劉志輝， 孫 奕， 唐 智， 袁 濤， 孔繁磊， 王生澤

(1.東華大學 機械工程學院，上海201620；2. 上海養(yǎng)志康復醫(yī)院，上海 201620)

一種7自由度外骨骼上肢康復機器人設計與控制研究

劉志輝1， 孫 奕2， 唐 智1， 袁 濤1， 孔繁磊1， 王生澤1

(1.東華大學 機械工程學院，上海201620；2. 上海養(yǎng)志康復醫(yī)院，上海 201620)

針對外骨骼上肢康復機器人自由度受限的問題，根據(jù)上肢關節(jié)運動機理對上肢結構進行模型簡化，提出一種改進的7自由度外骨骼上肢康復機器人結構設計， 并對運動支撐的各部分單元進行結構建模和分析，根據(jù)安全人機工程學進行了康復運動系統(tǒng)的電氣設計與控制研究.研究結果表明，該7自由度外骨骼上肢康復機器人在結構設計上更加符合人因工學，控制機制優(yōu)化，安全性能良好，為實現(xiàn)后期的實時控制與運動規(guī)劃奠定了基礎.

外骨骼機器人； 上肢康復； 機構設計； 控制

腦卒中和心腦血管疾病、運動損傷、職業(yè)傷害等原因引起的上肢運動功能障礙是十分常見的， 尤其是老年人群體， 主要表現(xiàn)為肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)運功功能的部分或完全喪失. 上肢的正常運作對人們進行必要的日常活動是非常重要的. 世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示， 每年全球超過1 500萬人受到腦卒中和心腦血管疾病的影響， 其中，腦卒中幸存者中85%患有急性上肢功能障礙， 40%長期受損或永久性殘疾. 康復運動訓練是針對這類病癥最有效的方法. 傳統(tǒng)的康復計劃是通過理療師來一對一實現(xiàn)的， 治療時間長， 需要依賴于理療師的經(jīng)驗. 面對人力成本高以及理療師資源匱乏的現(xiàn)狀， 機器人輔助康復訓練技術得到了快速發(fā)展[1]. 最近研究顯示， 機器人輔助治療和虛擬現(xiàn)實康復對恢復患者上肢運動功能以及減少手臂受損有很好的作用[2].在國內(nèi)， 康復機器人的研究仍處于起步和發(fā)展階段， 研究主要集中在一些理工類的高等院校和科研院所， 取得的一些成果基本還停留在實驗室階段， 很少有量產(chǎn)的產(chǎn)品出現(xiàn). 在國外， 華盛頓大學、薩爾福德大學及佐賀大學均開發(fā)過7自由度上肢康復機器人， 有很好的借鑒價值. 現(xiàn)有的外骨骼康復系統(tǒng)存在硬件限制， 比如有限的自由度；缺乏人因工程方面的研究， 導致穿戴的舒適性較差；結構不合理帶來的手臂插入和移除不方便；控制系統(tǒng)不合理帶來的執(zhí)行困難及安全等問題. 在筆者學科組前期5自由度和6自由度外骨骼上肢康復機器人的研究基礎上[3-4]， 本研究從人因工程學角度出發(fā)設計了一種新型的7自由度外骨骼上肢康復機器人，并進行結構建模和分析， 以及控制系統(tǒng)的設計規(guī)劃.

1 外骨骼上肢康復機器人自由度規(guī)劃

在確?；颊甙踩那疤釛l件下，外骨骼上肢機器人最基本的要求是根據(jù)上肢的生理結構、關節(jié)運動機理、動作結構、運動再學習理論實現(xiàn)機器人的多自由度運動. 為了恢復和減輕人類上肢運動， 基于人類上肢關節(jié)運動的概念提出7自由度機器人模型. 考慮到用戶的安全， 并提供執(zhí)行基本的日常生活能力(ADL)的協(xié)助， 如：吃飯、穿衣、上下床、梳理、如廁、洗澡等. 為了選擇合適的活動范圍， 初步研究的解剖范圍在圖1所示的基本上肢運動中進行.

