（机械电子工程专业论文）下肢康复医疗外骨骼训练气动控制系统的设计和实验研究.pdf

浙江火学硕士学位论文 摘要 “外骨骼”是“人机一体化川订的典型代表之一，它充分发挥了机器能够重复 劳动的优势，很好的弥补了人的体力及精力的不足。另外，“外骨骼”尽可能地 接近人的生理结构，人穿戴起来不会感到不适和别扭。利用外骨骼技术来开发帮 助脑卒中患者恢复行走能力的医疗康复器械是外骨骼技术应用的一个领域。传统 的医疗康复器械一般都需要理疗师额外的帮助，这不仅带来繁重的体力劳动，不 利于理疗师把精力集中在评估患者康复效果和康复方案的制定上。而基于外骨骼 技术的医疗康复器械则可以很好地解决以上问题。以往的外骨骼康复医疗器械多 是采用伺服电机来作为它的驱动器，但伺服电机价格昂贵，对驱动电路要求高， 存在易烧坏和漏电的问题。本文介绍的基于气动控制系统的下肢康复医疗外骨 骼，目的就是为了采用一种与伺服电机完全不同的驱动方式来达到与之相近的康 复治疗效果。 本课题采用气动控制系统作为主体搭建了一套下肢外骨骼康复医疗器械用 以辅助恢复脑卒中患者的行走能力。气动系统避免了伺服电机由于受到其驱动电 路小型化而带来的技术难题的限制，使其在元器件选型方面相对宽松。在应用领 域来看，气动系统在一些位置闭环控制精度要求不是很高的情况下相对于伺服电 机具有很大的优势，在成本上也远远低于伺服电机。这套气动下肢外骨骼康复医 疗器械以气泵为动力源，用气缸作驱动器，以及气动比例流量阀作控制阀构成主 体，并在此基础上对合适的控制策略进行了大量的分析，提出一套切实可行而又 对气动系统有较好控制效果的控制算法，并根据此算法分别设计实现了上位机和 下位机的控制系统硬件。另外，开发了一套虚拟仪器操作界面方便操作使用此系 统，便于理疗师及时得到脑卒中患者在治疗过程中的相关数据以及根据这些数据 评估治疗效果，有利于理疗师和患者之间的交流互动。最后，基于各部分的设计， 建立了一套下肢康复医疗外骨骼气动控制系统的初步原型系统，并在此基础上进 行了下肢康复治疗基本功能的验证实验，验证了下肢康复医疗外骨骼气动系统的 可行性和可靠性。 关键词：气动，下肢，外骨骼，康复医疗 浙江入学硕士学位论文 a bs t r a c t e x o s k e l e t o ni sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i o no f ”m a n m a c h i n ei n t e g r a t i o n ”，w h i c hc a n b ea b l et og i v et h eg o o dp l a yt ot h ed u p l i c a t i o nw o r k ，a n di tm a k e su pf o rt h el a c ko f p h y s i c a ls t r e n g t ha n de n e r g yo fp e o p l e i na d d i t i o n ，t h ee x o s k e l e t o ni sa s c l o s ea s p o s s i b l et op e o p l e sp h y s i c a ls t r u c t u r e ；p e o p l ec a nd r e s su pa n dn o tf e e lu n c o m f o r t a b l e i t sa n o t h e rw a yt oa p p l ye x o s k e l e t o ni ni n t e l l i g e n tm e d i c a lr e h a b i l i t a t i o nt oh e l p p a r a l y z e dp a t i e n t st or e c o v e rt h e i rw a l k i n ga b i l i t y t r a d i t i o n a lm e d i c a lr e h a b i l i t a t i o n e q u i p m e n tg e n e r a l l yr e q u i r ea d d i t i o n a lp h y s i c a lt h e r a p i s t a s s i s t s ，i t sn o to n l yb r i n g a b o u th e a v ym a n u a ll a b o r , b u ta l s on o tc o n d u c i v et ot h ep h y s i c a lt h e r a p i s tt o c o n c e n t r a t eo nt h ep a t i e n t st oa s s e s st h ee f f e c t i v e n e s sa n dr e h a b i l i t a t i o np r o g r a m t h e r e f o r e ，b a s e do nt h ee x o s k e l e t o n so ft e c h n i c a lm