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外骨骼上肢康复机器人控钊系统研究及仿真 i ii ii l l i l liiiilii 一 i l l i 鼍葛嵩嵩i i 赫葺i 嗣高眷 摘要 外骨骼上肢康复机器人是康复机器入的个重要的研究领域，已经受到了国内外康 复研究机构的重视。在我国，上肢功能损伤的残疾人数量大，但能够及时接受康复治疗 的人很少，研发上肢康复系统对于发展我国的上肢康复医疗服务有着非常重要的意义。 本课题就是为外骨骼上肢康复机器人设计控制系统，并对其进行仿真分析。 本文首先介绍了上肢康复机器人的国内外发展现状，并对现有控制技术和发展前景 做了分析和展望。在分析了上肢康复训练方法的基础上，确定了外骨骼上肢康复机器人 总体的控制方案，包括了伺服控制系统方案的选择，并选取了相关的硬件设备，如饲服 控制器等，同时确定了上位机软件控制方案功能。 对外骨骼上肢康复机器人的运动学和动力学进行了数学模型分析和仿真分析，得到 了上肢康复机器人的运动学和动力学数据，在此基础上，对机器人的工作空间进行了分 析，对患者在康复训练过程中的典型轨迹进行了分析。 设计了基于p c 机的继电器逻辑控制系统，实现了对外骨骼上肢康复机器人供电系 统的逻辑控制，并提供了红外安全系统和p c 机继电器安全系统。在设计完成电路后， 通过s i m u l i n k 中的工具箱s t a t e f l o w 搭建了逻辑仿真程序，在仿真环境下观察了设计电 路的合理性，最后选择了电气元件。 在m i c r o s o f tv i s u a lc 抖6 0 软件环境下，完成了上肢康复机器人训练软件系统，可 以实现机器人单关节多关节控制、轨迹示教控制和主动控制和强大的数据库管理功能。 关键词：外骨骼；上肢康复机器人；动力学；系统软件 a b s t r a c t t h er e h a k l i t a t i o nr o b o to fe x o s k e l e t o nu p p e r l i m b i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a0 t r e h a b i l i t a t i o nr o b o t ，w h i c hh a sb e e nt a k e ns e r i o u s l y s o o nb yt h er e h a b i l i t a t i o nr e s e a r c h i n s t i t u t e s i no u rc o u n t r y , t h e r e r et h en u m b e ro fp e o p l e w i t hd i s a b i l i t i e so fu p p e r - l i m b d y s f u n c t i o n b u tv e r yf e wp e o p l ec a n b eh a dr e h a b i l i t a t i o nt r e a t m e n ti nt i m e ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to nu p p e r - l i m br e h a b i l i t a t i 。n s y s t e mh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f o r d e v e l o p i n gc h i n a sr e h a b i l i t a t i o nm e d i c a l s e r v i c e s t h i se s s a ) 7f o c u s e so nt h ec o n t r o ls y s t e m d e s i g nt h er e h a b i l i t a t i o nr o b o to f e x o s k e l e t o nu p p e rl i m ba n di t ss i m u l a t i o n t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n ti nt h er e h a b i l i t a t i o nr o b o to f e x o s k e l e t o nu p p e r l i m ba 1 ei n 缸d i l u c e ds t a t u si nt h i se s s a y , t h ee x i s t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e da n d i t s d e v e l o p m e n tp r o s p e c ta r e d e s c r i b e da sw e l l b a s eo nt h ea n a l y s i so ft h em e t h o d sf o ru p p e r l i n l br e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g ，t h e o v e r a l lc o n t r o ls t r a t e g yo ft h e r e h a b i l i t a t i o nr o b o to f e x o s k e l e t o nu p p e rl i m bi sd e t e r m i n e d ，w h i c hi n c l u d e st h es e l e c r t i o no fs e r v oc o n t r o ls y s t e m ， a n ds e l e c t sm er e l a t i o n a lh a r d w a r el i k es e r v oc o n t r o l l e ra n dt h ed e t e r m i n a t i o no f t h es o f f w a r e c o n t r o ls t r a t e g yo fh o s t - c o m p u t e r k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h er e h a b i l i t a t i o nr i a b o to f e x o s k e l e t o nu p p e rl i m b a r em a d ew i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o n t og e ti t sk i n e m a t i ca n dd y n a i n l cd a t a , a n a l y z i n gt h er o b o tw o r ks p a c ea n dt y p i c a lt r a j e c t o r y o ft h ep a t i e n t si nt h er e h a b i l i t 乱i o n p r o c e s so nt h i sb a s i s ap c b a s e dr e l a yl o g i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt o ：r e a l i z e t h el o g i cc o n t r o lo ft h e p o w e rs u p p l ys y s t e m o ft h er e h a b i l i t a t i o nr o b o to fe x o s k e l e t o nu p p e rl i m b , m e 趾w h l l e i n 矗a r e ds e c u r i t ys y s t e m sa n dp cr e l a ys e c u r i t ys y s t e m s a r ep r o v i d e d a f t e rf i n i s h i n gt h e d e s i g no ft h ec i r c u i t ，al o g i c s i m u l a t i o np r o g r a mi sb u i l d1 b y t h es t a t e l o wt o o l b o xmt h e s i m u l i n k ，肌do b s e r v e st h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n e dc i r c u i ti nt h es i m u l a t i o ne n v i r o 眦e n t t oc h o o s et h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t s i n 也em i c r o s o f t s u a lc + + - 6 0s o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e m o ft h er e h a b i l i t a t i o nr o b o to fu p p e r l i m bh a sb e e nf i n i s h e d ，w h i c hc a na c h i e v et h es i n g l ej 0 1 m m u l t i i o i n tc o n t r 0 1 ，t r a j e c t o r yt e a c h i n g c o n t r o l ， a c t i v ec o n t r o la n dp o w e r 如l d a t a b a s e m a n a g e m e n tf u n c t i o n ， k e vw o r d s ：e x o s k e l e t o n ；t h eu p p e r - l i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o | c ；d y n a m i c s ；s y s t e m s o t t w 盯e 第1 章绪论 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 i i i i 宣i i i i i i 肓i i i i i i i 宣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 i i i i i i i i i i i i i 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究目的、意义 中风病是中老年间的高发病症，我国是世界高发地区之一，中风病又称脑血管意外 或脑卒中，在幸存者中有7 0 8 0 的患者都患有偏瘫症状或上肢功能损伤等病症。