圖1 上肢日常關節(jié)活動Fig.1 Upper limb joints of daily activities

研究分析典型成年人的上肢生理特性和關節(jié)運動規(guī)律，采用目前常用的骨骼建模理論，依據(jù)人因工程數(shù)據(jù)測算外骨骼上肢康復機器人的主體參數(shù)， 如臂長、臂厚、鏈長度和慣性等[5]， 參考人體10～90百分位設置康復裝備肩關節(jié)長度為140 mm， 上臂長度為(250±88.5) mm， 前臂長度為(260±47.5) mm， 手部擺桿長為90 mm， 上臂杯直徑為120 mm， 前臂杯直徑為105 mm. 設計該裝備穿戴在上臂的側面， 目的是為了提供有效的肩關節(jié)康復(3個自由度， 水平和垂直運動、屈曲/伸展運動和內(nèi)部/外部旋轉)， 肘部康復(1個自由度，屈曲/伸展運動)， 前臂康復(1個自由度，內(nèi)部/外部旋轉)， 腕關節(jié)康復(2個自由度，屈曲/伸展運動和徑向/尺側偏離運動). 綜上所述， 經(jīng)過模型簡化， 上肢康復機械手臂選取肩關節(jié)3個自由度、肘關節(jié)1個自由度、前臂1個自由度及腕關節(jié)2個自由度來進行7自由度外骨骼式康復機械臂機構設計， 設計方案框架模型如圖2所示. 為了方便設備的更新、發(fā)展及推廣， 將其命名為DHUKF-001.

圖2 上肢康復機器人框架示意圖Fig.2 Schematic diagram of upper limb rehabilitation robot

2 外骨骼上肢康復機器人機構設計

7自由度上肢康復機器人DHUKF-001包含3個部分：肩運動的支撐、肘部和前臂運動的支撐以及手腕運動的支撐. 由于實際上不可能沿著上臂的旋轉軸線放置任何制動器， 而且上臂的旋轉軸和執(zhí)行機構的軸線之間會有偏移，肩關節(jié)的內(nèi)部/外部旋轉和前臂的支撐部分的機構稍微復雜一些， 此處引進了一種齒輪機構來解決這個問題. 整個DHUKF-001手臂采用鋁、樹脂和尼龍材料制作， 由于鋁是一個低密度材料， 其具有合理的強度特征， 可以提供一個相對輕量級的外骨骼結構. 根據(jù)質(zhì)量和慣性特性， 與現(xiàn)有的外骨骼裝置相比， DHUKF-001更輕.

在圖2所示的運動學坐標中， 人體上肢的關節(jié)旋轉軸由深黑色箭頭(即z軸)表示. 關節(jié)1、 2和3一起構成了盂肱關節(jié)(GHJ)， 通常稱為肩關節(jié)， 關節(jié)1對應于水平屈曲/伸展， 關節(jié)2對應于垂直屈曲/伸展， 關節(jié)3對應于內(nèi)部/外部旋轉. 對于這個外骨骼機器人， 關節(jié)1、 2和3的軸在公共點(M)相交. 關節(jié)4和5的軸線公共點(N)相交在距離盂肱關節(jié)dE(肱骨長度)的位置， 其中關節(jié)4對應于肘關節(jié)的屈曲/伸展， 關節(jié)5對應于前臂的內(nèi)部/外部旋轉. 關節(jié)6和7相交于距離肘關節(jié)dW的另一個公共點(W)， 關節(jié)點6對應于徑向/尺側偏離， 關節(jié)7對應于屈曲/伸展.

