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行走辅助训练机器人研究 摘要 行走辅助i ) l i 练机器人是一种能够帮助具有运动功能障碍患者和老年人进行辅助行 走的康复训练设备，在控制下肢髋关节、膝关节运动符合正常步态的同时，控制骨盆的 运动规律，并与下肢步态相协调，从而实现训练者自身平衡功能，达到更好的助行训练 目标。研究行走辅助训练机器人对开展康复训练技术、提高患者和老年人的生活质量具 有重要意义，也符合国家中长期科学和技术发展规划纲要要求。 本文在“8 6 3 ”重点课题“多功能助行康复机器人”项目资助下，针对行走辅助训 练机器人的结构、系统机构学特性和控制策略进行了理论分析和仿真研究，并研制了行 走辅助训练机器人实验样机，基于d s p a c e 半物理仿真平台对机器人进行了实验研究。 在综合分析了国内外有关下肢康复训练机器人和骨盆运动控制机器人技术的基础 上，提出了一种行走辅助训练机器人，该机器人包括串并联欠驱动骨盆运动控制机构和 绳索牵引下肢运动控制机构，能够实现下肢髋关节、膝关节运动控制和骨盆运动控制， 且允许训练者的主动性运动，使机器人更好地满足训练安全性要求。 针对骨盆运动控制机构，通过建立完全驱动情况下的系统运动学模型，规划操作端 运动轨迹，并对欠驱动情况下的控制输出进行精度分析。在此基础上分析了机构惯性对 驱动特性的影响，规划了期望轨迹下的驱动力矩，仿真研究了对中约束弹簧刚度和预紧 力对骨盆运动特性的影响。针对下肢运动控制机构，利用影响系数法分析了绳索运行速 度、加速度与髋关节、膝关节运行速度、加速度之间的映射关系，并通过机构仿真手段 规划了期望轨迹的绳索运动输出；利用约束法建立了系统力螺旋平衡方程，基于达朗伯 原理分析了系统动力学特性，通过广义逆求得绳索拉力解，为驱动电机选择和驱动特性 实验提供依据。 考虑行走辅助训练机器人是多输入多输出非线性系统，且具有强耦合的动力学特 性。在分析鲁棒跟踪控制策略特点基础上，提出鲁棒跟踪控制策略实现对行走辅助训练 机器人的跟踪控制。由于行走辅助训练机器人下肢运动运动控制系统模型的建模的不准 确和受到外界干扰，将行走辅助训练机器人控制系统考虑为一类不确定性线性系统，将 系统的不确定性假设满足广义的匹配条件，在此基础上设计鲁棒跟踪控制器。通过对下 肢运动控制机构的轨迹鲁棒跟踪控制仿真，分析了系统控制精度，证明了鲁棒跟踪控制 策略的可行性。 根据行走辅助训练机器人结构方案，研制了行走辅助训练机器人实验样机。以 啥尔滨工程大学博士学位论文 d s p a c e 半物理仿真平台作为控制系统的上位机，对骨盆运动控制机构进行了电动缸实 验、系统标定实验，在此基础上对系统控制实验进行了详细的分析：对下肢运动控制机 构在确定控制器参数基础上，进行了各种单项实验和步态轨迹跟踪实验。实验结果表明 行走辅助训练机器人整体性能满足实际应用要求。 关键词：助行；康复机器人；运动规划；动力学；鲁棒控制 行走辅助训练机器人研究 a b s t r a c t w a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o ti sa k i n do fr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n ge q u i p m e n t ，w h i c hc a na s s i s t p a t i e n t sw i t hm o t o rd y s f u n c t i o na n de l d e r l yp e o p l et ow a l k i tc a i lc o n t r o lt h em o t i o no fp e l v i s a n dc o o r d i n a t e 、析t l ll o w e rl i m b s g a i tw h i l em a k i n gh i po rk n e em o t i o nc o o r d i n a t ew i t h n o r m a lg a i t ，t h e r e b yt h es e l f - b a l a n c eo ft r a i n e ec a nb ea c h e i v e da n dt h et r a i n i n gg o a lc a nb e r e a l i z e d t h es t u d yo nw a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pr e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n gt e c h n o l o g ya n di m p r o v et h el i f eq u a l i t yo fp a t i e n ta n de l d e r l yp e o p l e ，m e a n w h i l e ，i ti s a l s oi na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h en a t i o n a ll o n g t e r mp l a nf o rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t s u p p o r t e db yt h ep r o j e c t “m u l t i f u n c t i o n a lw a l k i n ga i dr e h a b i l i t a t i o nr o b o t ”，w h i c hi s o n eo ft h e8 6 3k e y p r o j e c t s ，t h i sd i s s e r t a t i o nt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e sa n ds i m u l a t e st h es t r u c t u r e o fr o b o t ，t h ef e a t u r e so fs y s t e m a t i cm e c h a n i s ma n dc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e s ，m a n u f a c t u r e st h e p r o t o t y p e ，a n de x p e r i m e n t a l l ys t u d i e st h er o b o tb a s e do nd s p a c es e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o n p l a t f o r m ak i n do fw a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o ti sp u tf o r w a r db a s e do nt h er e v i e wa n da n a l y s i so f t e c h n o l o g i e sa b o u tl o w e rl i m br e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o ta n dp e l v i sm o t i o nc o n t r o lr o b o t b o t hh o m ea n da b r o a d t h i sr o b o ti n c l u d e ss e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o nu n d e r a c t u a t e dp e l v i s m o t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma n dr o p ep u l ll o w e rl i m bm o t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ，w h i c hc a n r e a l i z et h em o t i o nc o n t r o lo fl o w e rl i m bh i po rk n e ea n dp e l v i s ，a n da l l o wi n i t i a t i v em o v e m e n t o ft r a i n e et h a tb e t t e rf u l f i l l st h es e c u r i t yr e q u i r e m e n t so ft r a i n i n g f o rp e l v i sm o t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mac o m p l e t e l yd r i v e nk i n e m a t i c sm o d e li s e s t a b l i s h e d ，t h eo p e r a t i o nt r a j e c t o r yp l a n n e da n dt h ea c c u r a c yo fu n d e r a c t u a t e dc o n t r o lo u t p u t a n a l y z e d t h e nt h ee f f e c to fm e c h a n i s mi n e r t i ao nd r i v ep e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e d ，t h ed r i v i n g m o m e n to fe x p e c t e dt r a c kp l a n n e da n dt h ee f f e c to fc e n t r i n gc o n s t r a i n ts p r i n gs t i f f n e s sa n d p r e t i g h t e n i n gf o r c eo np e l v i s m o t i o ns i m u l a t e d f o rl o w e rl i m bc o n t r o lm e c h a n