童 雷，嚴(yán)榮國，徐秀林

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

童 雷，嚴(yán)榮國，徐秀林

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

為幫助下肢功能障礙患者恢復(fù)肢體功能，設(shè)計(jì)了一種基于PCI-1240的多軸聯(lián)合訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)以PCI-1240多軸運(yùn)動(dòng)控制卡為控制核心，借助研華驅(qū)動(dòng)程序接口，采用VC++高級(jí)語言對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)和控制實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)通過搭建MFC應(yīng)用程序框架，安裝運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)，根據(jù)控制流程編寫運(yùn)動(dòng)控制程序調(diào)試康復(fù)機(jī)器，設(shè)計(jì)多種控制模式和人機(jī)交互界面。該系統(tǒng)能夠精確控制多個(gè)電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)穩(wěn)定具有良好的臨床康復(fù)效果。

PCI-1240；下肢康復(fù)；控制系統(tǒng)；人機(jī)交互界面；訓(xùn)練模式

AbstractTo help limb function recovery in patients with lower limb dysfunction, this paper designed a multi-axis joint training system based on PCI-1240. The system uses PCI-1240 multi-axis motion control card as the control core, with the Advantech driver interface, using VC ++ high-level language programming for PCI-1240 hardware drivers and control to achieve a variety of sports. The system first builds the MFC application framework, installs the motion control driver, compiles the motion control program to debug the rehabilitation machine according to the control flow, designs various control modes and man-machine interaction interface. The system can precisely control the independent movement of multiple motors and joint movement, the control system is stable and has a good clinical rehabilitation effect.

KeywordsPCI-1240;lower limb rehabilitation;control system;human-computer interaction interface;training mode

自然災(zāi)害、交通事故和日趨嚴(yán)重的高齡化，造成我國肢體殘障者每年都會(huì)大量增加[1]。這些患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，正確科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)提高肢體運(yùn)動(dòng)功能具有重要作用[2]?，F(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究及臨床實(shí)踐證明，受傷的神經(jīng)組織雖然難以再生，但中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有可塑性，功能可重組?？祻?fù)訓(xùn)練是腦卒中后促進(jìn)癱瘓肢體功能恢復(fù)的重要手段，對(duì)患者越早進(jìn)行功能訓(xùn)練，越能恢復(fù)大腦的可塑性，肢體功能恢復(fù)的越好[3-4]。

傳統(tǒng)的身體重力支撐訓(xùn)練(BWS)法是由治療師徒手提住患者腰部，帶動(dòng)病人行走，達(dá)到輔助治療下肢癱瘓病人的目的[5]。但BWS存在很多問題，治療師的數(shù)量無法滿足康復(fù)病人的需求，訓(xùn)練效率低下，由于治療師體能的限制，無法保證受訓(xùn)者得到足夠強(qiáng)度的訓(xùn)練，治療效果受到不同治療師和水平的影響，不利于患者肢體運(yùn)動(dòng)功能的有效恢復(fù)?？祻?fù)機(jī)器人作為一種自動(dòng)化康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)幫助病人科學(xué)有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能逐漸得到恢復(fù)，從而提高下肢運(yùn)動(dòng)的平衡性和與行走速度[6-7]。

本研究開發(fā)了下肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)，可以精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，幫助醫(yī)生確定和改進(jìn)治療方案，有利于對(duì)下肢功能退化受訓(xùn)者的康復(fù)規(guī)律進(jìn)行深入研究。該系統(tǒng)不僅可以單關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，而且可以實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)聯(lián)合康復(fù)訓(xùn)練的要求。

1 下肢康復(fù)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

該下肢康復(fù)機(jī)器人的組成可分為機(jī)械訓(xùn)練系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)兩部分。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由兩條外骨骼機(jī)械腿組成，其結(jié)構(gòu)與人體下肢結(jié)構(gòu)相似，各關(guān)節(jié)也與下肢的髖、膝、踝運(yùn)動(dòng)自由度一一對(duì)應(yīng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

