（测试计量技术及仪器专业论文）上肢康复机器人自适应控制理论与实验研究.pdf

b y x u g u o z l l e n g s u p e r v i s e db y p r o s o n ga i g u o s c h o o lo fi n s t m m e n ts c i e n c e & e n g i n e e 血g s o u m e a s tu n i v e r s i 妙 j u n e2 0 1 0 东南大学博士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名： 日 期：塑! ! 二垒，争 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：脚师签名： y 中英文摘要 摘要 康复机器人技术是近年来发展起来的一种新的运动神经康复治疗技术，已经成为国 际机器人领域研究的前沿和热点之一。在机器人辅助患者进行康复训练过程中，机器人 如何实时感知患者的病情状态并据此采取相应的训练模式和运动控制策略，从而使得当 患者病情发生变化时，机器人对患者病患部位提供的作用力能更好地适应其病情的变 化，并保持系统稳定和运动平滑，是目前康复机器人领域亟待解决的关键问题之一。本 文正是在这种研究背景下，开展了上肢康复机器人自适应控制理论与实验研究。 首先分析和研究了基于偏瘫康复治疗基础理论的上肢康复机器人系统设计原则，为 本文开展康复机器人运动控制策略和( 临床) 实验研究奠定了医学理论基础。 为使康复机器人能够实时感知患肢病情状态，并实现对患肢提供完成康复训练所必 需的驱动力，在传统阻抗控制方法基础上，提出了一种基于力参考值在线模糊调整的模 糊自适应阻抗控制算法。算法首先运用滑动平均最小二乘法对患肢机械阻抗参数进行在 线估计，然后根据辨识得到的参数运用模糊推理技术对机器人末端同患肢之间相互作用 力的期望值以及目标阻抗进行实时调整，仿真结果表明了该算法的有效性。 针对康复训练过程中患肢病情的变化对系统稳定性和运动平滑性造成的影响，在传 统阻抗控制方法基础上，提出了一种新的进化动态递归模糊神经网络自适应阻抗控制方 法。该方法根据在线辨识得到的患肢机械阻抗参数，运用进化动态递归模糊神经网络对 目标阻抗控制参数进行动态调整。调整过程中首先采用混合进化算法离线优化目标阻 抗，然后再利用基于l y a p u n o v 函数稳定收敛性理论设计的动态b p 算法对目标阻抗控制 参数在线作进一步地调整。分析和仿真结果表明，在训练过程中当患肢病情发生变化时， 该方法仍能使系统保持良好的稳定性和运动平滑性。 为提高康复训练效果，不同恢复阶段的患肢应该采取不同的治疗模式和控制策略。 针对此问题，本文在临床康复实验中根据患肢病情的恢复程度分别设计了关节活动范围 被动运动、主动过渡和肌力增强主动抗阻三种康复治疗模式。在关节活动范围训练中， 提出了一种模糊逻辑与传统p i d 相结合的机器人关节轨迹控制算法，以控制机器人平稳 地牵引患肢沿目标轨迹进行被动康复训练；在肌力增强主动抗阻训练中，提出了一种新 的模糊自适应阻抗力控制方法。该方法以患肢机械刚度和阻尼作为其病情恢复评价指 标，并据此运用模糊阻抗控制器对机器人和患肢之间的相互作用力进行实时调整，使得 在患肢主动能力不足时提供一定的辅助，而在其有能力完成动作时，实时调整阻力实现 肌力训练。最后以b a n e t t 公司4 自由度w a ma m l 机器人和u b u n t ul i n 畎+ x e n o m a i 实时操作系统为硬、软件平台构建了上肢康复机器人实验系统，选择健康受试者和住院 治疗的偏瘫患者为对象分别进行了算法的前期验证和临床康复实验，并对康复治疗效果 进行了评估，实验结果表明了康复训练模式和运动控制策略的有效性。 论文最后进行了总结，并提出了进一步研究的方向和任务。 关键词：患肢康复、康复机器人、阻抗控制、临床实验、康复评估 l a b s t r a c t r o b o t - a i d e dr e h a b i l i t a t i o np r o g r a mi san e wn e u r o r e h a b i l i t a t i o nt e c h n i q u ew h i c hh a s b e e nr e c e i v e dm u c ha n e n t i o nb yr o b o tr e s e a r c h e r sa n dt h e m p i s t sa n dh a sb e e nt h ef 硒n t i e ro f t h ei n t e m a t i o n a lr o b o tr e s e a r c hi nt h el a s tf e wy e a r s h o wt oe v a l u a ：t em ep a t i e n t sp h y s i c a l i c c o v e 巧c o n d i t i o na n dd e v e l o pc o n r e s p o n d i n gt h e r a p ym o d e sa n