i s mt h e m a p p i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nr o p em o t i o ns p e e d a c c e l e r a t i o na n dh i po rk n e em o t i o n s p e e d a c c e l e r a t i o ni sa n a l y z e db yi n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm e t h o d ，a n dr o p em o t i o no u t p u to f e x p e c t e dt r a c ka l s op l a n n e db ym e c h a n i s ms i m u l a t i o n b yu s i n gr e s t r a i n tm e t h o ds y s t e m a t i c f o r c es p i r a lb a l a n c ee q u a t i o ni se s t a b l i s h e d b a s e do nd a l e m b e r t sp r i n c i p l es y s t e md y n a m i c p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d a n dr o p et e n s i o ns o l u t i o ni sa c q u i r e db yg e n e r a l i z e di n v e r s e 哈尔滨工程大学博士学位论文 a l g o r i t h m a l lt h ea b o v ep r o v i d e sb a s i sf o rt h ec h o i c eo fd r i v em o t o ra n dt h ed r i v e p e r f o r m a n c e t e s t c o n s i d e r i n gw a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o ti sam u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u tn o n l i n e a r s y s t e m ，a n dh a sas t r o n gc o u p l i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ea n a l y s i so fr o b u s tt r a c k i n g c o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，ar o b u s tt r a c k i n gc o n t r o ls t r a t e g yt o a c h i e v ew a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o tt r a c k i n gc o n t r 0 1 b e c a u s ew a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o tl o w e r l i m bm o t o rm o t i o nc o n t r o ls y s t e mm o d e l i n gi sn o ta c c u r a t ea n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e s ，t h e w a l k i n g a i dt r a i n i n gr o b o tc o n t r o ls y s t e mi sc o n s i d e r e df o rac l a s so fu n c e r t a i nl i n e a rs y s t e m s ， t h es y s t e mu n c e r t a i n t yh y p o t h e s i ss a t i s f i e sg e n e r a l i z e dm a t c h i n gc o n d i t i o n ，b a s e do nt h e d e s i g no fr o b u s tt r a c k i n gc o n t r o l l e r t h el o w e rl i m bm o t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mt r a c kr o b u s t t r a c k i n gc o n t r o ls i m u l a t i o n ，a n a l y s i so ft h ea c c u r a c yo ft h e c o n t r o ls y s t e m ，p r o v e dt h e f e a s i b i l