e d i c a lr e h a b i l i t a t i o ne q u i p m e n t m a ys o l v et h ea b o v ep r o b l e m sw e l l i nt h ep a s t ，t h ee x o s k e l e t o no fm e d i c a ld e v i c e s w e r ed e v e l o p e da ss e r v om o t o r st od r i v ea n dc o n t r o l ，b u ti t sh i 【g hc o s to fs e r v om o t o r ， a n di t sd r i v er e l i e so nt h ed e m a n d i n gc i r c u i t ，w h i c hi se a s yt ob u r nu p i nt h i sp a p e r , a n e wp n e u m a t i cl o w e r - l i m be x o s k e l e t o nf o rl o c o m o t o rt r a i n i n gw i l lb ei n t r o d u c e dt o a c h i e v et h ew a l k i n gr e h a b i l i t a t i o nf u n c t i o n t h i sp r o je c tu s ep n e u m a t i cs y s t e ma st h em a i nb o d yt ob u i l dal o w e rl i m b e x o s k e l e t o nt oh e l pr e c o v e rp a r a l y z e dp a t i e n t sw a l k i n ga b i l i t y p n e u m a t i cs y s t e mc a n a v o i dt h ep r o b l e mt h a tas e r v om o t o ri sr e s t r i c t e db yd r i v ec i r c u i td u et oi t ss m a l ls i z e a n dt e c h n i c a lp r o b l e m sb r o u g h ta b o u tb yr e s t r i c t i o n si ni t ss e l e c t i o no fc o m p o n e n t si s c o m p a r a t i v e l yr e l a x e d i nt h ef i e l do fa p p l i c a t i o n ，p n e u m a t i ch a sg r e a ta d v a n t a g e si n t h eo c c a s i o nw h e r eh i g hp r e c i s i o ni sn o tn e e di nac l o s e d l o o pc o n t r o lc o m p a r e dw i t h s e r v om o t o r t h i sp r o j e c tu s e sc y l i n d e ra sd r i v ea n dp n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lf l o w c o n t r o lv a l v ea sc o n t r o lc o m p o n e n t s ，w h i c hc o n s t i t u t et h em a i ns y s t e m o nt h eb a s i s o fal a r g en u m b e ro fc o n t r o ls t r a t e g ya n a l y s i s ，t h i sp r o j e c tc o m e su pw i t hap r a c t i c a l ， r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ec o n t r o la l g o r i t h m s a n dt h eu p p e ra n dl o w e rm a c h i n ec o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t ht h i sm e t h o d i na d d i t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fa v i r t u a li n s t r u m e n ti n t e r f a c ef a c i l i t a t e st h eu s eo ft h eo p e r a t i n gs y s t e m p h y