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下肢康复训练机器人关键技术研究 摘要 下肢康复训练机器人主要用于辅助由于中风、脑损伤等神经中枢受损造 成的偏瘫、瘫痪等行走功能障碍患者急性期过后的运动康复训练。传统行走 训练方法，治疗师的劳动强度大，患者训练强度、持续性难以保证。康复训 练机器人在提供重复稳定的定量运动输入方面具有很大的优越性，不仅可从 康复早期为患者提供康复辅助训练，更有利于大脑神经功能重组和代偿发生， 而且可为患者提供多种训练模式、训练场景及运动效果反馈，满足康复训练 的需要。下肢康复训练机器人可作为康复中心或者家庭中使用的自动化步行 康复训练设备，具有较高的实际应用价值和广阔的市场前景。本文得到国家 自然科学基金“下肢康复训练机器人关键技术研究 的资助，针对下肢康复 训练机器人的机构、运动学及动力学、运动规划方法及控制策略等关键问题 进行详细的理论分析和仿真研究。 综述了国内外在下肢康复训练机器人及相关领域的研究现状。在对国内 外现有下肢康复训练机器人在机构、运动规划及控制策略分析和比较的基础 上，针对行走功能障碍患者对运动康复训练和康复治疗的需求，基于人体行 走步态运动规律分析，提出了一种新型下肢康复机器入机构方案和具有三种 康复训练模式的控制方案。机器人机构由四自由度步态控制机构和五自由度 骨盆控制机构组成，通过两者之间的运动协调控制，可实现人体三维步态运 动控制，满足步态康复训练和人体平衡的要求。 结合机构自身特点，对空间五自由骨盆控制机构的工作空间进行了分析， 给出了一种求解该类并联机构工作空间的解析方法，克服了采用一维或多维 数值搜索方法带来的计算耗时问题。确定了机构实际工作空间及机构尺寸约 束条件。 对步态控制机构、骨盆控制机构、7 段1 2 自由度人体模型进行了正逆运 动学分析，建立了相应的机构模型，通过仿真验证了各机构运动学分析及机 构模型的正确性，为动力学分析和控制系统研究奠定了基础。 根据人体步行运动中步态及骨盆运动特点，对步态控制机构和骨盆控制 机构进行了运动规划，给出了步态控制机构运动规划方法和骨盆控制机构运 动的参数化模型及模型参数优化方法。该方法可生成满足不同对象、步速、 步态时相的人体步态运动，且满足人体下肢关节生理约束，符合协调步行运 动中下肢各关节的运动规律，满足下肢康复训练要求。 哈尔滨工程大学博十学位论文 基于对人体负载的力学分析，建立步态机构和骨盆控制机构的动力学模 型，并进行了逆动力学仿真研究，仿真结果为驱动器及减速器的选择提供了 参考数据。 针对步态机构和骨盆控制机构控制要求和负载特点，确定了相应机构控 制策略，建立了控制系统仿真模型，进行了控制系统仿真研究，获得了满足 控制要求的控制器参数。 在步态控制机构和骨盆控制机构仿真分析的基础上，建立了以被动人体 为训练对象的人机系统模型，并进行了仿真研究。仿真研究结果验证了下肢 康复机器人机构的合理性和运动规划方法的正确性。为机器人样机的进一步 研制奠定了模型基础。 关键词：下肢康复训练机器人；运动规划；控制策略；运动学；动力学 下肢康复训练机器人关键技术研究 a b s t r a c t a1 0 w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i o nr o b o ti sak i n do fr o b o tu s e df o ra s s i s th e m i p l e - g i co rp a r a l y s i sp a t i e n t s 、杭t 1 1w a l k i n gd i f f i c u l t yc a u s e db yn e u r od i s e a s e ss u c ha s w i n d s t o k eo rb r a i ni n j u r e dt op a r a c t i s ew a l k i n ga f t e ru r g e n ts t a g e w i t ht h et r a d i t i o n a lt r a i n i n gm e t h o d s ，t h et h e r a p i s t sa r ev e r yf i r e da n di ti sd i f f i c u l tf o rp a t i e n t s t oa s s u r es t a b i l i z a t i o na n dp e r s i s t e n c eo ft h et r a i n i n g r o b o tt e c h n o l o g yh a sg r e a t a d v a n t a g et or e a l i z et h eq u a n t i t a t i v ea n dr e p e t i t i v em o t i o ni n p u t n o to n l ys u p p l y a s s i s t a n c em o t i o nf r o mt h eb e g i n n i n gs t a g eo ft h er e h a b i l i t o n , w h i c hi sm o