下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)

，,2， ， ，

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710049)

0 引言

目前，隨著由中風(fēng)、脊柱損傷、腦外傷等引起的下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的增多，將機(jī)器人技術(shù)引入到下肢康復(fù)訓(xùn)練成為近年來的研究熱點(diǎn)[1-4]。自20世紀(jì)90年代初以來，國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)已研發(fā)了一系列的下肢康復(fù)機(jī)器人。由HOCOMA醫(yī)療器械公司和瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)合作研制的LOKOMAT的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，是全球第一臺(tái)商業(yè)化康復(fù)機(jī)器人[5]；荷蘭Twente大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室研制出一款LOPES外骨骼步態(tài)康復(fù)機(jī)器人[6]；新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)了一款NaTure-gaits步態(tài)康復(fù)系統(tǒng)[2]。而我國的康復(fù)機(jī)器人研究起步較晚，目前為止也有不少大學(xué)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究，代表的有：浙江大學(xué)的外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人[7]，上海大學(xué)錢晉武教授團(tuán)隊(duì)的步行康復(fù)訓(xùn)練助行腿機(jī)器人系統(tǒng)[8]。

現(xiàn)如今下肢康復(fù)機(jī)器人仍然處于不斷發(fā)展中，少數(shù)發(fā)達(dá)國家已投入臨床應(yīng)用，而我國的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人尚未走出實(shí)驗(yàn)室，沒有成熟的產(chǎn)品，同時(shí)醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的市場(chǎng)需求呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，有著廣泛應(yīng)用前景。因此,開發(fā)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人具有深遠(yuǎn)意義。

在此，自主開發(fā)了下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，包括外骨骼機(jī)械腿和跑步機(jī)等的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。該機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)力裝置采用曲柄滑塊方式驅(qū)動(dòng)髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)患者尺寸可自由調(diào)節(jié)機(jī)械腿長(zhǎng)度與兩腿寬度，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性；并根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)跑步機(jī)與減重機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型，共同組成了機(jī)器人的機(jī)械部分。同時(shí)機(jī)器人控制系統(tǒng)由外骨骼腿軌跡跟蹤和跑步機(jī)速度調(diào)節(jié)2部分組成，實(shí)現(xiàn)外骨骼腿的位置控制以及機(jī)械腿軌跡與跑步機(jī)速度的協(xié)同控制。最后，在實(shí)驗(yàn)室搭建所設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，并進(jìn)行人體帶載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的軌跡跟蹤能力和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性。

1 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 外骨骼動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，外骨骼動(dòng)力裝置的驅(qū)動(dòng)器部分采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，主動(dòng)元件為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，從而迫使?jié)L珠絲桿螺母沿絲桿往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)螺母的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 外骨骼動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)器原理

驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)部分如圖2所示。交流伺服電機(jī)固定在電機(jī)座上，并通過單膜片式聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，而滾珠絲杠則通過軸承與孔用卡簧安裝在驅(qū)動(dòng)器外殼上，連桿與螺母套鉸接，而螺母套與絲杠螺母固連，因此螺母在滾珠絲杠上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)便充當(dāng)滑塊推動(dòng)連桿。為了增加驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性與剛性， 螺母套又通過微型直線導(dǎo)軌與驅(qū)動(dòng)器外殼構(gòu)成移動(dòng)副。

圖2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意

機(jī)械腿三維模型如圖3a所示，其實(shí)物如圖3b所示。為兼容不同身材的患者，大腿桿與小腿桿采用內(nèi)外管相互嵌合的方式，內(nèi)管可以沿外管伸長(zhǎng)或縮短任意長(zhǎng)度，并使用快速裝夾裝置進(jìn)行固定，以此適應(yīng)不同人體高度。在2條機(jī)械腿的大腿與小腿上對(duì)稱設(shè)置有綁腿機(jī)構(gòu)，綁腿機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)軌滑塊方式可自由調(diào)節(jié)患者雙腿與外骨骼腿之間的距離，以此適應(yīng)不同人體寬度。在綁腿機(jī)構(gòu)的腿部安裝半環(huán)上，通過魔術(shù)貼綁帶將患者腿部固定在綁腿上；同時(shí)，在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)處分別設(shè)置有圓孔和固定壓板，用于編碼器安裝。

圖3 外骨骼機(jī)械腿三維模型及實(shí)物

1.2 外骨骼安裝架設(shè)計(jì)

外骨骼安裝架如圖4所示。為安裝2條外骨骼腿用以驅(qū)動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，采用常用的鋁合金型材搭建安裝架，該型材強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、安裝方便。安裝架主體為框架結(jié)構(gòu)，型材各連接處采用螺栓和角支撐架固定，并在關(guān)鍵連接處使用45°斜支撐桿進(jìn)行加固。為適應(yīng)不同受試者人體寬度要求，根據(jù)中國男性和女性第95百分位的臀寬最大值346 mm，設(shè)計(jì)兩外骨骼腿安裝板的間距為380 mm[9]。由于上述外骨骼綁腿部分采用導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)患者雙腿與外骨骼腿之間的距離，因此人體寬度適應(yīng)性調(diào)節(jié)是通過改變兩外骨骼腿綁機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。

