（机械电子工程专业论文）减重式步态康复训练机器人控制及实验研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 摘要 将机器人辅助治疗技术引入到偏瘫康复训练中，已经逐渐得到国内外研 究人员的重视，并发展成为热门课题之一。本文介绍了康复训练机器人、减 重控制系统以及步态分析测量的国内外发展现状和趋势。依据下肢康复机器 人的应用对象和偏瘫康复理论，确定了机器人的设计目标和控制系统方案， 并对机器人系统的关键技术进行了研究和论述。具体研究如下： 本文通过图像采集和人体关节角度测量装置，对下肢各关节的运动参数 进行了实时测量和分析研究，并在重心轨迹测量实验中获得与步态训练系统 协调的重心轨迹，这为减重式步态康复训练机器人的控制系统提供了必要的 理论依据和参数。 基于理论研究，利用d s p a c e 实时仿真平台进行了减重系统的半实物 仿真设计。将减重系统引入控制回路，设计了减重系统控制器，根据患者 的康复程度，为患者选取合适的减重量。 最后，在l a b v i e w 的开发环境中完成了减重控制系统的软件设计和 实验研究。完善了减重式步态康复训练机器人控制系统软件，实现从步态 训练系统初始化、减重系统标定、跟踪运动到数据实时采集显示整套系统 的控制和运行。 关键词：康复训练机器人；减重控制；步态测量；l a b v i e w 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h et h e r a p yt e c h n o l o g yo fh e m i p l e g i ar e h a b i l i t a t i o na i d e db yr o b o th a s g r a d u a l l ya c q u i r e dt h er e c o g n i t i o no ft h eh o m ea n da b r o a dr e s e a r c h e r s ，a n di ti s b e c o m i n go n eo ft h eh o t t e s ts u b j e c t s t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yo v e r v i e w st h e c u r r e n ts t a t u sa n dt h et r e n do ft h e s ef i e l d so fr e h a b i l i t a t i v er o b o t , b o d yw e i g h t s u p p o r ts y s t e ma n dh u m a n g a i ta n a l y s i s a c c o r d i n ga st h ea p p f i c a t i o no b j e c t s a n dh e m i p l e g i ar e h a b i l i t a t i o nt h e o r y , i ti sc o n f i r m e dt h e d e s i g na i ma n dt h e c o n t r o ls y s t e ms c h e m e t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h er o b o ts y s t e ma r es t u d i e da n d p r e s e n t e d t h ec o n c r e t er e s e a r c h e sa l ea sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt o t h e i m a g e d e t e c t i o n s y s t e m a n dt h e a n g u l a rr e a l - t i m e m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，w em e a s u r e da n da n a l y z et h em o t i o np a r a m e t e ro ft h e l o w e rl i m b s ，a sw e l la st h ee x p e r i m e n to nt h eh a r m o n i o u st r a j e c t o r yo ft h e b a r y c e n t e r t h ea n a l y s i sr e s u l t sp r o v i d et h et h e o r e t i cb a s i sa n dt h ee s s e n t i a ld a t a f o r t h ef u r t h e rs t u d yo nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eb w sa n dg a i tr e h a b i l i t a t i v e r o b o t b a s e do nt h ed