r e b e n e f i tt ot h eo c c u r r e n c eo ft h ef u n c t i o nr e c o m b i n a t i o no rc o m p e n s a t i o ni nc e n t r a l n e u r os y s t e m ，r e h a b i l i t i o nr o b o tc a l la l s os u p p l ym u l t i p l et r a i n i n gm o d e s ，v a r i o u s s c e n ee n v i r o n m e n t sa n df e e d b a c kt h et h et r a i n i n ge f f e c t i v e n e s si nr e a lt i m et os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fw a l k i n gp r a c t i c e i tc a nb eu s e di nc o n v a l e s c e n th o m ea n d h o u s e h o l d 硼1 er o b o th a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n dw i d em a k e tp r o s p e c t sd i s s e r t a t i o nw a ss p o n s o r e db yt h en a t i o nn a t u r a ls c i e n c ef u n d r e s e a r c ho ns e v e r a l k e yt e c h n o l o g i e sa b o u tl o w e rl i m b sr e h a b l i t i v er o b o t ：硒em a i nr e s e a r c hw o r k c o v e r st h ed e s i g no fg e n e r a lm e c h a n i s ma n dc o n t r o ls c h e m e ，a n a l y s i so ft h e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s ，m o t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o ls t r a g yo fan o v a ll i m b s r e h a b l i t i o nr o b o t t h em e c h a n i s ms c h e m e t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n , s i m u l a t i o n m o d e l sb u i l d i n ga n da n a l y s i s i n gw e r ed e m o n s t r a t e di nd e t a i l 嘣sp a p e rr e v i e w e dt h er e s e a c hs t a t u so ft h el o w e rl i m b sr e h a b i t i o na n dr a - l a t e df i e l d sd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d b a s e do nt h ea n a l y s i so fg a i tm o t i o no ft h e h u m a n ，t h eg e n e r a lm e c h a n i s ms c h e m ea n dc o n t r o ls c h e m ew i t ht h r e et r a i n i n g m o d e so fan o v e li o w e rl i m b sr e h a b i t i o nr o b o tw e r eb r i n g e df o r w a r d t h er o b o ti s c o n s i s t e do fa4 - d o fg a i tm e c h a n i s ma n da5 一d o fp e l v i sm e c h a n i s ma n dt h e yc a n b ec o n t r o lh a r m o n i o u s l yt og e n e r a t et h r e ed i m e n s i o ng a i tm o t i o no fh u m a nt o m e e td e m a n do fr e h a b i l i t a t i o mt r a i n i n gf o rp a t i e n t t h ef o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c