d c o n t r o ls t i ：a t e g i e si so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o n s 觚dm 旬o rd 两c u l t i e si nr o b o t a i d e dr e h a b i l i t a t i o n 仃a i n i n g ， b yw h i c ha na c l a p t i v e f o r c ei na g r e e m e n tw i t ht h ep a t i e n t sp h y s i c a lc o n d i t i o nm u s tb e s u p p l i e da n dt h es y s t e ms h o u l ds t i l ib es t a b l ea n ds m o o t he v e ni nt h ec a s ew h e nt h ep a t i e n t s c i r c u m s t a n c em a k eas u b s t a n t i a lc h a n g e f o rt h e s ep u 印o s e s ，t 1 1 e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e so na d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e sf o ru p p e r - l i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o th a v e b e e n d e v e l o p e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n a tt h eb e g i n n i n t h ep r i n c i p l e so fd e s i g n i n gu p p e 卜l i m br e h a b i l i t a t i o nr o b o ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec l i n i c a lt h e r a i ) yo nh e m i p l e g i cp a t i e n ta r ea n a l y z e d 柚ds u m m a r i z e d ，w h i c h h a sb e e nl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rm es u b s e q u e n tr e s e a r c h f u z z ya d a p t i v ec o n 仃0 ls t r a t e g yb a s e d0 nt r a d i t i o n a l i m p e d a n c e c o n t r o lm e t h o df o r p r o v i d i n ga d a p t i v ef o r c ec o h e s p o n d i n gt ot h ep a t i e n t sp h y s i c a lc o n d i t i o ni sd e v e l o p e d s l i d e a v e r a 呈el e a s ts q u a r em e t h o di sf i r s t l yu s e dt o e s t i m a t et h ei m p a i r e dl i m b sm e c h a n i c a i i m p e d a n c ep a m m e t e r s b yu s i n gf 也z yi n f e r e n c ea l g o r i t h m ，t h ed e s i r e df o r c ea n di m p e d a n c e c o n t r o lp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e di n r e a lt i m ei nk e e p i n gw i mm ee s t i m a t e di m p a i r e dl i m b s p a r 踟e t c r s s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i 矽t h ee h e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e da i g o r i t h m r o b o t - a i d e dr e h a b i l i t a t i o ns y s t e mm a yb ei n s t a b l e 、v h e nt h ei m p a i r e dl i m b sp