i t yo fr o b u s tt r a c k i n gc o n t r o ls t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc o n c e p to fw a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o t ，t h ep r o t o t y p ei s m a n u f a c t u r e d t h eu p p e rc o m p u t e ro fc o n t r o ls y s t e mi sd s p a c es e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i o n p l a t f o r m ，w i t hw h i c he l e c t r i cc y l i n d e rt e s ta n ds y s t e mc a l i b r a t i o nt e s ta r ec a r r i e do u to np e l v i s m o t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ，a n ds y s t e mc o n t r o lt e s ti sa n a l y z e di nd e t a i l a v a r i e t yo f i n d i v i d u a lt e s t sa n dg a i tt r a j e c t o r yt r a c k i n gt e s ta r ec a r r i e do u to nl o w e rl i m bm o t i o nc o n t r o l m e c h a n i s ma f t e rt h ec o n f i r m a t i o no fc o n t r o l l e rp a r a m e t e r s t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo fw a l k i n ga i dt r a i n i n gr o b o tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a l u s e k e yw o r d s ：w a l k i n ga i d ；r e h a b i l i t a t i o nr o b o t ；m o t i o np l a n n i n g ；d y n a m i c s ；r o b u s tc o n t r o l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 重点课题资助项目：多功能助行 康复机器人( 2 0 0 8 a a 0 4 0 2 0 3 ) 。 1 2 课题的研究目的及意义 近年来由各种各样的疾病、自然灾害、交通事故等原因造成的肢体损伤人数剧增。 虽然现在采用医疗技术手段可以使患者得到最好的救助，降低患者的死亡率，但仍然很 大程度上给患者的肢体留下不同程度的后遗症，从而影响患者的生活质量，并给家庭和 社会带来不同程度的负担。医学理论和实践已经证明，对患者进行有效的康复训练，能 够提高或恢复患者的自身运动机能，防止运动肌肉的“废用性”萎缩和关节僵硬。然而大 多数患者由于肢体功能障碍或体力不足等方面原因，自身不能独立完成肢体的各种模式 训练，需要具有一定护理知识的护士或其他人实施有效帮助，从而增加了康复难度和护 理费用。同时由于训练方法不够科学或者训练量不足等原因，使得很多训练者错过了最 佳康复恢复时机，许多人因得不到有效的康复训练而逐渐丧失了肢体的活动能力，这给 患者和患者家属带来了巨大的痛苦和负担【1 1 。而进入2 1 世纪以来，随着人们物质生活水 平的不断提高，各种功能性障碍或残疾患者为了实现最大限度地生活自理，对康复医疗 设备提出了更高的要求，发展康复训练机器人己成为他们的迫切需要。 最新数据统计到2 0 0 9 年，我国老年人大约占总人口数的1 2 7 9 ，大约有1 6 2 亿， 表明我国以快速进入老龄化阶段，并且从2 0 1 0 年开始老年人口将年均增加8 0 0 万人至 9 0 0 万人的水平。预计到2 0 2 0 年，我国老龄化的水平基于2 0 0 9 年要提高4 个百分点， 达到1 7 ，约有2 4 8 亿。到本世纪中叶我国将进入重度老龄化阶段，约有3 0 的人口 处于老龄化【2 。】。老龄化问题是关系国计民生和国家长治久安的重大问题，近年来国家 高度重视。在老龄化的群体中还存在大量体弱病残及心脑血管患者，这类人多数伴有肢 体运动障碍 4 巧】。采用科学康复训练手段和辅助方法帮助老年人、伤残人提高身体素质 和恢复身体机能就越显重要，而且也有利于老年人的身心健康【6 j 。传统的训练方式存在 着其本身固有的缺点，很难保证康复训练的效率和强度，而且康复训练的医生水平高低 不同，导致受训者不能达到理想的康复训练效果。而康复训练机器人配有科学的控制方 法，并结合人机工程学设计，能够科学准确的为受训者进行康复训练。在我国，由于多 种原因使康复机器人的研发水平偏低，落后于西方发达国家。