下肢康复训练机器人的设计开发

下肢康复训练机器人的设计开发杨昆才;张小栋;张强;尹贵;樊琛【摘要】针对当前下肢运动障碍患者众多,而国内传统康复训练设备机械结构复杂、穿戴适应性差、步态训练人机运动精度低和协调性弱等问题，在深入分析了现有康复设备存在不足的基础上，设计开发了下肢康复训练机器人.该机器人的外骨骼机械腿采用曲柄滑块方式驱动关节运动，可自由调节机械腿长度与两腿宽度，再搭配跑步机与减重机构共同组成了机器人的机械部分.同时，该机器人集成了外骨骼腿和跑步机的控制系统，并应用提出的外骨骼腿的位置控制以及与跑步机速度的协同控制方法.最后，在实验室搭建了所设计的下肢康复训练机器人系统，并进行了人体带载实验.结果表明，该康复训练机器人对不同尺寸人体具有很强的穿戴适应性,同时具有精确的轨迹跟踪能力，以及良好的协调运动控制稳定性.％Inviewoftheactualitythatmanypatientshavelowerlimbmovementdisorders,anddomes-tictraditionalrehabilitationtrainingdevicesareofcomplicatedmechanicalstructure,poorwearadaptabili-ty,poorhuman-machinecompatibility,andlowprecisionduringgaittraining,thispaperproposesthedesignofalowerlimbrehabilitationtrainingrobot.Themechanicalexoskeletonlegsoftherobotadoptthecrank-slidermethodtodrivethejointmovement,andthelengthofthelegandthewidthbetweentwolegscanbeadjustedfreelybythemechanicalpartsoftherobot,whichalsoconsistedofthetreadmillandtheweight-reducingmechanism.Meanwhile,therobotintegratesthecontrolsystemofexoskeletonlegsandtreadmilltocontrolthepositionofexoskeletonlegsandthevelocityofthetreadmillinacoordinatedway.Toexaminetheefficiency,thelowerlimbrehabilitationtrainingrobotsystemwassetupinthelabo-ratoryandtheexperimentwithhumanbodyonloadwascarriedout.Theresultsshowthattherehabilita-tionrobotishighlyadaptabletodifferentsizesofhumanbody,andhasaccuratetrajectorytrackingabilityaswellassoundstabilityincoordinatedmotioncontrol.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷)，期】2018(036)003【总页数】6页(P55-60)【关键词】下肢康复机器人;协调控制;轨迹跟踪;步态训练【作者】杨昆才涨小栋涨强伊贵;樊琛【作者单位】西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049;西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点试验室陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049;西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049【正文语种】中文【中图分类】TP2420引言目前，随着由中风、脊柱损伤、脑夕隔等引起的下肢运动功能障碍患者的增多，将机器人技术引入到下肢康复训练成为近年来的研究热点［1-4］。自20世纪90年代初以来，国内夕卜多家机构已研发了一系列的下肢康复机器人。由HOCOMA医疗器械公司和瑞士苏黎士联邦工业大学合作研制的LOKOMAT的下肢康复训练机器人，是全球第一台商业化康复机器人［5］；荷兰Twente大学的生物医学工程实验室研制出一款LOPES外骨骼步态康复机器人［6］；新加坡南洋理工大学开发了一款NaTure-gaits步态康复系统［2］。