黃 高 張偉民 Marco Ceccarelli 余張國 陳學(xué)超 孟非 黃強

一種新的康復(fù)與代步外骨骼機器人研究

黃 高1,4,5張偉民1,2,4,5Marco Ceccarelli2,6余張國1,2,4,5陳學(xué)超1,2,4,5孟非1,2,4,5黃強1,2,3,4,5

針對老年人及下肢障礙者康復(fù)訓(xùn)練與代步問題,本文提出一種新的康復(fù)與代步外骨骼機器人.本文首先詳細介紹了機器人各部分組成及機構(gòu)設(shè)計方案,通過下肢外骨骼與輪椅的有機結(jié)合,有效保持或恢復(fù)老年人、腦卒中患者下肢運動能力的同時,為患者提供一種方便的代步工具;運用腳蹬車運動制訂康復(fù)訓(xùn)練策略,可保持下肢康復(fù)訓(xùn)練軌跡固定,保證患者安全;提出主從式操作方法及多模態(tài)康復(fù)訓(xùn)練控制流程提高使用者參與感.最后通過仿真與實驗驗證了所提康復(fù)系統(tǒng)的可行性與設(shè)計的正確性.

康復(fù)機器人,外骨骼,機構(gòu)設(shè)計,仿真,實驗

DOI10.16383/j.aas.2016.c160180

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和醫(yī)療水平的提高,人均壽命不斷提高,隨之而來的人口老齡化問題日益突出.《中國老齡事業(yè)發(fā)展報告(2014)》顯示,截至2014年底,我國60歲以上老年人口數(shù)量達2.12億,占總?cè)丝诘?5.5%,失能老人超過3800萬人;到2025年前,我國高齡老年人口將保持年均100萬的增長態(tài)勢[1].身體機能退化和疾病容易導(dǎo)致嚴重的運動障礙,不僅影響老年人的身體健康,而且需要大量的勞動人員負擔(dān)照顧、護理工作,增加了社會和患者家庭的負擔(dān).另一方面,據(jù)《中國腦卒中防治報告(2015)》顯示,腦卒中患病率呈上升趨勢,到2030年,中國將有3177萬腦卒中病人[2].腦卒中引起的下肢障礙如果缺乏后續(xù)康復(fù)治療和訓(xùn)練,將會導(dǎo)致肌肉萎縮、潰亂甚至人體相關(guān)機能喪失,將嚴重影響腦卒中患者以及家人的生活質(zhì)量.因此,安全可靠、患者易接受的康復(fù)訓(xùn)練與代步工具研究對老年人與下肢障礙患者的康復(fù)與鍛煉具有十分重要的意義.

機器人在穩(wěn)定性、重復(fù)性方面有先天的優(yōu)勢,適宜作為養(yǎng)老助殘設(shè)備使用[3].近年來,機器人技術(shù)突飛猛進,醫(yī)療康復(fù)類機器人也得到充分發(fā)展,康復(fù)機器人系統(tǒng)相繼涌現(xiàn)出來[4?6].下肢康復(fù)機器人大致分為以下4大類:坐臥式機器人、直立式機器人、輔助起立式機器人和多體位式機器人[7].腳蹬車運動因為其自身擁有的閉環(huán)運動特點及軌跡固定、單自由度即可實現(xiàn)下肢各關(guān)節(jié)運動的特點,受到康復(fù)設(shè)備研發(fā)人員青睞[8].如美國Restorative Therapies開發(fā)的RT300 Leg[9]和德國RECK-Technical GmbH&Co.KG的MOTOmed[10],均運用腳踏運動及功能性電刺激(Functional electrical stimulation,FES),實現(xiàn)運動的同時,結(jié)合FES的康復(fù)策略.上述種類的康復(fù)設(shè)備只能使患者在原地進行康復(fù)訓(xùn)練,沒有代步功能,訓(xùn)練過程比較單調(diào)乏味;同時這類坐臥式康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備大多是被動的方式進行康復(fù)鍛煉,不易被患者接受,在一定程度上可能影響康復(fù)效果.眾所周知,輪椅是中風(fēng)偏癱患者和老人不可或缺的代步工具,康復(fù)輪椅亦是研究熱點[11?14];日本Yasunobu Handa公司研發(fā)的Profhand很好地利用代步的同時進行康復(fù)訓(xùn)練[15?17],可以使患者很好地參與到康復(fù)訓(xùn)練過程中,提升了患者康復(fù)訓(xùn)練的意愿.但是該設(shè)備沒有助力系統(tǒng),不適宜于病情嚴重的患者;同時對肢體沒有很好的保護,腿腳麻木的患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中有折斷的風(fēng)險.

外骨骼作為輔助與助力設(shè)備也廣泛用于康復(fù)機器人中.ReWalk是美國Argo Medical Technology公司開發(fā)生產(chǎn)的可穿戴式外骨骼康復(fù)機器人,下肢障礙患者可穿上該外骨骼進行運動訓(xùn)練,患者可以通過手柄控制行走速度[18?19].該機器人使用傾角傳感器檢測患者上身所處的姿態(tài),以此來推斷下肢的運動狀態(tài),從而輔助患者完成步行和上下樓梯等日常活動[20].日本筑波大學(xué)研制的Hybrid assistive limb(HAL)不僅可以幫助患者完成康復(fù)活動,而且可以支撐患者[21?22].國內(nèi)的很多高校及科研院所也開展了外骨骼康復(fù)機器人相關(guān)的研究,如中科院自動化所[23?24]、河北工業(yè)大學(xué)[25]、浙江大學(xué)[26]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[27]、燕山大學(xué)[28]、北京理工大學(xué)[29]等均取得相關(guān)研究成果.外骨骼既可以用來為患者康復(fù)提供助力與支撐,同時還可以在康復(fù)過程中檢測與執(zhí)行康復(fù)策略,因此在康復(fù)醫(yī)療中得到廣泛應(yīng)用,本文提出的康復(fù)與代步機器人亦是利用下肢外骨骼完成康復(fù)過程.