中 风病正在向年轻化发展在，同时随着科技进步和人民生活水平的提高，老龄化在世界发 达国家如美国，俄罗斯等尤为严重，我国这几年老龄化的程度也在加剧，据国家卫生部 统计，2 0 0 6 年我国疾病死亡率最高的是脑卒中风 1 - 2 o 对于留下偏瘫症状的患者，临床 研究表明，偏瘫早期的康复治疗能够有效的恢复损失的运动机能，重塑大脑运动区神经， 这些都为机器人上肢辅助康复技术提供了重要的医学依据p 卅。 对于上肢功能障碍的康复治疗，坚持长期有效的科学治疗是非常重要的，但是传统 的康复训练是治疗师徒手进行的，这样的方式很难保证患者治疗的有效性，当然治疗师 的缺乏和人工治疗的成本对于很多家庭是很难承受的，而且康复训练过程中没有客观的 观察数据睁羽，患者也可能产生抵触情绪。因此，为了解决这些传统康复训练的问题，研 究具有安全性高、运行可靠、分析能力强的机器人辅助康复训练技术显得尤为重要。 对于我们国家来说，上肢功能损伤的残疾人数量巨大，发展社区医疗服务已经成为 国家医疗发展的主要趋势。研发有效的康复机器人，不仅能够提升我国康复技术领域的 科研技术水平，缩小同先进技术国家的差距。与此同时，自主产权的康复机器人能够以 低廉的价格被广泛的在医院和社区为残疾人这个特殊的群体服务。因此，研发面向残疾 人的康复先进设备，尤其是上肢康复机器人，对于降低康复机器人的成本、提高国家科 技水平，缓解康复医师的压力、带给残疾人更多的康复机会都具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状及分析 康复机器人的研究开发改善了单纯依靠医师手把手对患者进行康复训练的状况，提 高了康复训练的效率和康复训练的效果。在康复训练机器人研究方面，欧美日本m 等先 进国家的重视意识比较早，通过这些年的科研努力，许多科研机构和医疗单位都取得了 相当的研究成果嘲，甚至已经产品化。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 国外发展现状 2 0 世纪九十年代末开始至今，美国的h o g a n 和k r e b s 等研制了一款名为 m i t - m a n u s 的脑神经康复机器人p 10 1 ，机器人采用s c a r a 的机构形式，并不断扩展其 功能，已经成为一部成功的商用康复设备。到现在为止，该机器人的机械部分包括了三 个模块，如图1 1 所示：平面模块，手腕模块和手部模块，依次串联，能够实现患者的 肩关2 声、肘关节和腕部在水平和竖直平面内的运动。同时机器人系统能够提供不同的康 复训练模式：被动训练、主动训练、阻抗训练、助力模式等，同时在不断的研究中，机 器人系统能够实现将康复训练的情况通过电脑屏幕显示的方式作为视频反馈给患者，这 样极灭的激发了患者的康复兴趣和主动康复意识。同时在近几年的研究开发中，研究人 员将 n t e m e t t 1 叫网络技术引进到m i t - m a n u s 康复机器人系统当中，这样实现了机器人 的远程监控和医师的远程治疗模式。近期研制的机器人如图1 2 所示。 图1 1m i t - m a n u s 机器人 图1 2 改进后的m i t - m a n u s 1 9 9 9 年c o z e n sj a l a s t a i r 设计了一套肘关节单关节康复装置n5 1 ，如图1 3 所示，该装 置跟随支撑臂前方的闪烁灯执行1 0 - - - 8 0 度的肘关节屈伸运动。系统通过角度和加速度 测量的反馈，根据控制法则对固定在支撑臂的患肢运动进行控制，最后给出康复训练的 效果评估。 虱1 3 单自由度肘部康复器 图1 4m i m e 的系列康复机器人 第1 章绪论 2 0 0 0 年，美国斯坦福大学研究人员使用p u m a 5 6 0 作为基础研制成功了名为m i m e 1 6 1 ( r a i r r o r - i m a g em o t i o ne n a b l e ) 的上肢康复机器人。该机器人可以实现辅助患者完成上肢功 能的镜像运动，系统同时采集健侧上肢的运动轨迹，在患者的患侧实现镜像运动，忠侧 的运动是同时p u m a 工业机器人带动患肢实现的。机器人系统在健侧运动时，通过传 感器和光电编码器记录轨迹，通过控制系统将数据传给工业机器人，同时机器人实现了 不同的训练模式：主动、被动、助力和阻力四种模式。实验研究表明，经过上肢康复训 练的患者，上肢运动功能明显改善，运动范围明显扩大，力量增加。