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(tǒng)的原理是實現(xiàn)系統(tǒng)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(xiàn)流量、壓力連續(xù)變化的高精度控制，最終實現(xiàn)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(fā)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(tǒng)可實現(xiàn)流量、壓力連續(xù)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)重心上下變化，綜合作用實現(xiàn)人體重心的平衡。助力腿驅動氣動系統(tǒng)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(jié)、膝關節(jié)來實現(xiàn)仿人行走，從而實現(xiàn)患者的步態(tài)矯正。通過整體的調試配合最終實現(xiàn)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(tǒng)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(tài)下，當患者按照設定的步態(tài)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(fā)生一定的變化，從而帶動鋼絲繩上的拉力發(fā)生一個隨步態(tài)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(yī)療的減重設備多采用電機驅動的方式來實現(xiàn)減重，而電機驅動存在操作力較大、動作較慢、環(huán)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)減重，同時通過實驗實現(xiàn)減重力的恒定，并設計出減重機構氣動系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 減重機構氣動系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的工作原理是:通過并聯(lián)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(tài)電阻應變儀將電壓放大，送入USB2009 阿爾泰數(shù)據采集卡，最終通過計算機將數(shù)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(xiàn)減重氣缸的伸縮，通過SMC 公司VY1系列比例減壓閥來調節(jié)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(tài)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(shù)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(xiàn)減重力的恒定和動態(tài)調整減重系統(tǒng)減重力的大小，最后通過測試程序來保存該數(shù)據。為比較實驗數(shù)據，做了無反饋試驗和有反饋實驗，通過處理實驗數(shù)據，得到有反饋和無反饋時的一組實驗數(shù)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(wěn)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(xiàn)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(tǒng)設計

在該實驗中，助行腿控制實驗的目的主要是為了實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(jié)的運動。經過對助力腿上每個關節(jié)的動作控制，以及關節(jié)與關節(jié)之間的協(xié)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(xiàn)仿人行走，達到康復訓練的目的。這里僅以髖關節(jié)為例來說明。圖4為髖關節(jié)氣動控制系統(tǒng)的原理圖。

圖4 髖關節(jié)氣動控制系統(tǒng)原理圖

助行腿控制實驗分三階段進行，分別是單關節(jié)控制實驗、單腿雙關節(jié)控制實驗、雙腿聯(lián)動控制實驗。文中僅介紹髖關節(jié)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(shù)據采集卡做A/D轉換，數(shù)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(jié)控制，從而實現(xiàn)了一個動態(tài)跟蹤控制。同時通過程序將采集到的數(shù)據保存并經數(shù)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(tài)控制康復訓練系統(tǒng)做了髖關節(jié)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(tǒng)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(jié)跟蹤曲線

圖6 0.1 Hz髖關節(jié)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(xiàn)基于肌電信號的下肢康復訓練機器人整體系統(tǒng)研究提供了依據。并對進一步優(yōu)化這種新型的下肢康復訓練機器人提供了參考。

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