劉波，李藝，蔡校蔚，范澤峰

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

隨著人口老齡化日益嚴(yán)重，各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病率也日益增加。腦卒中作為最常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，70%～80%的患者會(huì)留下殘疾而需要接受康復(fù)治療[1]，腦卒中康復(fù)是降低患者致殘率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]，而且康復(fù)治療時(shí)間越早，康復(fù)效果越顯著[3]，重要的是可以減少并發(fā)癥[4]。而肢體殘疾是所有殘疾中發(fā)生率最高的一種[5]，因此對(duì)各種疾病引起的肢體殘疾患者采取及時(shí)的康復(fù)治療就顯得尤為重要。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也在不斷加強(qiáng)對(duì)康復(fù)訓(xùn)練方法和訓(xùn)練效果的研究，推動(dòng)肢體殘疾患者康復(fù)治療的發(fā)展。

康復(fù)機(jī)器人作為現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的新科技應(yīng)用，可以結(jié)合不同的機(jī)器人控制方法，為下肢癱瘓患者提供有效的主、被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，其控制方法也在不斷革新發(fā)展。除早期最基本的PID控制外，阻抗控制、力位混合控制、自適應(yīng)控制以及各種智能控制都取得了一定的研究成果。JinHu[6]等在下肢康復(fù)機(jī)器人上使用了外環(huán)阻抗控制、內(nèi)環(huán)位置/速度控制的控制方法，仿真驗(yàn)證其可行性并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同的康復(fù)訓(xùn)練階段阻抗參數(shù)的可調(diào)；Michael[7]等基于下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人成功地運(yùn)用了力/位混合控制，以動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)主動(dòng)力可提供任意比例的期望助力以幫助患者完成正常的康復(fù)訓(xùn)練；Jezernik[8]等在阻抗控制基礎(chǔ)上，將步態(tài)模式自適應(yīng)算法加入四自由度下肢機(jī)器人控制中，仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可行性。

下肢康復(fù)訓(xùn)練后期，患者需要接受主動(dòng)訓(xùn)練來(lái)提高主動(dòng)參與度并且進(jìn)一步促進(jìn)肌肉力量的恢復(fù)。因此，提出了基于模糊自適應(yīng)阻抗的主動(dòng)訓(xùn)練控制，通過(guò)檢測(cè)人機(jī)交互作用力來(lái)判斷患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖，基于人機(jī)交互作用力提出主動(dòng)控制算法。在主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，引入阻抗控制保證康復(fù)機(jī)器人與患者下肢的相容性，并且采用模糊自適應(yīng)邏輯對(duì)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

1 床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人

床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人主要是用于幫助下肢運(yùn)動(dòng)障礙者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練，增加肌肉力量，恢復(fù)正常行走能力。其機(jī)械結(jié)構(gòu)由康復(fù)床床體和多連桿式下肢康復(fù)訓(xùn)練器組成，其獨(dú)特的康復(fù)訓(xùn)練床設(shè)計(jì)使得患者可以進(jìn)行平躺、斜躺和直立3種不同體位的康復(fù)訓(xùn)練，每種訓(xùn)練模式又可進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練、主動(dòng)輔助訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練。康復(fù)訓(xùn)練主要機(jī)械結(jié)構(gòu)為多連桿式下肢康復(fù)訓(xùn)練器，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)人體下肢運(yùn)動(dòng)，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 多連桿式下肢康復(fù)訓(xùn)練器

床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，分為上位機(jī)、下位機(jī)和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人本體3部分，其中康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人本體包括多連桿式下肢康復(fù)訓(xùn)練器和機(jī)器人感知模塊2部分。

圖2 床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)器人控制系統(tǒng)以觸摸屏為上位機(jī)，通過(guò)觸摸屏向下位機(jī)發(fā)送控制信息、接收下位機(jī)反饋信息和保存訓(xùn)練數(shù)據(jù)等。下位機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，主要有可編程運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，運(yùn)動(dòng)控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送康復(fù)訓(xùn)練指令，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，形成控制閉環(huán)，通過(guò)電流控制、速度控制和位置控制等完成下肢康復(fù)訓(xùn)練。感知模塊的作用是采集機(jī)器人的位置信息和接觸力信息，為控制系統(tǒng)提供反饋信息來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，同時(shí)也可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

