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绳索牵引骨盆运动控制康复机器人研究 摘要 康复训练机器人作为新兴特种机器人近年来得到了快速发展，其 能够帮助具有功能障碍的患者和老年人进行康复训练，使关节和肌肉 功能得到更为有效的恢复，从而进一步提高他们的生活质量；其也作 为国家中长期科学和技术发展规划纲要的主要发展内容。 本文以下肢康复训练机器人的骨盆运动控制为对象，研究绳索牵 引骨盆运动控制机器人的关键技术。通过绳索牵引骨盆运动控制，用 以满足躯干与下肢步态的协调运动，同时提供一定的辅助力，这样不 但能对受训者进行减重训练，而且还能锻炼受训者的自身平衡能力， 从而达到更好的训练效果。主要研究内容包括绳索牵引骨盆运动控制 机器人的绳索布置方案、1 r 2 t 机器人运动学及欠约束控制特性分析、 l r 2 t 机器人动力学分析、机器人运动规划研究等，并研制了1 r 2 t 绳 索牵引机器人实验样机，基于d s p a c e 半物理仿真系统对绳索牵引机 器人的驱动控制特性和动力学性能进行了实验研究。 在总结国内外下肢康复机器人以及骨盆运动控制机构概况的基础 上，提出了一种绳索牵引骨盆运动控制机器人，用以满足下肢步态康 复训练需要；分析了绳索牵引并联机器人的特点，并探讨绳索牵引机 器人的应用领域及发展趋势。 根据正常人步态中的下肢支撑状态，将下肢简化成等效的结构形 式，分析了骨盆的自由度输出类型，确定步态康复过程中骨盆的运动 空间。依据骨盆运动控制的需要，基于绳索牵引机器人的可控性，分 析了存在能够满足该功能的绳索牵引机器人的结构形式，选取了种 欠约束绳索牵引机器人。对水平面内不同绳索牵引机器人布置形式的 工作空间大小、质量进行了研究和仿真分析，最终确定了等效的机器 人绳索布置方案。 针对水平面内所确定的机器人绳索布置方案，利用三角形方法对 其的位置进行了正逆分析，通过影响系数法建立了机器人的运动学方 程? 得到绳索运行速度、加速度与骨盆运行速度、加速度之间的映射 哈尔滨t 稃大学博十学伊论文 关系。建立了机器人静力学力螺旋平衡方程，通过广义逆求得绳索拉 力解空间，包括最小范数解和零空间解。研究了欠约束绳索牵引机器 人实际控制过程中对骨盆运动控制的影响情况，并进行了误差分析。 利用牛顿欧拉法建立了骨盆在水平面内的动力学方程，基于达朗 伯原理，建立了骨盆运动与绳索拉力之间的力学方程；又分析了绳索 本身弹性对机器人动力学特性的影响，建立了绳索驱动单元的平衡方 程。由于绳索牵引系统与刚性系统不同的特点之一就是其刚度相对较 小，在此研究了绳索刚度和绳索零空间拉力对骨盆静态刚度的影响以 及在外力作用下绳索刚度所引起骨盆的振动情况，并进行了仿真分析。 根据骨盆在步态过程中的期望运动状态，利用m a t l a b 建立了 机器人运动学模型，并利用a d a m s 所建立的机构模型对数学模型进 行了验证，同时完成了运动学运动规划分析；建立了未考虑绳索刚度 时机器人的逆动力学模型，进行了逆动力学运动规划研究，判断绳索 最小拉力阈值对绳索拉力大小影响的规律。建立了考虑绳索刚度的绳 索牵引机器人机构模型，分析了绳索刚度、绳索拉力对动力学运动规 划的影响。 依据水平面内骨盆运动控制需要，研制了绳索牵引机器人实验样 机，介绍了实验系统的各部分构成及其功能。基于d s p a c e 半物理仿 真系统对绳索牵引机器人进行了实验研究，主要包括机器人的驱动控 制特性实验和轨迹跟踪实验等。通过对实验结果进行分析，表明机器 人的控制性能和精度满足下肢步态康复训练时对骨盆运动控制的要 求。 关键词：绳索牵引；康复机器人：绳索刚度；运动规划；实验研究 绳索牵引骨盆运动控制康复机器人研究 萱i i i i i i 宣i i 宣i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i iii ii 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 薯 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r e h a b i l i t a t i o nr o b o t sa sa ne m e r g i n gs p e c i a lr o b o t a r ed e v e l o p e dq u i c k l y t h e yc o u l dh e l pt h ef u n c t i o n - b a r r i e rp a t i e n ta n d t h ee l d e r l yt oc a r r yo nt h er e c o v e r yt r a i n i n gi no r d e rt om a k et h ejo i n ta n d m u s c l er e c o v e r ye f f e c t i v e l y ，w h i c ht h e i rq u a l i t yo fl i f ea r ei m p r o v e d i ti s a l s oam a i nd e v e l o p m e n tc o n t e n to ft h en