so ft h eg a i tc o n t r o lm e c h a n i s m ，p e l v i s c o n t r 0 1m e c h a n i s ma n d7 - b a rh u m a nb o d ym o d e lw i t h12 d o fw e r ea n a l i z e d ，a n d t h e nt h e i rm e c h a n i s mm o d e l sw e r eb u i l d b ys i m u l a t i o n , t h ec o r r e c t i o n so fk i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dm e c h a n i s mm o d e lw e r ev e r i f i e da n db u i l dt h ef o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w i n gd y n a m i c sa n a l y s e so nt h e s em e c h a n i s m s 哈尔滨工程大学博士学位论文 c o n s i d e r r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fp e l v i sm e c h a n i s mw i t ht w op a r e l l eb r a n c h c h a i n ，a l la n a l y s i sm e t h o dt of i n dt h em e c h a n i s mw o r k s p a c ew a sp r e s e n t e d ，w h i c h i sa l s of i ti nt h es i m i l a rm e c h a n i s m st os o l v et h e i rw o r k s p a c e b a s e do nt h i s m e t h o d ，a na c t u a lw o r k s p a c ew a sd e t e r m i n dt h a tc a nm e e tt h ed e m a n do fp e l v i s m o t i o ni nt h eg a i t 缸m m n g 。 a c c o r d i n gt om o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o o ta n dp e l v i sw h e nh u m a n w a l k i n gi nt r e a d m i l l ，t h em o t i o np l a n n i n gm e t h o do fg a i tm e c h a n i s mw a sp r e s e n t e d ，a n dt h ep a r a m a t e r i z e dp e l v i sm o d e la n dt h eo p t i m i z i n gm e t h o do ft h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e rw e r ep r e s e n t e d ，n l eh u m a ns t i c k sm a p si n t h r e ev e r t i c a l p l a n ew e r ed r a wa n dt h eh i p ，k n e e ，a n k l ej o i n ta n g l e sy i e l e dw e r ec o m p a r e dw i t h t h es t a t i s t i c a lg a i tj o i n ta n g u l a rd a t a , a n dt h er a t i o n a l i t yo fa b o v em o t i o np l a n n i n g w a sc h e e k e d i no r d e rt oa n a l y z i n gt h em e c h a n i s md y n a m i c sa n dc o n t r o ls y s t e m ，t h es i m 。 