本機(jī)器為臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，兩側(cè)的機(jī)械腿包含輔助大、小腿運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂，機(jī)械臂可以根據(jù)患者腿長適當(dāng)調(diào)整，機(jī)械臂由電動(dòng)缸的伸縮進(jìn)行精確控制。座椅下安裝有導(dǎo)軌，座椅可以前后移動(dòng)，方便患者上下機(jī)器。同時(shí)可以根據(jù)患者的胖瘦改變髖關(guān)節(jié)的間距，座椅的傾斜程度也可以調(diào)整，扶手附近位置設(shè)計(jì)安裝了緊急按鈕。

2 控制系統(tǒng)電路

2.1 硬件控制系統(tǒng)

康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制形式主要有集中式、分布式和主從式3種。本研究采用分布式控制形式，控制系統(tǒng)包含上位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制電路和信號(hào)檢測反饋電路。利用研華公司提供的運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)和API函數(shù)編寫運(yùn)動(dòng)控制程序，控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，人機(jī)交互界面包括單關(guān)節(jié)訓(xùn)練和多關(guān)節(jié)訓(xùn)練，設(shè)置有訓(xùn)練關(guān)節(jié)選擇、訓(xùn)練時(shí)間設(shè)定、訓(xùn)練模式選擇以及各種電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況顯示。信號(hào)檢測反饋電路包括各種傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置，用于采集和跟蹤機(jī)械腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度、旋轉(zhuǎn)角度和腳底板壓力等信號(hào)。系統(tǒng)可以將信號(hào)保存到磁盤并在界面上顯示角度和壓力的波形曲線，供醫(yī)生查看康復(fù)效果，從而幫助其指定科學(xué)有效的康復(fù)訓(xùn)練方案，硬件控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)

2.2 步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

運(yùn)動(dòng)控制卡端子板外加DC 24 V電源，采用CW/CCW驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，溫度報(bào)警通過XALARM引腳輸入，同時(shí)電機(jī)的限位開關(guān)信號(hào)也要接到控制卡端子板LIM+和LIM-引腳上，行程限位開關(guān)用于保護(hù)系統(tǒng)，該輸入信號(hào)通過光電耦合器和RC過濾器連接，采用限位開關(guān)時(shí)，外部電源VEX DC 12 ～ 24 V 將成為光耦合器的電壓源。因此，將啟用越程功能，限位開關(guān)輸入信號(hào)的電路如圖4所示。

圖3 限位開關(guān)輸入信號(hào)的電路

伺服電機(jī)是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供信號(hào)，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選用的轉(zhuǎn)子為永磁鐵，在驅(qū)動(dòng)器電磁場影響下工作，其主要作用是將電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)角度和不同旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行信號(hào)傳遞，其精度取決于編碼器的精度。

板卡采用DC24V供電，采用CW/CCW方式驅(qū)動(dòng)，XP+P、XP+N接脈沖信號(hào)，XP-P、XP-N接方向信號(hào)，XECAP、XECAN、XECBP、XECBN、XECOP、XECON分別接編碼器A相B相Z相的+-輸入，XLMT+和XLMT-用于外接限位開關(guān)信號(hào),控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)缸的位置。

伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制模式，根據(jù)從上位控制器輸入的位置指令進(jìn)行位置控制，控制框圖如圖6所示。

圖4 位置控制模式框圖

2.3 編碼器反饋電路

編碼器反饋信號(hào)到達(dá)時(shí)，將 ECA+/ECA- 連接至編碼器輸出的相位A。這是一個(gè)差分對(duì)。同樣，也適用于 ECB+/- 和 ECZ+/-。PCI-1245/1245V/1245E/1265 的默認(rèn)設(shè)置為正交輸入 (4×AB相位)。編碼器反饋電路如圖5所示。

圖5 編碼器反饋電路

在上述電路中，控制器采用高速光耦合器用于隔離。源的編碼器輸出可為差分模式或開集模式?？山邮艿淖畲?4×AB相位反饋頻率約為 10 MHz。

3 系統(tǒng)調(diào)試及軟件界面設(shè)計(jì)