s p a c er e a l - t i m ep l a t f o r m ，t h eh i ls i m u l a t i o ni sd e s i g n e d h e r eb o d yw e i g h ts u p p o r ts y s t e mi sl o c a t e di nt h ec o n t r o ll o o p w ed e s i g n e d t h ec o n t r o l l e ro ft h eb w s a c c o r d i n gt ot h ep r o g r e s so ft h er e h a b i l i t a t i o n ，w e c a na d o p tt h ea p p r o p r i a t ew e i g h ts u p p o r tf o rt h ep a t i e n t f i n a l l y , b a s e do nt h el a b v i e we n v i r o n m e n t ，w ef m i s h e dt h es o f t w a r e d e s i g nf o rt h ec o n t r o lo ft h eb w s 笛w e l la si t se x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a n d i m p r o v e dt h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eb w sa n dg a i tr e h a b i l i t a t i v e r o b o t p r o c e s s i n gt h ei n i t i a l i z a t i o no fg a i tt r a i n i n gs y s t e m ，w e i g h ts u p p o r t s y s t e md e m a r c a t e ，t h ef o l l o w i n gm o t i o nb e t w e e nt h e m ，t h er e a l t i m ea c q u i s i t i o n a n d d i s p l a y o ft h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，w ec a na c c o m p l i s ht h ec o n t r o la n d e x e c u t i o no ft h ew h o l es y s t e m k e y w o r d s ：r e h a b i l i t a t i v er o b o t ；b o d yw e i g h ts u p p o r tc o n t r o l ；g a i tr e g u l a t i o n ； l a b v i e w 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 玉亟 日期：切狰了月n 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 1 世纪初，我国已迈入1 3 亿人口的大国，由于疾病、交通、工伤事故 等原因造成的病残人员中，需要借助康复医学工程手段实现康复的人数巨大， 而且有不断增加的趋势。我国6 7 0 0 多万残疾人中，多数人可以通过康复治疗、 配备康复器具和康复训练，部分或全部地改善或恢复其丧失的功能。由于康 复医学工程手段和设备的数量和质量均满足不了需要，他们中多数人还未能 得到必要的康复治疗和服务- 。 此外，作为人类生存威胁最大的3 类( 肿瘤、心血管、脑血管) 疾病之 一的脑血管，它的发病率逐渐上升，病后不能离床者达8 5 ，需他人照顾方 可维持日常生活者达6 2 8 。中风是脑血管疾病的突出临床表现，亦称为脑 卒中或脑血管意外，是指由各种原因引起脑动脉系统和静脉系统发生病理性 改变所造成的一类疾病。中风所出现的脑血液循环障碍直接影响脑组织，并 使脑细胞发生功能性或器质性改变闭。中风后的致残率约为7 1 3 。中风常留 有肢体功能障碍、瘫痪、失语等后遗症，往往给患者本人及家庭造成心理和 其它方面的冲击。在我国有近1 0 3 3 万由于各种疾病造成肢体功能障碍的患 者，因缺乏科学有效的康复训练设备，其中多数人由于得不到及时的康复训 练和康复治疗而影响了康复效果，失去了正常行走的能力。 因此，通过残疾的预防、寻求有效的康复手段以及优质的康复服务技术 使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提高患者本身的生活 质量，也可以减轻社会的总体负担。 1 2 研究意义 康复工程是工程技术人员在全面康复和有关工程理论的指导下，与各个 康复领域的康复工作者，残疾人、残疾人家属密切合作，以各种工艺技术为 手段，帮助残疾人最大限度地开发潜能，恢复其独立生活、学习、工作、回 归社会、参与社会能力的科学。用工程的方法和手段使伤残者康复，促使其 功能恢复，重建或代偿，是康复工程在康复医学中的主要任务。