m e c h a n i sm o d e lo fg a i tm e c h a n i s ma n dp e l v i sm e c h a n i s mw e r eb u i l d b yk i n e - m a t i c ss i m u l a t i o n ，t h ec o r r e c t i o nw a sv e r i f i e do ft h es i m m e c h a n i sm o d e la n d f o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c sa n a l y s i so fe a c hm e c h a n i s m t h e i rd y n a m i c s i m m e c h a n i c sm o d e l sw i t hl o a dw e r ep r e s e n t e d 1 h ei n v e r s ed y n a m i cs i m u l a i t o n a n a l y s e so fe a c hm e c h a n i s mw e r em a d ea n dt h ed e s i r e dm o t o ra n dr e d u c e rp a - r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d n ec o n t r o ls y s t e mm o d e lo fe a c hm e c h a n i s mw e r eb u i l di nw h i c ht h ep l a n t i st h ea b o v ed y n a m i cs i m m e c h a n i c sm o d e l sw i t hl o a d a c c o r d i n gt ol o a da n d r e - q u i r e m e n t s ，t h es t r a t e g y so fe a c hc o n t r o ls y s t e mw e r ep r e s e n t e d ，a n de a c hc o n t r o l l e rp a r a m e t e r sw e r ea d j u s t e db yt h el t ic o n t r o la n a l y s i st o o la n ds i n g n a lc o n s 仃n i tb l o c k t ov e r i f yt h ev a l i d a t i o no ft h et h em o t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o ls y s t e m s ，t h e p a s s i v eh u m a n7 b a rs o l i ds i m e m e c h a n i c sd y n a m i c sa st h et h er e a ll o a d ，w e r e i n t e g r a t e dw i t ht h eg a i ta n dp e l v i sm e c h a n i s mc o n t r 0 1 n l es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h em o t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o ls y s t e mw e r er a t i o n a lb a s i c a l l y , m e a n w h i l e s u p p l i e du s e f u lr e f e r e n c ed a t af o rd e v e l o p i n gt h ep r o t o t y p ea n db u i l df o u n d a t i o n f o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo fh u m a na n dr o b o ti n t e r a c t i o n k e y w o r d s ：l o w e rl i m b sr 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 ；c o n t r o ls t r a t e g y ； k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s 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。除文中已注明引用的内容外， 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) ：涨蛾 日期：知哆年多月；o 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：狲嗽 导师( 签字) ：缮磁力 日期： 卅年多月妒日冽年乡月, 9 0 i 了 第1 章绪论 1 1 课题的来源 第1 章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目：下肢康复训练机器人关键技术研 究( 6 0 5 7 5 0 5 3 ) 。 1 2 课题的研究意义 行走功能是表征人行动能力的重要标志，也是保证人进行正常独立生活 的必备条件。然而中风、脊髓损伤、颅脑外伤、多发硬化、帕金森病等原因 造成的中枢性神经系统受损，会导致患者肢体出现不同程度的运动功能障碍， 严重者出现全瘫或偏瘫。