但是该机器人使用 工业机器人作为基础，患者的安全受到威胁，因此在机器人改善结构上增加了六轴力传 感器、快速连接断开机构、过载传感器等安全控制系统，如当运动阻力超过运动设定值 时，机器人停止动作。 2 0 0 0 年r e i n k e n s m e y e r 等将其研制的用来测定患者上肢活动空间的辅助装置和测量 向导a r m - - g u i d e n 钉( a s s i s t e dr e h a b i l i t a t i o na n dm e a s u r e m e n tg u i d e ) 改进，如图1 5 所示， 在实现了上肢辅助治疗的同时能够测量患者的上肢运动功能。康复训练过程中，患肢被 固定在夹板上，通过电机的驱动，沿直线导轨运动，同时直线导轨的空间角度可调，这 样就实现了上肢的大范围的康复运动。但这种设备由于直线导轨的限制，康复训练方式 比较单一，无法取得更多样的运动方式，无法进行深入的研究。 图1 5a r m - - - g u i d e 康复装置 图1 6a r m i n 外骨骼机器人 2 0 0 5 年，一款新型的上肢康复机器人删i n 卿u 在瑞：士苏黎世大学的n e f 等研制成 功，它采用半外骨骼式的结构，有六个自由度，如图1 6 所示，每个自由度都安装了位 置传感器，机器人能够实现肩关节的空间运动和肘关节的屈伸运动，可以模仿人体上肢 的日常生活动作，可以用于临床上上肢损伤患者康复训练，考虑了肩部的安装误差对人 体关节带来的压力，该机器人采用了半外骨骼的结构形式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 宣i 高i i i i i 宣i 置宣i 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 i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 了本的t o s h i r on o r i t s u g u 等人设计了一个两自由度的治疗型上肢康复机器人，实现 了肩关节和肘关节的屈伸运动，它是利用橡胶仿制人造肌肉，如图1 所示。同时机器 人采用了阻抗控制的方法来实现不同的治疗模式。此外，该机器人管理系统将人体手臂 的机械阻抗作为患者康复训练效果的评估标准，这样更加有效的观察到了患者当前的身 体患肢健康状态p 2 1 。 ：自由度上肢康复机器人e m u l 伫3 埘1 是日本大阪大学研究的，该机：器人结构简单， 如图1 8 所示，但是机器人控制系统实现了虚拟现实技术，这样有益增加患者的康复训 练兴趣，同时考虑机器人对患者的安全性要求，机器人对关节速度、关节作用力、关节 幅值和重力补偿都做了限幅。e m u l 机器人系统还实现了主动和被动两种康复训练模 式，极大的发挥了简单机构的作用，做到了实用。 图1 7 橡胶人造肌肉机器人图1 8e m u l 机器人 2 0 0 7 年英国l e e d s 大学通过l i b v i e w 控制双重机器人系引2 5 1 ( i p a m ，i n t e l l i g e n t p n e u m a t i cr t t nm o v e m e n t ) ，向由于中风而导致上肢运动残障的病人提供重复的运动治 疗。如图1 9 所示。患者的前臂和大臂通过两个机械臂牵引，完成手臂在空间的自由运 动，实现了多关节复合运动。机器人系统的两个机械臂通过气动元件驱动，检测系统能 够检讽机器人和患肢之间的作用力和关节的活动度，这些都可以作为患者的康复效果评 估，同时系统提供的辅助力可以通过控制系统进行调节。 鹰j1 9i p a m 双机器人系统 图1 1 0h o c o m a 公司上肢康复机器人 4 第l 章绪论 i i i i i i i i i i i i i i i i i i 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 宣i i 萱i i 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 i i 瑞士公司h o c o m a 研制的外骨骼上肢康复机器人如图1 1 0 所示，系统通过有趣的游 戏，最大限度的激发了患者的康复意识，取得了很好的训练效果。 2 0 0 8 年由意大利t e c n o b o d y 公司研制的上肢多关节复合运动系统( m u l t i j o i n t s y s t e m ) 问世，系统如图1 1 1 所示。该系统可提供上肢屈伸( 上举0 0 一1 8 0 0 ) 、收展 ( o o _ 1 8 0 0 ) 、内旋- 夕 旋( 9 0 0 一+ 2 0 0 ) 、水平屈伸( 4 5 0 一卜1 2 0 0 ) 等4 个自由度的运动。 利用拇指按钮可控制运动形式为主动、去重力、抗阻力的等张运动。拇指按钮也可标记 各运动方向的痛点在运动轨迹图中，以便医生在治疗方案中确定患者的无痛治疗范围并 了解治疗的进展。在不同的运动方向提供了不同大小的阻：力控制，屈伸5 0 n m 1 0 0 p s i 、 上举5 0 n m 1 0 0 p s i 、内旋- 夕 、旋3 0 n m 1 0 0 p s i 。 