而我国的康复机器人研究起步较晚，目前为止也有不少大学进行康复训练机器人的研究，代表的有：浙江大学的外骨骼式下肢康复机器人［7］，上海大学钱晋武教授团队的步行康复训练助行腿机器人系统［8］。现如今下肢康复机器人仍然处于不断发展中，少数发达国家已投入临床应用，而我国的康复训练机器人尚未走出实验室，没有成熟的产品，同时医疗康复机器人的市场需求呈现逐年上升趋势，有着广泛应用前景。因此，开发具有独立自主知识产权下肢康复训练机器人具有深远意义。在此，自主开发了下肢康复训练机器人，包括外骨骼机械腿和跑步机等的机械结构以及相应的控制系统。该机器人的机械动力装置采用曲柄滑块方式驱动髋、膝关节运动，根据患者尺寸可自由调节机械腿长度与两腿宽度，具有很强的适应性；并根据设计要求对跑步机与减重机构进行选型，共同组成了机器人的机械部分。同时机器人控制系统由外骨骼腿轨迹跟踪和跑步机速度调节2部分组成，实现外骨骼腿的位置控制以及机械腿轨迹与跑步机速度的协同控制。最后，在实验室搭建所设计的下肢康复训练机器人，并进行人体带载实验，验证康复训练机器人的轨迹跟踪能力和协调运动控制稳定性。1下肢康复训练机器人的机械结构设计1.1夕卜骨骼动力装置设计如图1所示，外骨骼动力装置的驱动器部分采用曲柄滑块机构，主动元件为伺服电机驱动滚珠丝杆旋转，从而迫使滚珠丝杆螺母沿丝杆往复直线运动，经由曲柄滑块机构以实现螺母的直线运动转换成关节的旋转运动。图1外骨骼动力装置驱动器原理驱动器结构部分如图2所示。交流伺服电机固定在电机座上，并通过单膜片式联轴器与滚珠丝杠相连，而滚珠丝杠则通过轴承与孔用卡簧安装在驱动器外壳上，连杆与螺母套铰接，而螺母套与丝杠螺母固连，因此螺母在滚珠丝杠上的往复运动便充当滑块推动连杆。为了增加驱动器的稳定性与刚性，螺母套又通过微型直线导轨与驱动器外壳构成移动副。图2驱动器结构示意机械腿三维模型如图3a所示，其实物如图3b所示。为兼容不同身材的患者，大腿杆与小腿杆采用内外卜管相互嵌合的方式，内管可以沿外管伸长或缩短任意长度，并使用快速装夹装置进行固定，以此适应不同人体高度。在2条机械腿的大腿与小腿上对称设置有绑腿机构，绑腿机构采用导轨滑块方式可自由调节患者双腿与外骨骼腿之间的距离，以此适应不同人体宽度。在绑腿机构的腿部安装半环上，通过魔术贴绑带将患者腿部固定在绑腿上；同时，在髋关节、膝关节处分别设置有圆孔和固定压板，用于编码器安装。图3外骨骼机械腿三维模型及实物1.2夕卜骨骼安装架设计外骨骼安装架如图4所示。为安装2条外骨骼腿用以驱动患者进行康复训练，采用常用的铝合金型材搭建安装架，该型材强度高、质量轻、安装方便。安装架主体为框架结构，型材各连接处采用螺栓和角支撑架固定，并在关键连接处使用45°斜支撑杆进行加固。为适应不同受试者人体宽度要求，根据中国男性和女性第95百分位的臀宽最大值346mm，设计两外骨骼腿安装板的间距为380mm[9]。由于上述外骨骼绑腿部分采用导轨滑块机构，可以调节患者双腿与外骨骼腿之间的距离，因此人体宽度适应性调节是通过改变两外骨骼腿绑机构来实现的。图4外骨骼安装架1.3跑步机与减重机构选型设计外骨骼机械腿在模拟正常人体步态运动时，需配合跑步机同步启停，二者协调运动辅助患者进行康复训练。根据跑步机尺寸及步态训练速度范围，选择英瑞德MTC家用款跑步机，并对其进行改造，只保留电机及跑步带部分。针对患者下肢承载能力弱、运动平衡性差的特点，选用型号为JY-JZB-2悬吊式减重训练器，为患者提供一定的减重力。具体地，患者身着减重背心，通过手持开关控制电动推杆伸缩来增加或减小减重力，由此减轻患者在训练过程中支撑腿的负载，并且维持患者的身体平衡提高训练效果，确保训练安全。1.4下肢康复训练机器人系统集成设计下肢康复训练机器人系统集成设计的总体三维模型如图5所示。夕卜骨骼机械腿安装在安装框架上，下方设置有跑步机，在康复训练过程中，与外骨骼机械腿同步启停、协调运动；上方设置有减重机构，可将身着减重背心的患者吊起，根据患者下肢承载能力强弱为其提供大小可调的减重力。各部分互相配合，辅助患者进行下肢步态康复训练。图5下肢康复训练机器人的总体三维示意2下肢康复训练机器人的控制系统设计2.1外骨骼腿的控制系统设计外骨骼腿控制系统硬件组成如图6所示，其主要元器件有工控机、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机和绝对式编码器等。伺服电机及其驱动器与运动控制卡端子板相连，通过曲柄滑块机构驱动关节运动。关节处的绝对式编码器通过串口转换器与工控机相连，用于采集关节角度。工控机通过以太网接口实现对运动控制卡的通讯控制。外骨骼腿控制系统软件部分主要包括运动控制卡和编码器的上位机驱动软件，实现工控机对运动控制卡和编码器的通讯连接、伺服电机点动（正反转）、关节角度显示、存储和程序下载等功能。