患者经过最初的手术或者药物治疗之后，一部分人 可以恢复到能够独立步行的程度，但是多数人会伴随一些后遗症，如运动控 制能力降低、关节僵直，出现病态步态，导致患者步行过程中能量消耗过高， 平衡功能下降，容易摔跤，严重影响了行动能力和生活质量。 中枢神经受损患者在经过急性发病期的治疗后，其运动功能的康复主要 依赖于各种康复运动疗法。临床实践证明，急性期过后越早训练，功能康复 的效果越好。运动康复疗法的理论基础是大脑可塑性。医学研究显示，虽然 受损的神经细胞不可再生，但是神经组织可以通过功能重组或者代偿的方式， 使丧失的功能重新获得，即大脑具有可塑性。动物和人体试验均表明，针对 肢体的特定功能进行主动或者被动的重复性训练，可以刺激本体感受器接受 传入性冲动，导致中枢神经映射区域发生变化，促进大脑功能可塑性发生。 这为机器人辅助康复训练治疗技术提供了重要的医学依据口川。 在传统康复运动训练治疗过程中，患者通常需要借助简单器具或者由治 疗师辅助，完成旨在维持关节活动度、增强肌力、肌肉耐力、肌肉协调能力、 平衡功能、步行功能、心肺功能的单项或者综合项目运动训练。传统康复治 疗方法功能有限，而且治疗师的劳动强度很大，难以保证训练的持续性和稳 定性，治疗效果还受到治疗师水平的影响。这些不利因素对步行训练的影响 尤为明显。因此，寻求有效的康复手段，减少并发症和后遗症的发生，缩短 病程，提高疗效，对促进患者行走功能早曰康复、提高患者本身的生活质量、 减轻社会的负担具有重要的实际意义。 随着现代机器人技术发展日益成熟，机器人技术在提供长期稳定的重复 哈尔滨工程大学博士学位论文 性定量运动输入方面具有明显的优势。自上个世纪9 0 年代初，国内外研究 机构开始探索将机器人技术引入到中枢神经损伤患者的康复训练中，纷纷研 制和开发出各种用于上肢康复、下肢康复或者关节康复的康复训练机器人。 机器人辅助运动康复训练的意义在于，不仅可将治疗人员从医患一对一繁重 的治疗过程中解放出来，而且通过输入定量运动刺激，定量检测和评价手段 的实现，为患者提供更为科学的康复训练模式，在保证训练安全性，提高训 练效率，改善训练效果方面具有巨大的潜力和优越性，而且可为运动康复机 理的研究提供平台哺1 。 国内外关于上肢康复训练及局部关节康复训练机器人的研究起步较早， 理论和技术相对成熟，而关于下肢康复训练机器人，研究机构主要集中在国 外，国内在该方向的研究还较少。由于受下肢关节自由度多、人体行走的平 衡及协调机理仍不明确等因素影响，下肢康复训练机器人在机构、运动规划 及控制策略方面较上肢康复机器人具有更大的难度，研究进展一直比较缓慢。 目前康复训练机器人的研究仍处在起步阶段，表现在训练动作种类比较少， 动作范围主要限于训练身体正前方；动作幅度较小，且一般限于平面运动； 控制策略单一，主要是基于速度或者位置伺服控制模式，为患者提供被动训 练，患者不能自主运动；康复评价指标仍沿用传统的临床评价方法，所以导 致训练过程中提取的数据与训练效果之间的关系仍无法明确口一1 。近年来国内 外很多研究机构在增强康复训练机器人的适应性，提高人机交互功能等方面 提出许多新的控制策略，如自适应策略，人机协作策略、柔性控制策略等， 但基本上还处于理论研究阶段，有待验证和完善。 据资料统计，我国每年新增神经系统疾病患者超过3 0 0 余万人，且随着 老龄化的加剧，患者人数会不断增加。目前我国三级甲等以上医院虽然设有 康复治疗专科，但由于没有相应的专业训练辅助设备，患者的康复效果受到 很大的制约。国外科研机构、商业及企业都盯着我国广阔的市场。利用机器 人技术及时开发出具有我国自主知识产权的康复设备，对促进我国康复事业 的发展，进而形成自己的产业技术具有相当重要的意义嗍。 综上所述，研究和开发下肢康复训练机器人技术对提高神经康复临床治 疗手段、增强中枢性运动功能障碍患者的步行能力康复效果、提高患者生活 质量、减轻社会负担、占领国内国际市场等方面具有重要的现实意义。 1 3 国内9 1 j f l 关研究进展综述 2 第1 章绪论 1 3 1 下肢康复训练机器人研究进展 康复初期，患者往往由于肌力和控制能力很弱，难以实现自身负重行走， 传统康复治疗采用减重训练方式，如在水中训练或借助拐杖等。水中训练需 要特定的环境，使用拐杖等助力器需要借助患者上肢的力量，且易造成异常 步态。针对上述方法的缺点和不足，悬吊减重训练( p a r t i a lw e i g h ts y s t e m ，缩 写为p w s ) 被提了出来。p w s 的好处在于可以不同程度地降低下肢负荷，且 对步态特征影响很小。国内外多年的临床实验研究表明，只要根据患者的实 际情况和训练目标选择恰当的减重程度，p s w 有可能成为最为有效的步态训 练工具。 p s w 可以与不同类型的步态辅助装置组合使用。目前临床上普遍采用的 是减重移动小车组合和减重踏车组合。图1 1 为m o b i l i t yr e s e a r c h 公司开发 l i t eg a i ti 隅1 ，由悬吊减重系统和四轮移动支架两部分组成，可用于患者坐、 立过程的平衡训练，并能防止患者摔倒。l i t eg a i t 适用于下肢具有一定行动 能力的康复患者，缺点是不能纠正患者的异常运动模式，容易形成异常代偿 运动。 