針對康復(fù)輪椅與外骨骼機器人各自的特點,本文提出一種新的康復(fù)與代步下肢外骨骼機器人及相關(guān)的主從式操作方法,通過具有力反饋腳踏的方式提升患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的參與感,以易被接受的方式對下肢運動障礙患者進行康復(fù)訓(xùn)練,在有效保持或恢復(fù)老年人、腦卒中患者下肢運動能力的同時,為患者提供一種方便的代步工具,降低純電動輪椅出行方式給患者帶來的恐懼心理,同時利用單自由度閉鏈式外骨骼機構(gòu)提供必要助力并保證使用者的安全,為老年人、腦卒中患者基本生活服務(wù)提供便利.通過外骨骼的助力與康復(fù)作用高效地彌補輪椅不能為使用者提供康復(fù)鍛煉需求的缺陷.本文所提出的機器人可同時滿足使用者康復(fù)與代步需求,據(jù)作者所知,目前還沒有此類的康復(fù)設(shè)備.

本文章節(jié)安排如下:第1節(jié)首先描述人類腳蹬車特點、過程及在康復(fù)運動中的應(yīng)用等,在此基礎(chǔ)上提出動力學(xué)簡圖與詳細機構(gòu)設(shè)計方案并給出相關(guān)設(shè)計參數(shù);第2節(jié)描述了該機器人主從式控制器及該機器人操作流程;第3節(jié)對外骨骼系統(tǒng)進行初步仿真并驗證了設(shè)計的可行性;第4節(jié)根據(jù)設(shè)計完成了樣機研發(fā)并進行相關(guān)實驗驗證;文章最后給出了總結(jié)并提出展望.

1 康復(fù)與代步機器人運動學(xué)簡圖及機構(gòu)設(shè)計

1.1 腳踏車運動特點

腳踏車運動以其獨有的特點受到越來越多的關(guān)注,使用者可借助曲柄的動作完成鍛煉與康復(fù)活動,因此受到研究者的青睞.在腳踏車運動過程中,腿部各塊肌肉以相互協(xié)調(diào)的方式產(chǎn)生和傳遞來自身體的力量,使下肢各關(guān)節(jié)肌肉得到很好的鍛煉.腳踏車下肢康復(fù)機器人的設(shè)計,建立在認識腳踏車運動特點基礎(chǔ)上.如圖1所示,腳踏車運動可分為三個階段:推力階段、加速階段與回程階段[30].在上下推力階段,需要控制曲柄速度,主要是利用慣性通過圖中的上下死點,此時可不使用推力但是需要控制好曲柄速度;加速階段是單邊腿部各部分肌肉鍛煉的重要階段,此時為通過推力階段的上下死點做相應(yīng)準備;回程階段是單邊腿部肌肉放松階段,通過下死點后,左右腿交換進行加速階段和回程階段.因此腳踏車運動是左右腿相互協(xié)作的周期性過程.

從上述腳踏車的描述可以看出,對特定的曲柄,其運動軌跡為單一的閉鏈曲線,可保證使用者下肢在一個平面內(nèi)運動,能避免麻木的下肢康復(fù)過程中左右擺動產(chǎn)生二次傷害;同時,在一個周期中,其運動特點有章可循,可在一個周期中不同的階段對曲柄施加所需的力矩,使用者感覺舒適的同時,控制相對簡單,且能保證系統(tǒng)運行平穩(wěn).因此,使用腳蹬車運動的康復(fù)與代步方式,可保證康復(fù)訓(xùn)練與代步機器人的安全性與可靠性.

圖1 腳蹬車運動一個周期中三階段分布Fig.1 Three phases of the crank cycle during the cycling action

1.2 康復(fù)與代步機器人運動學(xué)結(jié)構(gòu)簡圖

人體下肢單腿自由度分布為:髖關(guān)節(jié)3個自由度,膝關(guān)節(jié)1個自由度,踝關(guān)節(jié)3個自由度,其中矢平面內(nèi)髖、膝、踝關(guān)節(jié)各有一個自由度,依據(jù)解剖學(xué)可知下肢關(guān)節(jié)矢平面的運動可有效鍛煉下肢各關(guān)節(jié)肌肉[31],因此本外骨骼康復(fù)機器人主要針對矢平面三個自由度對患者進行康復(fù)訓(xùn)練.根據(jù)腳蹬車運動特點及下肢康復(fù)訓(xùn)練需求,本設(shè)計選用曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計康復(fù)外骨骼為使用者下肢提供支撐.其運動簡圖及相關(guān)設(shè)計參數(shù)如圖2所示,其中R2,R3,R4分別表示髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)受力大小,θ2,θ3,θ4,θp,θw,θsw分別表示髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、曲柄、輪椅后輪與前輪旋轉(zhuǎn)角度,L2、L3、L4表示搖桿、連桿與曲柄的長度,L1表示輪椅前后輪之間的間距.由曲柄搖桿機構(gòu)特性及本運動簡圖可知:

圖2 外骨骼康復(fù)機器人運動簡圖及設(shè)計參數(shù)Fig.2 A kinematic sketch of proposed leg-exoskeleton assisted wheelchair system and its main design parameters

由此可根據(jù)需要建立驅(qū)動電機與各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度之間的函數(shù)關(guān)系.