a t i o n a lg u i d e l i n eo nm e d i u ma n d l o n gt e r mp r o g r a m f o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i n t h e p a p e r ，t h ep e l v i s m o t i o nc o n t r o lo ft h el o w e r - l i m b r e h a b i l i t a t i o nr o b o tw a sc h o s e n ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so fw i r e - d r i v e n p e l v i sm o t i o nc o n t r o l r o b o tw e r er e s e a r c h e d t h r o u g ht h er o b o t ，t h e c o o r d i n a t e dm o t i o nb e t w e e nt h eb o d yt r u n ka n dt h el o w e rl i m b sw a s r e a l i z e da n ds i m u l t a n e o u s l yc e r t a i ne x t e r n a lf o r c ew a sg o t ，w h i c hc o u l d m a k en o to n l yt h et r a i n e rc a r r yo nt h ew e i g h tr e l i e ft r a i n i n gb u ta l s o e x e r c i s es e l f - b a l a n c ea b i l i t yt r a i n i n g ，t h u st h eb e t t e rt r a i n i n ge f f e c tc o u l d a c h i e v e d t h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e d t h ew i r ea r r a n g e m e n ts c h e m eo f w i r e - d r i v e np e l v i sm o t i o nc o n t r o lr o b o t ，t h ec o n f i g u r a t i o na n a l y s i so f 1r 2 tr o b o t ，t h ed y n a m i c sa n a l y s i so f1r 2 tr o b o t ，t h em o t i o np l a n n i n g a n ds oo n a ne x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eo ft h ew i r e d r i v e n1r 2 tr o b o tw a s d e v e l o p e d b a s e do nt h ed s p a c es y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o n r o b o t sc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i c sp e r f o r m a n c ew a sc a r r i e d o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h e sr e s u l t so ft h e1 0 w e r - l i m b r e h a b i l i t a t i o nr o b o ta sw e l la st h ep e l v i sm o t i o nc o n t r o lm a c h i n ea th o m e a n da b r o a d ，ak i n d o fw i r e d r i v e n p e l v i s m o t i o nc o n t r o lr o b o tw a s p r o p o s e dt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h el o w e rl i m bg a i tr e c o v e r yt r a i n i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e d r i v e nr o b o tw e r ea n a l y z e da n dt h et r e n do f d e v e l o p m e n tw a sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h el o w e rl i m bs u p p o r tc