2.1肩部運動的支撐

肩關節(jié)運動支撐部分有3個自由度， 輔助水平和垂直屈曲/伸展運動的裝置， 由兩個電機、兩個鏈接(鏈接A和鏈接B)和兩個電位計組成. 電動機1控制鏈接A的末端， 鏈接A的另一端連接在機器人的基本結構上， 如圖3(a)所示. 為了適應主體肩關節(jié)的結構， 連接電機1和2的另一端的鏈接B設計成L形. 因此， 電機1和2的旋轉軸線應該相交在肩關節(jié)的旋轉中心. 電機1負責肩關節(jié)水平屈曲/伸展運動， 電機2負責垂直屈曲/伸展運動.通過調(diào)整座位高度(如使用能夠調(diào)節(jié)高度的椅子)很容易對準DHUKF-001的肩關節(jié)的旋轉中心點. 此裝置不需要抬高肩胛骨的高度， 而是固定在GHJ下旋轉. 由于GHJ彎曲， 肩關節(jié)通常會被允許在垂直彎曲范圍內(nèi)移動. 如果患者肩關節(jié)的旋轉中心與DHUKF-001保持一致， 就不會感到不適.

(a) 肩部運動支撐

(b) 肩關節(jié)旋轉支撐

(c) 驅動機制內(nèi)部/外部旋轉

(d) 前臂運動支撐

(e) 手腕運動支撐

為了輔助肩關節(jié)的內(nèi)部/外部旋轉， DHUKF-001的上臂鏈接包含：1個滑動鏈接(鏈接C)、1個固定鏈接(鏈接D)、1個電機、1個定制的開式軸承、1個環(huán)形齒輪、1個反間隙齒輪、1個電位計. 上臂鏈接和電機2鉸接在一起， 如圖3(b)所示， 鏈接C剛性地鏈接到外圓環(huán)上， 并且能夠沿著上臂連桿滑動， 通過調(diào)節(jié)上臂杯和肩關節(jié)之間的距離(以及肘關節(jié)和肩關節(jié)之間的距離)來適應更多的患者. 外圓環(huán)設計用來在上臂杯兩側固定不銹鋼珠， 如圖3(c)所示. 這些鋼珠是為了定位凹槽之間的內(nèi)外圓環(huán)， 同時作為一個無摩擦的旋轉機構使用. 開放式的半圓上臂杯結構使得患者輕松地定位手臂位置. 圖3(c)所示的反間隙齒輪是沿電機軸固定的， 其將旋轉運動傳遞到環(huán)形齒輪， 開放式的環(huán)形齒輪牢固地連接在上臂杯上， 負責將上臂杯旋轉到定制的開式軸承.

2.2肘部和前臂運動的支撐

肘部運動支撐部分由手臂的前臂鏈接、1個固定的鏈接(鏈接D)、1個電機和1個電位計組成. 如圖3(b)所示， 鏈接D作為肩關節(jié)內(nèi)部/外部旋轉和肘部運動支撐之間的橋梁， 其一端與上臂杯組裝， 另一端固定在DHUKF-001肘部電機和肘部運動支撐部分. 前臂鏈接在肘關節(jié)處與肘部電機鉸接， 并承載整個前臂的運動支撐部分.

前臂運動支撐部分由1個滑動鏈接(鏈接E)、1個電機、 1個定制的開式軸承、1個環(huán)形齒輪、 1個反間隙齒輪、 1個電位計組成. 滑動鏈接(鏈接E)剛性地連接到外圓環(huán)上， 并且能夠沿著前臂鏈接滑動以調(diào)節(jié)尼龍臂帶和肘關節(jié)之間的距離以及肘關節(jié)和腕關節(jié)之間的距離. 像上臂杯一樣， 前臂杯開放式的半圓形結構使得患者容易放置前臂， 不必插入一個圓形的封閉結構. 電機5剛性地固定在外圓環(huán)的背面， 前臂運動支撐的驅動機制和肩關節(jié)的內(nèi)部/外部運動支撐的部分基本一樣. 為了將上臂和前臂保持在適當?shù)奈恢茫?使用柔軟的尼龍臂帶來固定上臂杯和前臂杯.