国内的康复训练器械主要 1 哈尔滨工程大学博士学位论文 为非动力型的机械装置，自动化程度很低。康复机器人的研究尚处于起步阶段，成果较 少，产品更少，且多数不适合于老年人使用。对高性价比、多功能的康复训练机器人的 研究和开发提出了迫切的需求。研发高性能康复机器人产品，对于增强老年人的体质、 健康水平，提高生活自理能力，使老年人和残疾人共享社会科技发展成果，促进社会和 谐具有重要意义。同时对于发展我国康复机器人产业，促进经济发展、扩大就业具有重 要意义。 国家在“十一五”期间就明确提出要自主研发适合我国国情的性价比高的助老、助残 机器人产品，以提高老龄群体中的患者及残疾人术后的生存质量 _ 7 1 。逐渐提高我国康复 训练机器入水平，满足老年人及残疾人在康复方面的需要，从而解除老年人和残疾人的 痛苦及家人的后顾之忧，以提高社会条件保障能力。预计在2 0 1 5 年实现我国“人人享有 康复服务”的国家战略目标。在四川汶川地震之后，又有诸多患者需要定点康复，急需 高性能的康复器械，这对尽快发展康复训练产品提出了要求 8 】；在广州亚残运会上，残 疾人的康复问题再次进入人们的视野，国家和相关组织非常重视康复设备的发展，提出 大力发展康复训练机器人技术和相关产品，为伤残人员提供更优质的服务，以提高他们 的生活质量。可见发展康复训练机器人是符合我国现阶段社会发展需求的。 行走辅助训练机器人是通过控制下肢的运动规律来辅助受训练者进行行走，使膝关 节、髋关节的运动角度与正常步态时一致，同时控制腰部位姿，其不仅实现与下肢运动 相协调，而且能够对受训练者提供辅助支撑能力，实现平衡机能训练，从而达到更好的 康复训练效果。为避免刚性机构和刚性约束对受训练者造成碰撞和强迫性约束，本研究 提出一种欠驱动和柔性驱动形式，以达到满足安全性要求【9 】。 本课题针对体弱老年人和肢体运动障碍患者对康复训练的迫切需求与现有产品科 技含量低、功能单一、价格昂贵的矛盾，突破康复机器人关键技术，开发具有科技含量 高、性价比好、拥有自主知识产权的助行康复训练机器人样机。重点提高孤寡老人、伤 残人群的日常康复训练水平和生活自理能力，探索未来老年人、残疾人生活的新模式和 新概念。 1 3 下肢运动训练机器人研究状况 康复工程是现代科学技术与人体康复需求相结合的产物，亦是工程技术与康复医学 相互渗透形成的新兴交叉学科 10 1 ，目的在于运用工程技术手段提高残障人士的生活质 量。康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合，考虑到训练者作为机器人系统的一 个部分参与到机器人的运动和控制中，训练者的主动运动也影响康复机器人本身。所以 2 第1 章绪论 使其不同于一般的工业机器人，康复训练特征对机器人的结构、控制策略等都提出了特 殊的要求。它的主要功能在于通过机器人带动患者的肢体运动，对肢体运动有障碍的患 者进行运动机能的康复训练，从而帮助残疾人以及活动有障碍的人恢复自主生活能力， 提高他们的生活质量。现在主要包括行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练、颈部运 动训练等【l 川。 1 3 1 国外研究发展状况 康复机器人技术近几年来得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，经过迅速发 展，取得了一些有价值的成果，其中对下肢运动训练机器人的研究也比较突出。 瑞士苏黎世联邦工业大学研究的l o k o m a t 下肢康复机器人是典型代表，主要用于有 运动损伤、脊椎损伤等患者，如图1 1 所示【1 2 】。康复训练时通过一个悬吊系统对人进行 减重，提供辅助支撑功能；而下肢通过套装式机构控制各关节的运动，在跑步机的带动 下实现步态训练功能，由于通过安装在机器人上的传感器采集患者的运动信息，经过控 制系统的处理分析反馈给机器人，从而使患者不是完全地被动接受康复训练机器人的强 制训练，有利于康复者达到更好的康复效果 1 3 - 1 5 】。该机器人的悬吊系统虽然可以实现减 重训练，但在训练过程中无法进行变负载控制；套装式下肢训练装置虽然可以很精确地 控制关节角度，但没有被动柔顺性有可能给对象带来强迫性伤害，同时驱动元件和传动 机构的布置使得该机构非常庞大。我国已有几家单位购置了该机器人，但3 0 0 万元昂贵 的价格是影响进一步在我国广泛应用的主要原因。 图1 1l o k o m a t 。f 肢康复机器人 f i g 1 1l o k o m a tl o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o t 德国在康复训练机器人方面研究较早，并且取得了很大成绩1 6 。1 9 】。自由大学研制了 一种下肢康复机器人m g t 2 0 1 ，其步态机构采用双曲柄摇杆机构，仅有1 个自由度，功 能单一，无法实现复杂运动规律，也不能实现对骨盆的运动控制；自由大学还与柏林慈 善医院等单位共同研发一种下肢康复机器人触觉行走者( h a p i t i c w a l k e r ) ，如图1 2 所 3 哈尔浜工程大学博士学位论文 示睇。该机器人能帮助中风患者进行下肢锻炼，恢复行走。它主要由两套步态行走机构 组成，通过计算机的控制，机器人可以带动残疾患者的下肢进行行走康复训练、上台阶 运动训练以及蹬自行车和滑雪等模拟训练，但这种控制模式只是“单点”约束，不能保证 髋关节和膝关节的角度控制康复训练要求。 