為了使機器人更安全柔順地完成康復(fù)工作,操作不宜過于復(fù)雜,滿足康復(fù)條件的情況下盡量減少主動自由度.根據(jù)四連桿機構(gòu)特點,本康復(fù)機器人自由度分布如圖3所示,該機器人包含兩個主動自由度及8個被動自由度.外骨骼主動電機主要針對使用者下肢的康復(fù)運動,可通過對主動電機的控制完成從完全主動康復(fù)到完全被動康復(fù)的不同康復(fù)模態(tài),通過單自由度即可實現(xiàn)康復(fù)機器人的康復(fù)功能.輪椅從動電機用來控制輪椅自身的運動,通過兩個從動電機的配合,實現(xiàn)輪椅的前進、后退、轉(zhuǎn)彎等,實現(xiàn)康復(fù)機器人的代步功能.

圖3 康復(fù)機器人自由度分布Fig.3 The distribution of the robot's degrees of freedom(DOFs)

1.3 康復(fù)與代步機器人機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)康復(fù)機器人運動簡圖與自由度分布情況,圖4描述了該機器人的機構(gòu)設(shè)計方案.該機器人主要分成輪椅與外骨骼兩大部分;其中輪椅操作面板上固定有輪椅操作桿,用來控制輪椅的運動方向與速度;同時固定了各類按鈕,包括不同康復(fù)模式設(shè)置按鈕、急停開關(guān)等;系統(tǒng)的信號指示燈固定在輪椅操作面板上;外骨骼電機及曲柄搖桿機構(gòu)均固定在輪椅上,構(gòu)成四連桿機構(gòu).足底傳感器用來監(jiān)測人體運動意圖,控制機器人康復(fù)運動與輪椅的啟停.圖5中,外骨骼大、小腿連桿連接處做成槽型結(jié)構(gòu),連桿長度L可根據(jù)不同使用者腿部長度沿圖5中箭頭方向進行相應(yīng)手動調(diào)整;該外骨骼設(shè)計長度可以滿足大部分亞洲成年人身高需求[32].圖5中的異形拱可有效避開輪椅與外骨骼的干涉,最大限度地提高關(guān)節(jié)活動范圍.各部分詳細設(shè)計參數(shù)如表1所示,其中,θ2,θ3,θ4的活動范圍分別為?15°～15°,?5°～35°,0°～35°,該關(guān)節(jié)活動范圍可有效地鍛煉使用者各關(guān)節(jié)肌肉[33].

針對外骨骼康復(fù)機構(gòu),由于大部分關(guān)節(jié)均是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),因此需要保證旋轉(zhuǎn)時關(guān)節(jié)的精度.圖6所示為外骨骼大部分關(guān)節(jié)的連接方式.此關(guān)節(jié)的剖面圖位置為圖4中I處,通過法蘭軸與軸承的結(jié)合實現(xiàn)電機與外骨骼的關(guān)節(jié)傳動.同時,對于腳踏板(圖4中關(guān)節(jié)II處),一方面需要連接外骨骼傳遞蹬踩自行車運動,另一方面需要與腳蹬連接,因此采用3軸承支撐機構(gòu)設(shè)計方案;在裝配過程中,預(yù)留的扳手槽用于完成圖示轉(zhuǎn)動軸與腳蹬的螺紋連接,詳細機構(gòu)設(shè)計如圖7所示.

圖4 機器人機構(gòu)設(shè)計方案Fig.4 The mechanical design of the robot

圖5 外骨骼長度調(diào)節(jié)連桿Fig.5 The length adjustment of the exoskeleton rod

圖6 同步帶輪關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)計Fig.6 The mechanical design of synchronous pulley

圖7 腳踏板關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)計Fig.7 The mechanical design of pedal

該機器人使用前準備過程為,首先利用輪椅電機抱閘固定輪椅,使用者坐上輪椅后,通過調(diào)整大小腿桿1與2的相對位置,根據(jù)需要手動調(diào)整大腿及小腿外骨骼長度(如圖5所示),擰緊碟形螺栓,將使用者雙腿與外骨骼通過圖示綁帶相連,并手握輪椅操作器,打開電機抱閘,準備康復(fù)鍛煉.

表1 外骨骼機器人機構(gòu)設(shè)計參數(shù)Table 1 Specifcations of the new leg-exoskeleton assisted wheelchair

