具有姿态调节功能的康复训练机器人设计

具有姿态调节功能的康复训练机器人设计

1姿态可调节的康复机器人康复训练机器人是康复医学、机器人学、信息科学等不断进步的产物。它的目标是利用机器人协助或取代医生对患者进行康复治疗，提高治疗效率，降低治疗成本。同时，我们还获取了人体和机器人在培训过程中的相关参数，以客观地评估培训的效果。由于作用对象的特殊性,在外观、机构、功能等方面都对康复训练机器人提出了要求:1)康复训练机器人需具备足够多的自由度和合适的运动空间以适应患者肢体不同部位的训练需求;2)需具备多种训练模式以满足不同康复阶段患者的训练需求;3)需具备完善的传感系统以获取机器人的力/位参数、患者的生理参数以及机器人和患者之间的作用力等参数,为康复训练提供客观评价;4)需具备姿态调整功能以适应不同体态患者的训练需求。此外,在安全性、舒适性、智能化等方面也对康复训练机器人有要求。上肢是人体运动系统的重要组成部分,具有自由度多、运动范围大、在日常生活中使用率高等特点,针对上肢的康复训练,国内外学者研制了多种康复训练机器人。美国麻省理工学院研制的MIT-Manus康复训练机器人采用五连杆机构实现患者在平面内肩-肘关节的二维康复训练。英国雷丁大学研制的GENTLE/S的上肢康复训练机器人,其机械臂为三自由度的升降式摇臂结构,机械臂的腕部带有3个被动自由度,可实现手臂的三维运动。卡内基梅隆大学采用Barrett公司生产的WAM机器人进行相关康复医疗的研究,该机器人具有4个自由度,可在三维空间内运动。清华大学研制的UECM设备,在平面内进行2个自由度的运行训练,华中科技大学设计了便携式的腕关节康复训练机构,东南大学、南京邮电大学等在康复机器人机构设计及控制方面也展开了研究工作。人体上肢是一个多自由度结构,可在一个较大的三维空间内自由活动。使用康复训练机器人进行被动训练时,通常需要将患肢与机器人末端固定以便于机器人带动患肢进行训练,由于神经系统损伤患者易出现抽搐等非自主动作,若训练过程中患肢出现了抽搐、痉挛等异常动作,而机器人又不能及时解除对患肢的束缚,则容易对患肢造成二次损伤。本文针对上肢康复训练运动空间的需求,设计了一种姿态可调节的康复训练机器人,满足人体肘关节和肩关节的康复训练需求,具有主、被动训练模式,并且能够测量训练过程中的位置参数和扭矩参数,供分析使用。同时,为避免训练过程因患肢出现抽搐、痉挛等异常动作而对患肢造成的二次损伤,采用一种带有患肢状态观测的控制器实现对机器人的控制。2康复训练机器人设备2.1u形架和研发生物.设计的康复训练机器人本体如图1所示,具有5个自由度,其中3个自由度用于调整机器人姿态以适应不同体格患者的训练需求,2个自由度直接用于患者肢体的训练。升降基座实现机器人本体垂直方向的移动;U形架实现机器人本体水平面内的转动和前后俯仰角度的调节;手臂支撑台绕支撑轴转动和手臂支架绕支撑台转动的2个自由度直接用于患者手臂的康复训练。机器人中各部件的具体连接参见专利ZL201010533277.2。分别采用步进电机和直流电机驱动机器人的各个关节运动,用于姿态调整的3个自由度采用步进电机驱动,用于患者康复训练的2个自由度采用直流电机进行驱动。采用光电编码盘测量机器人各个关节的转动角度。在机器人各个关节处设置扭矩传感器测量机器人与患者之间的作用力,选用的扭矩传感器量程为0~10N·m,测量精度可达0.1N·m。2.2基于肘关节的加工过程如图2所示,采用D-H(Denavit-Hartenberg)方法建立机器人基坐标系、各关节杆件坐标系和机器人末端坐标系。z轴与运动副的轴线重合,x轴沿着相邻2个z轴的公垂线,y轴根据右手坐标系定则确定。相邻2个坐标系之间的转换关系如式(1)所示,各连杆参数及变化范围如表1所示。