对由于脑血 哈尔滨t 稃人学硕十学佗论文 管意外和脊髓损伤，以及意外损伤造成的肢体伤残者，借助工程手段是主要 的，有时甚至是唯一的康复方法。因此，康复工程在康复医学中占有重要地 位，起着不可代替的作用。康复工程的服务对象是：功能障碍者、各种疾病 的康复对象、需要扶助的老年群体和社区康复的需型列。 近3 0 年神经康复领域中最重要的研究成果之一是阐明了中枢神经系统 具有高度的可塑性。实验表明，特定的功能训练在此过程中必不可少h l 。传 统的脑卒中患者肢体功能障碍的康复主要依赖于治疗师一对一徒手对患者进 行高强度训练，由于医护人员的工作任务重，时间紧，且需要医治的病人多， 训练效率低下，所以被迫运动的时间和强度均难以得到保障。在家卧床不起 的患者，受到物质条件和家庭成员等诸多因素影响，也很难保证被迫运动的 效果，直接影响了病人的康复进程。另外，从医学角度来说，在患病初期被 迫运动的效果最为明显，此时需要被动运动要有足够的运动时间和运动强度， 才能达到一定的治疗效果。而且这种传统的训练疗法无法建立训练参数和康 复指标之间的对应关系，不能向患者提供实时直观的反馈信息，不利于偏瘫 患者神经康复规律的深入研究。因此，解决这些康复训练过程中出现的问题， 安全、定量、有效及可进行重复训练的新技术和代替人工的肢体功能训练器 将成为亟待解决的问题。 1 3 国内外研究现状 将先进的机器人技术引入到康复工程中的康复机器人，体现了康复医学 与机器人技术的完美结合，主要由美国与欧洲一些发达国家进行研制及临床 康复研究。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗 等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理 论的发展。该技术不仅可以满足不同患者的训练要求，对脑损伤患者进行安 全、高强度及任务相关性训练，而且可以制定出更为客观的康复评价指标， 对脑卒中急性期和慢性期的下肢运动功能障碍有良好的疗效，从而为更加深 入了解中枢神经康复规律提供了可能孓7 】。 1 3 1 国外发展现状 2 0 世纪8 0 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在 康复机器人研究方面处于世界的领先地位。1 9 9 0 年前全球的5 6 个研究中心 分布在5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半 2 哈尔滨1 程人学硕士学 苛论文 岛及日本，1 9 9 0 年后康复机器人的研究进入全面发展时期”。 1 矫形技术 矫形技术与矫形器是康复工程疗法中应用非常广泛的传统技术。矫形器 是用于人体四肢和躯干等部位，通过静力或动力的作用来预防和矫正畸形， 治疗骨关节和神经肌肉疾患，或补偿其活动功能的康复器械”1 。半个世纪前 有人开始用固定双侧膝、踝关节的长腿支具( k a f o ) 帮助截瘫病人行走。 之后又有人将矫形器向上延伸至腰部，制作了髋膝踝长腿支具( h k a f o ) ， 病人可借助支具获得站立平衡，但两腿不能交替迈步。 随着康复医学的发展，近2 0 年来，人们已将注意力集中在发展两腿交替 迈步的往复式步态矫形器上。1 9 6 7 年，加拿大的m o t l o c h 医生报道了用塑料 矫形背心通过齿轮将双侧长腿支架相连以获得往复步态，并成功地用于脑脊 膜膨出伴截瘫的儿童，称为往复式步态矫形器( r e c i p r o c a t i o n g a i to r t h o s i s ， r g o ) ，后经c h r i s t i n s o n 将齿轮改为套管钢索。几年后，英国s t e e p e r 公司首 先开发出被称为a r g o ( a d v a n c e dr e c i p r o c a t i n gg a i to r t h o s i s ) 的交替步态下 肢活动矫形器，如图1 1 所示。 随面 图1 1a r g o 交替步态下肢活动矫形器 由于髋膝踝关节均已锁定，重心始终位于两足之问，因此站立时可保持 平衡。当步行器的髋膝关节均处于解锁状态时，患者可坐在床边、椅子或轮 椅上。不过，这类步行器需要靠人体前倾产生的自由摆腿运动，实现迈步动 作，而且为保证安全，行走过程中膝关节是锁死的，因此大小腿呈直棍状， 步态严重失真。对年老体弱、有严重的关节屈曲挛缩、深度褥疮、髋关节脱 位、上肢无力及心肺功能不全的患者，应慎用该步行器。此外，体能消耗大。 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 为了降低体能消耗，保证安全并且使膝关节在摆动期产生屈膝动作，j a s p e r s 等报导了一种与电刺激相结合的半动力式步行器恤1 1 1 。它们是此类活动矫形器 的进一步发展。不过由于增加了电刺激系统及足底压力反馈和膝关节角度测 量系统，使控制系统变得复杂，而且不适用于对电刺激无反应的完全性截瘫 患者。 2 下肢关节康复器 康复医学的主体是康复治疗，而康复治疗的一个重要分支就是通过辅助 运动使肢体能够逐渐恢复活动能力，即运动康复。穿戴a r g o 后，人行走时 需要上肢用力下撑，且膝关节成锁死状态，从而造成步态的严重失真。