图1 1l t e c n o b o d y 上肢康复系统 此外关于其他上肢康复训练机器人还有：r e h a r o b 瞄7 1 以及华盛顿大学设计的 7 d o f 上肢外骨架装置口8 2 卅等。 1 2 2 国内发展现状 在国内，上肢康复机器人也普遍受到各个机构的重视，尤其是高校科研单位，但是 并没有实现智能化，只是简易型的器械。 目前，国内的部分高校，如清华，上海交大等，已经研制开发了较为成型的康复机 器人样机，并进行了大量的实验性研究，但都没有用于临床实验，缺乏合理的康复评估 策略。清华大学胡宇川、季林红等人从2 0 0 0 年开始在国家基金的支撑下开始研究辅助 神经康复技术，已经研制成功的上肢康复训练机器人主要是针对偏瘫患者的 3 0 - - 3 3 ) 如图 1 1 2 所示，机器人实现了上肢多功能的训练模式，并且能：够对康复训练效果进行评估， 给出评估结果，因此能够满足患者对于上肢多关节大范围等的复合康复训练，同时也能 够满足临床的需求。机器人的手臂支撑部分可以由患者自主选择，这样可以充分发其患 哈尔滨工程大学硕士学位论文 肢的残余功能。 图1 1 2 上肢复合运动康复训练机器人图1 1 3 夕 - 骨骼偏瘫上肢康复机器人系统 由哈尔滨工业大学机器人研究所的王东岩等人研发的上肢康复机器人系统。h 。5 1 ，如 图1 1 3 所示，包括了5 个自由度，通过外骨骼的形式，采用硬铝材质实现了机器人本体， 通过 体肌电信号，关节角度变量等实现机器人神经网络控制和关节位援控制。 售。湾国立成功大学m i n g s h a u n gj u ，c h o u - c h i n gk l i n 等人研制了一种仿人手臂的 康复训练机器人口引，机器人通过控制手腕的运动轨迹，即实现直线或圆的运动，来达到 对患者康复训练的目的，主要是实现了肩关节内收外展运动和肘关节屈伸运动，同时机 器人系统的控制器采用了模糊逻辑的力位置混合控制算法，实现了在运动轨迹过程中力 量的设定。 远程会诊技术已经发展的比较成熟，东南大学的王理研等人利用i n t e m e t 技术研制 了一科远程上肢康复训练机械臂p7 1 ，主要是针对上肢受伤和中风的病人，康复训练系统 通过i n t e m e t 远程控制，实现了机器人参数设定和图像视频的反馈，帮助病人和医生实 现了远程监控康复训练的效果，同时机器人康复训练系统能够实现对患者的主动和被动 两种康复模式。 由上海交通大学康复工程研究所和c a d 模具联合中心共同开发的适用于上肢康复 的f e s 附件外骨骼康复机器人雏形已经研制完成，如图1 1 4 所示。 图1 1 4 上肢康复机器人雏形 图1 1 5 手臂康复训练机器人 第1 苹绪论 萱i i i i i 宣i 眚青i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 萱i i 宣i 萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 哈尔滨工程大学机电一体化实验室多年来一直致二i ) 于研究人体康复技术，已经设计 研发了多款康复机器人，包括了智能手部训练器、下肢康复训练机器人、承担国家8 6 3 项目的多功能智能助行机器人等。图1 1 5 所示为手臂康复训练机器人口引，能够实现在带 动患者手臂在空间的运动，在康复训练的过程中，能够采集人体和机器人各自及相互作 用的信息，从而保证了康复训练的最佳效果。 同高校的科研实验室不一样的是，国内一些医疗康复：器械公司已经将一些产品推向 市场，但也都是一些简单的器械，智能化程度很低。 总体来说国内上肢康复训练器械或机器人相对于国外技术来说，智能化程度不高， 缺乏临床经验，或者是很难达到应用的程度。 1 2 3 上肢康复机器人的发展前景 上肢康复机器人经过多年的研究发展，都实现了一定| 的康复训练功能，能够为患者 提供一定程度上的康复训练，具有定的疗效。但是还存在着一定的问题，在今后的研 究中，研究方向可能应该集中在p9 1 ： 1 安全问题：上肢康复机器人不仅要能够实现对患者的康复训练的要求，而且要能保 证患者在康复训练过程中的安全性，位置保护和力保护，防止康复机器人对患者造 成二次伤害，通常安全性要从硬件和软件两方面考虑，硬件包括了机械结构和硬件 电路的安全性，软件方面则是通过检测和合理的逻辑要求来实现安全性。 2 训练模式的多样性：康复训练模式的多样性应该能够实现多种复合运动，实现简单 的日常生活动作的训练，同时实现康复训练的轨迹学习功能，这些不仅能够让患者 找回正确的运动感觉，增强患者的兴趣和自信心，同时多样的康复训练模式还能够 让医生为患者制定出符合病情和不同恢复期的康复疗程。 3 力反馈：对于偏瘫患者，关节存在着很大的肌张力，如果在康复运动初期，不对患 者和机器人之间的作用力进行检测，很容易造成患者的二次伤害，同时检测互相作 用力能够为患者主动运动提供参数，主动运动能够激发患者的康复信心。 4 康复效果的评价机制：目前临床上主要依靠康复医师主观的判断对患者的康复效果 进行粗糙量的打分评价，现有的康复机器人系统也有采用运动过程中的关节活动度， 关节变化趋势等对患者运动进行量化评价。现有的方：法是否能够有效的评价康复效 果，仍有待考察，因此，进一步完善康复评估机制显得尤为重要。