o n d i t i o no ft h en o r m a lh u m a n ， t h el o w e rl i m b sw e r es i m p l i f i e da st h ee q u i v a l e n ts t r u c t u r a ls t y l e b a s e d 哈尔滨t 程大学博十学位论文 o nt h ee q u i v a l e n tm o d e l ，t h et y p e so fp e l v i s sd e g r e eo ff r e e d o mw e r e a n a l y z e da n dt h em o t i o ns p a c eo ft h ep e l v i sw a sc o n f i r m e di nt h eg a i t r e c o v e r yp r o c e s s b a s e do nt h er e q u i r e m e n tf o rt h ep e l v i sm o t i o nc o n t r o l a n dt h e c o n t r o l l a b i l i t yo fw i r e d r i v e nr o b o t s t h es t r u c t u r a ls t y l e o f w i r e - d r i v e nr o b o t sw h i c hw a sa b l et os a t i s f yt h i sf u n c t i o nw a sa n a l y z e d ak i n do fi n c o m p l e t e l yr e s t r a i n e dw i r e - d r i v e nr o b o tw a ss e l e c t e d i nt h e h o r i z o n t a lp l a n e ，t h es i z ea n dq u a l i t yo ft h ew o r k i n gs p a c eo nd i f f e r e n t a r r a n g e m e n tf o r mo ft h ew i r e - d r i v e nr o b o tw a ss i m u l a t e d t h ew i r e a r r a n g e m e n ts c h e m eo ft h ew i r e - d r i v e np e l v i sm o t i o nc o n t r o lr o b o tw a s d e t e r m i n e df i n a l l y a i m i n ga tt h ea r r a n g e m e n ts c h e m eo fw i r e si nt h eh o r i z o n t a lp l a n e ， u s i n gt h ed e g e n e r a t e dt h r e e - p y r a m i dm e t h o d ，t h ed i r e c ta n di n v e r s e p o s i t i o n a n d p o s e w e r e a n a l y z e d t h ek i n e m a t i c se q u a t i o n sw e r e e s t a b l i s h e db yt h ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n t s ，s ot h a tt h em a p p i n g r e l a t i o n s h i p b e t w e e nw i r e sm o t i o na n dp e l v i s sm o t i o n w a so b t a i n e d t h es t a t i c w r e n c hb a l a n c ee q u a t i o n sw e r ef o u n d e d t h r o u g ht h eg e n e r a l i z e di n v e r s e m e t h o d ，t h es o l u t i o ns p a c eo fw i r et e n s i o nw a sg o t ，w h i c hi n c l u d e d s m a l l e s tn o r ms o l u t i o na n dn u l l s p a c es o l u t i o n t h ei n f l u e n c eo f i n c o m p l e t e l yr e s t r a i n e dr o b o t so nt h ep e l v i sm o t i o nc o n t r o lw a ss t u d i e d ， a n dt h ee r r o ra n a l y s i sw a sc a r r i e do n u s i n g t h en e w