王基威，韓建海，胡傳龍

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽471003)

氣動(dòng)比例控制系統(tǒng)的原理是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或元件的控制量(輸入)與被控制量(輸出)之間線性化，保證控制量和被控制量按給定的比例關(guān)系變化，從而實(shí)現(xiàn)流量、壓力連續(xù)變化的高精度控制，最終實(shí)現(xiàn)控制要求。近年來，隨著材料、電子、傳感器及控制理論等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)比例控制技術(shù)的應(yīng)用在各領(lǐng)域也得到快速提高。由于空氣的壓縮性大、黏性小，控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)流量、壓力連續(xù)變化的高精度和驅(qū)動(dòng)設(shè)備高速運(yùn)動(dòng)控制。

文中通過分析下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)原理，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，闡述了氣動(dòng)比例控制技術(shù)在下肢康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)用的有效性和優(yōu)越性。

1 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

首先設(shè)計(jì)了下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該機(jī)構(gòu)主要由外部框架、減重機(jī)構(gòu)、重心平衡機(jī)構(gòu)、腿部機(jī)構(gòu)以及跑步機(jī)等組成。其中減重機(jī)構(gòu)氣動(dòng)系統(tǒng)主要是根據(jù)患者的自身體重及病情輕重，通過連接在繩尾部的氣缸來減輕患者的自重，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)減重力恒定。實(shí)驗(yàn)過程中，通過外部框架頂端彎管上邊的雙彈簧及滑輪來實(shí)現(xiàn)重心左右變化，通過安裝于平行四邊形機(jī)構(gòu)的氣彈簧來實(shí)現(xiàn)重心上下變化，綜合作用實(shí)現(xiàn)人體重心的平衡。助力腿驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)主要是將患者的雙腿捆綁在腿部機(jī)構(gòu)上，用氣壓驅(qū)動(dòng)的方式控制髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)仿人行走，從而實(shí)現(xiàn)患者的步態(tài)矯正。通過整體的調(diào)試配合最終實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練的目的。

圖1 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

2 減重機(jī)構(gòu)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)康復(fù)理論，在減重支撐訓(xùn)練時(shí)保證減重力的恒定對(duì)患者的康復(fù)效果是最有效的。在減重狀態(tài)下，當(dāng)患者按照設(shè)定的步態(tài)在跑步機(jī)上行走時(shí)，隨著腿部的抬起和下落，自身的重心會(huì)發(fā)生一定的變化，從而帶動(dòng)鋼絲繩上的拉力發(fā)生一個(gè)隨步態(tài)變化而變化的力，這個(gè)變化的力對(duì)于患者的康復(fù)治療效果是不利的。目前康復(fù)醫(yī)療的減重設(shè)備多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)減重，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)存在操作力較大、動(dòng)作較慢、環(huán)境要求較高等缺點(diǎn);并且存在構(gòu)造復(fù)雜、維護(hù)要求高、價(jià)格昂貴等不足，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)患者的減重訓(xùn)練，其剛性較大，容易對(duì)患者產(chǎn)生較大的沖擊，可能使人體的肌肉受傷害。而氣體的可壓縮性使得氣壓驅(qū)動(dòng)的方式在很大程度上能滿足系統(tǒng)的安全性、柔順性、輕巧性要求。所以文中通過氣壓驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)減重，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)減重力的恒定，并設(shè)計(jì)出減重機(jī)構(gòu)氣動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 減重機(jī)構(gòu)氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的工作原理是:通過并聯(lián)的兩個(gè)缸徑為32 mm、行程500 mm的氣缸連接減重鋼絲繩，鋼絲繩另一端穿過外部框架上的滑輪，接上蚌埠天光傳感器有限公司生產(chǎn)的TJL-1型拉力傳感器，患者通過可穿戴式吊帶在跑步機(jī)上行走時(shí)，傳感器采集到電壓信號(hào)經(jīng)CS-IB 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀將電壓放大，送入U(xiǎn)SB2009 阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡，最終通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)保存處理。減重原理是通過控制電磁換向閥的磁鐵斷電和帶電實(shí)現(xiàn)減重氣缸的伸縮，通過SMC 公司VY1系列比例減壓閥來調(diào)節(jié)減重氣缸的供氣壓力，控制吊起力的大小，在患者行走過程中，重心隨步態(tài)上下移動(dòng)，鋼絲繩會(huì)隨著重心上下移動(dòng)而拉緊和松開，當(dāng)拉緊時(shí)氣缸減壓，使鋼絲繩松弛些，反之則氣缸增壓，最終得到相對(duì)恒定的減重力。