s i c a l i i 浙江大学硕士学位论文 t h e r a p i s t sc a l lf a c i l i t a t et h et r e a t m e n to fp a r a l y z e dp a t i e n t si nt h ep r o c e s so fr e l e v a n t d a t ai nat i m e l ym a n n e r a l s o ，p h y s i c a lt h e r a p i s t sc a na s s e s st h et r e a t m e n te f f e c t si n f a v o ro ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e r a p i s ta n dp a t i e n to nt h eb a s i so ft h e s ed a t a f i n a l l y , o nt h ep a r to ft h ed e s i g n ，t h ee s t a b l i s h m e n to fp n e u m a t i cl o w e rl i m b e x o s k e l e t o nf o rl o c o m o t o rt r a i n i n go fp a r a l y z e dp a t i e n t si sl a b - a s s e m b l e d o nt h e b a s i so fi t e x p e r i m e n t sj o i n t e dw i t hn o r m a lp e r s o nh a sb e e nc o n d u c t e di no r d e rt o v e r i f yt h ed e v i c ep e r f o r m a n c e a n dt h e n ，t h es a t i s f y i n ge x p e r i m e n t sr e s u l th a sb e e n a c h i e v e d k e yw o r d s ：p n e u m a t i c ，l o w e r - l i m b ，e x o s k e l e t o n ，r e h a b i l i t a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弓艮讶仗 签字日期： 学位论文作者签名：勿艮砭 签字日期： 一 舢7 1 年2 月z 日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂姿太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弓k 导师签名： 俸鸯、枷 签字目期：必7 年l2 月21 日 签字日期：年月 日 浙江人学硕士学位论文 致谢 本课题的研究和论文撰写是在我的导师的悉心指导下完成的。我首先要感谢 我的导师，他知识渊博，对学生关爱有加，他在我课题的研究过程中给了我极大 的帮助与指导，使我受益匪浅，保证了课题研究的顺利进行。他对科研的严谨作 风也对我树立了一个很好的榜样。另外，他对学业以外的生活也很关心，真正做 到为人师表。 在实验室里，我很幸运的认识了郑精辉，张杰，刘玉龙，诸敏，董亦鸣等同 学，他们不仅在学业上给我帮助，特别是在生活来给我带来无限的欢声笑语。我 永远会记得与你们一起在实验室里度过的每一天。这段日子一定是我生命中抹不 去的美好回忆。 另外，还要特别感谢为我课题提供机械加工的师傅，是你们精益求精的工作 态度保证了零件的精准，保证了课题的顺利进行。 最后，我要感谢的是我的家人，家真的是一个避风港，每当我遇到不快乐的 事情而消沉压抑的时候，我总会想起家人的笑脸，他们是我一切动力的来源。几 年来，他们一直默默的支持我，陪伴我的成长，你们永远是我最强的精神动力。 张欣 2 0 0 9 年1 1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景与意义 脑卒中( s t r o k e ) 是脑中风学名，是一种突然起病的脑血液循环障碍性疾病。 临床表现以猝然昏扑、不省人事或突然发生口眼歪斜、半身不遂、舌强言蹇、智 力障碍为主要特征。脑中风是严重危害人类健康和生命安全的常见的难治性疾 病，存在着明显的发病率高、致残率高、死亡率高等现象。根据统计我国每年发 生脑中风患者达2 0 0 万。发病率高达1 2 0 1 0 万。现幸存中风患者7 0 0 万，其中 4 5 0 万患者不同程度丧失劳动力和生活不能自理。致残率高达7 5 。我国每年中 风患者死亡1 2 0 万汜3 。近年其发病率仍在上升，且好发于中老年人，是威胁人类 生命和致残的重要杀手之一，在世界与我国人口老龄化趋势日益加速的情况下， 脑卒中的危害性亦必然日益突出。所以，更需要采取有效措施预防复发。目前， 对于脑卒中的治疗，医学界普遍认定的方法是在前期加以手术和药物的治疗，而 后期，即恢复期则进行适当的康复性治疗以恢复其肌体的运动功能。 