3.1 步態(tài)分析及建模

正常人在行走過程中，單腿支撐期約占一個(gè)步態(tài)周期的60%，擺動(dòng)期約占一個(gè)步態(tài)周期的40%[8]，不同身高、性別的人的支撐期和擺動(dòng)期所占一個(gè)步態(tài)周期的比例無明顯差異[9]。對(duì)于雙腿而言，雙腿支撐期是行走中最穩(wěn)定的時(shí)期，而下肢功能障礙患者在嘗試步行時(shí)其步行特點(diǎn)往往是雙腿支撐時(shí)間較長以確保步行的穩(wěn)定性[10]。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要包括兩個(gè)方面，第一，已知機(jī)器人桿件關(guān)節(jié)變量參數(shù)和相對(duì)位置參數(shù)，求解末端執(zhí)行器相對(duì)于基座標(biāo)系的位置和姿態(tài)，此求解參數(shù)稱為正運(yùn)動(dòng)學(xué)；第二，已知末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)參數(shù)求解機(jī)器人各關(guān)節(jié)參數(shù)稱為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)[11-12]。本研究根據(jù)下肢康復(fù)訓(xùn)練需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)外骨骼機(jī)械腿，并給機(jī)械腿各個(gè)關(guān)節(jié)建立一個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系，利用D-H(Denavit-Hartenberg)法推導(dǎo)出下肢外骨骼機(jī)械腿末端踝關(guān)節(jié)處的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[13-14]。為減小結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)末端的誤差影響可以從機(jī)器人末端開始，運(yùn)用遞推法計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)以避免運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的影響[15]。

3.2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

下肢外骨骼機(jī)械腿正運(yùn)動(dòng)學(xué)是末端踝關(guān)節(jié)相對(duì)于基坐標(biāo)系的位置以及姿態(tài)，需要已知下肢外骨骼機(jī)械腿的大腿桿長度和小腿桿長度以及髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度矢量。根據(jù)D-H坐標(biāo)法，選擇在機(jī)器人右側(cè)機(jī)械腿上每一個(gè)自由度關(guān)節(jié)建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系，如圖6所示。

圖6 下肢關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

(1)

3.3 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

下肢外骨骼機(jī)械腿逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解，是給定機(jī)械腿末端踝關(guān)節(jié)處的位置和姿態(tài)，求解出末端踝關(guān)節(jié)需要達(dá)到該位姿時(shí)機(jī)械腿各個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化值。從實(shí)際的運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是為康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)外骨骼機(jī)械腿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃的關(guān)鍵所在[16]。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)反解法有多種[17-18]，因?yàn)楸菊n題中涉及到的是平面內(nèi)兩自由度下肢外骨骼機(jī)械腿，其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可由平面幾何關(guān)系和相應(yīng)計(jì)算求出，機(jī)械腿逆運(yùn)動(dòng)學(xué)幾何圖形如圖7所示。

圖7 機(jī)械腿逆運(yùn)動(dòng)學(xué)幾何簡圖

由圖7可得，在l1、l2以及O1P組成的三角形O1O2P中，O1P可由P點(diǎn)坐標(biāo)求得為

(2)

在三角形O1O2P中，由余弦定理可得

(3)

結(jié)合式(2)和式(3)可得β角為

(4)

在三角形xO1P中，由三角函數(shù)可得

因此可得

(5)

因?yàn)棣撂幵诘谒南笙?，所以角度值為?fù)，由圖7可知θ1=β+α，結(jié)合式(4)和式(5)可得θ1為

(6)

由式(2)可得

(7)

將式(7)的左右兩邊平方相加可得

整理可得

(8)

即可得到

(9)

由以上計(jì)算可知，在已知機(jī)械腿末端執(zhí)行器位姿的條件下，可以得到機(jī)械腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度值為

(10)