减重踏车训练，如图1 2 所示，是目前临床步态康复训练广泛采用的方 法。患者手扶平衡杠，由踏步车带动脚部做往复行走训练。初期一般需要由 两个治疗师纠正步态偏差，其中一个治疗师在患侧帮助促进患侧下肢摆动， 确定足跟先着地，防止膝过伸，保证两腿站立时间与步长对称；另一个治疗 师站在患者身后，两脚放在踏步车边缘，促进重心转移至负重腿上，保证髋 伸、骨盆旋转和躯干直立，防止在吊兜中。随着步态改善，逐渐过渡至一位 治疗师站在患者身后给予指导，坐直至患者最终独立完成行走。减重步行训 练为向正常负重过渡创造了条件。临床研究结果表明，适当选择减重水平和 踏车速度，可有效改善患者步态模式及康复进度曲。 减重踏车训练方式使患者从康复初期就可以开始做定向性行走任务训 练，但治疗师的劳动强度依然很大，且受治疗水平等人为因素影响，很难保 证训练过程的稳定性和持续性，很难达到理想康复效果n2 1 。随着机器人技术 的发展，采用功能强大、智能化、参数可调的康复训练机器人代替治疗师， 辅助病人进行康复训练，已成为普遍共识。机器人辅助康复训练甚至可以适 用于中风恢复初期、只能依赖轮椅代步的较严重的病人，使他们在康复早期 就能接受行走运动感觉刺激，从而更有利于促进中枢系统功能实现重组或代 偿，达到最终康复的目的。 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 图l ll i f e g a i t f i 9 11l i t e g a i t 图1 2 减重踏步车训练 f i 9 12 t r e a d m i l l t r a i n i n g w i t hp a r t w e i g h ts u p p o r t 2 0 0 0 年，德国自由大学h e s s es t e f e n 等人研制了一种下肢康复训练机器 人m g t ( m e c h a n i z e dg a i tt r a i n e r ) ，如图1 3 所示。该机器人步态机构采用 类双曲柄摇杆机构，驱动脚踏板模仿往复步态的类椭圆轨迹运动。整个机构 只用了一个自由度。训练时，患者双脚固定在脚踏板上，上躯干与悬吊减重 系统相连，手扶扶手保持身体平衡。该产品经由r e h a - s t i m 公司投资开发， 在欧洲和亚洲的多个国家投入试用，取得一定的临床效果。该装置简便，但 只提供了脚部位置运动辅助，不能辅助髋膝踝关节运动“。”1 。 2 0 0 1 年，德国弗朗霍费尔研究所( f r a n h o f e ri n s t i t u ti p k ) 基于吊线木偶原 理，研制了一种绳驱动式下肢康复训练机器人s t r i n g m a n ，配合踏步车使用， 如图1 4 所示。s t r i n g m a n 由自动减重绳驱机构和姿态控制机构两部分组成， 共六个自由度。s m n g m a n 采用了复杂的控制结构，包括多个控制环，具有庞 大的传感器系统，底层控制采用基于位置的鲁棒力控制以及柔顺控制。减重 水平根据检测到的病人支撑腿的情况自动调整。姿态和平衡控制基于零力矩 点概念，通过控制绳的张力控制z m p 位置及足底反作用力。目前该机器人仍 处于样机研究阶段“。 2 0 0 1 年，瑞士苏黎世联邦工业大学研制了四自由度外骨髂式步态康复训 练机器人l o k o m a t ，配合减重踏步机使用，如图15 所示。该外骨骼可带动 患者腿部实现矢状面内步态运动。四个回转关节采用四个直流电机驱动精密 滚珠丝杠传动。为实现被动训练及主动辅助等康复训练模式，r e i n e r 等人先 后针对l o k o m a t 提出了阻抗、自适应、患者自驱动等控制策略，并以正常人、 偏瘫及脊柱部分损伤患者为对象进行了实验研究，结果初步证明了这些控制 策略的有效性1 。 图13 m g t f i 9 13 m g t i 攀鬻 菇剡 2 0 0 3 年，h e s s e 等人基于虚拟现实技术提出了h a p f i cw a l k e r 的构想，研 制6 自由度足部运动仿真器，与悬吊减重配合使用，通过脚踏板带动患者双 脚实现矢状面内的任意轨迹和姿态运动，如图1 6 所示。该脚踏板具有优异 的动力学性能，甚至可以模拟多种真实行走情况，如在粗糙表面或草坪上行 走，绊倒的样子等等。在虚拟现实控制模式中，患者头戴头盔显示器，感受 虚拟现实场景，脚踏板上安装有一个六自由度的力传感器，与虚拟场景互动， 场景和音乐等还可以改善单调的训练气氛，增强患者的训练兴趣，从而达到 心理治疗的目的。该虚拟步行康复训练机器人是第一台实现脚部沿可编程自 由轨迹行走的装置。在安全措旌方面设置冗余的硬件和软件紧急停止回路o “。 2 0 0 2 年，美国加利福尼亚大学d a v i dr e i n k e n s m e y e r 等人研制了两自由 度平面康复训练机器人a r t h u r ，如图17 所示。该机器人采用v 型机构测 量和控制其顶点的位置，机构顶点可与患者患侧的脚踝或膝盖连接，辅助患 肢抬脚或抬腿。与大多数机器人不同的是，a r t h u r 具有高度的逆向可驱动 性删。 2 0 0 3 年，d a v i d r e i n k e m m e y e r 等人研制一种五自由度的髋部操作器p a m ( p e l v i c a s s i s t m a n i p u l a t o r ) ，与减重踏步车或者a r t h u r 组合，用于步态康 复训练，如图18 所示。