外骨骼腿的轨迹跟踪控制采用对非线性系统具有稳定性能的滑模控制方法，并引入模糊补偿的方法来减少实际运动过程中存在的不确定因素影响。图6外骨骼腿控制系统硬件组成2.2跑步机的控制系统设计跑步机控制系统硬件部分的组成如图7所示，其主要元器件有工控机、Arduino开发板、跑步机直流电机及其驱动器、D/A模块和测速传感器等。Arduino开发板连接D/A模块输出模拟量来控制电机驱动器，用于调节跑步机直流电机的速度。测速传感器与Arduino相连，用于反馈电机的转速。工控机通过串口连接的方式实现对Arduino的通讯控制。图7跑步机控制系统硬件组成跑步机运行的上位机软件部分，主要实现工控机对Arduino开发板的通讯连接、转速调节等参数指令发送和电机转速显示等功能。由于该跑步机是外部采购件，本文在只保留其电机和跑步带的基础上，采用位置PID控制方法重新实现跑步机电机的速度闭环控制，并进行了电机转速与跑步带速度的换算。2.3下肢康复训练机器人控制系统集成设计整体控制系统如图8所示。根据下肢康复训练机器人的设计需求，将上述外骨骼腿控制系统与跑步机控制系统集成，由同一台工控机统一实现通讯控制。减重结构的高度升降控制根据患者需求通过手控开关单独实现。图8整体控制系统上位机软件在集成了上述运动控制程序、数据采集程序和人机界面程序的同时，设置有集成程序，实现外骨骼腿和跑步机的同步启停。为使机器人带动患者进行步态训练符合康复训练的要求，以人在跑步机上行走时的步态特征参数信息为依据，将一个完整的行走过程分为起步、周期步和止步阶段，分别对外骨骼腿进行步态规划，提高机器人与人体运动的相容性；并根据机器人的步态规划轨迹速度调节跑步机速度，实现跑步机与外骨骼腿的协调运动。3系统搭建与实验研究基于上述设计，在实验室搭建了下肢康复训练机器人系统，如图9所示。减重机构将身着减重背心的患者吊起并为其提供一定的减重力，患者下肢通过绑腿机构与外骨骼机械腿固连，双脚站在跑步机上。实验时，外骨骼机械腿模拟正常人体步态运动，跑步机同步启停，进行下肢康复训练。图9下肢康复训练机器人实物为了检验所设计的下肢康复训练机器人的轨迹跟踪能力，以单腿膝关节为例，对15名健康受试者，通过机器人驱动来带动人体膝关节进行屈伸运动30次。实验开始前，受试者单侧腿悬空通过绑腿穿戴机械腿装置，运动过程中受试者不主动出力。实验场景如图10所示。图10轨迹跟踪实验场景通过前述所选的绝对式编码器及其后续计算机处理系统，记录关节运动角度，部分实验结果如图11所示。图11轨迹跟踪实验结果从图11可以看出，机械腿在带载的情况下，膝关节能精确地跟踪目标轨迹，角度误差在0.5°以内，踝关节相对于膝关节的位置误差在3mm以内。为检验搭建的控制系统所能达到的协调控制效果，本文对5名健康受试者进行固定步态轨迹运动试验。实验开始前，受试者双腿站立在跑步机上，2条腿通过绑腿穿戴机械腿装置，跑步机速度取1km/h，通过上位机使机械腿和跑步机同时启动，运动过程中受试者不主动出力。实验场景如图12所示。图12协调控制实验场景实验过程中外骨骼机械腿可以协调带动人体在跑步机上进行原地步态康复训练，根据受试者反应，跑步机速度能较好匹配步行训练的速度，没有出现明显下肢干涉和摩擦的现象。4结束语设计了一台由外骨骼机械腿、跑步机和减重系统等的机械结构，以及相应的控制系统组成的下肢康复训练机器人。根据曲柄滑块原理设计了机器人的外骨骼机械腿，机械腿长度与两腿宽度可根据患者尺寸自由调节，并按照设计要求对跑步机与减重机构进行了选型设计。同时，还对外骨骼腿和跑步机2部分的控制系统进行了设计与集成，实现外骨骼腿的位置控制，以及机械腿轨迹与跑步机速度的协同控制。最后，通过所设计的下肢康复训练机器人系统搭建与人体带载实验，验证了康复训练机器人具有良好的轨迹跟踪能力和协调的运动控制能力，其中，膝关节能精确地跟踪目标轨迹，角度误差在0.5°以内，踝关节相对于膝关节的位置误差在3mm以内。参考文献：张通.中国脑卒中康复治疗指南(2011完全版)[J].中国康复理论与实践,2012,18(4):301-318.LowKH.Recentdevelopmentandtrendsofclinical-basedgaitrehabilitationrobots[M]//IntelligentAssistiveRobots:RecentAdvancesinAssistiveRoboticsforEverydayActivities.Switzerland:SpringerInternationalPublishing,2015:41-75.DzahirMAM,YamamotoS.Recenttrendsinlower-limbroboticrehabilitationorthosis:controlscheme