一般脑卒中患者在经过前期的手术和药物治疗以后往往存在着肢体运动障 碍的情况，所以在恢复期需要采取辅助性的治疗手段来恢复其运动能力。目前的 辅助性治疗手段主要有两种： 1 理疗师对患者“手把手”的训练，如图1 1 所示。这种康复训练方式根 据动物实验和临床研究提出了减重活动平板步行训练方法b 1 ，训练采用悬吊式减 重器和医用跑步机配合工作，由理疗师亲自来协助患者完成步行动作。这是我国 目前对脑卒中患者进行康复治疗的普遍方式。这种训练方式的优点在于：首先， 由于训练采用悬吊式减重器，这就一定程度地减少了患者上肢重量对下肢的压 迫，有利于患者下肢的恢复；其次，下肢的负荷减轻，放松了下肢肌肉的张力， 减少了相关肌肉群的收缩负荷，使患者的下肢得到更好的恢复；最后，患者在训 练过程中的安全性得到提高。然而，这种方式的缺点也是显而易见，首先，这种 方式需要两名理疗师，而且由于不良的生活习惯引起的脑卒中患者的日益增多， 增加了对理疗师数量的需要；其次，理疗师需要具备丰富的临床经验和娴熟的康 复技能，才能达到预期的治疗效果，也就是说，主观因素在很大程度上影响着患 * ￥镕女 者的恢复效果；再次，理疗师需要具备充沛的体力和充裕的时问才能使患者的 康复达到一定程度的治疔强度和治疗长度；最后。这种治疗方式无法向理疗师和 患者提供实时的与康复训练相关的信忠，使得理疗师无法及时对训练效果进行客 观定量的评估，影响后续训练方案的制定和改进。由于这种治疗方式无法记录下 相关数据，导致医师无法展开对脑卒中患者治疗方法的深入研究。 图l1 理疗师对患者“手把手”的训练 2 采用下肢外骨骼康复医疗器械进行的康复训练“1 如图i2 所示。由于 我国医疗资源匮乏，医疗水平不发达，得了脑车中的患者由于种种原因无法得到 规范有效的的康复训练而错过了恢复肢体运动能力的时期。因此，急需一种能够 提供长期稳定、可靠、训练效率高的的医疗康复器械。近年来，随着外骨骼技术 在医疗康复领域内的迅猛发展，使得基于外骨骼的医疗康复器械得到了很好的发 展和应用。选种康复训练的优点在于：首先，由于在康复训练的过程中无需理疗 师的帮助，因此将理疗师从繁琐的体力劳动中解放出来使其专心于治疗理论的 研充。其次康复训练具有良好的可重复性，在很大程度上降低了人为因素对于 康复训练的影响，保证了每次训练的康复效果。最后可以记录下康复训练过程 中相关的数据并实时定量地反馈给理疗师和患者，患者可以随时知道自己的康复 情况，理疗师也可以根据这些数据改进和制定下一阶段的康复计划并且有利于 脑卒中治疗理论的深入研究。目前现有的下肢外骨骼康复医疗器械大都是采用伺 服电机作为驱动器的，其优点在于：首先。伺服电机的系统控制方法成熟，控制 精度高，控制性能良好：其次伺服电机工作平稳；再次，使用方便电源很容 易莸取。但是它的缺点也是很明显的：首先，外骨骼系统设计受到电机型号、电 机特性的影响尤其对于大功率设备，直流电机的使用受到其驱动电路小型化等 浙江大学硕 t * z 技术难题的限制；其次，伺服电机系统由于爱伺服电机和驱动器价格的影响，开 发成本高：再次，电机抗过载的能力羞一旦出现过载，引起电机发热。很容易 损坏电机。此外，伺服电机系统存在防爆、漏电、驱动器易烧坏等方面的问题； 最后，采用伺服电机做驱动的下肢外骨骼康复医疗器械与患者之间是一种刚性接 触，台在训练过程中与患者的肢体产生干涉，影响患者的舒适感。 图12 采用伺服电机的下肢外骨僻康复医疗器械进行的康复训练 为了避免采用伺服电机系统所带来的设计上的瓶颈和缺点，也为了能够开辟 另外一条外骨髂技术在医疗器械上应用的途径，需要也有必要采取另外的方式开 发设计一种下肢外骨骼康复医疗器械，这不仅有利于对脑卒。患者的康复训练， 也有助于集合不同驱动类型的下肢康复医疗外骨骼各自的优点，促进外骨骼技术 在康复医疗器械领域内更好地发展。 气动技术的应用历史悠久。从1 8 世纪的产业革帝开始，气动技术逐渐被应 用于各类行业中。目前世界各国都把气动技术作为一种低成本的工业自动化手 段许多机器设备中装有气压传动系统在工业各领域如机械、电子、钢铁、 运输车辆及制造、橡胶、纺织、化工、食品、包装、印刷和烟草领域等”3 。 采用气动技术开发设计下肢外骨骼康复医疗器械的优点在于：首先，气动系 统选型范围较伺服电机广，设计条件比较宽松；其次，气动系统具有很好的承受 过载的能力。不会像电机那样由于过载堵转而导致发热；再次，气动系统在一些 对位置闭环控制精度要求不是很高的场合具有很大的优势，开发成本比伺服电机 系统低很多；此外，气动系统不存在防爆，漏电等问题。所以，采用气动系统设 计下肢康复医疗外骨骼是可行而且具有一定优势的。 浙江大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 由于外骨骼技术可应用的领域非常广泛，比如军事、工业制造、科考、医疗 等，因此越来越成为国内外“人机一体化”的一个重要研究方向。外骨骼技术的 发展可以追溯到上世纪中期的前苏联科学家发明的一套由电机驱动的工业用外 骨骼。随着科技的发展，各种驱动器的性能不断得到发展完善，微机控制技术空 前的飞跃，控制算法逐渐成熟，以及新材料的涌现和加工工艺的进步，使得外骨 骼技术的发展拥有了充分的条件。