2 模糊自適應(yīng)阻抗控制器設(shè)計(jì)

在康復(fù)訓(xùn)練后期，患者需要根據(jù)自己的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。采用阻抗控制方法建立機(jī)器人與患者之間力與位置的動(dòng)態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)患者主動(dòng)參與的主動(dòng)訓(xùn)練控制，同時(shí)采用模糊自適應(yīng)邏輯對(duì)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)多連桿式下肢康復(fù)訓(xùn)練器完成步態(tài)運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)將人機(jī)交互作用力通過(guò)模糊阻抗控制器轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)角速度修正量，然后通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為伺服電機(jī)速度修正量作用于位置控制內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。其實(shí)質(zhì)是基于位置的阻抗控制，同時(shí)通過(guò)模糊自適應(yīng)邏輯對(duì)阻抗參數(shù)在線(xiàn)調(diào)整，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人通過(guò)4個(gè)微型拉壓力傳感器檢查患者下肢大小腿與康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的交互作用力，建立人機(jī)交互作用力與關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié))角度偏差的動(dòng)態(tài)關(guān)系，其二階微分方程可表示為：

其中：md為目標(biāo)慣量系數(shù)；bd為目標(biāo)阻尼系數(shù)；kd為目標(biāo)剛度系數(shù)；fint為人機(jī)交互作用力；θd為關(guān)節(jié)角度參考軌跡；θr為關(guān)節(jié)角度實(shí)際軌跡。

床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中為低速運(yùn)動(dòng)，所以可以不考慮慣量項(xiàng)的作用，受機(jī)械機(jī)構(gòu)限制只考慮關(guān)節(jié)角速度的偏移量，對(duì)上式作拉普拉斯變換，得到阻抗關(guān)系在頻域上的表達(dá)式為：

(1)

其阻抗參數(shù)z=bd。

由于多連桿式下肢康復(fù)訓(xùn)練器由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，若采用基于位置的阻抗控制原理，大腿人機(jī)接觸力和小腿人機(jī)接觸力將分別產(chǎn)生一個(gè)關(guān)節(jié)角速度修正量。根據(jù)人體下肢標(biāo)準(zhǔn)行走步態(tài)和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度可知，膝關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)范圍約為髖關(guān)節(jié)的2倍，其阻抗參數(shù)的選擇也就不同，所以采用模糊自適應(yīng)阻抗控制對(duì)控制器阻抗參數(shù)統(tǒng)一化并實(shí)時(shí)調(diào)整。然而，實(shí)際康復(fù)訓(xùn)練中，患者下肢康復(fù)是一個(gè)緩慢恢復(fù)的過(guò)程，阻抗參數(shù)并不需要實(shí)時(shí)調(diào)整[9]，所以只根據(jù)一周期內(nèi)大腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fb和小腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fs對(duì)阻抗參數(shù)在線(xiàn)調(diào)整，阻抗參數(shù)每周期更新一次，fb和fs表達(dá)式如下，下標(biāo)i表示采樣點(diǎn)，l表示左腿，r表示右腿，N為采樣周期。

(2)

(3)

在進(jìn)行下肢主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練之前，使用者需要接受接觸力測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)平躺時(shí)的大小腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力大小選擇合適的康復(fù)訓(xùn)練方式。將康復(fù)訓(xùn)練分為3個(gè)階段：早期平躺康復(fù)訓(xùn)練(床體0°)、中期斜躺康復(fù)訓(xùn)練(床體45°)和后期直立行走康復(fù)訓(xùn)練(床體90°)?；颊卟煌目祻?fù)訓(xùn)練階段需要不同的康復(fù)訓(xùn)練速度，后期主動(dòng)訓(xùn)練比前期主動(dòng)訓(xùn)練需要的速度范圍更大，所以分別為3個(gè)康復(fù)訓(xùn)練階段設(shè)計(jì)了不同的阻抗參數(shù)模糊規(guī)則表，如表1、表2和表3所示，表中VS(很小)、S(小)、M(中)、L(大)、VL(很大)。

