔順訓練實驗時，需先將實驗者放置在機器人上部，在控制系統下機器人將帶動實驗者下肢按照規劃好的軌跡進行運動。

4.1 實驗過程

當實驗者的下肢對機器人的力小于設定的閾值時，則力傳感器信號為0，此時下肢康復機器人軌跡不會發生改變；當實驗者的下肢對機器人的力大于設定的閾值時，則力傳感器信號不為0，此時下肢康復機器人閉合力環，這樣當機器人運動軌跡偏離預定軌跡時，實驗者不再用力，機器人將會回歸控制系統所設定軌跡，由此實現柔順運動控制。下肢康復機器人控制系統如圖7所示。

圖7 實驗者下肢康復訓練中

4.2 力矩檢測及分析

基于阻抗模型的下肢康復機器人交互控制系統下康復訓練實驗結果如圖8所示。

圖8 膝關節運動軌跡

從圖8可看出，下肢康復機器人交互控制系統在患者康復訓練過程中表現出了良好運動軌跡跟蹤性能。為了分析患者突發情況下的記錄，實現柔順康復軌跡，需先標定力矩傳感器，并給出空載情況下力矩值和負載情況下帶人進行被動康復，人體不施加力矩值，如圖9所示。

圖9 腳底二維力矩傳感器值

由圖9可知：負載情況下，力矩傳感器最大力矩為44 Nm，最小力矩為-29.5 Nm；而負載情況下，力矩傳感器最大力矩為-3 Nm，最小力矩為-22 Nm。

外骨骼在負載下合力矩與膝關節角度如圖10所示。

圖10 負載下合力矩與膝關節角度

由圖10可知，在負載下的膝關節角度變化具有一定規律性，最大角度為94°，最小角度為61°；負載情況下的合力矩變化規律性不強，最大合力矩為93 Nm，最小合力矩為63 Nm。

4.3 實驗結果與分析

患者康復初期，經常會出現肌肉痙攣現象，當患者出現異常情況時，康復效果并不理想，需要實時記錄傳感器獲取的數據。在該數據支持下，將基于THE ARM GUIDE末端患肢直線軌跡機器人、TEM LX2 typeD下肢康復機器人以及坐/臥式下肢康復機器人與基于阻抗模型機器人的外骨骼在負載下的合力矩與膝關節角度控制情況進行對比分析，結果如表1所示。

由表1可知：基于阻抗模型機器人與實際患者所需的康復軌跡一致，合力矩與膝關節角度大小基本相同，而其余3種機器人缺少阻抗控制，導致合力矩與膝關節角度與實際情況不一致。

為了進一步說明基于阻抗模型機器人柔順性好，需觀察患者單腿在豎直方向上的柔順性表現，如圖11所示。

通過圖11可看出，基于阻抗模型機器人交互控制系統能夠在實現足底與地平面穩定接觸情況下，大大減小地面對機器人腿部接觸的沖擊力，保證系統快速穩定運行，由此也證實了基于阻抗模型的下肢康復機器人交互控制系統設計的合理性。

表1 四種機器人合力矩與膝關節角度對比分析

圖11 單腿接觸力變化曲線

5 結束語

構建基于阻抗模型控制方法設計了下肢康復機器人交互控制系統，并通過實驗驗證分析。采用阻抗模型控制方法實現了下肢有限主動柔順性，加強了下肢康復機器人對下肢主動柔順性，由實驗結果可知，與傳統阻抗控制方法案相比，設計的交互控制系統具有更好主動柔順性，為患者提供更好的保護，使患者在康復訓練過程中存在一種舒適感覺。

總之，基于阻抗模型的下肢康復機器人交互控制系統設計更加人性化，有利于患者康復，幫助患者恢復下肢運動機能。為了進一步優化該系統，采用AVR單片機，降低成本，使下肢康復機器人交互控制系統設計更加產品化。對下肢康復機器人配以合適生物信息檢測功能，通過生物反饋信息來提高患者康復效果。分析PC端收集起來的生物信息，能夠記錄康復訓練效果，進而選擇有效訓練方案，使系統變得更加智能化。