所以 a r g o 对于上臂不具备应有活动能力的患者不适用，而且对于由中风引起的 存在运动障碍的患者也达不到良好的康复效果。 由于中枢神经系统具有高度的可塑性，因此特定的功能训练在此过程中 显得尤为重要，这为机器人辅助康复技术提供了重要的医学依据。运动康复 主要是指通过肢体的主动运动和被动运动，逐步恢复肢体的运动功能。在康 复早期阶段，由于患者的运动能力较弱，往往需要被动式训练，即在外力帮 助下进行肢体的运动。虽然病人不是主动运动，但研究表明，这样的运动对 于神经的康复和避免肌肉的废退是非常有帮助的。康复后期，在患者能够主 动运动的情况下，可以采用主动式训练。但由于患者的一些功能没有完全恢 复，此时也需要一些辅助装置。国外研究人员基于机器人技术在运动功能康 复方面开展了大量研究，随着科技的进步，运动康复的实现手段正从传统的 采用治疗师辅助病人进行运动训练转变为采用各种康复器械甚至康复机器人 帮助患者进行康复。 c p m 下肢关节康复器是以持续被动运动理论( c o n t i n u o u sp a s s i v e m o t i o n c p m ) 为基础，通过模拟人体自然运动，激发人的自然复原力，发挥 组织代偿作用，进行下肢关节功能恢复训练的一种仪器习。早在2 0 世纪6 0 年代初期就有医学团体运用c p m 机进行了术后康复治疗的医学实践。图1 2 ( a ) 为f l e x i e e 福莱斯公司生产的膝关节c p m 机。它帮助患者手术后下 肢恢复活动功能，在运动的末端提供肌肉刺激。但只有早期、正确地使用c p m 机，才能提高其使用效果，且由于受技术水平的限制，这类c p m 机长期停 留在“大关节 康复的范围内，即只对膝关节有较强的锻炼作用，对于髋、 踝关节则只有很小的活动范围。 4 豁。燃 辛孓舍? o “埔 哈尔滨i ：群人学硕七学位论文 由于g a t it r a i n e r ( g ti ) 只能模仿在平地上行走的姿态，因而不能满足患 者对于r 常生活中其它运动模式的需要。在g a i tt r a i n e r ( g t1 1 的基础上，研 究员们又开发出了第二代的下肢康复机器人h a p t i c w a l k e r 。它可以带动患者 的下肢进行平地行走以及上、下台阶等模拟训练。对恢复较快的病人还能提 供模拟蹬自行车和滑雪的训练，如图1 5 所示。 图1 4g a t it r a i n e r ( g tl 、图15h a p t i c w a l k e r 瑞士h o c o m a 公司和瑞士苏黎士联邦工业大学( e t h ) 在腿部康复机构、 步态分析方面取得了可喜的成果，在汉诺威2 0 0 1 年世界工业展览会上展出了 名为l o k o m a t 的康复机器人如图1 6 所示。该机器人可以模拟正常人行走 的步态以及重心的运动规律，带动下肢作行走运动，实现对下肢各关节的运 动训练。在图1 6 中，图( a ) 为先将患者悬于空中，在完全减重的状态下作 迈步运动，以适应训练模式，适应后可将减重量逐渐降低，将患者缓慢地下 放到跑步机上作行走训练，如图( b ) 所示。 2 0 0 6 年由德国w o o d w a y 公司生产的跑步村l ( t r e a d m i l l ) 与l o k o s t a t i o n 的减重支持系统相结合_ 丌发出了一套新的运动治疗系统l o k o h e l p ( 图1 7 ) 。 l o k o h e l p 只需通过跑步机平板的运动间接地带动其运动，不需要独立的电 源。l o k o h e l p 虽不如l o k o m a t 的运动疗效好，但其更适合家用，而且价 位也相对较低。脚踏机构可以独立的拆装，并不影响跑步机的正常使用。在 运动踏板两侧配有小腿支具( 图1 8 ) ，以防止患者踝关节扭伤。有网友评论 | 兑l o k o h e l p 的不足之处为：相对于小腿而占大腿没有支撑，对于不具各承重 能力的患者膝关节容易受到扭伤。 ：窒尘鎏! ；堡垒兰堡圭兰堡兰三 圉16l o k o m a t 康复机器人 ( b ) 图19 a r t h u r 下肢康复机器人图11 0 学步机器人 哈尔滨样人学硕士学位论文 r 本的m a k i k a w a 实验室结合机器人技术、生物信号测量技术、虚拟现 实技术研制出一种下肢康复机器人”，如图11 1 所示。陔机器人可以使患者 模拟正常人走路、上斜坡、爬楼梯、滑行等各种运动，从而达到康复锻炼的 目的。r 本还研制了g a i t m a s t e r 康复机器人，如图1 1 2 所示。 图1 1 1 日本下肢康复机器人图1 1 2 日本g a i t m a s t e r 2 机器人 4 减重系统发展现状 躯干和下肢承重能力下降是导致步行不正常的重要原因。减重训练的临 床应用可追溯到1 9 5 8 年，m a r g a r e t 等出版了专著康复治疗中的悬吊疗法， 但由于方法的局限和认谈不足，没有得到发展。传统康复治疗己采用减重的 方式进行早期步行训练，例如利用水的浮力进行水中步行，利用各类拐杖或 助行器减少下肢负重等“”。但是都存在一些不足，例如水中运动需要特殊环 境，拐杖或助行器需要患者增加上肢用力，造成步行时身体姿态异常等。