图1 2 德国h a p i t i c w a l k e r f i g 1 2h a p i t i c w a l k e ro fg e r m a n y 日本的k e i k oh o m m a 等人应用绳索牵引并联机构设计了下肢康复机器人，该系统 属于卧式康复机器人，如图1 3 所示【2 2 1 。其腿部康复机构具有四个自由度，用于控制髋 关节的屈伸、旋内旋外、收展和膝关节的屈“申，并着重强调了驱动的安全性，对该训 练机器人的各种康复运动模式进行了实验研究，给出精度分析和主观评价，但由于驱动 形式相对单一，很难进行复杂模式的下肢康复训练。 图1 3 卧式绳牵引下肢康复机器人 f i g 1 3w i r e d r i v e nr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gr o b o t 绳索牵引的柔性传动与刚性传动相比，具有柔顺性好、运动空间大、占空间小、重 量轻等特点，非常适合康复训练机器人。康复训练机器人是一种特殊人机合作机器人， 训练者与机器人本身同处于操作空间，所以柔性绳索牵引能够较好地避免刚性碰撞，满 4 第1 章绪论 足康复训练安全要求。但绳索牵引系统也具有它自身的特征，即它只能承受拉力，不能 承受压力，所以绳索牵引机器人正常工作过程中力必须保证绳索处于张紧状态。根据绳 索牵引并联机器人的变换矩阵的维数进行分类【2 3 】，当绳索的数目m 小于或等于自由度数 t 时，平衡方程f = j t t 最多有一个解，该解存在的前提条件为f 0 ，这种机构称为 不完全约束定位机构；当m = 规+ 1 时，除了奇异位姿情况外，f = ，t t 的解空间是尺”的 一维仿射子空间，这种机构称为完全约束定位机构；当m 船+ l 时，除了奇异位姿情况 外，f = ，t t 的解空间是r “的多维仿射子空间，这种机构称为过约束定位机构。 由于绳索牵引并联机器人性质介于刚性串联机构和刚性并联机构之间，这种优越性 促使各国对该领域进行了研究，并取得了一批瞩目的研究成果。现如今绳索牵引机器人 技术也应用到康复训练领域中。 东京大学研制的手指康复机器人，该机器人在近端指间及远端指间采用绳索驱动耦 合机构，利用电动机通过一个封闭的四连杆机构间接带动手指关节，可以针对中风或手 指屈曲挛缩患者进行手指康复锻剧2 4 】。 美国加利福尼亚大学研制了一种两自由度下肢康复机器人，通过v 型机构实现对与 训练者下肢相连的端点进行控制，该机器人对下肢运动控制具有可逆性【25 1 。该大学在研 究下肢运动控制康复训练机器人同时，为了实现对躯干的平衡控制，研究了骨盆运动控 制机构，该机构很好地满足下肢运动时骨盆运动控制的要求【2 6 1 ，但机构相对复杂，缺少 被动柔顺性，易对训练者造成强迫性约束伤害，如图1 4 所示。 图1 4 绳索军引康复机器人 f i g 1 4r o p e - p u u i n gr e h a b i h t a t i o nr o b o t 有些专家学者提出在跑步机上加装康复装置，达到康复训练目的。但是受训者在跑 步机上是处于相对静止的状态，不会产生人正常行走的惯性，所以在跑步机上加装装置 目前还不可行。因此，他们把受训者的重量由外部机构承载，使下肢处于悬空状态，这 样在康复训练时，受训者不再承受身体白重，而由运动平台提供训练者的前进运动，进 哈尔滨工程大学博士学位论文 行双足悬空行走 2 2 8 】。图1 5 所示为实验人员进行康复训练模拟实验，在进行康复训练 过程中双脚一直悬空。图1 6 为样机的实物图。 图1 5 康复训练实验 f i g 1 5r e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gt e s t 图1 6 康复机器人样机 f i g 1 6s a m p l eo fr e h a b i l i t a t i o nr o b o t 荷兰屯特大学生物医学工程实验室研制了l o p e s ( 1 0 w e re x t r e m i t yp o w e r e d e x o s k e l e t o n ) 步态康复机器人，如图1 7 所示。机器人系统由可移动骨盆控制机构和三自 由度外骨骼下肢康复机构组成，外骨骼在髋关节处有2 个自由度，膝关节处有1 个自由 度。l o p e s 可以进行患者主导或机器人主导两种模式的步行训练，腿部肌电图的测量 结果显示该设备可以进行特定任务的步态训练【2 9 。0 1 。髋关节处的2 个自由度可以较好地 满足下肢运动控制的灵活性，可以一定程度上避免强迫性约束；可移动的骨盆控制机构 与下肢外骨骼机构在康复训练过程中保证运动控制的协调性，可在进行下肢训练同时提 供躯干平衡训练【”啦】。 图1 7l o p e s 步态康复机器人 f i g 1 7l o p e s g a i tr e h a b i l i t a t i o nr o b o t 6 第1 章绪论 国外在研究下肢康复训练机器人时，研究者们都非常重视对平衡能力和减重训练的 研裂3 3 斟】，能够看出骨盆运动控制在下肢康复训练中的重要性，同时也要注意对骨盆运 动控制时要避免强迫性约束对训练者可能造成的二次伤害。