越来越多的研究团队和研究机构加入到外骨骼 的研究中来，所取得的研究成果也是种类繁多，功能迥异，但有一点都是相同的， 就是它们的结构更加合理，材料更加轻便牢固，控制系统更加稳定，功能性也更 加明确，应用前景也更加明朗。 目前国内外所研究的下肢外骨骼系统按最终所要实现的功能主要可以分为 两大类：辅助行走类和医疗康复类。由于这两类系统所要实现的功能完全不同， 因此它们在使用对象、机械结构、控制策略等方面都存在很大的差异。 i 2 1 行走辅助类下肢外骨骼 行走辅助类的下肢外骨骼的功能主要是为了辅助正常人的运动，如行走，跑 步，登山等肢体运动。它将人和两足步行机器入结合在一起，利用人的智能来控 制机器人的行走，简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划和步态稳定 性问题，同时它又可以提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力和速度，缓 解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感，大大扩大人们的运动范 围，故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面，具有广泛的应用前景。 国外对行走辅助类的下肢外骨骼研究较多，设计方法也各不相同，取得的成 果也很多。在所研究的成果里，采用的驱动方式主要为伺服电机和液压传动两种。 采用伺服电机开发设计行走辅助类下肢外骨骼的典型代表是日本筑波大学 的h a l 系列下肢外骨骼m 嘲。由日本筑波大学的山海嘉之教授所开发的h a l ( h y b r i da s s i s t i v el i m b ) 系列下肢外骨骼采用了角度传感器、肌电信号传感 器和地面接触力传感器等传感设备来获得外骨骼和操作者的状态信息。它的所有 的电机驱动器、测量系统、计算机和无线局域网络，以及动力供应设备都整合到 背包中。使用装在腰间的电池进行供电。h a l 拥有混合控制系统，包括自动控制 器进行诸如身体姿态的控制，以及基于生物学反馈和预测前馈的舒适助力控制 斯 # * 文 嚣。这些机型不但能帮助使用者走路，还有上半都能辅助使用者的手臂，使用者 穿戴上这种装置就能提起比原本所能负荷还要曼重4 0 公斤的东西。目前， i a l 系列已经成功商业化。如图13 所示。 图l3 筑菠大学研发的 a l 辅助行走下肢外骨骼 采用液压传动设计行走辅助粪下肢外骨骼的典型代表是美国加州大学伯克 利分棱的人体工程实验室的b l e e x ( b e r k e l e yl o w e re x t r e m i t ye x o s k e l e t o n ) 外骨髂系统“”，如图14 所示。该系统由两条液压驱动的仿生金属腿、一个动力 供应单元和一个用于负重的背包槊组成。外骨骼上共安装有4 0 多个传感嚣和液 压驱动器，它们共同构成了一个局域网络，该网络向计算机提供必要的信息，计 算机根据这些信息了解操作者当前的状态，并据此对人的负载情况实时进行必要 的调整。这垂系统面向的对象是野战士兵当士兵穿着外骨骼后，行军能力太大 提高，可毗肩负4 0 0 磅的军用设备，连续运行至少4 个小时。另外，在战争中， 外骨骼可以使士兵作战能力大大增强，同时在士兵受伤后，可以起到一定的保护 作用。 除了采用液压传动作为驱动以外，气动技术也被尝试利用在下肢外骨骼的开 发里。如浙江大学流体传动与控制国家重点实验室开发的可穿戴式气动下肢步行 外骨骼“，但是由于气动系统的强非线性。导致很难建立一个精确的动态模型以 获得精确的控制。另外，压缩空气的获取较电源相比困难，所以取得的研究成果 比较少。 靳e 太学碗 * z 圉i4 加州大学伯克利舟校开发的藏压驱动下肢步行外骨髂 12 2 医疗康复粪下肢外骨骼 康复医疗是外骨骼技术得到发展应用的一个广阐领蛾。近年来，由于饮食习 惯不良辞多方面原因引发的心脑血管疾病所造成的肢体运动能力缺失的患者透 年增加对物理康复治疗的需要也随之增大以往的人工康复理疗已无法满足广 大患者的需求，目此迫切需要开发具备相应康复目l f 练功能的医疗墨械来满足患 者的治疗需求。国内外已有多索研究机构在这方面进行了深入的研究，井取得了 一定的成果使得外骨骼技术在医疗康复器械的开发上取得了长足的发展。 与行走辅助党的下肢外骨骼相似，可以拄驱动方式将医疗康复粪下肢外骨骼 分为采用伺服电机武和采用液压传动式两类。 采用伺服电机开发医疗康复下肢外骨骼的典型代裹是瑞士联邦工学院和 b m g r i s t 大学医院联合开发的l o k o m a t ，如图15 所示。l o k o m a t 是当今产业 化程度最高的一种面向下肢瘫痪患者的医疗康复器械。它根据瘴痍患者康复训练 的特点将下肢外骨骼腿设计成就关节和膝关节两个自由度，分别由驱动嚣控制 直流伺服电机进行运动。关节的角度，电机的输出力矩。为了检测患者与外骨骼 之闻的互动在外骨骼上均装有相应的传感器进行测量。整个系统通过一个平行 四边形连杆机构与跑步机及悬吊系统相连接稳固可靠。训练时患者的下肢通 过六个绑带与l o k o m a t 相连，以带动患者模仿人体步行运动。