近 十多年来，随着康复技术的发展，减重支持系统( b o d yw e i g l l ts u p p o r ts y s t e m ， b w s ) 自f i n c h 和b a r b e a u 于1 9 8 6 年提出以来，在临床上已越来越广泛地得到 应用。从早期单一固定框架+ 吊带的形式发展至现今的p n e w w e i g h t 气压型减 重系统，使减重支持治疗更加多样化。已有大量的文献报道b w s 在恢复步行能 力罔、纠乖步态阻州、改善平衡肚捌、减轻肌肉痉挛及减少心肺负荷阻埘”等方 面较传统治疗均有很大优势，同时降低了治疗师的工作强度，提高了治疗安 全性。 2 0 0 3 年5 月，g o r d o n ，k e i t h ，e 和s v e n d s e n ，b i o i t i 等人提出了一种 力闭环减重控制系统( c l o s e d l o o pf o r c e c o n t r o l l e db o d yw e i g h ts u p p o r t s y s t e m ) ，并申请了专利( 图1 _ 1 3 ) 。该系统通过一个移动机构和提升机构 可以控制重心的运动以及地面的支反力p l 。 哈尔滨- 丁程大学硕士学位论文 m a r t i nf r e y 和g e r yc o l o m b o 等人在2 0 0 6 年提出了一种新型的机电一体 化减重支持系统( 图1 1 4 ) 。当患者在跑步机上进行步态训练时，可以为患 者提供精确的减重力。该系统分为被动和主动两部分。被动运动是指患者在 跑步机上行走时由于重心的上下移动带动平衡物的运动，通过弹性元件承担 主要的承重力；而主动运动是通过电机控制实现精确的力闭环。整套系统由 计算机控制，最大减重量为6 0 k g ，跑步机最大速度为3 2 k m h ，平均减重力 和最大减重力误差分别为l k g 和3 k g 。与带有平衡物和固定绳长的静态减重 系统相比，这种新型的减重系统力控制精确度高，误差小，响应速度快，可 以在l o o m s 内实现最大2 0 k g 力的转换刚。 弹 图1 1 3 力闭环减重支持系统图1 1 4 新型的机电一体化减重支持系统 减重系统可应用于以下几个方面刖： ( 1 ) 坐位平衡训练：在部分减重装置下，借助巴氏球，可以达到如下目 的：逐步建立协调能力；完成动态坐位平衡、躯干力量及重心转移练习； 为坐到站转移作准备，见图1 1 5 。 ( 2 ) 站立平衡训练：在部分减重装置下，进行站位平衡训练，有助于直 立平衡和步态前活动；负重并将重心从一侧转移到另一侧；训练患者使用辅 助装置，见图1 1 6 。 ( 3 ) 步态康复训练：步态训练是减重支持系统价值的重要体现。活动平 板的速度，应根据每个患者具体情况设定，使每个患者有适当的步频和跨步 9 哈尔滨l 群人学硕_ l = 学位论文 长。一般在0 叭一2 2 5 m s 的速度范围内，每次训练的时间逐渐延长，一般在 1 5 3 0 r a i n 之i q ，每周3 次。在开始训练时需要在3 名治疗师的指导下矫正异常 步态，其中一名控制患者骨盆运动，保证髋伸、骨盆旋转、躯干直立，防止 坐在减重背一t l , 中；另外两名治疗师分别控制单侧膝关节，防止膝过伸或膝支 撑不足，同时控制踝关节在步行支撑期足着地时的踝背伸和足离地时的踝趾 屈，见图1 1 7 。 图1 _ 1 5 坐位平衡训练图1 1 6 站立平衡训练图1 1 7 指导患者运动 通过在步行过程中对身体重量的支持控制，减重支持系统尝试提供双下 肢姿势支持与协调性的提高。重量支持后，身体对肌肉承重的需求减少，这 样，在理论上给患者提供了一个有效的运动治疗方案。由于提供了一个安全 的方式来训练行走，减重支持也会提高患者的自信心。b w s 的一个潜在的优 点是能降低患者对安全设施的需求。c o l b y 及f i n c h 等人经研究发现减重的程 度越高( 即悬吊的重量越大) 单腿和双隧支撑相时间越短、最大髋膝摆动角 越小，肌电活动越低，步速受到限制”珊1 。因此需要根据患者的实际情况和i ) i i 练目标选择恰当的减重程度。一般认为单腿站立时，患侧下肢能够负重站直 为宜，一般为体重的3 0 左右，国际上普遍采用的减重程度为4 0 体重。 在治疗过程中，活动平板的速度增加而减重量减少这样可以强化承重肌肉的 功能和加强心血管系统对长时间训练的耐受性。当在3 0 的减重下能达到一 个较适宜的步态模式时，则可改为1 5 减重，而当患者能有一定的承重，同 时协调性改善时，则可去除减重，继续训练。 5 人体步态检测方法 人体运动信息检测技术是随着摄影技术的出现而兴起的。最初人们利用 哈尔滨l 样人学硕十学位论文 摄影胶片摄取运动图像，然后逐张胶片进行处理，整个分析过程复杂、周期 长、耗材价格高。 人类对于自身运动的分析和研究最早是从下肢步态的研究开始的。 w e b e r ( 1 8 3 6 年) 对行走和奔跑周期的支撑相和摆动相进行了研究。1 8 7 7 年， m u y b r i d g e 系统地研究了人类和动物的运动原理，他通过电影用的独特摄影 机，采用一次拍照多次曝光的技术，成功地拍摄了连续照片。通过他的研究， 弄清楚了许多动物足的起落顺序。1 9 0 1 年，他发表人体动作图形一书后， 许多研究人员利用移动式摄像机分析人的动作，利用摄影方法不仅可研究多 种人体动作的细节，也可以分析运动时产生的力1 。 