t o n e u l e rm e t h o d ，t h ed y n a m i c s e q u a t i o n sw e r e c o n s t i t u t e d b a s e do nt h ed a l e m b e r tp r i n c i p l e ，t h ef o r c e e q u a t i o n s b e t w e e nt h e p e l v i sm o v e m e n ta n d t h ew i r et e n s i o nw e r e g o t t h e i n f l u e n c eo fw i r ee l a s t i c i t yo nt h er o b o td y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c sw a s a n a l y z e d b e c a u s e o n eo fd i f f e r e n t p r o p e r t i e s b e t w e e nw i r e d r i v e n s y s t e ma n dr i g i ds y s t e mw a st h a tt h er i g i d i t yo fw i r e - d r i v e ns y s t e mw a s r e l a t i v e l ys m a l l ，t h ei n f l u e n c eo fw i r er i g i d i t ya n dw i r et e n s i o ni nn u l l p a c eo nt h ep e l v i s s t a t i c r i g i d i t y w a sa n a l y z e d ，a n d p e l v i sv i b r a t i o n s i t u a t i o nw a sa n a l y z e du n d e rt h ee x t e r n a lf o r c e o nt h eb a s i so ft h ed e s i r e dm o t i o ns t a t eo ft h ep e l v i si nt h ec o u r s eo f g a i tt r a i n i n g ，t h ek i n e m a t i c sm o d e lw a se s t a b l i s h e du s i n gm a t l a b ，a n d 绳索牵引骨盆运动控制康复机器人研究 i sw a sc o n f i r m e db yt h em a c h i n em o d e lw h i c hw a se s t a b l i s h e du s i n g a d a m s t h ei n v e r s ed y n a m i c sm o d e lw a sb u i l t ，i nw h i c ht h ew i r e r i g i d i t yw a sn e g l e c t e d t h em o t i o np l a n n i n gw a sc o n d u c t e d ，i nw h i c ht h e i n f l u e n c eo ft h ew i r es m a l l e s tt e n s i o nv a l u eo nw i r et e n s i o nc h a n g ew a s a n a l y z e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew i r e d r i v e nr o b o tw a sf o u n d e d i nv i e wo fw i r er i g i d i t y t h ee f f e c t so fw i r er i g i d i t ya n dw i r et e n s i o no n d y n a m i c sm o t i o np l a n n i n gw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to ft h ep e l v i sm o t i o nc o n t r o li nt h e h o r i z o n t a lp l a n e ，t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eo ft h ew i r e d r i v e nr o b o tw a s d e v e l o p e d t h ec o m p o n e n t sa n df u n c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m w e r ed e s c r i b e d b a s e do dt h ed s p a c es