而在下肢康复机器人研究中 采用外骨骼形式较多，但是这种结构形式驱动不容易布置，并且是一种刚性控制模式， 对康复训练中的训练者具有安全隐患，采用柔性介质作为传动机构是一种很好的选择。 1 3 2 国内研究发展状况 康复机器人技术是多学科为一体的新型交叉研究领域 3 习，属医工结合的开拓性领 域，尤其在临床实践方面尚需很多研究工作。 我国在康复机器人方面研究与西方发达国家相比起步较晚，研究成果比较少，辅助 型康复机器人的研究成果相对较多，以简易型康复训练器械的产品为主。但随着我国经 济的迅速发展，国家相关政策引导，近几年来康复医学工程得到了普遍重视，康复机器 人的研究得到了发展，也取得了一定的显著成果【3 6 。7 1 。从事康复机器人技术研究的单位 主要集中在清华大学、哈尔滨工程大学、浙江大学、上海大学、哈尔滨工业大学等几所 高校中，且上述高校研究的重点都有所不同【3 0 1 。 清华大学在康复工程方面的研究比较早，研究相对也比较深入。在国家“8 6 3 ”计 划支持下，从2 0 0 0 年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，并于2 0 0 4 年初在中国康 复研究中心进行临床应用，己经取得大量临床数据【4 。图1 8 所示为清华大学研制的卧 式下肢康复机器人，其是通过绳索牵引串联机构作为传动机构，由训练者的上肢进行驱 动。柔性的绳索方便地改变了运动的传动方向，但自主驱动和功能单一是该机器人需进 一步改进的地方。 清华大学和北京瑞海博科技有限公司研制的截瘫步行机是在之前“交替步态训练 器”基础上发展起来的。如图1 9 所示，经过三次改进和三轮样机试制，工艺目前已经 成熟。该截瘫步行器作为代步工具供截瘫患者穿在身上，是一种外骨骼结构形式，在步 行机构驱动下独立行走，或与跑台配合进行训练r “，但要求训练者具有一定的下肢支撑 能力。 为了能够实现对训练者进行减重训练以及平衡训练，又在截瘫步行器基础上研究了 减重步行康复训练机器人，包括电动跑步机、部分减重支持系统和外骨骼机器腿及其随 动支撑装置。外骨骼机器腿由电动机驱动器直接安装于髋关节和膝关节处，通过控制髋 关节和膝关节电机的协调转动完成步行动作。“。 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 图1 8 卧式下肢康复机器人 图1 9 截瘫步行器 f i g 1 8h o r i z o n t a ll o w e rl i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o tf i g 。1 。9w a l k e rf o rp a r a p l e g i cp a t i e n t s 上海大学研究了一种步态支具用于下肢行走康复，如图1 1 0 所示，属于外骨骼结构 形式r ”。每支腿具有2 个自由度，分别对应着人的髋、膝关节的屈伸，由电动缸直接驱 动外骨骼框架，通过连接装置绑缚在人腿上。其设计的最大支撑力为1 0 0 0 n ，可用于患 者在跑步机上进行步行训练，通过步态规划，能够模拟正常人的步态轨迹，同时实现减 重控制，仿真结果验证了系统的有效性。 浙江大学也开展了康复训练机器人的研究，研制了一种用于辅助脊椎损伤患者恢复 下肢步行能力的康复医疗机器人，如图1 1 l 所示。机器人特点也是采用下肢外骨骼技术， 同时由被动的悬吊装置进行一定程度的减重，减轻理疗师繁重的训练任务，同时能够实 时记录训练过程中患者的训练数据，供理疗师分析评价患者的治疗效果r “。 图1 1 0 下肢康复自动步态矫正器 f i g 1 10l o w e rl i m br e h a b i l i t a t i o na u t og a i ta p p l i a n c e 8 第1 章绪论 图1 11 下肢外骨骼康复机器人 f i g 。1 11l o w e r l i m be x o s k e l e t o nr e h a b i l i t a t i o nr o b o t 哈尔滨工业大学在康复机器人研究方面也取得了一定研究成果，研制了一种下肢康 复助行机构，主要包括穿戴在身上的助行行走机构和拾升机构r 。该机器人的优点是基 于轮椅改进完成的，患者借助抬升机构在不需要外人帮助下既可做到坐立姿势的变换。 下肢机构是由大腿绕髋关节的转动、小腿绕膝关节的转动、足部绕踝关节的转动3 个自 由度组成r “。并且在机构设计上为踝关节在水平面内自由转动预留了一定的空间。从而 达到帮助病人完成髋关节、膝关节、踝关节运动功能的康复的需要。但是由于该机器人 的驱动方式复杂，成本较高未能得到很好的市场推广。 哈尔滨工程大学一直致力于康复机器人技术的研究，并取得了一定的研究成果 ”。所研制的卧式下肢康复机器人，如图1 1 2 所示，是一种主动康复训练的自动化机 械装置，它可以帮助因神经性系统疾病引起的偏瘫患者、截瘫患者或因外伤引起的腿部 运动障碍患者进行康复训练，有助于恢复肢体功能，有效防止肌肉废用性萎缩。该机器 人在步态训练时，除了带动大腿、小腿进行伸、缩锻炼，同时还对脚踝配合相应的运动， 达到腿部各关节的全方位训练h 。由于训练时训练者处于平躺状态，所以主要适合于康 复训练的初期使用。研制了步态康复训练机器人，如图1 1 3 所示h “，该机器人能够模 拟正常人行走、跑步、踏步以及上下楼梯等运动，帮助下肢运动障碍患者或老年人进行 训练，以恢复行走运动机能，实现对下肢各个关节的运动训练和肌肉锻炼。