h y s i c a l c o n d i t i o nm a k e sac h a n g e ，w h i c hw i i lm a k et h er e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gi n e f f i c i e n t f o rt h i s p u 叩o s e ，a na d a p t i v ei m p e d a n c ec o n 的ls t r a t e g yb a s e do ne v o l u t i o 眦巧d y n a m i cr e c u n e n t f 啦硒，n e u r a ln e t w o r k ( e d 剐f n n ) i sd e v e l o p e d a no n 一1 i n ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o di s u s e dt o e s t i m a t ci m p a i r e dl i m b sm e c h a n i c a li m p e d a n c ep 锄m e t e r sw h i c hw i l lb eu s e d 嬲i n p u t so f e d r f n ni m p e d a n c ec o n 臼o l l e r b yu s i n ge d r j l 、r n ，d e s i r e di m p e d a n c ec o n 缸o lp a r a m e t e r s b e t 、e e nr e h a b i l i t a t i o nr o b o t i ce n d - e 行e c t o r 粕du p p e r - l i m ba r er e g u l a t e dt i u 的u 曲o n l i n e l e a m i n g t h eh y b r i de v o l u t i o n a 呵a l g o r i t h m sa r ef i r s t i ya p p i i e dt oo f f l i n eo p t i m i z ed e s i r e d i m p e d a n c e c o n t r o l p a r a m e t e r s ， a n dt l l e n d y n 锄i cb a c k _ p r o p a g a t i o na l g o r i t h i n w i m m o m e n t u mb a s e do nl y 印u n o vc o n v e 唱e n t 廿1 e o d ，i s 如吡e ru s e dt 0a d j u s tt h e mo nl i n e a n a i v s i s 锄ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a tt i l ep r o p o s e da l g o r i t h i ni ss t i nb es t a b l ea n ds m o o t h e v e ni nt h ec a s ew h e nt h ep a t i e n t sp h y s i c a lc o n d n i o nm a k e sas u b s t a n t i a lc h a n g e 1 nr o b o t _ a i d e du p p e r - l i m br e h a b i l i t a t i o np r o g r 锄，d i 髓r e n tm e r a p ym o d e sa n dc o n t i 0 l 中英文摘要 s t r a t e g i e ss h o u i db ei m p l e m e n t e dw i t ht h er e c o v e 巧o ft h ei m p a i r e dl i m b sp h y s i c a lc o n d i t i o n p a s s i v e ，a c t i v ea n dr e s i s t i v em o t i o nm o d e sa r ec o n s i d e r e d f u z z y b a s e dp i dp o s i t i o nc o n t r o l s t r a t e g yi sp r o p o s e df o rt h ep a s s i v er e c o v e 巧e x e r c i s eo fr a n g eo fm o t i o n ( r o m ) t oc o n t r o l t h er o b o ts t a b l y 锄ds m o o t h l yt 0s t r e t c ht h ei m p a i r e dl i m bt om o v ea l o n gm ep r c d e 6 n e