下肢康復機器人的控制系統研究

譚苗苗

（北京聯合大學 a.北京市智能機械創新設計服務工程技術研究中心；b.機器人學院，北京 100027）

0 引言

康復機器人已迅速發展為新興的康復治療技術，成為機器人技術在醫學領域的新應用。與傳統的康復方式相比，康復機器人可根據記錄的康復數據分析有效調整康復模式，更重要的是可方便推廣，使更多的患者受益。

康復機器人的控制系統是實現康復動作并保證系統安全穩定運行的關鍵。目前常用的控制系統主要有嵌入式控制系統、PLC、工控機和實時仿真控制系統等[1]。玄兆燕等[2]采用基于STM32的嵌入式平臺，由STM32F4微控制器與電動機驅動器、傳感器搭建控制系統，以CAN總線通信方式實現對下肢康復機器人驅動電動機的控制。朱文超等[3]采用兩個PCI-1240運動控制卡控制坐姿下肢康復機器人的雙側下肢，實現下肢單一關節重復性訓練和多關節聯合的步態康復訓練。穆載樂等[4]針對上下肢康復機器人，采用ESCON控制器和PCI6221數據采集卡，基于極點配置法建立了位置閉環控制系統，對各關節實現獨立和上下肢8個關節的聯動運動控制。

除控制系統設計外，康復機器人控制策略的研究也取得了一定成果。尹貴等[5]對下肢康復機器人運用自適應控制策略，且采用按需輔助的方法，基于康復軌跡跟蹤，結合人機系統動力學模型估算完成理想期望軌跡所需的輔助力矩。張小棟等[6]在表面肌電信號感知基礎上，提出下肢康復機器人人機交互控制方法，利用表面肌電信號檢測患者肌肉活動狀態和康復程度，對患者運動意圖進行預測，形成符合意愿的運動軌跡，同時對患者運動能力進行評估，達到輔助力的自適應。陳宇等[7]針對康復機器人運動過程中摩擦干擾因素的影響，采用模糊補償控制策略減弱干擾因素，實現有效的關節控制。李彩鳳等[8]結合模糊控制理論和PID控制提出對下肢康復機器人的模糊自整定PID控制算法，提高控制精度、平穩性和響應速度。謝曉龍等[9]采用關節空間控制策略實現軌跡跟蹤控制，每個驅動關節采用獨立的控制策略。還有研究者[10-12]采用基于神經網絡的魯棒控制器結合計算力矩法，基于阻抗模型的交互控制，或通過位置控制器進行軌跡跟蹤控制，采用阻抗控制方式提高康復過程的安全性。

下肢關節主要包括髖關節、膝關節和踝關節，現有的研究往往局限于某個關節或者多個關節的某幾個方位運動，無法實現關節所有康復動作的全覆蓋[13]。另一方面對于關節活動角度的范圍也有限[14-15]。在所設計的下肢康復機器人機構基礎上，設計安全有效的控制系統和控制算法是實現康復動作既定目標的重要環節。

1 下肢康復機器人的系統總體方案

所設計的下肢康復機器人如圖1所示，采用平臥式外骨骼設計，以髖關節為中心的回轉、俯仰、翻轉3個轉動自由度及膝關節回轉自由度組合為四自由度康復機器人。

圖1 四自由度下肢髖關節康復機器人總體示意圖

其中，康復機器人的運動機構是完成康復動作的核心部分，也是控制系統的控制對象（如圖2），由連桿機構和4個折彎直流伺服電動缸組成。每個康復動作是通過1個或多個伺服電動缸的相互配合，并按照預定軌跡驅動機構運動來實現。為實現目標活動角度的關節康復動作，對電動缸的控制系統設計尤為重要。

圖2 康復機器人的運動機構部分

所設計的控制系統的總體方案如圖3所示，由上位機、1個基于STM32的運動控制卡、4個伺服直流電動機驅動器、2個角度傳感器和1個肌肉信號傳感器組成。上位計算機將康復動作指令寫入運動控制卡，運動控制卡將運動控制信息處理后發送到伺服驅動器，驅動電動缸按照指令信號動作，從而完成不同的康復動作。同時，通過角度傳感器和肌肉信號傳感器反饋患者的康復狀態。

圖3 控制系統的總體框圖

其中，角度傳感器是對患者康復動作角度范圍的信號反饋，電動缸的編碼器用于測量電動缸中推桿的動作位置，而肌肉信號傳感器作為患者對康復強度耐受程度的反饋。

2 系統硬件設計

采用RH407運動控制卡，基于STM32處理器，具有4個輸入輸出接口，分別連接4個驅動電動缸的伺服驅動器。

伺服驅動器采用ASDA-B2標準型直流電動機驅動器。驅動器由220 V/50 Hz電源供電，額定功率為200 W。該伺服控制器有位置模式、速度模式和轉矩模式3種模式驅動電動機。以身高175 cm、體重100 kg的人體為參考，康復機器人完成康復動作過程中，運動速度與負載要求不高，這里選用位置模式。位置模式是利用具有方向性的命令脈沖波信號輸入來操縱電動機的轉動角度，實現在一個特定的位置進行往返運動。

采用ASDA-B2交流伺服電動缸，其額定功率為0.2 kW，額定轉矩為0.64 N·m，額定轉速為3000 r/min。利用伺服電動機驅動電推桿，電推桿中的絲杠會使旋轉運動變為直線運動，完成電推桿的伸縮。

角度傳感器是檢測患者關節的實現角度，與機器人的關節輸出角度比較，形成閉環控制。角度傳感器采用AST Macro Sensors RSE角度位移傳感器, 角度感應范圍為0°～355°，輸出為小于10 V的直流電壓信號。滿足康復機器人康復角度0°～150°的要求。其中，一個角度傳感器測量下肢髖關節屈髖和后伸康復角度，另一個角度傳感器測量內外旋和內收外展角度，安裝在回轉平臺上。