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 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 i i i i i i i 1 3 上肢康复训练机器人的控制方法 在康复训练过程中，患者的主动参与意识对于偏瘫患者的运动机能恢复起着非常重 要的作用p 0 1 。随着科学技术的不断进步，可以通过先进的控制和测试技术实现患者主动 意识的提取和激发，并将其引入控制系统，这也是康复机器人的控制研究的难点之一卜“。 上肢康复训练机器人是一种辅助患者上肢功能康复的一种器械，它要与患者一起组 成上肢康复系统。对于患者在不同康复期和不同程度的病情，合适控制策略对于康复训 练效果起到了很关键的作用，因此，对于上肢康复训练机器人，它和传统的机器人在控 制方面是不同的，它要在保证患者安全和稳定的控制性能的前提下，应该能够满足多种 的训练模式，提供康复训练的多样性。上肢康复的训练模式和机器人的控制技术的对应 关系可以用如图1 1 6 所示表示。 图1 1 6 机器人控制策略 圈 恻 机器人控制的方法有很多，如有自适应控制、阻抗控制、位置速度反馈以及j 力反馈 等。但总体上来说可以将机器人的控制分为受限运动和自由运动，判别的方式为患肢的 末端是否和机器人的末端发生接触。对于不受约束的自由运动，也可以将其称为! 轨迹跟 踪，要求能够按照给定的轨迹在合理的误差下平稳的运行，这种方式是需要采用位置及 速度控制。同传统的机器人控制方式一样，轨迹跟踪控制可以根据控制方式的不同分为 p t p 和c p 控制：p t p ( p o i n t t op o i n t ) ，即点到点的运动方式，机器人可以有多样的方式 运动到给定点，其运动的轨迹过程是不被关心的；c p ( c o n t i n u e dp o i n t ) ，即连续运动控 制，控制过程中要考虑机器人对于整个给定轨迹的跟踪情况。 计算机技术的不断发展，复杂算法的计算机实现已经变的简单，因此为了能够增加 上肢康复机器人的智能性以及系统的安全性和柔顺性，机器人控制系统可以混合阻抗控 制、模糊控制、鲁棒等先进控制技术，同时可以利用虚拟现实技术增加机器人的趣味性。 总之，先进的测试技术和控制策略，以及友好的人机程序界面等功能的不断完善将 充分发挥患者的主动意识，让患者在愉悦的心情下完成康复训练过程。 第1 章绪论 1 4 主要完成工作 本课题的研究对象是外骨骼上肢康复机器人，主要完成控制系统设计和训练模式的 实现，以及各种仿真实验研究。 1 上肢康复机器人总体控制方案设计 分析了上肢功能康复常用的医学训练方法，对控制系统方案提出了几点要求，完成 了上位机控制系统方案并完成硬件设备的选择，包括了伺服设备和检测设备等，并完成 总体控制方案框图，在其基础上对安全性设计进行了分析。 2 上肢康复机器人运动学和动力学分析 对上肢康复机器人运动学模型进行数学分析，建立了基于s i m u l i n k 正逆运动学仿真 模型，对机器人的工作空间和典型轨迹进行了分析，并通过建立s e m m e c h a n i c s 机构仿 真模型，完成对上肢康复机器人的动力学分析。 3 p c 主控逻辑设计及仿真 完成了上肢康复机器人电气控制原理电路设计，并通过m a t l a b 中的s t a t e f l o w 工具 箱完成了对电气控制逻辑的仿真，验证了电路设计的：确性，选择电气元件，完成主控 逻辑。 4 上肢康复机器人的上位机软件功能实现 通过v i s u a lc + + 完成了实现了上肢康复机器人的人机交互界面和机器人控制功能， 包括了单关节训练，示教轨迹和主动训练等模式。 5 实验研究及上肢康复机器人功能测试 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章总体控制方案设计 外骨骼上肢康复机器人在运行时直接与人接触，在设计总体方案时，除了要符合人 体上胺运动规律，保证控制精度以外，还要考虑保证安全性、稳定性等。外骨骼上肢康 复机器人由机械本体和控制系统组成，机械本体包括了手臂关节、机器人骨架和座椅等。 控制系统包括上下位机控制及电源控制系统。上位机完成算法的实现和信号的采集，下 位机通过功率驱动实现关节运动控制。 2 1 机器人机械结构简介 外骨骼上肢康复机器人包括了四个转动关节、一个升降平台、三个力传感器。转动 关节分别实现了肩关节屈伸、肩关节内收外展、肘关节屈伸和手腕的屈伸运动；升降平 台实现了整个手臂结构的高度调节；传感器实现机器人运动过程中人体大臂、小臂和手 腕的受力检测，机械实体如图2 1 所示。 图2 1 机械实体 四个关节都选择了有刷直流伺服电机，如图2 2 所示，有刷直流电机成本低：结构 简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便( 换碳刷) ，产生 电磁干扰，因此对使用环境有要求低。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场 合。 第2 章总体控制方案设计 蠢 图2 25 0 s y x 系列电机 新宽s y x 系列电机同轴可以和测速发电机、编码器、减速器( 行星减速器) 等连接， 能够实现客户对位置、速度和刹车控制等不同要求。