y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y w a s c o n d u c t e d ， w h i c h m a i n l y i n c l u d e d t h ea c t u a t i o nc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t ，t h et r a je c t o r yp l a n n i n ge x p e r i m e n ta n ds oo n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t r o l p e r f o r m a n c ea n dp r e c i s i o no ft h e w i r e d r i v e nr o b o tc o u l dm e e tt h e r e q u i r e m e n to fp e l v i sm o t i o nc o n t r o li nt h ep r o c e s so ft h el o w e rl i m bg a i t r e c o v e r yt r a i n i n g k e y w o r d s ：w i r e - d r i v e n ；r e h a b i l i t a t i o nr o b o t ；w i r er i g i d i t y ；m o t i o n p l a n n i n g ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 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己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，均己在文中以明确方式 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) ：左吐支一 日期：弘力尹年厂月多j 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( 囱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) ：易乞。导师( 签字) ：荔些多锄 日期：力1 辟一月多f 日旆厂月乡伯 | 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资助项目：下肢康复训练机器人 关键技术研究( 6 0 5 7 5 0 5 3 ) ；高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目：微重力下肌力训练与运动机能康复机器人关键技术研究 ( 2 0 0 6 0 2 17 0 2 4 ) 。 1 2 课题的研究目的及意义 对患者进行康复的方法有物理治疗和作业治疗，主要任务为使用 身体运动和各种物理因子( 电、光、磁、力等) 作为治疗手段，进行 神经肌肉和骨关节运动功能的评估与治疗训练以及减轻疼痛；又用日 常生活活动训练、手工艺治疗、认知训练等作业治疗手段对患者进行 细致功能、家居及社会生活能力等的评估和治疗训练，促进身心康复， 改善生活质量【l 】。考虑到作业治疗的重要作用，同时我国康复治疗师 人才缺乏、费用贵，促使发展家庭式的康复训练机器人成为迫切需要。 进入2 0 世纪以来，科技发展迅速，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的患者为了实现最大限度地生活自理， 提高生活质量，对康复医疗设备提出了更高的要求，由此产生了一种 依据康复医学理论和人机合作机器人原理的新型机器人一康复训练机 器人，其属于特种机器人范畴，主要功能是帮助患者完成各种运动功 能恢复训练，如行走训练、脊椎运动训练、平衡能力训练、手部运动 训练等。 “三瘫是临床康复治疗的主要对象【2 】，也是康复医疗技术最大 的应用群体。随着世界各国相继进入老龄化，中风患者势必越来越多； 与此同时，由交通造成的伤残人数急剧增多，而我国四川i 大地震之后， 1 哈尔滨t 稗大学博十学位论文 致使伤残人数大增。可见社会对康复要求越来越迫切，并对康复功能 的要求也越来越高，而传统的康复训练是由医护人员握住伤残者受损 肢体，辅助其作各种动作，维持肢体的活动范围，并促进运动功能的 早日康复，但这种训练方式存在很多的问题，如训练效率和训练强度 难以保证、训练效果受到医护人员水平的影响、缺乏评价训练参数和 康复效果之间关系的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳 治疗方案等【3 】。同时专业的医护人员相对较少，费用相对较贵，无法 保证伤残者在整个恢复过程中都能够得到有效的康复训练。康复训练 机器人作为一种自动化康复医疗设备，能够帮助患者进行科学而又有 效的康复训练，使患者的运动机能得到更好的恢复。其主要涉及特种 机器人技术、人机合作技术、生物信息反馈控制技术等关键技术。