肌肉信號傳感器采用自行設計的壓阻傳感器陣列，該傳感器供電電壓為5 V，輸出電壓信號。判斷人體康復關節周圍的肌肉收縮程度。在紡織條狀帶上分布5個壓阻傳感器，當肌肉狀態發生變化時，傳感器與肌肉表面產生接觸壓力，從而產生信號輸出。

當患者處于被動康復過程時，肌肉不發力，依靠康復機構的運動實現康復動作。當檢測到肌肉收緊時，判斷人體承受康復角度達到耐受上限，反饋給控制系統停止繼續該運動模式。當患者處于康復機器人輔助的主動康復狀態時，患者肌肉需要發力，此時的肌肉信號傳感器產生一個輸出量，反饋患者康復過程中的肌肉力量信息。

3 系統軟件設計

下肢髖關節康復機器人的控制系統軟件程序主要包括電動缸的運動控制程序、上位機與運動控制卡的通信程序，以及上位機人機交互界面。由人機交互界面輸入康復動作指令，運動控制卡將指令轉換為電壓信號控制電動缸按照指定軌跡和速度運行。根據控制系統程序，康復機器人可完成髖關節屈髖、后伸、外展、內收、外旋和內旋6種康復動作。

屈髖和后伸工作流程為：當按下復位按鈕時實現開機電動缸歸于初始位，按下俯仰和屈膝電動缸啟動按鈕，屈膝電動缸推動電推桿實現屈膝動作，延時1 s后，俯仰電動缸運行，通過交替運行2個電動缸來實現屈髖角度。該過程可在上位機交互界面上修改行進速度和時間，實現康復動作的調速。當按下反轉按鈕則可實現后伸康復動作，在動作完成時可按復位按鈕回到初始位置。

外展和內收康復動作流程為：由腿部平放的初始狀態開始，啟動外展動作按鈕，回轉電動缸開始運行，患者下肢圍繞回轉平臺的回轉中心向外展開，接近設定展開角度時，電動缸運行速度減小，達到角度設定值時停止。延時10 s后，回轉電動機反轉回到原位平放狀態，外展康復動作一個流程完成。內收康復動作流程由兩腿并攏平放狀態為起始狀態，按下內收動作按鈕，俯仰電動缸運行30 s，將康復腿抬高一定角度，然后回轉電動缸運行，到達設定角度后停止。延時10 s后回轉電動缸反轉，然后俯仰電動缸反轉回到起始狀態停止。一次內收康復動作完成。

內外旋康復動作流程為：啟動內旋按鈕，屈膝電動缸和俯仰電動缸先后運行，完成屈髖動作，當達到設定角度后延時5 s，回轉電動缸運行，患者髖關節開始繞回轉中心內旋，達到設定角度后停止。延時5 s，回轉電動缸、俯仰電動缸和屈膝電動缸依次運行，回到平放起始位置，一次內收動作流程完成。外旋康復動作的工作流程與內旋動作一致，僅回轉電動缸的運行方向相反。

上位機與運動控制卡通過串口連接，采用串口查詢方式，流程如圖4所示。

圖4 串口查詢程序流程圖

電動缸控制主程序如圖5所示。每個電動缸推桿的速度決定了機器人康復動作的執行速度。為適應不同康復階段和患者不同的康復狀態，采用PWM波輸入信號實現對電動缸運行速度調節。通過查詢判斷按鍵按下狀態，分別執行屈髖、后伸、外展、內收、外旋和內旋6種康復動作運行程序。

圖5 電動缸控制子程序流程圖

上位機人機交互界面程序采用LabVIEW軟件，實現對下位機啟停及康復模式的控制，以及對每次康復數據的實時顯示和存儲。

人機交互界面如圖6所示（圖中僅展示了后伸康復動作及控制按鈕部分），共包含6種模式，按模塊形式顯示，分別為屈髖動作、外展動作、后伸動作、內收動作、內外旋動作。每個模塊均有髖關節和膝關節角度實時顯示、角速度顯示、最大角度設置和顯示，每個動作均可自動控制和點動操作。角度和角速度需按電動缸輸出行程換算。點動角度為0.05°。各傳感器采集的各種角度信號、肌肉信號、行程長度等通過算法被轉換成數值或數組，再通過數值顯示框或圖表等形式實時顯示。通過上位檢測角度信息，當發生實際動作角度超過預設角度值的狀況時，下位機會立即停止動作并發出報警。在上位機中建立了數據庫，用來記錄用戶康復狀態的數據，可以方便使用者了解患者康復過程、康復現狀及制定個性化的康復計劃。

圖6 上位機人機交互界面圖

通過軟硬件調試和仿真實驗，該控制系統能實現下肢髖關節6種康復動作，且能對康復數據實時顯示和存儲。

4 結論

通過下肢康復機器人的控制系統軟硬件設計及調試，最終實現了康復機器人6種康復動作，仿真實驗證明每個康復動作均達到了關節活動范圍。控制系統由STM32和運動控制卡、伺服驅動、角度傳感器、肌肉信號傳感器等組成。利用角度傳感器檢測患者康復角度，肌肉信號傳感器檢測患者康復強度和反饋，運動控制卡根據要求做出相應判斷并發送信號給驅動模塊，從而自動調整4個電動缸的運行模式，實現了下肢康復機器人的康復動作。搭建了上位機控制和監測人機交互界面，實現了康復模式的實時控制及對康復數據的顯示和存儲，方便建立個性化的康復計劃。