该系列电机具有伺服电机的高精度 控制性能和普通电机连续运行的性能，有较大过载能力，低输出大扭矩，低速性能好， 快速响应好的特性等。 表2 1 电机参数 肩关节内收外展肩关节屈伸肘关节屈伸腕关节屈伸 规格型号 5 0 s y x 0 3 定制 5 0 s y x 0 55 0 0 额定功率k w 0 0 40 0 70 0 6 额定转矩n m 0 20 50 3 额定转速f f m i n 2 0 0 02 0 0 0：2 0 0 05 0 额定电压v 2 42 42 42 4 额定电流a 2 564o 3 1 峰值转矩n m 0 6 4 0 65 8 8 电枢电阻q 2 50 72 9 电枢电感m l t 1 372 转动惯量 1 8 61 4 52 0 4 时间常数m s 7 71 0 99 6 2 2 上肢功能训练方法 表2 2 各关节单独运动动作名称及运动范围列表 关节动作名称 其他关节位置要求动作范围 肩关节屈伸手臂自然下垂 3 5o 1 8 0 。 肩关节内收、外展肘关节处于0 位( 伸展状态) 3 5 。1 8 0 。 大臂上摆9 0 度为起始位置 肘关节屈伸运动大臂上摆9 0 度为起始位置 o 。1 3 5 。 腕关节背伸、掌屈运动肘关节屈曲9 0 。 7 0 。一7 0 。 0 。- - 6 0 。( 上) 掌指关节屈伸运动肘关节屈曲9 0 。 0 。 9 0 。( 中) 0 。9 0 。( 下) 详细描述及图解m 1 如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 、肩关节屈曲运动 护理人员一手扶住患侧肘关节，使患侧肘关节处于伸展位，另一只手扶住患侧腕关 节，使患侧腕关节处于中间位，患侧手指伸展位。将患者患侧肩关节上举至正常的1 8 0 度，当达到最大屈曲状态时停止被动运动，然后还原到开始的肩关节伸展位。若迟缓性 瘫痪时，患侧肩关节被动屈曲进行到正常的一半即可。有时为防止肩关= 审半脱位，护理 人员的一手固定患侧肩胛骨，另一手握其前臂令患侧上肢上举，在换侧上肢上举时，固 定肩胛骨的手可同时轻轻按压肱骨头在肩关节窝内转动。 2 、肩关节外展运动 预备工作与肩关节屈曲运动相同，被动外展患侧关节至9 0 。，然后还原到开始的位 置。力了防止肩关节半脱位，护理人员也可用一手抓住患侧肩胛骨缓缓向上、前：疗移动， 同时另一手使患侧上肢外展。 3 肘关节屈伸运动 慰者患侧上肢自然位，护理人员一手扶住患侧肘关节，另一手握住患侧腕关节，被 动屈曲患肘关节至最大屈曲位，然后还原，但应注意，在肘关节屈伸运动前，须先检查 肱二头肌、肱三头肌有否痉挛，若存在痉挛，则要先轻轻按摩局部，肌肉放松后再做上 述运动。 4 ，腕关节的屈伸运动 恁者患侧肘关节屈曲9 0 。，护理人员一手固定于前臂近腕关节处，另一手扶握掌指 关节必，被动屈曲、伸展活动患侧腕关节和被动尺侧偏和桡侧偏活动患侧腕关节。 5 、掌指关节屈伸运动 患者患侧肘关节窟曲9 0 。，护理人员一手固定于患腕关节，另一手扶握于患侧手指， 进行充分的被动掌指关节屈伸训练，同时还应进行近端、远端指问关节的屈伸运动。 气j参譬熏 z 。蕊? ；繁罴 纂霉筻一一糍 图2 3 上肢功能康复训练方法图解 1 2 鹂霸礤褥撩罐臻黼燧碰静雠鹩鹱瓣鞣糕链案，辘瓣翁 c 糍黛饕翦篾羔麓篾凳辫掰辫黼蕤譬 日e r 鲑 一 。州 一 一 九。 惫鹦一 第2 章总体控制方案设计 i i i i i i i i i i i i i 苗宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i 宣i 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 i i i i i i 宣i 2 3 控制方案的设计要求 外骨骼上肢康复机器人要能够替代康复训练师完成各种康复动作，而不受体力、情 绪的影响，只要设定了康复程序，机器人能够按时按质的完成康复训练。同时，要能够 在上位机强大的功能中，能够便于让操作医师创建更加合适的训练动作，对于患者的长 期康复数据要能够进行效果评估。因此，对控制系统设计提出了一下要求h 3 1 ： ( 1 )康复训练功能要求。a 单关节训练：能够实现各关节单独运动，并能够调节 运动范围和病人能够承受的力，医师常用的单关节训练如图2 3 所示。b 多关节训练： 同时选择经典轨迹或者医生添加的轨迹，设定时间和病人能够承受的力量，实现多关节 的康复运动。c 主动运动：在主动训练模式下，控制系统，险测患者主动施加给机器人的 力，通过力的大小控制机器人的运动，从而充分发挥患者的主动意识，当然，主动训练 是在病人有一定的运动能力下才能进行的康复训练。 ( 2 )安全功能要求。在康复训练时，上肢康复机器人与患者之间直接接触，对于 偏瘫患者已经失去了上肢的运动能力，有的甚至失去了下肢的运动能力，所以对于机器 人的安全要求更加严格。对于该外骨骼机器人，从以下方面提出了安全方案。 a 机械结构安全设计：康复机械臂本体各关节都需要设计机械硬限位模块。 b 软件安全设计：上位机能够防止用户的非法操作，即操作安全；机器人运动轨 迹的工作空间安全区检测及控制；上位机行程开关的检测，与电控系统配合使用；上下 位机的通讯异常安全处理；关节受力安全检测及处理。 