d t r a j e c t o r i e s a na d a p t i v ei m p e d a n c ef o r c ec o n t r o l l e ri se m p l o y e di nt h er e s i s t i v em o t i o nm o d e i n 、v h i c ha f u z z yl o g i cr e g u l a t o ri su s e dt o 删u s tt h ed e s i r e di m p e d a n c eb e t w e e nm er o b o ta n d i m p a i r e dl i m bt 0g e n e r a t ea d a p t i v ef o r c ei na g r e e m e n tw i t ht h ec h a n g eo ft h ei m p a i r e dl i m b s m u s c l es t r e n g m i no r d e rt 0e v a l u a t et h ec h a n g eo ft h ei m p a i r e dl i i n b sm u s c l ep o w e r ，t h e i m p a i r e dl i m b sm e c h a n i c a l i m p e d a n c ep a r a m e t e r sa s 锄o b j e c t i v ee v a l u a t i o ni n d e xi so n l i n e e s t i m a t e db yu s i n gar e c u r s i v el e a s ts q u a r e sa l g o r i t h mw i t ha d 印t i v ef 0 唱e t t i n gf a c t o r t h e b a l l r e nw a m 珈a 姗m a n i p u l a t o ra n du b u n t ul i n u x x e n o m a ir e a lo p e r a t i n gs y s t e ma r eu s e d a st h em a i nh a r d 、v a r e 卸ds o 小v a r ep l a h 0 册f o rl h e 向n c t i o n a lr e c o v e w 仃a i n i n go ft h e p o s t _ s t r o k ep a t i e n t ，r e s p e c t i v e l y q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no fm o t o rf u n c t i o n a lr e c o v e 叫p r o c e s s i sa l s om a d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t ct h ee f l e c t i v e n e s sa n dp o t e n t i a l i t i e so ft h e p r o p o s e dc o n n o ls 仃a t e g i e s f i n a l l y ，t h en e wa c h i e v e m e n t so ft h ew h o l er e s e a r c ha n dt h e 如t u r ew o r ka r cc o n c l u d e d ： k e y w o r d s ：i m p a i r e dl i m br e h a b i l i t a t i o n ，r e h a b i l i t a t i o nr o b o t ，i h l p e d a n c ec o n t r o l ，c l i n i c e x p e r i m e n t ，r e h a b i l i t a t i o ne v a l u a t i o n m 目录 目录 摘要i a b s 臼a c t i i e j 录1 1 ， 第一章绪论l 1 1 研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状7 1 2 3 目前存在的主要问题8 l - 3 主要研究内容和论文组织结构9 1 3 1 主要研究内容。1 0 1 3 2 论文组织结构l o 第二章基于偏瘫康复治疗基础理论的机器人辅助康复系统设计原则1 2 2 1 引言1 2 2 2 偏瘫康复治疗基础理论1 3 2 2 1 偏瘫康复治疗技术1 3 2 2 2 偏瘫康复治疗效果评估l5 2 2 3 康复工程技术一1 6 2 3 机器人辅助康复系统设计原则1 7 2 3 1 机构设计要求1 8 2 3 2 控制系统设计要求18 2 3 3 安全性考虑19 2 3 4 康复效果评价。