目前基于此平台 已经开发出了多种控制策略供不同康复时期的患者进行恢复。 宦 图15l o k o m a t 下肢压疗康复器械 由于当前国际上主要都是采用伺最电机系统来开发下肢康复医疗外骨髂，取 得7 较为成熟的研究成果。利用气动技术来设计下肚康复医疗外骨骼的还比较 少。取得的成果也不是很多，所以，有必要在气动领域内开拓外骨骼技术在康复 医疗领域内的应用。 采用气动系统开发下肢康复医疗外骨骼的典型代表是意大利gb e l f o r t e 教 授研究设计的p n e u m a i t ca c t i v eg a i to r t h o s i s ( 气动步奄矫形器) “，如图 16 所示。这套系统的最大特点是采用了气动系统作为驱动和控制的主体，为发 展外骨骼技术在医疗康复领域的应用拓宽的空间。它的每一条腿也是具有髋关节 和藤关节两个自由度，分别由一个气缸驱动，并在腿上袭上7 行程开关，防止由 于气缸的快速动作而导致超出行程要求。为了充分发挥气动系统在逻辑控制上的 优势，整套装置采用7 多层p l c 的控制，旨在利用逻辑控制来模拟伺服控制这 样就避免了气动控制系统的强非线性，而又不失较好的控制效果。 囤1 6 气动下肢步卷矫形嚣 蕊銎 擎霁 一“ ：1| rllllllllllllllmllllh 0 i 浙 学顿 位论z 除了上述的典型代表以外，一些国外研究机构都在利用气动技术研究下肢康 复医疗外骨髂。韩国的一些康复医疗研究机构采用气动技术正在研发中的下肢康 复医疗外骨骼“3 ，它们研究的共同特点是采用气缸作为直接的驱动装置，利用 专门设计的机械机构将气缸的运动转换为关节的运动，采用简单的闭环比例控制 策略束控制气缸的运动以形成合乎正常步态的步态曲线。目前逮套系统还在研究 之中。 围18u c l 研究的p o g o 气动下肢外骨髂 * 大￥颐 位论女 英国kc o s t a 教授设计的p l r o ( p o w e r e dl o w e r l i m br e h a b i l i t a t i o n o r h o s is ) “”这謇系统采用气动肌肉作为驱动器每个关节有两个气动肌肉驱 动这两个气动肌肉来回收缩使关节产生旋转，从而驱动外骨髂系统产生正常 的步态运动。 图i 9 英国nc o s t a 教授设计的p l r o 气动下脏补骨骼 国内的浙江大学流体传动与控制国家重点实验室也在这方面做了深入的研 究，研究设计了一杏下肢康复医疗外骨髂“如图1 1 0 所示。这套系统具有髋 关节和膝关节两个自由度，采用伺服电机驱动，并由独立的驱动垂进行控制。并 在此基础上开发了一套专用于此系统的虚拟仪器控制界面软件。另外寺为系统 制定开发的两套步态训练控制策略。印被动步态训练位置控制和半主动步态训练 轨迹自校正控制，可以满足不同康复时期下肢步态康复训练的不同要求。 图11 0 浙江大学研发的伺服电机驱动的下肢康复医疗外骨骼 浙江大学硕士学位论文 1 3 课题研究难点 本课题的目标是开发一套下肢康复医疗外骨骼气动控制系统，用于辅助由于 脑卒中而引发的肢体运动能力缺失的后期康复训练。开发一套下肢外骨骼系统， 其目标功能是否能实现，决定于是否能设计一套合适的机械结构，是否能找到合 适并且可行的控制策略以对系统做出较好的控制。由于气动系统的强非线性，利 用气动技术成功开发下肢康复医疗外骨骼的先例极少，因此不可避免的会遇到一 些设计上的难题。 1 3 1 机械结构的合理设计 机械结构是整个下肢康复医疗外骨骼气动控制系统的支撑主体，其设计是否合理 决定着这个系统是否能够顺利实现目标功能。这部分的主要难点在于设计的机械 结构除了具有一定的强度外，还要尽可能的轻便，简单，方便使用。因为接受康 复训练的患者体质都比较虚弱，如果使用复杂的话，不利于患者穿上器械和离开 器械，增加患者和理疗师的负担。除此之外，确定合适的驱动器型号和合理的驱 动器定位也决定着这套系统是否能够带动不同体重和体形的患者。 1 3 2 控制策略的研究和控制系统的构建 气动控制系统的伺服控制直到现在都是一个难题，目前还没有一个很好的控 制算法能解决这个问题。由于空气的粘度很小( 约为液压油动力粘度的百万分之 一) ，造成控制系统阻尼比小，闭环控制较难，润滑性能不好，运动副之间的干 摩擦相对较大，负载易于爬行。如何研究一套切实可行又不失控制效果的控制策 略来克服由于上述的气动系统缺点带来气动控制的强非线性，就成了本课题的最 大难点。 1 3 3 控制策略的硬件设计 控制策略的硬件需要实时地接收来自控制策略的控制信号，经过放大，再及 时地驱动比例控制阀。这里就需要解决采用何种方式保证控制策略与相关硬件模 块之间通畅稳定的通讯，以便能及时地使气缸执行控制策略命令的动作。除此之 外，比例控制阀的驱动是否合理决定着控制阀是否能有足够的功率来进行工作以 及是否正确地按照控制策略的指示完成自身的开关动作。 1 3 4 原型系统的整机联调与实验 实验是验证一个新型的系统是否最终实现设计前的目标的最好方法。要做好 1 0 浙江大学硕上学位论文 实验就必须对整机系统进行调试。