阻抗參數(shù)的模糊調(diào)整規(guī)則如下：如果小腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fs和大腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fb為同級(jí)，則表明小腿和大腿主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖相同，此時(shí)阻抗參數(shù)為初始值為z；如果小腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fs比大腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fb大n級(jí)，則表明小腿主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖強(qiáng)，此時(shí)阻抗參數(shù)為初始值z(mì)加上0.1n倍的z；如果大腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fb比小腿絕對(duì)平均主動(dòng)作用力fs大n級(jí)，則表明大腿主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖強(qiáng)，此時(shí)阻抗參數(shù)為初始值z(mì)加上0.2n倍的z。由于整體小腿運(yùn)動(dòng)范圍大于大腿，所以在相差級(jí)別相同時(shí)，小腿主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)強(qiáng)則增加的阻抗參數(shù)稍小，大腿主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意識(shí)強(qiáng)則增加的阻抗參數(shù)稍大。

表1 床體0°平躺康復(fù)訓(xùn)練阻抗參數(shù)模糊規(guī)則表

表2 床體45°斜躺康復(fù)訓(xùn)練阻抗參數(shù)模糊規(guī)則表

表3 床體90°直立行走康復(fù)訓(xùn)練阻抗參數(shù)模糊規(guī)則表

3 實(shí)驗(yàn)

模糊自適應(yīng)阻抗控制旨在幫助患者實(shí)現(xiàn)主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，基于控制算法研究基礎(chǔ)搭建基于模糊自適應(yīng)阻抗控制的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性。實(shí)驗(yàn)以成年男性作為被測(cè)試者，以床體0°平躺康復(fù)訓(xùn)練為例，其余兩體位同理可驗(yàn)證。3組實(shí)驗(yàn)分別為：力對(duì)阻抗控制的影響實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。設(shè)定阻抗參數(shù)相同，被測(cè)者使用大小不同的力進(jìn)行2次阻抗控制實(shí)驗(yàn)，比較速度變化；阻抗參數(shù)對(duì)阻抗控制的影響實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。被測(cè)者保持2次阻抗控制實(shí)驗(yàn)主動(dòng)作用力基本相同，取大小不同的阻抗參數(shù)進(jìn)行2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，比較速度變化；模糊自適應(yīng)阻抗控制實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。這組實(shí)驗(yàn)被測(cè)試者第1周期不施加主動(dòng)力，第2周期開(kāi)始施加主動(dòng)力，并且保持第2、第3周期總絕對(duì)平均主動(dòng)力基本相同，第2周期大小腿施加大小接近的主動(dòng)力，第3周期主要由大腿施加主動(dòng)力，比較第3、第4兩周期的速度變化，驗(yàn)證阻抗控制的有效性。圖5中速度曲線(xiàn)前兩周期誤差由曲線(xiàn)擬合引起，后兩周期能定性的看出速度變化，驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性。

模糊自適應(yīng)阻抗控制流程如圖4所示。主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)者康復(fù)訓(xùn)練的第1周期不施加主動(dòng)力，只是跟隨下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人做定軌跡恒速康復(fù)訓(xùn)練，采集第1周期的基礎(chǔ)參考力f0，之后采集每個(gè)周期參考力為fint與第1周期基礎(chǔ)參考力比較得到患者每個(gè)周期的主動(dòng)作用力如式(4)所示。阻抗控制器根據(jù)前一周期檢測(cè)的主動(dòng)力平均值計(jì)算角速度增量，得到本周期的輸入角速度。速度每周期變換一次，可防止角速度變化太快而引起機(jī)器人發(fā)生抖動(dòng)，速度變換周期為10s。

f=fint-f0

(4)