d a v i d 等人认为人在步行时，相对于小腿和脚部运动， 髋部运动对整个步行更起决定作用。p a m 是由两套三自由度气动机构组成的 5 自由度髋部操纵机器人，除髋部在矢状面的转动外，可实现对骨盆其他五 个自由度的位置及姿态控制。头部后上方采用一个单独的气缸做为减重支撑 系统。为适应不同患者髋部高度，p a m 的两个三自由度气动机构均安装在立 柱轨道内的可调滑块上，气缸的一端与人体背部的皮带连接，可以允许病人 训练过程中自然摆臂，同时便于治疗师观察病人训练情况。p a m 采用示教再 哈尔滨工程大学博士学位论文 现控制策略“。针对病人与p a m 不能同步造成不稳定步态的原因，给出了 同步算法”“。 图l5 l o k o m a t f i g 15l o k o m a t l 图l7 a r t h u r f i gl 7 a r t h u r 幽16 h a p t i c w a l k e r f i g1 6h a p t i cw a l k e r 圃盎 图l8p a m f i gi 8p a m ( p e l v i c a s s i s tm a n i p u l a t o r ) 日本研制了一种旋转式下肢康复训练机器人，如图1 9 所示。它采用一 个大的回转臂通过束具与患者的躯干连接，支撑患者的部分体重，同时患者 在回转臂的带动下沿圆周路线行走啪1 。该机器人的缺点是行走过程中机器人 始终对患者附加不同于正常行走的一个侧向驱动力，病人膝盖会承受多余的 剪切载荷。 针对日本回转式步态训练机器人的缺点以及传统采用砝码等悬吊减重方 式存在的减重力变化的问题，s e u n g h ok i l n 等人分别开发了气压和电气驱动 蕊器基迟 第1 章绪论 的减重移动车式步态康复训练机器人( w a l k i n gt r a i n i n gr o b o t ) 。该机器人由轮 式移动平台和恒力减重系统两部分组成，轮式移动平台可工作在训练模式或 者跟随模式下。训练模式中，由移动平台引导患者按照计算机或安装于平台 上的操纵杆制定的路径行走，由移动平台跟踪患者的运动方向和速度。针对 电机驱动和气压驱动减重系统分别设计了基于滑模力控制和采用模糊力控制 的恒力减重控制系统啪。”1 。 2 0 0 2 年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制了一种下肢康复训练机 器人样机如图11 0 所示。该机器人由三自由度步态机构，姿态机构和重心平 衡机构等组成。比较m g t ，其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程 控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续 研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复 机器人嘧删。 图19 旋转式康复训练机器人 f i gi9 r o t a r y g a i t t r a i n n i n g r o b o t ：、，一霉9 ，l 。 ， 犁眠纛 。2 4 函鲁参 图l1 0 下肢康复i j i l 练机器人 2 0 0 6 年，上海大学机械与自动化系钱晋武等人设计了一种四自由度外骨 骼机器人，可辅助患者腿部在矢状面内运动，并给出了基于关键点采用多项 式插值的步态规划方法，目前已加工出样机酬。 另一类主要作助残或者步行增力装置的机器人，被称为动力式下肢矫形 器或者机器人外骨骼，也可用作康复。如日本y o s h i y u k is a n k a i 及其小组成 员研制的一种机电驱动式动力驱动矫形器h a l ( h y b r i d a s s i s t i v e l i m b ) o ： d a nf e r r i s 等人开发的一种称为髋藤踝动力矫正器的动力驱动式外骨胳o ； 2 0 0 6 年，英国s a i f o r d 大学n e l s o n c o s t a 等人开发了人工肌肉驱动的动力矫正 器1 ；浙江大学机械电子控制工程研究所杨灿军等人设计了一种主要用于增 力的气压驱动式可穿戴下肢外骨骼。 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 3 2 康复训练机器人控制策略研究进展 康复运动疗法包括传统运动疗法、神经生理疗法和运动再学习法等口“1 。 按照训练方式又分为被动训练、主动辅助训练、自主训练及抗阻训练等多种 模式。综合各种运动疗法，运动康复训练的原则可归纳为：1 ) 、对早期患者 要尽可能破坏其异常的运动模式，促进正常运动机能。2 ) 、具体的运动作业 能力最好通过练习该作业获得，认为丧失的运动功能的再恢复是一个学习过 程。3 ) 、训练过程中，患者必须意识集中，充分利用感觉和视听觉的反馈， 并强调病人的主观参与的重要性，认为动机、意志等在动作技巧的形成和改 善中起主导作用。4 ) 、康复训练要视具体康复情况分阶段进行，有针对性地 制定合适的治疗方案和训练方法，促使患者的身体机能逐步向下一个恢复阶 段过渡。 