根据式(1)和表1,可求得各连杆变化矩阵如式(2)~(7)所示。如图4所示,使用时只需将手臂的肘关节支撑在机器人的手臂支撑台上,同时前臂用松紧带固定在手臂支撑架上,即可实现以肘关节为支点的手臂训练。根据连杆i与连杆(i-1)的变换矩阵i-1Ti和各连杆至机器人末端连杆的变换关系:i-1Tn=i-1TiiTn,i-2Tn=i-2Ti-1i-1Tn,…,0Tn=0T11Tn,采用构造法可求得机器人的雅克比矩阵J。对于已调整好姿态的机器人而言(即0T4固定),只需考虑用于训练的两个自由度对末端位置的影响,此时求得雅克比矩阵第5、6列分别为:3患致状态检测机器人系统架构如图5所示,主要包括机器人机构、上位机、下位机等。上位机通过向下位机发送控制命令来指导机器人机构牵引患肢进行康复训练;编码盘和扭矩传感器分别实时检测机器人的运动状态和患肢-机器人之间的交互力,并通过下位机发送给上位机。由于作用对象的特殊性,在正常的训练过程中机器人需要带动患者的手臂跟随轨迹规划器输出的轨迹,当患者的患肢出现抽搐、痉挛等异常情况时机器人需要及时解除对患肢的束缚,避免对患肢造成二次损伤,而当患肢的异常情况消失后,机器人又需找到原先训练中断的位置继续进行未完成的训练。因此,采用如图6所示的机器人控制器。患肢状态检测器用于检测患肢的异常状态,未检测到异常状态时,使用基于位置的阻抗控制器实现轨迹跟踪,检测到异常状态时机器人切换至浮动状态,异常消失后轨迹规划器输出校正轨迹使机器人回到异常状态发生时刻的位置,回到训练中断的位置后轨迹规划器按照原先的训练规则继续输出目标轨迹。患肢状态的判别通过检测机器人末端位置的变化率和患肢-机器人交互力的变化情况来实现。4实验为验证康复训练机器人系统的有效性,在完成系统调试后,对系统改进了实验验证。实验主要包括位置跟踪实验和模拟抽搐实验2个部分。4.1采样点轨迹跟踪误差为验证控制器对期望轨迹的跟踪性能,设计在x-y平面内的位置跟踪实验,如图7所示,机器人末端从A点出发运动至B点,再从B点返回A点,记录x、y方向的运动轨迹及跟踪误差如图8所示。图(a)、(b)分别为x方向的运动轨迹和轨迹跟踪误差,图(c)、(d)分别为y方向的运动轨迹和轨迹跟踪误差。记单个采样点位置跟踪误差为:式中:Δxi是实际位置与期望位置在x方向上的偏差,Δyi是实际位置与期望位置在y方向上的偏差。位置跟踪误差平均值为:位置跟踪误差均方差为:4.2x方向上运动控制实验为验证患肢状态观测器在系统控制中的有效性,设计模拟抽搐实验。在正常的训练过程中人为给手臂支撑架施加抖动,观察记录机器人的运动状态。x方向上运动控制实验中记录实验结果如图9所示。图中T0时间内施加人为抖动,此时机器人末端可随患肢随意运动,T1时间内轨迹规划器输出校正轨迹。5实验结果和分析本文设计了一种具有姿态调节能力的上肢康复训练机器人。详细描述了机器人本体机构的组成,并对设计的康复训练机器人进行运动学分析。为满足训练过程中机器人对轨迹的跟踪性能和避免患肢出现抽搐等异常动作对患肢造成二次损伤,采用具有患肢状态监测的力位混合控制器控制机器人运动。对设计的系统进行了实验验证,结果表明设计的康复训练机器人系统具有可行性和有效性。式中:n=o×a,o·o=1,a·a=1,o·a=0,n·n=1。坐标系{5}相对于基坐标系的变换矩阵为:坐标系{5}的原点在基坐标系中的位置为:坐标系{T}相对于基坐标系的变换矩阵为:坐标系{T}的原点在基坐标系中的位置为:在基坐标系中,坐标系{T}的原点和坐标系{5}的原点之间的距离关系为:机器人末端关于基座的变换矩阵为:故当机器人姿态固定后,机器人末端的运动空间是以坐标系{5}的原点(手臂支撑台