2 康復(fù)與代步機器人主從式操作方法

為提高患者康復(fù)運動過程的參與感,消除其對醫(yī)療器械的恐懼心理,本機器人采用主從式控制方法.如圖8所示為康復(fù)輪椅主從式操作方法示意圖.圖8中,所有運動均從人體運動意圖開始,使用者腳蹬輪椅踏板時,安裝在腳底的力傳感器接收到人體運動意圖,同時觸發(fā)外骨骼運動與輪椅運動;對于外骨骼運動,可通過腿部傳感器的作用控制使用者康復(fù)訓(xùn)練;對于輪椅運動,可通過使用者本人控制輪椅的前進、后退與轉(zhuǎn)彎運動.因此,本機器人不僅可以使患者充分地參與到康復(fù)訓(xùn)練中,而且還可以同時實現(xiàn)康復(fù)與代步兩項功能.為實現(xiàn)上述功能,本機器人設(shè)計的主從式控制器如圖9所示,主要包括控制面板、主控制器、輪椅驅(qū)動控制器、外骨骼電機驅(qū)動器、電機及相關(guān)力傳感器等幾大部分組成,其中,主控制器接收到來自使用者控制面板的操作和腳底及下肢力傳感器的信號,根據(jù)用戶的功能選擇與外骨骼信號反饋,實時規(guī)劃外骨骼電機及輪椅兩個驅(qū)動器運動數(shù)據(jù);分別通過控制輪椅左右電機實現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)速與運動方向,通過外骨骼位置與扭矩控制外骨骼伺服運動并利用反饋控制外骨骼電機,指導(dǎo)使用者進行相關(guān)的康復(fù)輔助鍛煉.

圖8 康復(fù)輪椅主從式操作方法示意圖Fig.8 A scheme for the slave-master actuation for the robot

圖9 主從式控制器組成Fig.9 The components of slave-master controller

為實現(xiàn)上述康復(fù)輪椅主從式操作方法及主從式控制器的設(shè)計,該機器人康復(fù)訓(xùn)練控制流程如圖10所示.使用者腳蹬輪椅時,外骨骼和輪椅控制器分別檢測力傳感器中力的大小,根據(jù)設(shè)定分別執(zhí)行各自任務(wù);對于輪椅,可根據(jù)力的大小控制輪椅前進、后退、轉(zhuǎn)彎速度,對于外骨骼,根據(jù)力度大小及下肢力傳感器檢測數(shù)據(jù)判斷使用者是否有足夠力量完成腳蹬車運動,該過程可通過比例系數(shù)K(K≥0)值來表示.如果力量不夠(K=0),可通過控制電機,帶動人腿完成康復(fù)訓(xùn)練,此時為完全被動康復(fù)訓(xùn)練;如果人體下肢力量足夠(K≥1),則外骨骼只輔助人腿運動不提供助力,必要時還可以通過電機反轉(zhuǎn)提供部分阻力供使用者鍛煉,此時為完全主動訓(xùn)練狀態(tài);當(dāng)使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成腳蹬車運動時(0＜K＜1),此時可為患者提供部分助力,此時為主被動融合的康復(fù)模式;同時腳蹬車運動的速度與輪椅行進的速度之間包含正相關(guān)的反饋調(diào)節(jié),即使用者腳蹬車越快,輪椅前進速度越快,反之亦然,使用者腳蹬車停止,輪椅停止運動,由此讓使用者感覺到是自己蹬車前進的,切實提升使用者參與感.該過程可通過如下公式表示:

圖10 機器人康復(fù)訓(xùn)練控制流程Fig.10 The robot's control fow for the rehabilitation training

其中,Fr為康復(fù)運動過程所需力的大小,?Fm為康復(fù)電機提供的力的大小,?Fu為患者腿部提供的力的大小.由此可見,該康復(fù)運動過程是人機相互協(xié)調(diào)運動控制的結(jié)果.

3 仿真分析

本文針對外骨骼部分進行初步的運動學(xué)分析.將Solidworks軟件設(shè)計的三維模型導(dǎo)入Adams中進行仿真分析,初始條件參數(shù)設(shè)置如表2所示,主要包括系統(tǒng)質(zhì)量與速度參數(shù)和外骨骼關(guān)節(jié)摩擦相關(guān)參數(shù).其中,在仿真環(huán)境中,為充分考慮人體質(zhì)量對仿真結(jié)果的影響,人體的質(zhì)量60kg按照人體質(zhì)量比例分布到仿真模型中人身體各部分中,以保證仿真結(jié)果的正確性與嚴密性;同時,仿真設(shè)置中,將大、小腿分別與外骨骼大小腿桿固定相連;仿真環(huán)境中各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置如圖11所示.為驗證外骨骼各連桿參數(shù)的正確性,初始輸入條件為曲柄的速度為30RPM,因此一個周期時間為2s,運行仿真時間20s,選取比較穩(wěn)定的階段14s～18s作為仿真結(jié)果,如圖12～14所示.

圖11ADAMS環(huán)境中機器人與人的模型及各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)示意Fig.11 An ADAMS model of the design in Fig.4 with indication of parameters

圖12所示為2周期內(nèi)左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度曲線,由圖12可知,外骨骼系統(tǒng)運行平滑,髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度范圍分別大約為:?13°～12°,?4°～32°,0°～32°,角度的正負值取決于仿真環(huán)境中的世界坐標值,結(jié)果基本與設(shè)計參數(shù)吻合,誤差存在于身高參數(shù)設(shè)置的不同;同時該參數(shù)會根據(jù)不同身高有些差異.

圖12 左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度曲線(實線為左腿,虛線為右腿)Fig.12 Angle curves of left and right legs at hip,knee, ankle(continuous line is for left foot and dot line is for right foot)

圖13 左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角速度曲線(實線為左腿,虛線為右腿)Fig.13 Angular velocities of left and right legs at hip, knee,ankle(continuous line is for left foot and dot line is for right foot)

圖14 左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)接觸力曲線(實線為左腿,虛線為右腿)Fig.14 Joint reaction forces at left and right legs at hip, knee,ankle(continuous line is for left foot and dot line is for right foot)

圖13所示為左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角速度曲線,各關(guān)節(jié)角速度不超過60deg/s,速度最大點對應(yīng)的為圖1中所示的腳蹬車運動的上下死點階段.圖14所示為左右腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)接觸力曲線,三關(guān)節(jié)的最大接觸力大小分別為:54N, 43N,85N,其中,髖關(guān)節(jié)的接觸力大小可為外骨骼電機的選擇提供參考依據(jù).綜上所述,該仿真過程驗證了外骨骼系統(tǒng)的有效性.