康复训练机器人能否真正达到康复和治疗的目的，取决于其能否实现各 种运动康复训练方法，在某种意义上代替或者辅助治疗师治疗，这主要通过 有效的机器人控制策略来实现，这也是康复训练机器人控制的热点和难点问 题，大体包括训练模式控制、远程控制、虚拟现实、生物反馈、安全策略等 方面内容。 文献 4 3 指出，康复训练机器人的控制要有严格的针对性，即针对病患 部位、特性、康复阶段的不同采取相应的训练原则；康复训练机器人应该能 感知患肢的状态并采取相应的控制策略，因为诸如肌痉挛、肌张力变化等会 使系统载荷和系统物理参数发生不确定性的大幅度变化，可能严重影响系统 的稳定性，同时有可能造成患者肌肉组织等撕裂或损伤；控制系统应该能提 供康复过程中所需要的多种复合运动训练模式，指出控制设计的重点是如何 提取和利用患者的主动运动意愿，因为实验表明，主动运动意志的存在对康 复效果有重要的积极影响。建议采用新的反馈环，对正确的主动运动意愿采 用正反馈加以鼓励，而对病态运动采用负反馈加以遏制和惩罚。 实现各种训练模式的核心问题是如何提取和利用患者的主动运动意愿， 实现人机柔性交互。目前主要包括基于阻抗控制、肌电信号辨识控制、脑电 信号辨识控制以及虚拟力场等方法。 阻抗控制是目前康复控制机器人为实现各种康复训练模式普遍采用的策 略。根据训练模式不同，控制形式各异。t o s h i r on o r i t s u g u 等人在其研制的 二自由度上肢康复训练机器( a r mg u i d e ) 人中，采用位置内环、力外环控制阻 抗控制形式，通过改变阻抗参数和参考输入实现被动，主动辅助以及阻力i ) l i 8 第1 章绪论 i i 置暑暑i 暑宣宣宣言暑昌罱葺暑i m , i i it - - _ ! i 昌；置i i i i i i 萱昌昌宣暑暑；j 宣暑；暑宣；i ；i 练模式h 引。但是，在其被动控制模式中，阻抗控制的本意是防止肌力承受能 力弱的人受伤而采用的一种柔顺策略，但是因为没有设置力限，导致只要人 机间有相互作用力，机器人就产生柔顺作用，不符合被动训练的要求；其主 动辅助训练模式采用阻尼控制，恒速参考输入，其有效性值得商榷；抗阻训 练模式提出采用刚度控制，并保持恒定位移误差，因其控制结构无法实现位 移误差值恒定，是一种错误的提法。j e z e r n i k 和r i e n e r 等人在其开发的 l o k o m a t 中，为使机器人支持患者的自主运动意愿，提出位置外环力内环的 阻抗控制策略，将位置偏差通过阻抗变换作为参考作用力。以机器人的位置 参考输入作为具有患者自主运动的理想轨迹，认为若患者能实现理想的运动， 则人机处于零作用力状态，否则，若偏离理想位置，则机器人对人产生将其 拉回到理想位置的作用力。考虑到机器人给定的理想参考轨迹不能完全代表 人自主运动的理想轨迹，j e z e m i k 和r i e n e r 等人在阻抗控制基础上提出了白 适应策略，将参考轨迹和阻抗值根据实际的人机位置和相互作用力按照减小 人机作用力的原则调整，尽量发挥人的自主运动能力，实验显示具有较强自 主运动能力的患者采用该种策略的机器人训练时感觉较舒适，该策略尤其适 合偏瘫病人，健腿和患腿可以采用不同的阻抗。j e z e m i k 和r i e n e r 等人还提 出一种由患者驱动的训练控制策略，即要求患者首先发起运动，将该运动被 记录下来并输入患者的逆动力学模型，得出维持该运动患者需要的实际力矩， 将其乘以一个大于o 小于1 的比例因子作为机器人应该提供的辅助力。该策 略的优点是训练完全从患者的自主运动意愿出发，不设定固定的参考位移轨 迹，但是该策略要求建立患者的动力学模型。事实上，患者的动力学模型因 人而异，即便是同一个患者不同康复阶段也会有较大变化，所以该策略实现 起来几乎是不可能的n 巩拍删。文献 5 0 5 h 在上肢康复训练机器人中位置外环 力内环的阻抗控制方式作为实现抗阻训练模式提出，这种控制策略要求人必 须始终主动施加与机器人运动方向相反的阻力，即通过人主动对机器人施加 阻力来进行肌力训练，阻力的大小取决于机器人的柔性。理想的抗阻训练模 式，应该是人自主运动，机器人根据人的运动对其施加阻力并跟随人的运动。 采用位置外环力内环的阻抗控制方式实现抗阻训练模式，人基本上还是按机 器人的参考轨迹运动，阻力训练模式中的运动要求是相反的。 清华大学季林红、杨秀峰等人在其开发的上肢康复训练机器人中，提出 基于虚拟速度场、辅助力场、阻力场的思想实现不同的康复训练模式。在被 动训练和主动辅助训练中，机器人工作于速度控制模式；在约束和抗阻训练 模式时，机器人工作在力矩控制模式；在主动辅助和约束阻力模式时，在运 9 哈尔滨下程大学博士学位论文 动平面内设定辅助力场或者阻力场，被动运动时在运动平面内设定了速度场。 文献中只提供了辅助力场和速度力场的方向，对其大小的设计没有提及，这 一点是很重要的，有关机器人的柔顺程度和患者自主运动能力的发挥程度咖 5 1 o 上面提出的方法都是基于人机系统力位检测，按照某一规则间接判断人 的自主运动能力，并不能直接判断患者自主运动意图。理论上讲，对患者的 自主运动意图的判断，只能通过对人体自身的肌信号或者脑神经信号的辨识 复现。哈尔滨工业大学王东岩等人在其