圖4 外骨骼安裝架

1.3 跑步機(jī)與減重機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

外骨骼機(jī)械腿在模擬正常人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需配合跑步機(jī)同步啟停，二者協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)跑步機(jī)尺寸及步態(tài)訓(xùn)練速度范圍，選擇英瑞德MTC家用款跑步機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行改造，只保留電機(jī)及跑步帶部分。

針對(duì)患者下肢承載能力弱、運(yùn)動(dòng)平衡性差的特點(diǎn)，選用型號(hào)為JY-JZB-2懸吊式減重訓(xùn)練器，為患者提供一定的減重力。具體地，患者身著減重背心，通過手持開關(guān)控制電動(dòng)推桿伸縮來增加或減小減重力，由此減輕患者在訓(xùn)練過程中支撐腿的負(fù)載，并且維持患者的身體平衡提高訓(xùn)練效果，確保訓(xùn)練安全。

1.4 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的總體三維模型如圖5所示。外骨骼機(jī)械腿安裝在安裝框架上，下方設(shè)置有跑步機(jī)，在康復(fù)訓(xùn)練過程中，與外骨骼機(jī)械腿同步啟停、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；上方設(shè)置有減重機(jī)構(gòu)，可將身著減重背心的患者吊起，根據(jù)患者下肢承載能力強(qiáng)弱為其提供大小可調(diào)的減重力。各部分互相配合，輔助患者進(jìn)行下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。

圖5 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的總體三維示意

2 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 外骨骼腿的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

外骨骼腿控制系統(tǒng)硬件組成如圖6所示，其主要元器件有工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和絕對(duì)式編碼器等。伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)動(dòng)控制卡端子板相連，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)處的絕對(duì)式編碼器通過串口轉(zhuǎn)換器與工控機(jī)相連，用于采集關(guān)節(jié)角度。工控機(jī)通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的通訊控制。

外骨骼腿控制系統(tǒng)軟件部分主要包括運(yùn)動(dòng)控制卡和編碼器的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡和編碼器的通訊連接、伺服電機(jī)點(diǎn)動(dòng)(正反轉(zhuǎn))、關(guān)節(jié)角度顯示、存儲(chǔ)和程序下載等功能。

外骨骼腿的軌跡跟蹤控制采用對(duì)非線性系統(tǒng)具有穩(wěn)定性能的滑模控制方法，并引入模糊補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p少實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中存在的不確定因素影響。

圖6 外骨骼腿控制系統(tǒng)硬件組成

2.2 跑步機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跑步機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分的組成如圖7所示，其主要元器件有工控機(jī)、Arduino開發(fā)板、跑步機(jī)直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、D/A模塊和測(cè)速傳感器等。Arduino開發(fā)板連接D/A模塊輸出模擬量來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于調(diào)節(jié)跑步機(jī)直流電機(jī)的速度。測(cè)速傳感器與Arduino相連,用于反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速。工控機(jī)通過串口連接的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)Arduino的通訊控制。

圖7 跑步機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成

跑步機(jī)運(yùn)行的上位機(jī)軟件部分，主要實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)Arduino開發(fā)板的通訊連接、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等參數(shù)指令發(fā)送和電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示等功能。

由于該跑步機(jī)是外部采購件，本文在只保留其電機(jī)和跑步帶的基礎(chǔ)上，采用位置PID控制方法重新實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)電機(jī)的速度閉環(huán)控制，并進(jìn)行了電機(jī)轉(zhuǎn)速與跑步帶速度的換算。

2.3 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

整體控制系統(tǒng)如圖8所示。根據(jù)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求，將上述外骨骼腿控制系統(tǒng)與跑步機(jī)控制系統(tǒng)集成，由同一臺(tái)工控機(jī)統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)通訊控制。減重結(jié)構(gòu)的高度升降控制根據(jù)患者需求通過手控開關(guān)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。

圖8 整體控制系統(tǒng)

上位機(jī)軟件在集成了上述運(yùn)動(dòng)控制程序、數(shù)據(jù)采集程序和人機(jī)界面程序的同時(shí)，設(shè)置有集成程序，實(shí)現(xiàn)外骨骼腿和跑步機(jī)的同步啟停。

為使機(jī)器人帶動(dòng)患者進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練符合康復(fù)訓(xùn)練的要求，以人在跑步機(jī)上行走時(shí)的步態(tài)特征參數(shù)信息為依據(jù)，將一個(gè)完整的行走過程分為起步、周期步和止步階段，分別對(duì)外骨骼腿進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，提高機(jī)器人與人體運(yùn)動(dòng)的相容性；并根據(jù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃軌跡速度調(diào)節(jié)跑步機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)跑步機(jī)與外骨骼腿的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)搭建與實(shí)驗(yàn)研究