在該實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是一名75 kg的正常健康男性，試驗(yàn)用跑步機(jī)的速度設(shè)定為3 km/h，其速度基本為人的正常行走速度。把被測(cè)對(duì)象安全吊起來，當(dāng)拉力傳感器測(cè)到當(dāng)前拉力后，經(jīng)應(yīng)變儀放大，通過數(shù)據(jù)采集卡做A/D轉(zhuǎn)換后給PC，計(jì)算機(jī)經(jīng)過控制算法后做D/A轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)電壓送入比例減壓閥，其壓力范圍為0～0.5 MPa，電壓量程為0～5 V，繼而驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)減重力的恒定和動(dòng)態(tài)調(diào)整減重系統(tǒng)減重力的大小，最后通過測(cè)試程序來保存該數(shù)據(jù)。為比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做了無反饋試驗(yàn)和有反饋實(shí)驗(yàn)，通過處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到有反饋和無反饋時(shí)的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，見圖3。

根據(jù)圖形顯示在5 s 內(nèi)，一共有7次電壓幅值的變化，也就是拉力傳感器的拉力值有7個(gè)周期變化。分析可知:這正好與正常人行走過程中，人的抬腿與落腿時(shí)人體重心隨著鋼絲繩伸縮成相應(yīng)變化。分析圖3可得:在無反饋條件下，拉力為100～375 N，加入反饋以后，拉力為125～300 N，平均拉力為212.5 N，對(duì)于體重為75 kg的健康人來說其減重比例為28%。由此可見，增加反饋以后，減重力的變化范圍明顯減小，減重力更為穩(wěn)定，起到了恒定減重力的作用。同時(shí)在增加反饋機(jī)制以后，曲線變得比較平滑，沒有出現(xiàn)電壓突變，這對(duì)于康復(fù)效果也是很有利的。

圖3 減重力反饋對(duì)比實(shí)驗(yàn)變化圖

3 助力腿驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該實(shí)驗(yàn)中，助行腿控制實(shí)驗(yàn)的目的主要是為了實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并最終實(shí)現(xiàn)仿人行走。該試驗(yàn)平臺(tái)主要由氣缸、費(fèi)斯托MPYE-5-1/8-LF-010-B 比例流量閥、KTM微型電阻尺、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)等元件組成。實(shí)驗(yàn)原理是:基于USB2009 阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡，通過控制接在康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人上的氣缸運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過對(duì)助力腿上每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制，以及關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)控制，達(dá)到助力腿能夠按照設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，最終雙腿能夠?qū)崿F(xiàn)仿人行走，達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。這里僅以髖關(guān)節(jié)為例來說明。圖4為髖關(guān)節(jié)氣動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖。

圖4 髖關(guān)節(jié)氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

助行腿控制實(shí)驗(yàn)分三階段進(jìn)行，分別是單關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)、單腿雙關(guān)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)、雙腿聯(lián)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。文中僅介紹髖關(guān)節(jié)的控制實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，空壓機(jī)連接氣缸，電阻尺連接到氣缸，并能隨著氣缸的運(yùn)動(dòng)而伸縮。傳感器實(shí)時(shí)的電壓信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡做A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集卡接入PC機(jī)，在PC機(jī)內(nèi)部利用PID控制算法，經(jīng)D/A 后輸出一個(gè)電壓送入比例流量閥，從而驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作，來達(dá)到關(guān)節(jié)控制，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)跟蹤控制。同時(shí)通過程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)保存并經(jīng)數(shù)據(jù)處理在PC機(jī)上作出顯示。

在實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)定0.05 Hz 和0.1 Hz的正弦曲線為目標(biāo)曲線，對(duì)步態(tài)控制康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)做了髖關(guān)節(jié)跟蹤試驗(yàn)。

從圖5、6中不同頻率的跟蹤軌跡能夠看出:在系統(tǒng)響應(yīng)的整個(gè)周期中，基本上能夠跟蹤預(yù)設(shè)軌跡，證明了控制策略的有效性和可行性。

圖5 0.05 Hz髖關(guān)節(jié)跟蹤曲線

圖6 0.1 Hz髖關(guān)節(jié)跟蹤曲線

4 結(jié)束語

根據(jù)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的三維實(shí)際模型并搭建了完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái);做了減重力恒定實(shí)驗(yàn)和助力腿控制實(shí)驗(yàn)，闡明氣動(dòng)比例控制技術(shù)在下肢康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)用的有效性;為以后實(shí)現(xiàn)基于肌電信號(hào)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人整體系統(tǒng)研究提供了依據(jù)。并對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化這種新型的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人提供了參考。

【1】諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

【2】HESSE S，WERNER C，BARDELEBEN A，et al.Body Weight-support Treadmill Training after Stroke[J].Curr Atheroscler Rep，2001(3):287－294.

【3】韓建海，張河新.氣動(dòng)比例/伺服控制技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2001(1):3－6.

【4】劉延俊，李兆文，陳正洪.氣動(dòng)比例位置系統(tǒng)的建模與仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2002(4):56－57.

【5】劉延俊.氣動(dòng)比例位置系統(tǒng)的控制方法及動(dòng)態(tài)特性研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2007.

【6】隋立明，包鋼，王祖溫.一種由氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)模型研究[J].機(jī)床與液壓，2002(6):55－56.