4 實驗驗證

為驗證本設(shè)計的正確性,通過開發(fā)原理樣機進行實驗,康復(fù)機器人原理樣機如圖15所示.本論文實驗分為兩部分,實驗1通過正常人腳蹬輪椅并記錄相關(guān)參數(shù)并進行相關(guān)分析,通過實驗結(jié)果曲線對比確定康復(fù)電機的控制策略;實驗2進行外骨骼與輪椅的主從式控制方法的驗證.

圖15 康復(fù)機器人原理樣機Fig.15 A prototype of the rehabilitation robot

4.1 外骨骼運動特征分析實驗

通過仿真分析了外骨骼運動的可行性,為研究固定在腳踏板上的力傳感器輸出特性與外骨骼運動、輪椅運動的匹配關(guān)系,本次完成了外骨骼運動特征分析實驗.首先邀請一個健康的志愿者(體重約60 kg,身高170 cm,年齡30歲).志愿者坐上輪椅,根據(jù)下肢長度調(diào)整外骨骼長度后,系上綁帶將大小腿與外骨骼固定;然后,根據(jù)志愿者坐上輪椅后的狀態(tài)校準腳底力傳感器,判定運動模式為主動模式(健康志愿者、力量足夠);判定完成后,開始康復(fù)與代步運動實驗.實驗過程序列圖如圖16所示,該序列為一個周期中志愿者腳蹬輪椅康復(fù)運動的動作過程.在此過程中腳底力傳感器受力情況及外骨骼電機位置值如圖17所示.

圖16 實驗過程中一周期內(nèi)康復(fù)運動序列圖及實驗場景照片F(xiàn)ig.16 Experimental scene photos with one cycle rehabilitation movement sequence diagram in the experimental process

圖17 外骨骼運動特征分析實驗Fig.17 The experiment for characteristics analysis of the exoskeleton motion

傳感器是粘貼在腳踏板上的,圖17可以看出,左右腿對稱軸是13N左右,因此可知其預(yù)受力是13N左右.由于腳蹬車運動的特點,曲線均成周期性變化且極限位置是確定的,表明了結(jié)果的正確性,同時可為不同的康復(fù)運動策略提供理論基礎(chǔ).針對圖17(b)和圖17(c),與圖17(a)中各階段的受力周期相比,圖17(b)比圖17(c)中的曲線更平滑、運動特征更鮮明,并且位置信號比速度信號更容易得到,因此本機器人宜采用位置控制的康復(fù)策略控制方法.

4.2 主從式操作方法驗證實驗

本文提出的主從式操作方法中,主動運動為人的腳蹬車運動,從動運動為外骨骼與輪椅的運動.本次實驗驗證輪椅的運動對外骨骼運動的跟隨性.在上述實驗基礎(chǔ)上,志愿者按自身意愿腳蹬踏板,記錄外骨骼運動速度與輪椅前進速度.實驗結(jié)果如圖18所示,圖中所示的外骨骼運動速度與輪椅運動速度具有較好的跟隨性.可在此主動模式的基礎(chǔ)上完成被動模式、主被動融合模式的康復(fù)訓(xùn)練策略.

5 總結(jié)與展望

簡單實用型康復(fù)機器人的研發(fā)對老人及下肢障礙者有重要意義.本文運用腳蹬車運動的特點,設(shè)計兼具康復(fù)鍛煉與代步功能的外骨骼型機器人并提出主從式操作方法.首先,運用曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計機構(gòu)方案,建立下肢康復(fù)機器人三維模型;為提高使用者參與感,設(shè)計主從式控制器,并運用主從式控制方法對機器人進行控制;通過仿真,初步驗證了外骨骼系統(tǒng)的正確性;最后,通過實驗,確定主從式控制中不同康復(fù)模式的初始輸入條件與康復(fù)運動控制方法,并驗證了從式運動對主式運動的跟隨性.本文只對外骨骼系統(tǒng)進行了初步仿真驗證,對于主從式操作方法及其介紹的控制流程還需要進一步的實驗;同時,對相關(guān)傳感器的靈敏度及各傳感器配合情況仍需要進一步的實驗驗證,后續(xù)實驗可加上綁縛處人機交互作用力作為腳踏板處交互力的補充,使控制過程更精準;最后,針對使用者如何方便地坐上輪椅,以及如何最大限度地提高該機器人的康復(fù)效果,仍需要進一步的設(shè)計與實驗.