2 0 2 4 本章小结2 0 第三章基于阻抗模型的上肢康复机器人模糊力控制算法2 l 3 1 引言2 l 3 2 上肢康复机器人动力学模型2 2 3 3 阻抗控制模型分析2 3 3 3 1 基于位置的阻抗控制模型2 4 3 3 2 基于位置阻抗控制模型的力跟踪控制2 5 3 4 上肢动力学模型及其参数辨识2 6 3 5 模糊力控制器设计2 7 3 5 1 力期望值在线模糊调整算法2 7 3 5 2 阻抗控制模型参数模糊调节器设计2 8 3 6 仿真结果与分析3 0 3 7 本章小结3 2 第四章基于进化动态递归模糊神经网络的上肢康复机器人自适应阻抗控制算法3 3 4 1 引言3 3 4 2 基于动态递归模糊神经网络的自适应阻抗控制算法3 4 4 2 1 基于力矩的康复机器人阻抗力控制模型3 4 4 2 2 动态递归模糊神经网络阻抗控制器结构3 5 东南大学博士学位论文 4 2 3 动态递归模糊神经网络阻抗控制器学习算法3 7 4 2 4 仿真结果与分析3 9 4 3 基于进化动态递归模糊神经网络的自适应阻抗控制算法4 1 4 3 1 混合进化算法离线优化4 2 4 3 2 动态b p 算法在线学习4 4 4 3 3 系统闭环收敛性分析4 5 4 3 4 仿真结果与分析4 6 4 4 本章小结5 0 第五章上肢康复机器人自适应控制策略实验研究5 l 5 1 引言5 l 5 2 上肢康复机器人工作模式及运动控制算法设计5 2 5 2 1 上肢康复机器人工作模式设计5 2 5 2 2 关节运动轨迹规划算法5 3 5 2 3 被动训练位置控制算法5 6 5 2 4 主动训练力控制算法5 9 5 3 康复实验系统“ 5 3 1 硬件部分。6 5 5 3 2 软件部分6 9 5 3 3 安全机制7 3 5 4 实验结果与分析7 5 5 4 1 关节被动运动训练位置控制结果与分析7 5 5 4 2 肌力增强主动训练力控制结果与分析7 9 5 5 本章小结8l 第六章机器人辅助患肢临床康复实验研究8 2 6 1 弓i 言8 2 6 2 临床康复实验方案8 3 6 2 1 实验内容8 3 6 2 2 实验对象8 5 6 2 3 实验过程。8 6 6 2 4 康复评估8 7 6 3 临床康复实验运动控制结果与分析8 8 6 3 1 i 临床关节活动训练位置控制8 8 6 3 2 临床肌力增强抗阻训练力控制9 2 6 4 临床康复实验康复效果评估与分析9 4 6 4 1 关节活动范围测定9 4 6 4 2 关节控制和协调能力评估9 5 6 4 3 最大抗阻能力测定。9 7 6 5 本章小结一9 7 第七章结论与展望9 8 7 1 论文工作总结9 8 7 2 论文主要创新点9 9 7 3 未来研究的展望9 9 j 醪( 谢1 ( l 参考文献1 0 2 博士期间发表论文清单1 0 8 v 生理衰退就是老 。在老龄人群中 血管血栓或脑血 遭到丧失或受到 损害【1 】【2 】，是大部分国家引起老年人残疾的重要原因之一【3 】【4 】。我国亦是中风病的高 发地区，随着物质生活条件的改善和生存环境的变化，中风发病率在我国呈上升趋势， 每年的急性脑卒中发病人数已超过百万例【5 】。 中风病患者多数伴有偏瘫、语言不利、神志障碍、面瘫等多种后遗症，一般以肢体 运动功能障碍居多，生活不能自理，给患者的生活、工作、学习带来极大的不便，同时 也给患者带来极大精神痛苦。此外，社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些 患者，给患者家人和社会带来烦忧【6 】。因此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定 程度上恢复失去的功能，不仅有利于提高患者本身的生活质量，也可以减轻家庭及社会 的经济负担【7 】。国内外的研究发现对早期偏瘫患者进行综合性康复治疗，有助于改善患 者病患肢体的运动功能障碍，减小对日常生活活动能力和运动功能的影响，提高生存质 量 8 】【9 】【1 0 】。脑卒中患者的康复治疗除了必要的药物辅助外，最重要的是进行物理治疗、 作业治疗、运动治疗、语言治疗及心理治疗等【l l 】【1 2 】。研究表明，脑卒中后病患肢体 的运动再学习能力和康复水平的提高与康复训练的强度有关，适量的重复训练有助于尽 快恢复肢体的运动能力【1 3 】【1 4 】。 传统的康复训练方法主要是依赖于康复医师对患者进行手把手地指导和训练。这种 方式存在一些问题：一名康复医师在同一时间只能对一名患者进行康复训练，训练效 率低下，并且由于康复医师经验和疲劳等自身原因，无法保证患者得到足够的训练强度， 治疗效果多取决于康复医师的经验和水平；不能精确控制运动参数和记录康复进程中 的各种数据，不能客观地评价康复效果，不利于治疗方案的确定和改进：无法建立训 练参数和康复指标之间的对应关系，不利于中风患者神经康复规律的深入研究。可以看 出，单靠康复医师手把手地进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和治疗方法 的改进并且还增加病人家庭和社会的医疗成本。因此，为满足患者和社会的需求，应该 采用更先进的康复训练手段，把更先进的技术引入到中风患者康复治疗领域中【1 5 】。 