2.3手腕運動的支撐

手腕運動支撐部分有2個自由度：一個用于輔助徑向運動/尺側偏移， 另外一個輔助屈曲/伸展運動. 為了輔助腕關節(jié)處的徑向運動/尺側偏移， 裝置包括1個固定的鏈接(鏈接F)、1個電機和1個電位計， 如圖3(e)所示. 鏈接F剛性地連接到前臂杯上， 另一端連接電機6， 對應于DHUKF-001的關節(jié)6(徑向/尺側偏移).

腕關節(jié)的屈曲/伸展運動支撐部分由3個固定鏈接(鏈接G， H和I)、1個滑動鏈接(鏈接J)、1個電機、1個電位計和手腕手柄組成， 如圖3(e)所示. 鏈接G與關節(jié)6鉸接， 并連接腕關節(jié)的屈曲/伸展運動支撐部分， 鏈接H的一端鏈接到鏈接G上， 并在另一端剛性地連接到電機7. 鏈接I與電機7鉸接， 另一端承載手腕手柄裝置. 滑動鏈接J位于鏈接I 和腕部手柄之間， 可以調(diào)節(jié)腕關節(jié)和手腕手柄之間的距離.

2.4安全設置

為確保用戶安全使用機器人， 在每個關節(jié)處都添加機械閉鎖裝置， 以限制旋轉角度在關節(jié)限制范圍內(nèi)， 這些機械閉鎖裝置是可調(diào)的， 可以根據(jù)患者主動或被動的關節(jié)活動度(ROM)要求調(diào)整. 例如， 雖然DHUKF-001肩關節(jié)的內(nèi)部/外部旋轉的ROM為70°～85°， 但可將其調(diào)整至范圍內(nèi)的任意值， 例如： -45°～45°或-70°～40°等. 同時從人因安全角度考慮， 裝置安裝了緊急開關， 以便在需要時切斷電源. 此外， 在控制算法中還增加了硬件安全功能和軟件安全功能， 包括根據(jù)患者需求限制關節(jié)的運動范圍、關節(jié)速度、關節(jié)扭矩、電機電流和電壓值， 它們是控制器的最終輸出和電機驅動器的指令值.

被動治療方法[6](DHUKF-001被操縱以遵循表示被動康復訓練的預編程軌跡)， 是機器人輔助康復訓練的類型之一， 持續(xù)治療的時間和練習的執(zhí)行速度由治療師或臨床醫(yī)生決定. 因此， 在這種情況下， 除了機械和軟件安全功能(限制關節(jié)的運動范圍)之外， 理療師或臨床醫(yī)生還要確保使用DHUKF-001時患者的安全(包括ROM和運動速度).

3 外骨骼上肢康復機器人工業(yè)設計

從患者的角度出發(fā)， 裝備擁有比較合適的外觀與結構能增強患者的親近感和良好的視覺舒適性， 結合自由度規(guī)劃、舒適性和輔助支撐， 設計了7自由度外骨骼上肢康復裝備的效果圖，如圖4所示.

(a) 第一視角

(b) 第二視角

4 外骨骼上肢康復機器人控制系統(tǒng)

DHUKF-001的電氣配置由具有可重新配置的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的CPU處理器、主板、7個電機驅動卡和實時電腦(RT-PC)組成. FPGA單元有兩個以太網(wǎng)端口(10/100 Mb)， 用于通過傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)與RT-PC進行通信. 為了安全起見，主板上電機驅動卡的插槽安裝了緊急停止開關， 以防止緊急情況下斷電. 系統(tǒng)的控制架構如圖5所示， 控制器的輸出是關節(jié)扭矩指令， 扭矩指令轉換為電機電流， 最后轉換為參考電壓， 因為電壓值是電機驅動器的直接驅動指令. 扭矩計算控制器每1 ms更新一次扭矩指令， 并在RT-PC中執(zhí)行(圖5中左側循環(huán)). 此外， 為了實現(xiàn)DHUKF-001的實時控制， 確保正確的扭矩控制指令發(fā)送到關節(jié)(以及驅動器的參考電壓指令)， 系統(tǒng)添加了一個比例積分(PI)控制器， PI控制器比計算出的扭矩控制回路快10倍， 并且在FPGA中執(zhí)行.