圖18 主從式運動速度曲線Fig.18 The plots of master-slave motion

1 Wu Yu-Shao,Dang Jun-Wu.Blue Book for Aging:China Report of the Development on Siliver Industry(2014).Beijing:Social Sciences Academic Press,2014.70?88 (吳玉韶,黨俊武.老齡藍皮書:中國老齡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2014).北京:社會科學(xué)文獻出版社,2014.70?88)

2 Wang Long-De.Report on the Chinese Stroke Prevention (2015).Beijing:China Union Medical University Press, 2015.10?22 (王隴德.中國腦卒中防治報告(2015).北京:中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社,2015.10?22)

3 Tan Min,Wang Shuo.Research progress on robotics.Acta Automatica Sinica,2013,39(7):963?972 (譚民,王碩.機器人技術(shù)研究進展.自動化學(xué)報,2013,39(7): 963?972)

4 Zhou Yuan,Wang Ning-Hua.Rehabilitation robot:review.Chinese Journal of Rehabilitation Medicine,2015,30(4): 400?403 (周媛,王寧華.康復(fù)機器人概述.中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2015,30(4): 400?403)

5 Volpe B T,Krebs H I,Hogan N,Edelstein O T R L,Diels C, Aisen M.A novel approach to stroke rehabilitation:robotaided sensorimotor stimulation.Neurology,2000,54(10): 1938?1944

6 Ju M S,Lin C C K,Lin D H,Hwang I S,Chen S M.A rehabilitation robot with force-position hybrid fuzzy controller: hybrid fuzzy control of rehabilitation robot.IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2005,13(3):349?358

7 Hu Jin,Hou Zeng-Guang,Chen Yi-Xiong,Zhang Feng, Wang Wei-Qun.Lower limb rehabilitation robots and interactive control methods.Acta Automatica Sinica,2014,40(11):2377?2390 (胡進,侯增廣,陳翼雄,張峰,王衛(wèi)群.下肢康復(fù)機器人及其交互控制方法.自動化學(xué)報,2014,40(11):2377?2390)

8 Ueda Y,Misu S,Sawa R,Nakatsu N,Sugimoto T,Sugiyama K,Takamori K,Ono K,Seki K,Handa Y,Ono R.Cycling wheelchair provides enjoyable pedaling exercises with increased physiological indexes.Tohoku Journal of Experimental Medicine,2016,238(1):33?38

9 Restorative Therapies.RT300 leg [Online],available: http://www.restorative-therapies.com/rt300leg,July 24, 2014

10 RECK-Technical GmbH&Co KG.MOTOmed[Online], available:http://www.motomed.com/en/models.html,July 24,2014

11 Best K L,Routhier F,Miller W C.A description of manual wheelchair skills training:current practices in Canadian rehabilitation centers.Disability and Rehabilitation:Assistive Technology,2015,10(5):393?400

12 Toro M L,Garcia Y,Ojeda A M,Dausey D J,Pearlman J. Quantitative exploratory evaluation of the frequency,causes and consequences of rehabilitation wheelchair breakdowns delivered at a paediatric clinic in Mexico.Disability,CBR &Inclusive Development,2012,23(3):48?64

13 Jin Wen-Yu.Design and simulation analysis of rehabilitation wheelchair based on UG.Machinery,2013,40(12):67?69 (金文宇.基于 UG 的康復(fù)輪椅設(shè)計與仿真分析.機械,2013,40(12):67?69)

14 Kim K,Payne K,Oh S,Hori Y.One-handed propulsion control of power-assisted wheelchair with advanced turning mode.In:Proceedings of the 13th International Workshop on Advanced Motion Control(AMC).Yokohama,Japan: IEEE,2014.633?638

15 Watanabe T,Murakami T,Handa Y.Preliminary tests of a prototype FES control system for cycling wheelchair rehabilitation.In:Proceedings of the 2013 International Conference on Rehabilitation Robotics(ICORR).Seattle,WA, USA:IEEE,2013.1?6

16 Watanabe T,Karasawa Y,Handa Y.A test of controlling diferent muscles in FES cycling with cycling wheelchair“Profhand”.In:Proceedings of the 19th International Functional Electrical Stimulation Society Annual Conference (IFESS).Kuala Lumpur,Malaysia:IEEE,2014:1?4

17 Karasawa Y,Watanabe T,Handa Y.A basic study on analyzing acceleration of crank rotation for evaluation of FES cycling with cycling wheelchair.Transactions of Japanese Society for Medical and Biological Engineering,2014,52(S): O-27?O-28

18 Esquenazi A,Talaty M,Packel A,Saulino M.The ReWalk powered exoskeleton to restore ambulatory function to individuals with thoracic-level motor-complete spinal cord injury.American Journal of Physical Medicine&Rehabilitation,2012,91(11):911?921

19 Zeilig G,Weingarden H,Zwecker M.Safety and tolerance of the ReWalk exoskeleton suit for ambulation by people with complete spinal cord injury:a pilot study.The Journal of Spinal Cord Medicine,2012,35(2):96?101

20 Talaty M,Esquenazi A,Briceno J E.Diferentiating ability in users of the ReWalk powered exoskeleton:an analysis of walking kinematics.In:Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics(ICORR). Seattle,WA,USA:IEEE,2013.1?5

21 Ueba T,Hamada O,Ogata T,Inoue T,Shiota E,Sankai Y.Feasibility and safety of acute phase rehabilitation after stroke using the hybrid assistive limb robot suit.Neurologia Medico-Chirurgica,2013,53(5):287?290

23 Tong Li-Na,Hou Zeng-Guang,Peng Liang,Wang Wei-Qun, Chen Yi-Xiong,Tan Min.Multi-channel sEMG time series analysis based human motion recognition method.Acta Automatica Sinica,2014,40(5):810?821 (佟麗娜,侯增廣,彭亮,王衛(wèi)群,陳翼雄,譚民.基于多路sEMG時序分析的人體運動模式識別方法.自動化學(xué)報,2014,40(5): 810?821)