上述两种康 复训练机器人都是单纯针对步态训练而设计的，并没有考虑躯干运动与下肢的协调性， 从而在一定程度上影响了下肢康复训练的效果。 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 图1 1 2 卧式下肢康复机器人图1 1 3 步态训练机器人机器人 f i g 1 12h o r i z o n t a ll o w e rl i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o tf i g 1 13g a i tt r a i n i n gr o b o t 在我国生产康复器械比较有代表性的厂家是，北京宝华达康复器材科技有限公司和 浙江金华博亚医疗器械有限公司。北京宝达华生产的踏车式上下肢自动康复机，其特点 是能够满足患者在坐姿状态下进行手臂圆形轨迹训练，同时双腿可以在主被动的模式下 进行往复训练，但其结构较单一，且本器械不具备移动性。该公司还开发一种试用于中 风偏瘫、截瘫、脑瘫在术后恢复期不具备主动运动肢体的卧床式自动康复机，该机器的 特点是患者可以借助健康的肢体带动瘫痪的肢体运动，以达到患者主动运动的目的p “。 1 4 骨盆运动控制机器人研究状况 骨盆运动控制机器人能够实现训练者的平衡训练，同时，在与下肢步态训练机器人 相结合后，可以更好地实现帮助训练者行走。 1 4 1 国外研究发展概况 瑞士的l o k o m a t 下肢康复机器人在利用外骨骼式机构进行下肢关节控制的同时，在 腰部处连接有平行四边形构成的平衡控制机构，实现腰部运动约束控制，用于与下肢运 动相协调；由于l o k o m a t 机器人的腰部处平行四边形机构未安装有直接驱动，只是限制 了腰部运动，避免躯干在步态训练时的不稳定，沿垂直轴的单方向移动并不完全符合正 常人步态过程中的骨盆位姿，从而一定程度上影响了训练效果。机器人系统如图1 1 所 示。 洛桑联邦综合理工学院研制了一种六自由度骨盆矫形器训练装置【5 3 5 4 ，人由减重控 制系统悬吊，而矫形器在电机驱动下实现各种运动，可以满足腰部在整个空间内位姿控 制，但该矫形器不具有被动性，而是采用力传感和位置传感器的反馈来保证康复训练的 安全。从图1 1 4 看出，这种康复机器人主要是以康复骨盆运动为主，所进行的骨盆运动 1 0 第1 章绪论 控制并不是针对下肢步态而设计的，而且从整体机构构成来看，该机器人的体积较大、 行动不方便。 图1 1 4 骨盆矫正器 f i g 1 1 4p e l v i sa p p l i a n c e r c c l 德国弗朗霍费尔研究所是较早开展康复机器人技术的单位一“，在已有技术基础上， 采用了绳索牵引技术实现下肢步态康复训练中的躯干运动控制，该机器人通过7 根绳索 牵引躯干上的三个连接点，从而实现控制人体躯干运动，并与步态运动相协调，以达到 更好的训练效果h 。牵引绳索本身的柔顺性，使得康复训练过程中训练者不会与机器人 发生刚性碰撞，能够满足康复训练的安全要求，同时绳索质量轻，也有利于提高系统的 控制性能。但是该机器人在进行步态康复训练时，训练者在跑步机的带动下进行行走， 没有直接控制膝关节和踝关节的运动状态，可能无法达到有效的康复训练效果。同时空 间绳索布置相对复杂，驱动原件较多，影响了机器人的进一步推广应用，结构如图1 1 5 所示。该绳索牵引方式为本课题的传动形式提供了思想。 霾 ，- ：；善l ：o 蠢盏汪函蠢基鲤菇函旨醺 图1 1 5 绳索牵引康复机器人 f i g 1 15r o p e p u l l i n gr e h a b i l i t a t i o nr o b o t 哈尔滨工程大学博士学位论文 美国加州大学欧文分校设计了一种利用气缸作为驱动装置的骨盆辅助机器人，用它 r c l l 对人体骨盆运动进行控制h “，该结构与加利福尼亚大学所研究的骨盆控制机器人类似。 机器人具有5 个自由度，能够实现3 个方向上的平动和2 个方向上的转动，采用并联气 动缸调节控制骨盆框架两端的位置( m ) ，以达到控制腰部运动的目的。为了实现减 重以减轻下肢的负重，机器人采用了固定的悬挂式支撑系统( b w s ) 。图1 1 6 所示为实 验人员进行实验分析过程。 图1 1 6 骨盆辅助机器人 f i g 1 16 p e l v i sa s s i s t i n gr o b o t 芝加哥康复研究中心与民营企业合作研发出一种用于步态康复训练的腰部运动控 制机器人k i n e a s s i s t ，如图1 1 7 所示，通过控制腰部运动实现与行走步调一致，具有平 衡训练功能。机器人主要作用是帮助行走不便的训练者进行行走锻炼，轮式驱动行走的 机器人框架位于训练者后面，支撑训练者稳定行走，同时使训练者具有较大的活动空间， 提高了舒适性p 。该机器人腰部运动控制机构主要包括束缚装置、连接臂和支撑系统。 支撑系统前端驱动装置能够控制腰部沿前后、左右移动和绕三个坐标轴的转动，而后端 的助力装置能够控制腰部提升、躯干前倾、躯干转动以及左右摇摆等，整个腰部运动控 制机构可以使训练者有充分的运动空间，并且保证了训练者行走时的安全性要求，可以 实现行走、平衡、减重、摇摆等训练模式，系统功能齐全。该机器人机构设计上的最大 特点是主被动