圖5 系統(tǒng)的控制架構Fig.5 System control architecture

從電機驅動器的電流監(jiān)視器輸出測量的電流信號以0.1 ms進行采樣， 然后用阻尼因子ζ=0.9和固有頻率ω=300 rad/s的二階濾波器進行濾波， 再發(fā)送到PI控制器. 過濾對于從所需信號中消除高頻或噪聲數(shù)據(jù)很重要. 每個關節(jié)處的電位計也以1 ms進行采樣，然后再發(fā)送到控制器之前用相同的二階濾波器進行濾波. 通過反復試驗(即通過以不同的速度操縱機器人)進行估算， 達到控制上肢康復機器人的目的.

5 結 語

目前， 外骨骼上肢康復機器人的研究仍處于起步發(fā)展階段， 本文在自主開發(fā)的5自由度和6自由度上肢康復機器人的基礎上， 從人體上肢關節(jié)運動機理出發(fā)， 針對康復訓練要求設計了一種7自由度外骨骼上肢康復機器人并進行了詳細的結構分析， 然后從安全人因工程角度進行電氣設計與系統(tǒng)控制研究. 實踐中發(fā)現(xiàn)， 不論是結構設計還是系統(tǒng)控制設計， 最重要的一點就是以人為本， 即把使用者的安全當作最重要的設計原則， 在此基礎上進行科學、合理的機構設計與控制規(guī)劃. 后續(xù)工作是對外骨骼進行舒適性研究，并利用人機交互中的體感設備開發(fā)康復運動的新模式.

[1] 楊啟志， 曹電鋒， 趙金海. 上肢康復機器人研究現(xiàn)狀的分析[J].機器人， 2013， 35(5)：630-640.

[2] 劉志輝， 莫偉平， 唐智，等. 基于Leap Motion的腦卒中上肢功能康復主動運動系統(tǒng)[J].東華大學學報(自然科學版)， 2016， 42(4)：572-575.

[3] 李妍姝. 上肢康復機器人設計與運動規(guī)劃[D].上海：東華大學機械工程學院，2012.

[4] 張輝. 六自由度外骨骼式上肢康復機器人設計[D].上海：東華大學機械工程學院， 2014.

[5] 宋俊朋. 7-DOF外骨骼串聯(lián)式上肢康復機器人的結構設計與研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學機械工程學院， 2015.

[6] 韓朝慧. 六自由度外骨骼式上肢康復機器人設計[J].工程技術(文摘版)， 2016(8)：00117.

(責任編輯：徐惠華)

StudyonDesigningandControlof7-DoFExoskeletonUpper-LimbRehabilitationRobot

LIUZhihui1，SUNYi2，TANGZhi1，YUANTao1，KONGFanlei1，WANGShengze1

(1.College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Yangzhi Affiliated Rehabilitation Hospital， Shanghai 201620， China)

Aiming at the limited degree of freedom of exoskeleton rehabilitation robot， the model of upper limb movement was simplified according to the mechanism of upper limb joint movement. An improved 7-DoF exoskeleton upper limb rehabilitation robot structure design was proposed， and the motion support parts of the unit were modeled and analyzed. Electrical design and control research of rehabilitation exercise system were carried out according to safety ergonomics. The results show that the 7-DoF exoskeleton upper limb rehabilitation robot is more suitable for human engineering， the control mechanism is optimized and the safety performance is good， which lays a solid foundation for realizing the real-time control and motion planning in the later stage.

exoskeleton robot；upper-limb rehabilitation；institutional design；control

TH 122；TP 3

A

1671-0444 (2017)04-0535-06

2017-03-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(22322014D3-40)

劉志輝(1981—)，男，河北唐山人，高級實驗師，博士研究生，研究方向為人因工程、工業(yè)設計. E-mail： liuzhihui@dhu.edu.cn

王生澤(聯(lián)系人)，男，教授. E-mail： wasz@dhu.edu.cn