基于上述設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室搭建了下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，如圖9所示。減重機(jī)構(gòu)將身著減重背心的患者吊起并為其提供一定的減重力，患者下肢通過綁腿機(jī)構(gòu)與外骨骼機(jī)械腿固連，雙腳站在跑步機(jī)上。實(shí)驗(yàn)時(shí)，外骨骼機(jī)械腿模擬正常人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)，跑步機(jī)同步啟停，進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。

圖9 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)物

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的軌跡跟蹤能力，以單腿膝關(guān)節(jié)為例，對(duì)15名健康受試者，通過機(jī)器人驅(qū)動(dòng)來帶動(dòng)人體膝關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)30次。實(shí)驗(yàn)開始前，受試者單側(cè)腿懸空通過綁腿穿戴機(jī)械腿裝置，運(yùn)動(dòng)過程中受試者不主動(dòng)出力。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖10所示。

圖10 軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

通過前述所選的絕對(duì)式編碼器及其后續(xù)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，記錄關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖11可以看出，機(jī)械腿在帶載的情況下，膝關(guān)節(jié)能精確地跟蹤目標(biāo)軌跡，角度誤差在0.5°以內(nèi)，踝關(guān)節(jié)相對(duì)于膝關(guān)節(jié)的位置誤差在3 mm以內(nèi)。

為檢驗(yàn)搭建的控制系統(tǒng)所能達(dá)到的協(xié)調(diào)控制效果，本文對(duì)5名健康受試者進(jìn)行固定步態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始前，受試者雙腿站立在跑步機(jī)上，2條腿通過綁腿穿戴機(jī)械腿裝置，跑步機(jī)速度取1 km/h，通過上位機(jī)使機(jī)械腿和跑步機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中受試者不主動(dòng)出力。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖12所示。

圖12 協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

實(shí)驗(yàn)過程中外骨骼機(jī)械腿可以協(xié)調(diào)帶動(dòng)人體在跑步機(jī)上進(jìn)行原地步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，根據(jù)受試者反應(yīng)，跑步機(jī)速度能較好匹配步行訓(xùn)練的速度，沒有出現(xiàn)明顯下肢干涉和摩擦的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一臺(tái)由外骨骼機(jī)械腿、跑步機(jī)和減重系統(tǒng)等的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。根據(jù)曲柄滑塊原理設(shè)計(jì)了機(jī)器人的外骨骼機(jī)械腿，機(jī)械腿長(zhǎng)度與兩腿寬度可根據(jù)患者尺寸自由調(diào)節(jié)，并按照設(shè)計(jì)要求對(duì)跑步機(jī)與減重機(jī)構(gòu)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。同時(shí)，還對(duì)外骨骼腿和跑步機(jī)2部分的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與集成，實(shí)現(xiàn)外骨骼腿的位置控制，以及機(jī)械腿軌跡與跑步機(jī)速度的協(xié)同控制。最后，通過所設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)搭建與人體帶載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人具有良好的軌跡跟蹤能力和協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)控制能力，其中，膝關(guān)節(jié)能精確地跟蹤目標(biāo)軌跡，角度誤差在0.5°以內(nèi)，踝關(guān)節(jié)相對(duì)于膝關(guān)節(jié)的位置誤差在3 mm以內(nèi)。

[1] 張通. 中國腦卒中康復(fù)治療指南(2011完全版)[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2012,18(4):301-318.

[2] Low K H.Recent development and trends of clinical-based gait rehabilitation robots[M]//Intelligent Assistive Robots:Recent Advances in Assistive Robotics for Everyday Activities.Switzerland：Springer International Publishing,2015:41-75.

[3] Dzahir M A M,Yamamoto S.Recent trends in lower-limb robotic rehabilitation orthosis: control scheme and strategy for pneumatic muscle actuated gait trainers[J].Robotics,2014,3(2):120-148

[4] 宋遒志,王曉光,王鑫,等.多關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵工學(xué)報(bào),2016,37(1):172-185.

[5] Riener R,Lünenburger L,Maier I C,et al.Locomotor training in subjects with sensori-motor deficits:an overview of the robotic gait orthosis Lokomat[J]. Journal of Healthcare Engineering, 2010, 1(2):197-216.

[6] Zhang Q,Zhang X D,Yin G,et al.Design on subsection based mix position controller for lower limb rehabilitation robot[C]//International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, 2017:720-724.

[7] 張佳帆,陳鷹,楊燦軍.柔性外骨骼人機(jī)智能系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社, 2011.

[8] 李峰,吳智政,錢晉武.下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)軌跡自適應(yīng)控制[J].儀器儀表報(bào),2014,35(9):2027-2036.

[9] 鄭午.人因工程設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.