到了八十年代，这方面的主要研究工作集中在建立一种适合于计算机计 算的人体步行模型以及对人体步行的在线测量，其中大多数工作都是利用红 外摄像系统完成的m 。其工作原理是：通过摄取固结在人体关节上的有源标 志点无源标志点发出反射的光点得到人体运动轨迹。该系统的优点是识别与 跟踪性能好，缺点是对测试背景要求较高。这些研究的目的在于建立一套完 善的步态分析系统，满足临床诊断和康复评价的需要，当今比较成熟的步态 分析系统有瑞典s e i c o m 公司的s e l s p o t 系统、英国o x f o r d 公司的 v 1 c o n 系统( 图1 1 8 ) 、意大利b t s 公司的e t l t e 系统( 图1 1 9 ) 、美国 a m t i 公司的c o d a i i i 系统、清华大学的红外光点运动分析系统等。它们 都由测力板、红外摄像系统和专用数据处理机以及计算机组成，这套测量分 析系统能比较精确地完成对人体行走的力学测量，但由于用了红外摄像及专 用数据处理机，系统价格昂贵( 大约1 0 万美元) ，所以限制了它在许多场合特 别是在发展中国家的推广9 ”。 图1 1 8 英国o x f o r d 公司的v 1 c o n 系统 丝兰! ；垒尘兰i 坠丝坚 图1 _ 1 9 意大利e l i t eb i o m e c h 三维步态分析系统 当前最高层次的步态分析是行走的生物力学分析综合定量评价法。这种 方法采用了现代光学及电子学技术，测量出同行走有关的原始数据，利用计 算机通过生物力学模型对测得的原始数据进行综合处理，从而得出一些尚不 能直接测量的数据。如行走中人体重心位移、各关节活动的力矩、功率及整 体能量消耗等随时间变化的参数，据此做出全面、综合的客观评价。现在已 经形成了不同类型的步态分析系统。由于这种方法所用设各比较高级，价格 昂贵并需要专业技术人员操作，在国内一时还不能得到全面的普及。不过它 所提供的人体行走信息是其他方法所不能代替的，代表着步态分析的发展趋 势。在发达国家有些医院和康复中心已经普遍地建立了步态分析实验室。我 国对步态特征研究与国外相比还处于较落后的状态，直到1 9 8 0 年，国内才开 始进行步态分析系统的研究。近十年来，这种步态分析方法已引起国内有关 方面的注意。上海第九人民医院骨科戴克戎教授在8 0 年代初引进了这一技术 并建立了我国第一个步态分析实验室，做了大量的工作。1 9 8 8 年，中国康复 研究中心也建起了步态分析实验室，该实验室装配有先进的v 1 c o n 运动分 析系统一1 。1 9 9 7 年上海交通大学研制了一种人体行走的步态测试与分析系 统，该系统主要由计算机、测角仪和测力板组成，它利用与测力板及安装在 步行道上的压力开关相连的光电装置，控制着整个步态测试中的同步周期采 样”。优点是功能较齐全，价格相对便宜。但不足之处在于须将单片机携带 于身上记录关节角度采样数据。这样会出现数据丢失现象，且受试者需携带 除角度测量装置外的单片机及多条电线，影响了j 下常行走的步态。清华大学 在2 0 0 2 年研制了一种基于图像的人体步态在线检测系统，【士ic c d 摄像机、 哈尔滨j 。挫人学硕十学位论文 三维测力台及表面肌电信号检测装置组成”。系统工作原理是首先在被侧关 节( 或肢体等部位) 粘贴特定颜色和形状的标志点，然后用c c d 摄取人体运 动过程，由动态图象采集卡将图像转存成数字文件由计算机处理，实现了运 动图像在线采集与分析。其不足为每次只能采集2 个步态周期的图像，不易 发现行走规律及运动趋势。 132 国内发展现状 康复机器人的研究在我国也得到了有关人士的重视，但简易型康复训练 器械产品较多，并没有实现完全的智能化，如北京康和医疗器械有限公司。 康和目前是国内为神经、矫形等临床科室提供康复和物理治疗设各的主要供 应商。白2 0 0 1 年始，康和公司开始与德国菲兹曼医用电子公司合作，作为其 在中国大陆的独家代理。另外，常州市钱骡康复器材有限公司目前也是中国 生产舰模以及提供产品最多的企业之一。 日前，国内的部分高校已经研制开发了较为成型的康复机器人样机，并 进行了康复训练策略的研究。主要由清华大学、上海交通大学、复旦大学、 哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学等。其中，上海交通大学和复旦大学合作 展开了“神经的运动控制与控制信息源的研究”。清华大学康复工程研究中心 在国内率先研制了卧式下肢康复机器人样机，图1 2 0 为基于肌电控制主一被 动式肢体功能训练器。 为使完全性高位截瘫患者能从轮椅上走起来，实现自主行走，哈尔滨工 程_ 人学在国家自然科学基金等的资助下，丌展了下肢康复训练机器人的研究。 图1 2 1 为仰卧式下肢康复机器人，它是一种新型的康复训练机器人，它模拟 正常人在仰卧时屈仲腿的动作，可以对下肢有运动障碍的病人进行下肢康复 训练。 图1 2 0 肢体功能训练器图1 2 1 仰卧式下肢康复训练机器人 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 f _1 1 1 4 论文主要完成工作 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 总体方案 对减重式步态康复训练机器人控制系统的总体需求和功能进行分析，确 定系统的总体设计方案。 ( 2 ) 人体步态规律测量实验研究 人体步态规律的测量，结合图像处理技术和下肢关节角度测量装置，采 集腰部、髋、膝三关节的运动轨迹以及下肢各关节相对转角等运动参数，并 进行对比分析。通过得到的参数求取受试者在跑步机上行走时双脚与地面的 夹角，最终可推导出步态训练系统双脚丝杠的移动距离，作为步态训练系统 脚踝姿态机构的控制依据。 ( 3 ) 重心轨迹的测量 为了获得与步态训练系统协调的重心轨迹，进行重心轨迹测量实验。 ( 4 ) 设计减重系统控制器及实验分析 分别设计减重系统的力和位置双闭环控制器，可以根据患者的康复程度， 为患者选择恒定的减重力控制或指定的重心轨迹控制。 基于d s p a c e 的减重支持系统h i l 仿真设计。利用d s p a c e 仿真平台进 行减重系统的硬件在回路仿真，确定系统的技术方案。进行基于d s p a c e 控 制系统的设计，完成单片机和d s p a c e 的控制信号通讯以及减重系统实时反 馈信号的读取。并应用m 棚a b s i m u l i n k 中的模块与r t i l l 0 3 模块编写上位 机d s p a c e 控制程序。 ( 5 ) 减重式步态康复训练机器人控制系统软件设计 在l a b v i e w 的开发环境中完成减重式步态康复训练机器人控制系统软 件的设计，实现了系统的集成。设计并开发了系统运行的主界面以及减重系 统标定、数据采集显示等功能模块，实现了从步态训练系统初始化、减重系 统标定、跟踪运动到数据采集显示整套系统的控制和运行。 1 4 图2 1 系统总体结构 21 1 步态训练系统结构简介 步态训练系统的机械部分包括步态控制机构、脚踝姿态控制机构，两个 机构协调运动就可以模拟人的行走状态，总体机构简图如图2 2 所示。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 iiiiiiiiii一 iiiii 一一_ i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i ，一、 图2 2 步态训练系统机构简图 ( 1 ) 步态控制机构：能够模拟正常人的走步状态，使患者的步态得到正 确的训练。如图2 2 所示，电机1 经过减速器2 和一级链传动3 带动轴4 转 动，在轴4 的两端有2 个曲柄5 和6 ，位置相差1 8 0 度，分别与长杆7 和8 构成曲柄连杆机构，在连杆上安装有2 个脚踏板1 1 和1 2 ，患者就是站在脚 踏板上进行康复训练的。当曲柄连杆机构运转起来，如果把脚踏板看作连杆 上的一个点，由仿真可知脚踏板的运行轨迹是一个类椭圆形，与正常人在行 走时脚的运动轨迹相吻合。 ( 2 ) 脚踝姿态控制机构：其功能是调整脚踏板的角度与地面的角度，进 而控制脚踝姿态。脚踏板下各有一组直流电机控制的丝杠螺母机构9 和1 0 。 直流电机带动丝杠转动，丝杠螺母机构将电机的回转运动转化为螺母机构的 直线运动，带动脚踏板上下摆动。患者的脚固定在脚踏板上，随脚踏板一起 运动，这样就实现了踝关节姿态的控制m 。 2 1 2 脚踏板位姿计算 丝杠螺母机构带动脚踏板绕固定在连杆上的转轴进行有规律的上下摆 动，从而可以辅助患者进行脚踝的康复训练。根据连杆与地面之间的角度调 节脚踏板与连杆之间的角度，最终实现脚踏板与地面之间的夹角，也就是模 拟人在行走时脚踝的运动规律。图2 3 为步态机构结构简图。 由图2 3 可以看出脚踏板与地面之间的角度眈是由两个角度综合决定 的，一是脚踏板与连杆之间的角度矿，二是连杆与地面之间的角度，这两 个角度是相对独立的，要想让脚踏板与地面之间的角度按照预定的规律变化， 就必须协调他们之间的运动关系，让这两个角度在每一个时刻叠加得到的角 1 6 哈尔滨t 稃人导：硕十导：何论文 度满足正常人行走的要求。其中脚踏板与连杆之i 、日j 的角度y 是通过丝杠的移 动实现的。 先来考虑连杆与地面之间的角度，由于主运动曲柄的转动是匀速运动， 因此连杆与地面之间的角度是按规律变化的，机械结构的尺寸一旦确定，每 一个时刻它的大小便是固定的。 图2 3 步态机构结构简图 由图2 3 的几何结构关系，可获得丝杠移动距离x 的计算方法如下： 已知：i i = 2 7 m m ，1 2 = 2 2 m m ，岛= 1 6 8 5 m m ； b = 2 0 8 5 m m ，c = 1 l o m m ，r l = 4 0 m m ： 可得：您：厅而= 1 6 8 5 7 n u n ； 晓：删a n 毕：1 7 。： f 1 岛：a r c t a n 鱼：6 2 1 8 。； 口：厮：2 3 5 7 4 n u n ： 待求参数： 矽= 7 一巳 口= 9 0 0 一( + 岛+ 吃) ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 哈尔滨i i 稗大学硕十学位论文 r ：r i ( 2 - 3 ) p = ( r + 您+ a ) 2 ( 2 _ 4 ) s i n zq 2 ) ：照蔓幽( 2 - 5 ) a r 2 x 是丝杠螺母机构移动的距离。由于结构限制，x 有一个变化的范围， x m i n = 5 4 m m x a x = 1 4 2 m m ，正是杆x 的伸缩变化实现了脚踏板与连杆 之间的角度变化。 