它 与传统工业机器人有着很大的区别：人作为机器人系统的一个部分参 与机器人的运动和控制，对机器人的结构、驱动方法和控制策略等都 提出了特殊的要求【4 5 】。发展康复训练机器人能够弥补传统康复医疗中 护理人员的短缺和一些操作缺点。 我国科技部，“十一五”期间，依据国家中长期科学和技术发展 规划纲要和国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “十一五”发展 纲要，在先进制造技术领域“服务机器人项目中针对国内外社会发 展( 尤其是老年人和残疾人) 对服务机器人不断增长的需求，提出将 研发高性价比的助老助残机器人系列产品【6 】。逐步要把我国康复机器 人产品在性能上达到国际同类产品的先进水平，以满足我国众多老年 人和残疾人在康复治疗方面的急切需求，解除老年人和残疾患者的痛 苦以及家属后顾之忧。为大规模康复机器人产业化发展奠定基础，为 人口老龄化等带来的重大社会服务问题提供解决方案，为2 0 1 5 年实现 我国“人人享有康复服务”的国家战略目标和社会协调发展提供技术支 撑。在四川地震残疾伤员医疗康复座谈会上，卫生部陈竺部长作了重 要讲话，要求立即落实震后患者定点康复、发展康复医学【7 】，康复训 练机器人作为康复医学内容之一，将更好地为震后患者服务，提高生 活质量，将为四川地区的和谐稳定、快速发展提供有利帮助。可见发 展康复训练机器人是满足我国现阶段社会发展需求。 现在肢体残疾是所有残疾中发生率最高的一种【8 1 ，所以对肢体康 2 第1 章绪论 i t r- mii i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i 复训练器的要求相比更为迫切。其中下肢康复训练机器人是通过控制 下肢的规律运动，进而实现康复训练。该类康复训练机器人主要分成 两类：卧式下肢康复训练机器人和站立式下肢康复训练机器人，前者 适合受训者没有站立能力的康复初期时使用，长时间躺卧训练会造成 受训者疲惫、烦躁。所以中后期的康复训练一般采用站立式下肢康复 训练机器人，其通过模拟正常人行走过程中的步态位姿，带动下肢进 行有规律的康复训练，以便恢复肢体功能，防止肌肉“废用性 萎缩 和关节僵硬【9 】，还能对病人的协调能力、平衡能力进行综合康复训练， 然而大部分行走有障碍的受训者不能正常控制重心，丧失了自身平衡 机能，有的甚至无法实现对自身躯干的支撑能力，从而使在训练过程 中无法实现躯干运动与下肢相协调，影响康复训练效果，甚至给受训 者造成习惯性“残疾 。所以在康复训练过程中，需要控制重心的运动， 以满足躯干与下肢步态的协调运动，同时应提供一定的外力维持受训 者平衡，这不但能够对受训者进行减重，而且能够达到锻炼受训者的 自身平衡能力。针对步态而言，重心运动主要体现在骨盆的运动上， 所以通过对骨盆的控制实现对重心的控制。考虑康复机器人是典型的 人机合作系统，人与机器人在同一物理空间，因此对机器人的柔顺性、 安全性提出了严格要求，由于绳索牵引并联机构的特性介于刚性串联 机构和并联机构之间，具有柔顺性好、运动空间大、占空间小、重量 轻等特点，且其不会与人体产生刚性碰撞、冲击。基于此提出并进行 了绳索牵引骨盆运动控制机器人的研究，用以控制下肢步态康复训练 过程中骨盆与下肢的协调运动，并实现减重和平衡训练。但绳索牵引 机器人属于冗余系统，且存在绳索弹性，这给力的优化控制、系统刚 度分析、动力学分析等带来困难，其将成为论文研究的主要内容。 当前世界各国都在努力发展载人航天技术，但是大家都遇见同样 的问题，那就是如何使航天员能够锻炼自身的机能使其更好地适应太 空环境，这其中包括无重力( 微重力) 的影响。事实和实验已经证明 在失重状态下航天员执行任务过程中会患很多的航天运动病，对宇航 员的身体及生理是非常不利的，可能导致宇航员一系列生物医学和心 理方面的问题，严重者甚至可能威胁到宇航员的生命【l 们。所以为了尽 可能地减轻无重状态对人造成的影响，这需要通过一个循环渐进的训 3 哈尔滨t 程大学博十学伊论文 练过程，使人能够不断地锻炼自身的机能，并最终能够较好地适应太 空环境，降低太空环境对人的影响。因此，微重力下肌力训练与运动 机能康复关键技术研究是十分必要的，这对于载人航天技术的发展具 有重要意义。然而对微重力环境下模拟虚拟重力将是开展上述技术研 究的前提条件，由此提出绳索牵引并联机器人用以实现对宇航员身体 施加负载，产生附着力，从而模拟人在重力环境下的场景。同时绳索 牵引并联机器人具有占用空间小、质量轻、柔顺性好等特点，也非常 适合于在狭窄空间使用，满足飞船空间的使用要求。 1 3 下肢康复训练机器人及骨盆控制方法的研究状况 1 3 1 国外研究发展概况 自从2 0 世纪6 0 年代初期出现了第一台康复机器人c a s e 以后， 直到7 0 年代中期，对康复机器人技术的研究才开始发展起来，经过近 几年的迅速发展，康复训练机器人技术在欧美等国家得到了科研工作 者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作， 近年来取得了一些有价值的成果，其中对下肢康复机器人的研究也比 较突出。 瑞士苏黎世联邦工业大学( e t h ) 在腿部康复机构、步态状态分 析方面有所成就，在汉诺威2 0 0 1 年世界工业展览会上展出名为 l o k o m a t 的下肢康复机器人【1 1 1 ，如图1 1 所示，其己成为下肢康复训 练机器人的典型代表。