3.4 多關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)于下肢功能障礙患者，使其能夠模擬正常人的步態(tài)進(jìn)行訓(xùn)練可以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。因此，下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)械腿末端踝關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)軌跡需要和正常人的步態(tài)軌跡一致。本研究中，患者采用坐姿或者半躺進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練，因此不需考慮患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的身體平衡問題。只需對(duì)下肢踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行建模，通過數(shù)學(xué)方法得到軌跡的方程式，利用數(shù)學(xué)方程式在Matlab中得出軌跡曲線，再將軌跡曲線導(dǎo)入到SolidWorks中采用Motion模塊進(jìn)行仿真模擬，得出機(jī)械腿各個(gè)關(guān)節(jié)處控制電機(jī)在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的控制參數(shù)。利用這些控制參數(shù)規(guī)劃機(jī)械腿末端踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，獲得機(jī)械腿踝關(guān)節(jié)處的軌跡路徑。以3次樣條插值法擬合出下部機(jī)械腿末端在完成一個(gè)步態(tài)周期后回到原位的軌跡曲線，如圖8所示。

圖8 機(jī)械腿末端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

如圖8所示，將踝關(guān)節(jié)在一個(gè)周期內(nèi)的軌跡路徑做對(duì)稱處理后得到的閉合軌跡曲線在左右兩端點(diǎn)處為不連續(xù)的尖點(diǎn)，機(jī)械腿末端運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡必須是平滑連續(xù)的閉合曲線，將b曲線等比例導(dǎo)入SolidWorks軟件中，采用樣條曲線繪圖法貼合圖8中的b閉合曲線繪制一條與該閉合曲線近似貼合的連續(xù)閉合曲線，如圖8中a曲線，將此連續(xù)閉合曲線作為機(jī)械腿末端的運(yùn)動(dòng)軌跡。將確定的機(jī)械腿末端踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡等比例導(dǎo)入到SolidWorks軟件motion分析模塊中，給機(jī)械腿末端踝關(guān)節(jié)按照上述軌跡設(shè)定路徑配合，以及在運(yùn)動(dòng)算例中設(shè)置路徑配合馬達(dá)，讓機(jī)械腿末端踝關(guān)節(jié)以一定速度沿著設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，通過motion模塊分析計(jì)算可反推出膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)電動(dòng)缸在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的推出位移與一個(gè)周期時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)得到的髖、膝關(guān)節(jié)軌跡數(shù)據(jù)在上位機(jī)編程，可控制膝、髖電動(dòng)缸完成機(jī)械腿的步態(tài)運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語

目前我國有大量的下肢殘障患者，迫切需要得到有效的康復(fù)訓(xùn)練，本系統(tǒng)研究的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器不僅給病人帶來了希望同時(shí)也減輕了醫(yī)生的負(fù)擔(dān)，具有良好的市場前景。文中設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)包括調(diào)試界面、單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)界面和多關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)界面，系統(tǒng)可以滿足不同患者對(duì)訓(xùn)練關(guān)節(jié)、訓(xùn)練速度、訓(xùn)練幅度的需求，還能幫助治療師保存各種訓(xùn)練參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)不僅有硬件上的緊急停止開關(guān)也在上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)了急停按鈕，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)不僅有機(jī)械限位還有軟件開關(guān)的限位，可以起到安全防護(hù)的作用。系統(tǒng)在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，利用下位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測病人的表面肌電信號(hào)，并通過串口通信實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，一旦病人發(fā)生痙攣就會(huì)立即調(diào)用緊急停止程序停止運(yùn)行，防止對(duì)病人肢體產(chǎn)生傷害。系統(tǒng)的不足是多關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)軌跡有待進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)由于踝關(guān)節(jié)機(jī)械采用了齒輪多級(jí)傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)過程中齒輪間的碰撞聲較大，尤其是電機(jī)換向時(shí)，后期會(huì)采取緩沖措施來減小噪音。

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Design and Implementation of Control System of Lower Limbs Rehabilitative Robot

TONG Lei, YAN Rongguo, XU Xiulin

(School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

TP242.3

A

1007-7820(2017)10-054-05

2016- 12- 02

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃(14441905100)

童雷(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.10.015