c 下位机安全设计：下位机软件行程开关检测，驱动使能信号保护；硬件电流检 测，驱动使能信号保护；运行异常检测( 失控，控制量过大，速度限制) ，驱动使能信号 保护；正常运行指示功能( 闪烁指示灯) 。 d 电控系统安全设计：当以上安全方案都出现故障或者整个系统出现别的以外情 况的时候，可以从电控逻辑系统直接控制机器人断电，实现安全的要求。主要包括了防 止临时断电后系统自动启动；超出工作范围，切断功率电源停机；加电、断电顺序控制 世 i 手0 ( 3 ) 数据处理分析功能要求。传统意义上的康复训练是康复医师的主观意识进行训 练的，没有对病人的康复效果进行在数据层面上的分析。同时现有康复设备大部分也是只 能完成简单关节运动，并没有对病人的康复信息进行分析。因此对该控制系统提出了新的 功能，即数据处理分析功能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 总体控制方案设计 夕 骨骼上肢康复机器人有四个独立的关节，每个关节都有一套独立的驱动：机构实 现。由于机器人不仅要实现各种康复训练功能，而且需要有对患者的训练过程进行记录、 分析、评估的功能；机器人还需要具有一定的轨迹学习能力；同时，为了给操作者提供 更好的操作便利，机器人还应该具有良好的人机交互功能。因此，这对上位机提出了很 高的要求，应具有庞大的数据处理能力和运算能力，同时人机交互任务繁重，所以采用 工控计算机作为主控计算机，实现上位机功能。主控计算机还要负担起系统监控、作业 管理、实时插补任务，运算工作量大，数据多。 常用的控制方案有两种：分散控制和集中控制h 4 1 。 1 分散控制。是指对每个关节进行独立的算法计算，通过上位机对各个关节的运 动进行调度。通过四个下位机实现各关节的驱动和信号采集，要求每个下位机有很好的 实时通讯能力( 串口通信，c a n 总线等) 、有p w m 输出接口和编码器信号采集接口等。 上位机实现数据运算、插值、关节调度、通讯和人机交互等功能。 2 集中控制。是指通过一个强大的处理器承担所有的控制算法，即四路电；饥同时 控制，四路闭环都通过一个处理器实现。这样就要求这个处理器具有丰富的接口，特别 是p w m 输出和编码器接口。这种方法的优点是：集成度高，上下位机通讯压力小，可 靠性高等。缺点是：对下位机处理器的要求较高，控制逻辑复杂，容易混乱等。 这里我们选择了分散控制的方式，上位机采用多串口的模式和各个下位机系统进行 通讯，这样的优点是系统逻辑简单，软件易于实现，同时当出现故障时易于检测维修。 图2 4 总体控制框图 1 4 第2 章总体控制方案设计 i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i j i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 宣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 i i i i i i i i i i i i i i 总体控制方案如图2 4 所示，上位机主要承担了以下功能：1 四个串口，分别与四 个下位机通讯；2 增加了i o 接1 3 卡，与继电器逻辑控制结合做安全监控( 关节极限位置、 过载) ；3 通过4 串口向下位机实时发送关节位置指令；4 通过4 串口反馈关节位置信息； 5 初始化位置标定。下位机具有以下功能：1 单片机，驱动板一体化结构；2 单路位置闭 环控制；3 通过串口实时接收关节位置信息指令，反馈关节位置信息；4 电流检测、机 械位置检测及安全监控。这样的控制方案有以下优点：1 四个下位单片机伺服控制器有 相同硬件结构，结构相对简单，软件量小；2 比较可靠，可维修性好，可扩展性好：3 上位机用串i = 1 与下位机点到点通讯( 节省通讯时间) ，通讯压力小。 2 4 1 上位机控制系统分析设计 1 上位机采集量和控制量分析及硬件选择 机器人手臂四个关节分别由四个下位机控制；每个关节安装有两个个霍尔开关；在 大臂、小臂、手腕处安装有力传感器；上位机同时还控制下位机的供电逻辑。综上可得 控制量，采集量如表所示。 表2 3 控制量、采集量分析 控制量、采集量硬件需要 上下位机串口通讯至少四路的串口卡 四个关节共八个霍尔开关数字量采集卡 四路力传感器信号模拟量采集卡 下位机供电逻辑控制 数字量输出卡 ( 1 ) 隔离型i o 接口+ 隔离型a d 接口卡a 一8 1 2 p g a 8 1 2 p g 是用于p c 机的1 2 位多功能模拟量、数字量i o 卡。a - 8 1 2 p g 提供1 6 个单 端输入通道和2 个1 2 位的模拟量输出通道。此外a 8 1 2 p g 还有1 6 个数字量输入、1 6 个数字量输出通道，一个计时计数器通道。a 8 1 2 p g 可提供的增益为1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 。 它的最大采样速率为6 5 k 。d m a 运行可跳线选择级别1 或3 。中断可跳线选择3 到1 5 。 a 8 1 2 p g 板卡如图2 4 所示。和a 8 1 2 p g 一起选配的端子板：有d b - 1 6 p 和d b - 1 6 r ，d b 一1 6 p 是1 6 通道带隔离的数字输入板；d b 1 6 r 是1