圖4 模糊自適應(yīng)阻抗控制流程圖

1) 主動(dòng)力對(duì)阻抗控制的影響實(shí)驗(yàn)

圖5 主動(dòng)力對(duì)阻抗控制的影響

如圖5所示，設(shè)置初始阻抗參數(shù)為z=0.2進(jìn)行髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)，第1周期，被測(cè)者不施加主動(dòng)力，按照既定軌跡恒速運(yùn)動(dòng)；第2周期開(kāi)始，被測(cè)者施加主動(dòng)力，機(jī)器人采集主動(dòng)作用力；第3周期開(kāi)始，根據(jù)前1周期主動(dòng)作用力大小計(jì)算新的康復(fù)訓(xùn)練速度。從圖5中可以看出力2大于力1，其相應(yīng)的速度也越大，所以當(dāng)阻抗參數(shù)相同時(shí)，主動(dòng)力越大，速度調(diào)整量也越大。

2) 阻抗參數(shù)對(duì)阻抗控制的影響實(shí)驗(yàn)

圖6 阻抗參數(shù)對(duì)阻抗控制的影響

如圖6所示，設(shè)置小阻抗z1=0.2，大阻抗z2=0.4進(jìn)行髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理同上。2組實(shí)驗(yàn)的第2周期和第3周期絕對(duì)平均主動(dòng)力基本相同，但是小阻抗所對(duì)應(yīng)的速度明顯大于大阻抗，所以在主動(dòng)力相同時(shí)，阻抗參數(shù)越大，速度調(diào)整量越小。

3) 模糊自適應(yīng)阻抗控制實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行模糊自適應(yīng)阻抗控制時(shí)，需用對(duì)模糊變量進(jìn)行模糊處理，小腿f(wàn)s和大腿f(wàn)b模糊化結(jié)果如式(5)所示，根據(jù)模糊結(jié)果對(duì)阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

(5)

圖7 模糊自適應(yīng)阻抗控制

如圖7所示，設(shè)置初始阻抗參數(shù)為z=0.2進(jìn)行髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理同上。圖7中可以看出，第2周期與第3周期總絕對(duì)平均主動(dòng)力基本相同，但是第3周期速度明顯大于第2周期，這是因?yàn)榈?周期小腿f(wàn)s=20.55N，大腿f(wàn)b=23.44N，都為大等級(jí)。根據(jù)表3的模糊規(guī)則，阻抗參數(shù)為z。然而第3周期小腿f(wàn)s=9.89N為小，大腿f(wàn)b=32.44N為大，根據(jù)表3的模糊規(guī)則阻抗參數(shù)為1.4z，所以第4周期速度變化比第3周期要小。通過(guò)上述對(duì)比，充分驗(yàn)證了模糊自適應(yīng)阻抗控制的有效性，隨著被測(cè)者大腿和小腿絕對(duì)主動(dòng)平均力的變化在線(xiàn)調(diào)整阻抗參數(shù)，達(dá)到自適應(yīng)控制的要求。

通過(guò)以上3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，模糊自適應(yīng)阻抗控制能夠有效地判斷被測(cè)者運(yùn)動(dòng)意圖，使得被測(cè)者能夠主動(dòng)參與到康復(fù)訓(xùn)練中，提高康復(fù)訓(xùn)練效果。

4 結(jié)語(yǔ)

為滿(mǎn)足患者康復(fù)后期主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練需求，提出了基于床式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的模糊自適應(yīng)阻抗控制算法。機(jī)器人通過(guò)檢測(cè)人機(jī)交互作用力判斷患者運(yùn)動(dòng)意圖，每周期調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練速度，并且根據(jù)模糊自適應(yīng)邏輯每周期更新一次阻抗參數(shù)。通過(guò)3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模糊自適應(yīng)阻抗控制算法的有效性，后期還需對(duì)算法進(jìn)一步優(yōu)化使得康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)更加柔順，患者更加舒適。