随着计算机和机器人技术的发展，机器人技术已经逐渐开始应用于医疗、康复和外 科手术等领域【1 6 】【1 7 】【1 8 】。采用机器人辅助患者进行康复治疗，有助于解决传统康复治 疗方法中存在的诸多问题【1 9 】【2 0 】。首先，机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不 东南大学博士掌位论文 同患者对训练强度的要求，它将治疗师从繁重的训练任务中解脱出来，而专注于制定治 疗方案、分析训练数据、优化训练内容并改进康复机器人的功能。其次，机器人可以客 观地记录训练过程中患者病患肢体的位置、方向、速度以及所产生的力等客观数据供治 疗师分析，以评价康复治疗效果。此外，这些数据还可以使康复医师从中发现运动数据 同治疗结果之间的对应关系，从而更深入地了解中枢神经康复规律。最后，机器人技术 可以结合多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，使患者积极参与治疗，并及时得 到治疗效果的反馈信息。 随着患有肢体运动功能障碍的人数越来越多，通过人工或简单的医疗设备进行康复 理疗，已经远不能满足患者的要求。因此，开展机器人辅助康复治疗技术的研究和应用 有着广阔的发展前景。 1 2 国内外研究现状 将先进的机器人技术引入到康复工程领域，体现了康复医学与机器人技术的完美结 合。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促 进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展，国内外许多研究机 构对机器人辅助康复治疗技术已经展开了广泛和深入的研究。 1 2 1 国外研究现状 康复机器人技术在欧美国家得到了机器人研究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。 2 0 世纪8 0 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国在康复机器人方面的研 究处于世界领先地位，直到1 9 9 0 年以后康复机器人技术的研究才进入到全面发展时期。 8 0 年代初斯坦福大学开发了几代基于p u m a2 6 0 工业机器人的d e v a r 工作站，具有较 好的实用价值【2 1 】。1 9 8 7 年英国t o p p i n g 等研制的h a n d yl 可以独立地帮助一名1 1 岁脑 瘫儿童进食，如图1 1 所示。经不断地改进，现在的h a n d yl 除了可以辅助残疾人进食 喝水，还能够帮助他们清洗、刷牙、刮胡子甚至化妆等，为残疾人的日常生活提供了较 大方便。到目前为止，h 粕d yl 是目前最为成功的辅助型康复机器人之一【2 2 】。 9 0 年代后期，为了给残疾人和失去行走能力的老年人提供优异的代步工具，研制出 了各种智能轮椅。麻省理工学院智能实验室研制的w h e e l e s l e y 智能轮椅( 图1 2 ) ，为一 个配备有传感器和计算机控制的半自主式机器人电动轮椅，患者可以通过菜单、操纵杆 和人机交互界面对智能轮椅分别进行低、高级别的控制f 2 3 1 。 2 0 0 0 年，德国不莱梅大学自动化学院研制了一套由语音识别系统进行控制的电动轮 椅- f r i e n di ( 图1 3 ) ，系统可在程序控制和用户控制两种模式下工作【2 4 】。在程序控制模 式下，操作对象必须放在安装在轮椅前方的小平台上，用户通过发出简单的命令来调用 2 作。2 0 0 4 年，在f r j e n d i 的基础上，推出了智能化更高、人性化更好的f 砌e n d i i 系统图 2 5 】( 图l - 4 ) 。该系统集成了a t m e cr o b o t i cg m b h 公司生产的模块化手臂和5 指 手抓，并利用视觉伺服帮助残疾人操作手臂。 图1 3f r i 朗dl图l - 4 f r i 锄d i i 机器人辅助患者运动功能康复的设想最早来自美国的l u m p s 。1 9 9 3 年l u m 等人研制 了一种称作手物体手的辅助机器系统( h a n d o b j e c t - h a n ds y s t e m ) ，尝试对一只手功能受 损的患者进行康复训练。这种辅助机器包含两个置于桌面上、可绕转轴转动的夹板状手 柄，其中一个手柄下端连接驱动电机，以辅助患者完成动作。该机器主要辅助患者完成 两个任务动作的训练：双手移动和双手挤压。双手移动任务要求两手夹持某一物体作前 后往返运动，挤压运动要求在物体上产生必需的抓取力【2 6 】。1 9 9 5 年l u m 等又研制了一 种双手上举的康复机器，用来训练患者用双手将物体上举这一动作【2 7 】。 3 东南大学博士掌位论文 1 9 9 8 年美国麻省理工学院b s 和h o g a n 等研制出一种辅助患者肩肘部运动的康 复机器人，m i t - m a n u s ( 图1 5 ) ，并已应用于临床【2 8 】。该机器人采用五连杆机构，它 由两个无刷电机直接驱动，可以带动患肢肘部和前臂作两自由度的平面运动，也可通过 一组弹簧，实现小范围的被动垂直运动。