基于主動(dòng)交互控制的家用康復(fù)治療床自適應(yīng)阻抗控制實(shí)現(xiàn)

劉中華

（湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)療設(shè)備與管理學(xué)院 湖南湘潭 411104）

人口老齡化是近年來出現(xiàn)的一個(gè)比較突出的問題，老年患者容易出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)疾病，在近年來神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病率逐年升高，患病后80%的患者都會(huì)留下殘疾，影響生活自理能力，必要時(shí)要對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)治療?？祻?fù)治療時(shí)間越早恢復(fù)效果越好，并發(fā)癥也就越少。肢體殘疾在所有殘疾中發(fā)生率最高，因此對(duì)肢體殘疾患者進(jìn)行康復(fù)治療十分有必要。家用康復(fù)治療床是在現(xiàn)代科技的發(fā)展背景下，將機(jī)器人技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)康復(fù)技術(shù)相結(jié)合下的產(chǎn)物，為肢體癱瘓的患者提供了有效的康復(fù)訓(xùn)練。自適應(yīng)控制在各種控制方法中脫穎而出，因此，研究一種基于主動(dòng)交互控制的家用康復(fù)治療床自適應(yīng)阻抗控制，通過檢測人機(jī)交互作用力的方式判斷患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖則顯得極其重要。

1 家用康復(fù)治療床控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

家用康復(fù)治療床其主要功能就是幫助下肢障礙患者進(jìn)行康復(fù)治療訓(xùn)練，以幫助能夠正常行走[1]。它針對(duì)患者的殘疾程度進(jìn)行多種肢體的康復(fù)治療，以幫助患者今早恢復(fù)健康。

家用康復(fù)治療床控制系統(tǒng)中，下位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心?？刂葡到y(tǒng)通過觸摸屏向下位機(jī)發(fā)送信息，從而讓系統(tǒng)獲取患者的治療信息。伺服輸出、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的主要組成部分，需要相互配合[2]。運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信息指令，再由伺服驅(qū)動(dòng)器完成向伺服電機(jī)的信息傳送，兩者形成一個(gè)控制閉環(huán)系統(tǒng)，從而完成下肢康復(fù)訓(xùn)練。在整個(gè)系統(tǒng)中，傳感器的作用就是采集機(jī)器人的各種位置信息，為控制系統(tǒng)提供重要信息，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而保證系統(tǒng)的安全性。

2 基于主動(dòng)交互控制的模糊自阻抗控制器設(shè)計(jì)

當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)入到治療后期時(shí)，患者可以根據(jù)自己的恢復(fù)情況主動(dòng)參與到康復(fù)訓(xùn)練中。阻抗控制方法的作用就是完成人機(jī)交互，讓患者能夠與機(jī)器人達(dá)成一個(gè)很好的訓(xùn)練與被訓(xùn)練的關(guān)系，從而主動(dòng)參與到康復(fù)訓(xùn)練中?？刂葡到y(tǒng)通過模糊阻抗控制器將人機(jī)交互作用力轉(zhuǎn)換為修正量，并通過機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將修正量作用在位置控制內(nèi)環(huán)中，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)康復(fù)。家用康復(fù)治療床通過傳感器檢查患者下肢與康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的交互作用，從而建立兩者的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

家用康復(fù)治療床對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)治療時(shí)，可以設(shè)定治療床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，讓它能夠一直保持低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果沒有慣量項(xiàng)的作用，會(huì)影響機(jī)械機(jī)構(gòu)的作用力[3]。由于家用康復(fù)治療床在進(jìn)行下肢行走訓(xùn)練時(shí)，由下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，因此大小腿人機(jī)之間的接觸力會(huì)形成一個(gè)速度修正量，根據(jù)人體下肢標(biāo)準(zhǔn)可以得到，膝關(guān)節(jié)的與髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍不同，因此阻抗參數(shù)也不同。如果采用模糊自適應(yīng)阻抗控制，首先需要對(duì)阻抗參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一化整理，使其能夠在實(shí)際的康復(fù)訓(xùn)練中獲得較慢的訓(xùn)練速度，但是這種會(huì)影響患者的恢復(fù)效果，因此對(duì)阻抗參數(shù)的調(diào)整要慎重。根據(jù)大小腿產(chǎn)生的作用力對(duì)阻抗系數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可。

在對(duì)患者進(jìn)行下肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練之前需要對(duì)患者進(jìn)行接觸力測評(píng)，讓患者平躺后，對(duì)大小腿的絕對(duì)平均主動(dòng)作用力進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練方案制定，患者在不同階段所采取的訓(xùn)練速度有所不同[4]，前期比后期的主動(dòng)訓(xùn)練輕松，當(dāng)患者的下肢恢復(fù)一定效果后需要適當(dāng)加訓(xùn)練速度，因此，針對(duì)康復(fù)訓(xùn)練階段進(jìn)行了阻抗參數(shù)模糊規(guī)則表的設(shè)計(jì)，如表1所示。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分

模糊自適應(yīng)阻抗控制可以幫助患者更好的實(shí)現(xiàn)主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，在此基礎(chǔ)之上對(duì)其進(jìn)行仿真，以床體0°平躺康復(fù)訓(xùn)練為例，假設(shè)阻抗參數(shù)相同[5]，采取大小不同的力對(duì)患者進(jìn)行阻抗控制實(shí)驗(yàn)，并比較訓(xùn)練的效果。如果阻抗控制實(shí)驗(yàn)中，主動(dòng)作用力相似，則需要采取不同的阻抗參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。假設(shè)初始阻抗參數(shù)為z=0.2，得到當(dāng)力較大時(shí)[6]，速度也較大，當(dāng)阻抗參數(shù)相同時(shí)，主動(dòng)力越大則速度調(diào)整量越大；當(dāng)絕對(duì)平均主動(dòng)力基本相同時(shí)，阻抗參數(shù)越大則速度越小。在進(jìn)行模糊自適應(yīng)阻抗控制時(shí)，需要對(duì)變量進(jìn)行模糊處理，并根據(jù)模糊結(jié)果對(duì)阻抗參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

采用模糊自適應(yīng)阻抗控制可以更加快速準(zhǔn)確的判斷出患者的運(yùn)動(dòng)意圖，從而讓患者可以主動(dòng)參與到康復(fù)訓(xùn)練中，提高肌肉力量，達(dá)到快速恢復(fù)的效果。

結(jié)束語

針對(duì)患者下肢存在訓(xùn)練障礙的問題，提出了一種家用康復(fù)治療床控制算法，通過模糊自適應(yīng)阻抗控制讓治療床可以通過人機(jī)交互作用力對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行判斷，根據(jù)患者的恢復(fù)效果提高訓(xùn)練速度，驗(yàn)證了模糊自適應(yīng)阻抗控制的有效性，讓患者可以主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練，讓患者盡早恢復(fù)身體機(jī)能。