结合公式( 2 3 ) ( 2 5 ) ，借助m a t l a b 的符号运算功能，可由口解出丝杠 螺母机构移动的距离x ： 砷：4-r2+4xsin2(a2)xaxr2+r孑-2xaxr2+a2 x 2 = 一一r l z + 4 s i n z ( a 2 ) a x r 24 - 蟛一2 订您+ 口z ( 2 - 6 ) 由于i n = 5 4 m m x 舣= 1 4 2 m m ，所以只取x = x l 。 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 6 ) 可通过连杆与地面夹角y 以及行走过程中脚与 地面央角以获得丝杠螺母机构移动的距离工。其中夹角y 可通过m a t l a b 中 的机构仿真模块( s i m m e c h a n i c s ) 获得，所以只需求取脚与地面夹角眈，这 部分将在第三章中详细介绍。 2 1 3 减重系统 1 减重系统实现方式 减重支持系统由两部分组成：即活动平板( t r e a d m i l l ) 和部分减重装置 ( p a r t i a lb o d yw e i g h ts u p p o r t ，p b w s ) 。而p b w s 通常由减重背心( h a r n e s s ) 、 绳索( r o p e s ) 、滑轮( p u l l e y s ) 以及平衡系统( c o u n t e r w e i g h ts y s t e m ) 组成。 主要有以下几种实现方式p 0 。： ( 1 ) 静态系统：减重背心通过绳索绕过滑轮后在末端与滚筒相连，系统 有手动、电动和液压驱动三种方式。通过控制滚筒的转动调节所需要的减重 力，当达到目标要求时，滚筒停止转动，因此这种系统限制了重心在垂直方 1 8 哈尔滨t 程大学硕十学1 _ 7 ：论文 向上的运动，患者在行走过程中的减重力也就很难保持恒定，从而降低了步 态康复训练的疗效，如图2 4 ( a ) 所示。 ( 2 ) 被动平衡系统：减重力可以通过平衡物的运动动态进行调节。绳上 的作用力同时受到重物的重力和惯性力的影响，同样会引起减重力的变化， 如图2 4 ( b ) 所示。 ( a )( b ) c o )( d ) 图2 4 减重支持系统 ( 3 ) 被动弹性系统：该系统的减重装置中使用的是刚性弹簧，减重力主 要是通过弹簧的张紧力来调节的。与平衡系统相比，该系统可以忽略惯性力 的影响。减重力与弹簧的伸长呈线性关系，因此减重力随重心位移的变化而 变化。可以通过降低弹簧刚度减小减重力。这套系统的不足之处在于不能够 大范围的调节减重力，如图2 4 ( c ) 所示。系统中的弹簧可以用密闭的气压 缸进行代替。 ( 4 ) 主动调节的动态系统：这种系统可以有电、气、液三种驱动方式。 系统中分别串有位置和力传感器，可以分别检测出患者在运动过程中重心的 垂直位移和绳上的拉力，将实测值与给定值进行比较，得出偏差通过闭环控 制器实现位置和力的精确控制，从而在帮助患者剪掉一部分体重的同时实现 重心的移动，如图2 4 ( d ) 所示。 减重步行训练是一种特定任务的训练，可以应用在截瘫、偏瘫、脑瘫、 帕金森病和下肢骨关节病患者的步行训练中，通过训练，患者的下肢运动功 能提高，步行时步幅加大、站立相延长，步行耗氧量降低以及步行速度和耐 力均有提高。但在临床实际应用中，由于国外的减重步行训练装置价格昂贵 ( 多采用气压及液压驱动方式) 、康复资源消耗大，训练时需多名治疗师等因 素，使许多患者不能承受此项费用，从而丧失了康复的最佳时机。而国内多 1 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 是停留在理论研究阶段，在各康复医院内只在训练开始为患者提供一次性减 重，即象征性的为患者剪掉一部分体重，并未对减重力和重心轨迹进行控制， 而且需在多名医护人员的协助下才能完成在跑步机上的行走训练。因此，哈 尔滨工程大学机电一体化实验室在国家自然科学基金等的资助下研制了一种 减重式步态康复训练机器人，该系统可以帮助患者进行下肢康复训练，同时 完成减重力以及重心轨迹的控制。 2 减重系统构成 减重系统主要由光电编码器、电机、减速器、滑轮、钢丝绳、力传感器 以及减重背心组成，总体构成如图2 5 所示。系统在运行过程中有三个反馈 量：通过安装在电机上的光电编码器测得脉冲个数再经过相应换算后可得绳 索末端的速度及运动轨迹，反馈量经过控制器后可对电机施加所需电压，从 而实现重心随步态的运动上下移动；此外，串联在绳索上的力传感器可实时 测得力反馈信号，即系统给予患者的减重力，与系统给定的减重力比较得到 力偏差，经过速度力闭环控制器后可对电机施加所需电压，实现减重力的控 制。通过减重背心作用于患者，为患者提供减重和保护。减重背心是降落伞 式，即吊带连于腰部和双侧大腿，受力部位主要在胸部、腰部、双腋下以及 大腿，允许躯干上部分及四肢活动。另外，为防止断电时因患者自身的重力 作用反向驱动滑轮转动，防止患者摔倒，避免给其带来不必要的伤害，系统 采用了蜗轮蜗杆减速器，具有止逆功能。 编 图2 5 减重系统构成 丝绳 感器 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 2 2 系统控制方案 减重式步态康复训练机器人系统总体控制方案如图