24 Peng Liang,Hou Zeng-Guang,Wang Wei-Qun.Synchronous active interaction control and its implementation for a rehabilitation robot.Acta Automatica Sinica,2015,41(11): 1837?1846 (彭亮,侯增廣,王衛(wèi)群.康復(fù)機器人的同步主動交互控制與實現(xiàn).自動化學(xué)報,2015,41(11):1837?1846)

25 Wang H B,Shi X H,Liu H T,Li L,Hou Z G,Yu H N. Design,kinematics,simulation,and experiment for a lowerlimb rehabilitation robot.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part I:Journal of Systems and Control Engineering,2011,225(6):860?872

26 Yang C J,Niu B,Chen Y.Adaptive neuro-fuzzy control based development of a wearable exoskeleton leg for human walking power augmentation.In:Proceedings of the 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Monterey,CA,USA:IEEE,2005. 467?472

27 Jiang Hong-Yuan,Ma Chang-Bo,Lu Nian-Li,Ao Hong-Rui. Modeling and simulation on FES cycling training system.Journal of System Simulation,2010,22(10):2459?2463 (姜洪源,馬長波,陸念力,敖宏瑞.功能性電刺激腳踏車訓(xùn)練系統(tǒng)建模及仿真分析.系統(tǒng)仿真學(xué)報,2010,22(10):2459?2463)

28 Bian Hui,Zhao Tie-Shi,Tian Xing-Bin,Li Dan,Pan Wang. Rehabilitation facility with biological integration and application.Robot,2010,32(4):470?477 (邊輝,趙鐵石,田行斌,李丹,潘旺.生物融合式康復(fù)機構(gòu)及其應(yīng)用.機器人,2010,32(4):470?477)

29 Huang G,Ceccarelli M,Zhang W M,Liu H X,Tian Y, She H T,Fukuda T,Huang Q.A pedal-actuated wheelchair with a leg exoskeleton.In:Proceedings of the 14th IFToMM World Congress.Taipei,China:IFToMM,2015.

30 So R C H,Ng J K F,Ng G Y F.Muscle recruitment pattern in cycling:a review.Physical Therapy in Sport,2005,6(2): 89?96

31 Feland J B,Myrer J W,Schulthies S S,Fellingham G W,Measom G W.The efect of duration of stretching of the hamstring muscle group for increasing range of motion in people aged 65 years or older.Physical Therapy,2001,81(5):1110?1117

32 Ziegler R G,Hoover R N,Nomura A M Y,West D W, Wu A H,Pike M C,Lake A J,Horn-Ross P L,Kolonel L N,Siiteri P K,Fraumeni J F Jr.Relative weight,weight change,height,and breast cancer risk in Asian-American women.Journal of the National Cancer Institute,1996,88(10):650?660

33 Hawkins D,Hull M L.A method for determining lower extremity muscle-tendon lengths during fexion/extension movements.Journal of Biomechanics,1990,23(5):487?494

黃 高北京理工大學(xué)機電學(xué)院智能機器人研究所博士研究生.2010年獲得武漢輕工大學(xué)機械學(xué)院學(xué)士學(xué)位.主要研究方向為康復(fù)機器人系統(tǒng)設(shè)計技術(shù).

E-mail:huanggao@bit.edu.cn

(HUANGGaoPh.D.candidate at the Intelligent Robotics Institute, School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology,China.He received his bachelor degree from Wuhan Polytechnic University in 2010.His main research interest is rehabilitation robot system design technology.)

張偉民北京理工大學(xué)機電學(xué)院智能機器人研究所副教授.1999年獲得北京理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位,2002年和2005年分別獲得北京理工大學(xué)機電學(xué)院碩士學(xué)位和博士學(xué)位.主要研究方向為仿生機器人.本文通信作者.

E-mail:zhwm@bit.edu.cn

(ZHANG Wei-MinAssociate professor at the Intelligent Robotics Institute,School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,China.He received his bachelor,master and Ph.D. degrees from the School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,China in 1999,2002 and 2005, respectively.His research interest covers bio-robots.Corresponding author of this paper.)

Marco Ceccarelli意大利卡西諾大學(xué)教授.1982年獲得羅馬大學(xué)機械工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位,1987年獲得羅馬大學(xué)博士學(xué)位.主要研究方向機器人機構(gòu)設(shè)計與機械原理及機械工程歷史.

E-mail:ceccarelli@unicas.it

(MARCO CeccarelliProfessor at University of Cassino and South Latium Via Di Biasio,Italy.He received mechanical engineering degree from the University La Sapienza of Rome, Italy,in 1982.He received his Ph.D.from the University La Sapienza of Rome,Italy in 1987.His research interest covers mechanism design,mechanics and design of robots, and history of mechanical engineering.)

余張國北京理工大學(xué)機電學(xué)院智能機器人研究所副教授.1997年和2005年獲得西南科技大學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位,2009年獲得北京理工大學(xué)博士學(xué)位.主要研究方向為仿生機器人.

E-mail:yuzg@bit.edu.cn

(YU Zhang-GuoAssociate professor at the Intelligent Robotics Institute, Beijing Institute of Technology,China.He received his bachelor and master degrees from Southwest University of Science and Technology,China in 1997 and 2005,respectively.He received his Ph.D.degree from Beijing Institute of Technology,China in 2009.His research interest covers bio-robots.)