由于本课题是一个集合了机械、电子、控制等 一系列交叉学科的项目，涉及的东西方方面面，必须在设计过程中把多方面的因 素都考虑进来，这样才能避免在调试过程中发现“木已成舟”的错误。由于原型 系统离产业化的产品还有很大的差距，故不大可能对真正的偏瘫患者进行康复训 练，但是可以用正常人模拟偏瘫患者进行实验。如何用正常人的实验数据进行系 统改进，为今后系统的实用化也带来很大的难度。 1 4 本文研究内容 对本课题来说，研究内容主要集中在一些对采用气动控制技术开发设计下肢 康复医疗外骨骼的基础性和探索性的研究上。主要内容涵盖了机械结构的设计， 控制策略的研究和相关硬件的搭建以及整机的机电联调和人机一体的实验。其目 标是能初步实现基本康复训练的功能。具体来说，本文涉及的研究内容分为以下 几点展开： i 4 1 机械结构的设计 基于人体下肢运动机理和人机工程学，设计下肢外骨骼拟人化的机械结构。 机械结构除了让患者穿着舒适之外，还必须根据每个患者不同的体形进行适当的 调节，并要留有充分的接口，为以后后续研究需要的各类传感器和附带物件的安 装提供方便。在保证整体结构的强度达到安全标准之外，机械结构要尽可能的简 单、轻便，从而方便使用。 1 4 2 控制策略的研究设计 根据气动控制系统的特点，研究出一套合适的气动下肢外骨骼控制系统解决 方案。它必须要突出控制效率的优化，在避免控制系统非线性的同时又能保证较 好的控制效果，这一点不仅要体现在决策层上( 即控制策略本身) ，而且还要体 现在执行层上( 即相关的控制硬件) 。 1 4 3 通讯与驱动电路的设计和调试 通讯与驱动电路是控制系统相关硬件的主体，利用廉价而实用的单片机来开 发是很合适的。电路必须具有同上位机通讯，d a 转换以及放大驱动的功能。在 保证基本功能实现的同时，还必须保证实时性。 1 4 4 下肢康复医疗外骨骼气动控制系统的原型实现和实验研究 浙江大学硕上学位论文 将上述的几个方面的设计意图，思想进行融合，贯彻实施，搭建出一套下肢 康复医疗外骨骼的气动控制系统的原型系统，包括机械结构的加工和装配，以及 整体控制系统，包括控制策略与控制系统相关硬件的具体实现。最后进行了正常 人的模拟康复训练，为进一步的研究实验奠定良好的基础和实验平台。 1 5 本章小结 本课题开发的下肢康复医疗外骨骼气动控制系统是一种完全不同于以往采 用伺服电机的系统。主要用于由于脑卒中而引发的下肢肢体运动机能的缺失的后 期康复训练。本章首先阐述了进行气动方式的下肢康复医疗外骨骼研究的意义， 介绍了目前国内外开发下肢外骨骼发展的研究现状，然后分析了采用气动系统开 发下肢外骨骼相比伺服电机的优势。最后分析了一下课题所面临的难题和需要解 决的一些关键技术。最后介绍了本文课题在研究中所要完成的一些主要工作。 浙江大学硕士学位论文 2 下肢康复医疗外骨骼的气动控制系统机械结构设计 2 1 引言 机械结构是整个下肢康复医疗外骨骼气动控制系统的“骨骼”，是设计过程 中极其重要的一步，机械结构设计的好坏直接影响到整个控制系统的目标功能是 否能够顺利实现。因此，在机械结构的设计过程中，在自由度的分配，运动副的 采用，尺寸的确定，驱动器的定位，材料的选择，强度的保证中，都要体现拟人 化的思想和进行合理的设计，从而才能真正模拟正常人的运动步态，达到康复训 练的效果。 2 2 机械模型的建立 在进行具体的机械结构设计前，首先要确立整个系统的机械模型。机械模型 在人体下肢的生理模型与机械结构之间起到一个过渡的作用。人体下肢的生理模 型是一个完美而又复杂的模型，从机构学的角度看，人的步行过程是一个多自由 度空间机构的复杂运动，控制系统是一个高度复杂的自动调节系统。用机械结构 来完全地模拟它是不可能的，我们只能把生理模型中与运动机理联系最紧密的骨 骼，关节，肌肉提取出来，用相应的运动副和驱动器去模拟代替它们，构建一个 概念上的机械模型，再对整个机械模型细化，进行具体的机械机构合计，如图 2 1 所示。 人体下肢 生瑚j - - _ t ：模型 l l 犬= j = 兰划机械模型k 蝥 li i i 具体，、r t 机械结构 人体下肢由髋关节，膝关节和踝关节三个关节组成。三个关节相互联系，相 互作用，使人统一协调地行走。由于偏瘫患者在进行行走能力的康复训练时，踝 关节是被动的，所以设计时不考虑踝关节。 ( 1 ) 髋关节：由股骨头与髋臼相对构成。髋关节为多轴性关节，能作屈伸、收 浙江大学硕士学位论文 展、旋转及环转运动。该关节的稳固性大。而灵活性则甚差。这种结构特征是人 类直立步行，重力通过髋关节传递等机能的反映，在生理学上是个典型的球窝关 节。髋关节的屈伸运动是由髋关节周围的肌肉群共同作用的结果，其中比较典型 的是股直肌和臀大肌n 钊。 ( 2 ) 膝关节：由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人体最大 且构造最复杂的关节。关节腔内的辅助结构有膝交叉韧带( 前、后交叉韧带) 和 内、外侧半月板。由于半月板的存在，将膝关节腔分为不完全分隔的上、下两腔， 除使关节头和关节窝更加适应外，也增加了运动的灵活性，如屈伸运动主要在上 关节腔进行，而屈膝时的轻度的回旋运动则主要在下腔完成。在生理学上是典型 的单轴关节。其典型的肌肉群是股二头肌和股内侧肌”钊。 