该机器人在跑步机的带动下，通过助力腿的控 制来帮助受训者实现下肢步态运动，达到康复训练的目的，同时该机 器人还有一套悬吊系统用于平衡人体的一部分重力，即实现减重，并 巧妙地将平行四边形机构固定于受训者腰部，控制骨盆运动，用以对 受训练者进行平衡控制。该机器人的这种悬吊系统只是起到减重的作 用，且减重量在训练过程中无法进行有效控制；平行四边形机构只允 许受训者躯干在步态过程中沿垂直轴移动，不符合正常人步态过程中 的位姿，没有很好地实现对过程中的重心控制，一定程度上影响了训 练效果。该大学在此基础上与瑞士h o c o m a 公司合作于2 0 0 5 年又推出 4 了晟新型的l o k o m a t 下肢康复机器人m 】，如图12 所示，其已具有产 品化的外观，但功能上与前者相比没有大的改进。 鑫璧 p 雩洛砖，一0 i 移怒彳 心二趟 婆二、矿黛l 闰12 改进型l o k o m a t 下肢康复机器人 f i g12i m p r o v e dl 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 v et r a i n i n gr o b o t 美国开展康复训练机器人研究也非常发达。芝加哥康复研究中心 和民营业者合作研发出一种站立式步态训练和平衡训练的康复机器人 k i n e a s s i s t ，如图1 3 所示，这个重2 2 5 k g 、有轮子的机器人会在受训 者走路时紧跟在后面，以保护装置防止受训者因为脚步不稳而跌倒， 同时让受训者有较大的动作空间【l ”。该机器人由可移动的机架和巧妙 的支柱构成，支柱系统包括绳套、支撑臂、躯干和骨盆约束装置，绳 套用于固定受训者，起到定的保护作用：支撑臂在垂直轴方向上通 过动力驱动可以实现减重功能，并能够控制骨盆上下、左右移动；躯 干和骨盆约束装置允许前后、左右弯曲运动和绕冠状轴、矢状轴转动， 能够实现步态、位姿、平衡、减重、力量、摇摆等训练模式，系统功 5 1 哈尔滨丁程人学博士学位论文 能齐全；该机器人还有一大特点是主被动关节的混合使用，该结构形 式防止康复训练过程中对受训者造成强迫性伤害，为康复训练机器人 的驱动方案设计提出新的设计思想，并通过该样机进行了实验验证。 但该机器人系统总体结构较复杂、庞大，价格昂贵，控制的柔顺性相 对较差，这些缺点影响了其进一步推广。 圈13k i n e a s s i s t 样机 f i g13k i n e a s s i s tp r o t o t y p e 德国弗朗霍费尔研究所i p k 部也开展了康复机器人技术的研究， 并在步态分析、绳索牵引康复机器人技术方面取得了一些研究成果 】。我研究所张立勋教授以访问学者身份曾在i p k 部从事康复训练机 器人的研究，该研究所研制的绳索牵引并联康复机器人用于控制受训 者躯干运动，如图14 所示，该机器人采用7 根绳索牵引，通过三个 连接点固定在“马甲”上，其中4 根绳索向下拉3 根绳索向上拉，同 时还有其它绳索用于躯干运动的测量。通过“马甲”套穿在受训者上 身用于控制躯干的运动，能够保证受训者在训练过程中的平衡能力， 同时还可以实现减重训练和力量训练等。采用绳索牵引使其具有良好 的柔顺性，很好地满足康复训练过程中人机在同一物理空间时所引起 的安全要求，但是该机器人在进行下肢步态训练时，受训者需利用跑 步机带动进行步行，其缺点是不能准各控制膝关节和踝关节的运动状 态，同时空间绳索布置错综复杂，所用驱动原件较多。关于该机器人 6 藤秽警矿 系统的有关其它研究成果很少见诸于学术刊物。 蔫纂期 划 国14 i p k 部研制的绳索牵引康复机器人 f i g14w i r e d r i v e nr e h a b i l i t a t i v er o b o tf r o mi p k 1 3 2 国内研究发展概况 在我国，近几年来康复医学工程得到了普遍的重视，一些技术含 量不高的康复器械产品发展也比较快，取得了一些成果。但由于对康 复机器人的研究起步较晚，现在仍然处于发展阶段，与国外技术相比 还很落后【i ”。从事康复机器人技术研究的单位主要集中在清华大学、 啥尔滨工程大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工业大 学、东南大学等几所高校中，且上述高校研究的重点都有所不同。清 华大学在国内率先研制出卧式下肢康复训练机器人样机，在这项成果 中他们主要研究了虚拟现实技术对于人体生物信息的获取和反馈控制 技术的研究，集中在应用肌电、心电、脑电等生物信息在体育训练中 的测试和康复效果评定中的应用，以及“脑机接口”在助残机器人中 的应用等。该康复机器人样机由于采用卧式结构，没有考虑上身运动 与下肢的协调性，无法实现对受训者进行平衡能力训练和减重，影响 了下肢康复训练的效果。 哈尔滨工程大学机器人研究所一直致力于康复机器人技术的研 哈尔滨t 稃大学博十学位论文 究，2 0 0 5 年在第十六届中国哈尔滨经济贸易洽谈会上展出了一种下肢 康复训练机器人，如图1 5 所示，该机器人采用曲柄连杆机构实现椭 圆运动轨迹，用于模拟步态过程中的跨步；脚踏板处有一转动，通过 电机驱动控制步态过程中踝关节的运动，且与跨步运动相协调【l0 | 。