陳學(xué)超北京理工大學(xué)機電學(xué)院講師. 2007年和2013年分別獲得北京理工大學(xué)機械電子工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位.主要研究方向為仿生機器人和機器人動力學(xué).

E-mail:chenxuechao@bit.edu.cn

(CHEN Xue-ChaoLecturer at the School of Mechatronics Engineering,Beijing Institute of Technology,China. He received his bachelor and Ph.D.degrees in mechatronics engineering from the Beijing Institute of Technology,China in 2007 and 2013,respectively.His research interest covers humanoid robotics and robot dynamics.)

孟 非北京理工大學(xué)機電學(xué)院博士后. 2008年和2010年分別獲得北京理工大學(xué)機械電子工程專業(yè)學(xué)士和碩士學(xué)位, 2016年獲得北京理工大學(xué)機械工程專業(yè)博士學(xué)位.主要研究方向為電機驅(qū)動控制,仿人機器人運動規(guī)劃.

E-mail:mfy0208@bit.edu.cn

(MENG FeiPostdoctor at the Intelligent Robotics Institute,Beijing Institute of Technology, China.He received his bachelor,master,and Ph.D.degrees from Beijing Institute of Technology,China in 2008, 2010 and 2016,respectively.His research interest covers motor control and planning for biped robots.)

黃 強北京理工大學(xué)機電學(xué)院智能機器人研究所教授.1989年獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位,1996年獲日本早稻田大學(xué)博士學(xué)位.主要研究方向為仿人與仿生機器人,康復(fù)機器人.

E-mail:qhuang@bit.edu.cn

(HUANG QiangProfessor at the Intelligent Robotics Institute,Beijing Institute of Technology,China.He received his master degree from Harbin Institute of Technology,China in 1989 and Ph.D.degree from Waseda University in 1996.His research interest covers humanoid robot,bio-robots,and rehabilitation robot.)

Research of a New Rehabilitation and Assisting Robot

HUANG Gao1,4,5ZHANG Wei-Min1,2,4,5MARCO Ceccarelli2,6YU Zhang-Guo1,2,4,5CHEN Xue-Chao1,2,4,5MENG Fei1,2,4,5HUANG Qiang1,2,3,4,5

Towards the rehabilitation and training problems of older persons and lower limb disabilities,the paper proposes a new robot with lower limb exoskeleton for rehabilitation and walking assistance.The components and mechanical design of the robot are introduced in detail.Through the function combination of lower limb exoskeleton and wheelchair, the robot can help the users to maintain the lower limb movement efectively and provide them with a convenient tools for movement.The pedal-actuated motion training strategy can ensure the safety of users.The master-slave operational mode is put forward with multimodal rehabilitation training process control.Correctness and feasibility of the rehabilitation system are validated by computer simulation and experiment.

Rehabilitation robot,exoskeleton,mechanical design,master-slave operational fow,simulation

黃高,張偉民,Marco Ceccarelli,余張國,陳學(xué)超,孟非,黃強.一種新的康復(fù)與代步外骨骼機器人研究.自動化學(xué)報,2016,42(12):1933?1942

Huang Gao,Zhang Wei-Min,Marco Ceccarelli,Yu Zhang-Guo,Chen Xue-Chao,Meng Fei,Huang Qiang. Research of a new rehabilitation and assisting robot.Acta Automatica Sinica,2016,42(12):1933?1942

2016-03-03 錄用日期2016-10-14

Manuscript received March 3,2016;accepted October 14,2016國家

高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863 計劃)(2014AA041602, 2015AA042305,2015AA043202),國家自然科學(xué)基金(61320106012,61375103,61533004,61273348,61321002, 61673069),國際科技支撐計劃(2015BAF13B01,2015BAK35B01),北京市科技計劃項目(D161100003066002,Z161100003116081),國家111引智計劃(B08043)

Supported by National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(2014AA041602, 2015AA042305,2015AA043202),National Natural Science Foundation of China (61320106012,61375103, 61533004,61273348,61321002,61673069),KeyTechnologies Research and Development Program (2015BAF13B01, 2015BAK35B01),Beijing Municipal Science and Technology Project(D161100003066002,Z161100003116081),the National“111”Project(B08043)本文

責(zé)任編委王啟寧

Recommended by Associate Editor WANG Qi-Ning

1.仿生機器人與系統(tǒng)教育部重點實驗室北京 100081中國 2.智能機器人與系統(tǒng)高精尖創(chuàng)新中心北京100081中國 3.復(fù)雜系統(tǒng)智能控制與決策國家重點實驗室北京100081中國 4.北京理工大學(xué)機電學(xué)院智能機器人研究所北京100081中國 5.仿生機器人與系統(tǒng)教育部國際合作聯(lián)合實驗室北京100081中國 6.意大利卡西諾大學(xué)機器人與機電系統(tǒng)實驗室卡西諾03043意大利

1.Key Laboratory of Biomimetic Robots and Systems(Beijing Institute of Technology),Ministry of Education,Beijing 100081,China 2.Beijing Advanced Innovation Center for Intelligent Robots and Systems,Beijing 100081,China 3.Key Labo-ratory of Intelligent Control and Decision of Complex System,Beijing 100081,China 4.Intelligent Robotics Institute,School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China 5.International Joint Research Labo-ratory of Biomimetic Robots and Systems(Beijing Institute of Technology),Ministry of Education,Beijing 100081,China 6.Laboratory of Robotics and Mechatronics DICeM,University of Cassino and South Latium Via Di Biasio,Cassino(Fr)03043,Italy