人的行走过程是依靠骨骼、肌肉以及控制肌肉的神经系统来进行的，因此人 体下肢是一个高度复杂的自动调节系统。在这个系统中，骨骼是运动的杠杆，关 节用于运动的联系，神经系统来控制，肌肉收缩为动力，从而实现下肢的行走及 全身的空间运动陋例。 为了将复杂的人体下肢生理学模型转化为简单可实现的机械模型，必须根据 机械原理的有关知识，将各个关节和相对应的肌肉群转换成运动副和驱动器。 从人体下肢生理学的知识可知，髋关节是一个球窝关节。在空间上只有三 个自由度，即围绕空间三个轴进行旋转，而无法平移。它承受着人体上肢重量， 并驱动下肢运动。这在机械上可以近似等效为一个球形运动副，连接着整个结构 的固定部分( 支架) 和活动部分( 外骨骼) 。膝关节在生理学上是一个单轴关节， 也就是只能围绕一个轴旋转，只有一个自由度，连接人体下肢的两个活动部分( 大 腿和小腿) 。在机械上可以等效为一个旋转运动副，通过这个运动副连接外骨骼 的上半部分和下半部分心。 每个关节的运动是由相应的肌肉群驱动的。由上述生理学方面的知识可知， 髋关节主要是由大腿上的股直肌和臀部的臀大肌的综合作用来完成其屈伸、内收 外展、旋转和环转运动。可以选择一个合适的气缸来模拟替代这两个肌肉群，完 成它们所能完成的动作。而膝关节主要是由大腿外侧的股二头肌和大腿内侧的股 内侧肌来完成其屈伸运动。与髋关节类似，同样选择一个合适的气缸来模拟这两 个肌肉群的动作。 1 4 江大 目￥位文 综旨上进对人体下肢生理学和机构学的分析已经可以在概念上勾勒出一个 简单但买用的机械模型，如图22 所示。它利用机械的方式从功能上基本实现了 体下肢生理学结构向机械结构的转换，包括了人体下肢各个主要运动关节和相 应的肌由群，为接下来具体的机械设计构建了一个明晰的框槊。 飞9 哥l 舱警参。蛐 2 3 机械结构的设甘 23 l 机械结构的设计原则 本 襞题所研究的下肢康复医疗外骨骼气动控制系统是一个用柬对偏瘫患者 进行长期康复训练的医疗器械。它不仅需要拟人化，而且需要具有一定强度的合 理结构，又要保证实现基本的下肢运动功能和使用的方便性，设计牵涉到众多因 素。因此，为了莸得理想的使用性能，在设计下肢康复医疗外骨骼的机械结构的 过程中，需要尽量贯彻以下原则： ( 1 ) 机械结构的活动范围必须保证能覆盖正常人的行走的步态范围 在进行康复训练时，患者在下肢外骨骼的带动下，拄照标准的步态曲线m ( 如图23 所示) 进行训练。这就要求所设计机械结构的各个关节运动范围能够 覆盖标准步态曲线并留出一定的上限和下限裕量。因为，虽然每个八的步态曲 线都不尽相同，但都是在标准步态曲线附近上下玻动。所以要留出一定的裕量以 满足每十患者不同的训练需求。 浙江大学硕士学位论文 薹1 0 耄 暑o 1 0 2 0 7 0 - 导4 0 暑 章 2 0 1 0 r i g h th i pl o l r i 3 厂 ? o0 20 4060 81 c y c l e r g h t ej o i n t 厂、； f； 。c ：、 l c 、 ， 7 0 6 0 导4 0 暑 吕 专 1 0 c y c l e l e f t j o i n t f | | ?| 、； v 大学硕学位论文 尢腿摆杆 小睫摆杆 气缸 图24 下肢外骨髂气动控制系坑的三维模型 ( 1 ) 关节的设计与简化 在第二节中已提到人体下肢的髋关节是一个球窝关节膝关节是一个单轴 关节，在机械结构中分别可以用球副和旋转副来代替。由于偏瘴患者在进行行走 能力的康复训练中，其髋关节只在一个平面中运动，也就是说，只围绕着一个轴 进行旋转。园此，为了结构的简便，将髋关节简化成一个单轴关节。这样，下肢 外骨骼的每条腱就由两十单轴旋转关节组成，在保证康复目i l 练功能的前提下，实 现了结构的简化，便于控制，如图2 5 所示。 图25 经过简化的髋关节设计 ( 2 ) 驱动器的定位和行程确定 在下肢外骨髂的设计过程中，驱动器的定位是极其重要的。要充分模拟人体 行走过程中的肌肉活动，包括下肢主要肌肉的动作方式和分布位置。如前所进， 在触发髋关节和膝关节的屈伸运动的主要肌肉群中，分别选择了最具有代表性的 一块屈肌和一块仲肌作为模拟的对象。髋关节的屈肌和伸肌分别是股直肌和臀大 肌藤关节则是股二头肌和股内侧肌。对人体的骨髂肌来说，其动作方式是通过 浙江大学硕上学位论文 自身轴向方向上的直线收缩来达到带动关节运动的目的。所以，按照机构学的观 点，从动作芳式的角度上进行类比，肌肉的功能就像是单作用的直线驱动器。由 此，可以利用各种能产生直线位移的驱动器( 如气缸) 来模拟肌肉的运动。在驱 动器的安放位置方面，则尽量采用“仿生”手段，按照下肢代表性肌肉在人腿上 的相对位置，将其布置在外骨骼相应的位置上，如图2 6 所示。 苌：= 垒盘磊j 一 浙江大学硕士学位论文 式2 1 气缸两端分别铰接在摆杆和连杆的两端。当旋转角度变化时，摆杆与连杆所 成的关节角度为夕，气缸此时的输出力为凡计算气缸的输出力矩兀 丁：f k ( k l c o ：s ：0 ：+ ：1 - k 2 s i n z o ) - s i n式2 2 = f = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一式2 2 、3 k 2 - i - n 2 2