整 体带动受训者做步态运动，实现对下肢各个关节运动训练、肌肉锻炼 以及神经功能恢复训练等，并可以通过远程进行控制。但该机器人存 在两点不足：机构尺寸较大；椭圆运动轨迹并没有很好符合过程 的时相分配。后来在该机器人基础上进行了减重控制研究，如图1 6 所示，减重是通过一根绳索沿垂直轴方向牵引来实现的，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【1 7 1 ，证明了一根绳索实 现减重控制的可行性。该研究所又研制出另一种下肢康复训练机器人， 如图1 7 所示，该机器人采用曲柄摇杆机构模拟步态过程中的跨步， 所形成的类椭圆轨迹能够更好地符合步态时相分配；同时在脚踏板的 后端安装一倾斜滑轨，用于实现跨步过程中对踝关节运动的控制。这 种巧妙的机构不仅使机器人结构变小，而且减少了踝关节所用驱动元 件，降低了成本。上述两种下肢康复训练机器人都是针对而设计的， 并没有完全考虑骨盆运动与下肢的协调性，从而在一定程度上影响了 训练效果。如果受训者下肢不能支撑自身的体重或自身没有调解平衡 能力时，就不能使用上述下肢康复训练机器人进行康复训练了，影响 该类康复训练机器人的应用范围。 我国一些康复器械有限公司也推出不少康复设备，其产品主要是 一些辅助型的康复机器人，如北京宝达华康复器材科技有限公司、浙 江金华博亚医疗器械有限公司等。 8 图15 哈工程太学研制的下肢康复机器人 图1 6 减重式步态训练机器人 f i gl 5l o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o t f i g1 6w e i g h t - b a s e dg a i tt r a i n i n g f r o mh e u t r a i n i n gr o b o t 图17 站立式下肢康复机器人 f i g17l o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o ti ns t a n d i n gt y p e 1 4 绳索牵引并联机构的研究状况 根据操作端机构形式，机器人可以分为串联机构、并联机构和混 联机构三种型式，串联机构特点为工作空间大、刚度低、精度低、承 载能力小，且在高速运行情况下动力学特性较差，运动学求解中正解 容易逆解复杂：而并联机构与串联机构之间具有“对偶”关系，其特 点为工作空间小、刚度高、精度高、承载能力大、速度高，驱动装置 可位于或接近机架使活动构件重量较轻，可具有较好的动力学特性， 运动学求解中逆解容易正解复杂l 2 8 - 1 0 ；混联机构兼有上述两种机构的 9 哈尔滨_ 程大学博十学1 _ ) ：论文 特点。 机器人的机构传动介质可以分为刚性传动( 杆支撑) 和柔性传动 ( 绳索牵引) 两大类。刚性传动是传统的机构传动型式，其中杆支撑 串联机器人是最常见的刚性传动机器人，如一般的工业机器人等；杆 支撑并联机器人的典型代表是s t e w a r t 机构，已经在数控机床、仿生 机器人等方面有所应用。与杆支撑相比，绳索牵引具有柔顺性好、运 动空间大、占空间小、重量轻等特点，其中绳索牵引串联机器人出现 较早，起初主要应用在吊装机器人中，o u 、k o b a y a s h i 等人对绳索牵 引串联系统进行了理论研究【2 肌2 1 1 ，并在绳索配置、力可控性等方面取 得了一定成果，促进了该类机器人的应用范围，但考虑到串联绳索不 容易布置，至今绳索牵引串联机器人大多应用在平面系统中，影响了 其进一步发展；绳索牵引并联机器人是2 0 世纪8 0 年代初期，在美国 国家标准与技术研究所( n i s t ) 所研制的绳索悬挂新型吊车 r o b o c r a n e 的基础上，经过其后发展所形成的一类新型机器人【2 2 1 ， 由于该类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，并在很多方面进行了尝试性地应 用，取得了一批瞩目的研究成果。 1 4 1 绳索牵引并联机构分类 绳索牵引并联机器人( p a r a l l e lw i r er o b o t ，p w r ) 的出现和发展 借鉴了刚性并联机构s t e w a r t 平台的相应理论，但与其也存在着本质 的不同，由于绳索本身的柔顺性使它只能承受拉力，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， 否则该绳索对系统不起作用。不同研究者从不同角度对p w r 进行了 分类，r o b e r t s 从运动学角度的正运动学是否具有唯一解定义了分类： 完全约束( f u l l yc o n s t r a i n e d ) 构型和欠约束( u n d e r c o n s t r a i n e d ) 构型， 并以定理的形式对分类的依据进行了数学描述【23 1 ，该分类方法没有考 虑绳索受力特性，所以必须在绳索保证受拉情况下才存在上述分类； y a m a m o t o 则建立动平台力旋量平衡方程，= - 厂t 丁( 7 为动平台外力； 丁为绳索牵引力；，t 为绳索变换矩阵) ，根据平衡方程的绳索拉力解 1 0 第1 章绪论