此外，该机器人还可以测量出手的平面运动参 数，并可以通过计算机屏幕为患者提供反馈信息。临床实验表明，这种机器人不仅能够 帮助轻微的中风患者进行康复治疗，甚至对那些患病时间比较长的中风病人也有康复效 果。2 0 0 1 年，该课题组又研制出一种用于中风病人踝关节康复的a n k r o b o t 机器人( 图 1 6 ) 【2 9 】。上述两种机器人在控制系统设计过程中均采用阻抗控制方法实现康复训练的 运动平滑性和平稳性。 图l - 5m l t - d a n u s图l 一6a n k r o b o t 1 9 9 9 年，r e i n k e n s m e y 等研制了一种称作辅助康复和测量向导( a s s i s t e dr e h a b i l 池t i o n 锄dm e a s u r e m e n tg u i d e ，a i m ig u i d e ) 的设备( 图1 7 ) ，用来测量偏瘫患者上肢的活动空 间，以及主动肌和被动组织各自对上肢运动空间缩小所起的作用 3 0 】。在此基础上，2 0 0 0 年，该课题组又研制出了另一种a j wg u i d e ，用来治疗和测量脑损伤患者上肢运动功 能f 3 l 】。该设备包括一个直线轨道，其俯仰角和水平而内的偏斜角可以调整。实验中患 图1 7 a r mg u i d e 4 图1 8 m l m e 第一覃绪论 者手臂缚在夹板上，在p i d 控制器作用下沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂 所产生的力【3 2 】。 2 0 0 0 年，b u 曜a r 等研制了一种实现机器人辅助移动上肢装置的样机，镜像运动使能 器( m i n 0 卜i m a g em o t i o ne n a b l e ：m i m e ) ( 图1 8 ) 。该设备包括左右两个可移动的手臂支 撑，患侧手臂支撑由工业机器人p u m a 5 6 0 操纵，机器人在p i d 位置控制器作用下，既 可以提供平面运动训练，也可以作三维运动训练。该机器人有三种单侧操作方式和一种 双侧操作方式。在双侧操作方式中，健侧前臂的运动通过机器人镜像到患侧，范围和速 度均由患者自己控制 3 3 】。 2 0 0 2 年，以英国r e a d i n g 大学为首的欧洲跨国研究小组，研制出一种称作g e n t l e s 的上肢康复训练机器人( 图1 9 ( a ) ) ，其基本功能与m i t m a n u s 相似，但该机器人机械 臂的结构更简单、紧凑 3 4 】。g e n t l e s 机械臂为三自由度升降式摇臂结构，其腕部带 有三个被动自由度，可实现手臂的三维运动。此外，它还结合了虚拟现实技术，通过电 脑屏幕( 图1 9 ( b ) ) 给患者实施牛物反馈，使患者存训练时更加具有吸引力和临场感。 ( a ) g t l e s ( b ) 虚拟现实视觉反馈 图1 9 g t l e s 2 0 0 3 年，瑞士苏黎世巴格里斯特大学矫形外科研究小组成功研制了用于步态康复的 下肢康复机器人系统l o k o m a t 【3 5 】【3 6 】( 图1 1 0 ) 。该机器人在运动控制过程中，将患者 下肢的主动力纳入力位置混合控制架构，以实现下肢及步态的康复训练。l o k o m a t 系 统用一套悬吊装置来克服患者自身的部分重力，用一套可旋转的平行四边形机构控制患 者身体各部分的平衡。训练过程中，允许患者向上或者向下运动，患者自己不必维持上 半身在垂直平面内。为适应不同患者需要，此系统各个关节均可调整，所有与患者接触 部位皆用宽软的绑带进行缚紧。 2 0 0 6 年，瑞士苏黎世大学研制出六自由度上肢康复训练机器人a r m i n 【3 7 】【3 8 】( 图 1 1 1 ) 。该机器人机械本体采用混合式结构，患者在康复训练过程中，上臂和肘关节的内 旋外旋驱动机构采用的是外骨骼类型，而肩部的水平垂直旋转运动是由连接在上臂和 固定在墙壁上的两轴之间的端部类型结构驱动。此外，系统还提供四种运动模式辅助患 东南大学博士学位论文 者上肢进行康复训练，分别为预记录轨迹、指定运动治疗、示教和主动运动模式。 图1 1 0 l o k o m a t图1 1 la m i n 自2 0 0 0 年至今，日本k i g u c h i 等人一直致力于多自由度移动外骨骼上肢康复机器人 的研究 3 9 】【4 0 】，用于辅助患者肘部和肩部的康复训练。到目前为止，已经分别设计了3 自由度( 图1 1 2 ( a ) ) 和4 自由度( 图l 1 2 ( b ) ) 两种移动康复机器人。该机器人系统为患者上 肢的康复设计了两种治疗模式：被动训练模式和主动辅助训练模式。在康复训练过程中， 根据患者上肢运动时身体表面的肌电信号，在神经模糊阻抗控制器作用下，实时调整机 器人对患者肘部或肩部的辅助力。 ( a ) 3 自由度 o n v i n g 吲啪 图1 1 2 移动外骨骼上肢康复机器人 6 ( b ) 4 自由度 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 国内对康复机器人技术的研究相对比较晚，目前在该