劉中華

【關(guān)鍵詞】主動交互控制;家用康復(fù)治療床;自適應(yīng)阻抗控制

人口老齡化是近年來出現(xiàn)的一個比較突出的問題，老年患者容易出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)疾病，在近年來神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病率逐年升高，患病后80%的患者都會留下殘疾，影響生活自理能力，必要時要對患者進(jìn)行康復(fù)治療?？祻?fù)治療時間越早恢復(fù)效果越好，并發(fā)癥也就越少。肢體殘疾在所有殘疾中發(fā)生率最高，因此對肢體殘疾患者進(jìn)行康復(fù)治療十分有必要。家用康復(fù)治療床是在現(xiàn)代科技的發(fā)展背景下，將機(jī)器人技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)康復(fù)技術(shù)相結(jié)合下的產(chǎn)物，為肢體癱瘓的患者提供了有效的康復(fù)訓(xùn)練。自適應(yīng)控制在各種控制方法中脫穎而出，因此，研究一種基于主動交互控制的家用康復(fù)治療床自適應(yīng)阻抗控制，通過檢測人機(jī)交互作用力的方式判斷患者的主動運動意圖則顯得極其重要。

1家用康復(fù)治療床控制系統(tǒng)方案設(shè)計

家用康復(fù)治療床其主要功能就是幫助下肢障礙患者進(jìn)行康復(fù)治療訓(xùn)練，以幫助能夠正常行走。它針對患者的殘疾程度進(jìn)行多種肢體的康復(fù)治療，以幫助患者今早恢復(fù)健康。

家用康復(fù)治療床控制系統(tǒng)中，下位機(jī)是整個系統(tǒng)的核心?？刂葡到y(tǒng)通過觸摸屏向下位機(jī)發(fā)送信息，從而讓系統(tǒng)獲取患者的治療信息。伺服輸出、伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的主要組成部分，需要相互配合。運動控制器會向伺服驅(qū)動器發(fā)送信息指令，再由伺服驅(qū)動器完成向伺服電機(jī)的信息傳送，兩者形成一個控制閉環(huán)系統(tǒng)，從而完成下肢康復(fù)訓(xùn)練。在整個系統(tǒng)中，傳感器的作用就是采集機(jī)器人的各種位置信息，為控制系統(tǒng)提供重要信息，以實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而保證系統(tǒng)的安全性。

2基于主動交互控制的模糊自阻抗控制器設(shè)計

當(dāng)康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)入到治療后期時，患者可以根據(jù)自己的恢復(fù)情況主動參與到康復(fù)訓(xùn)練中。阻抗控制方法的作用就是完成人機(jī)交互，讓患者能夠與機(jī)器人達(dá)成一個很好的訓(xùn)練與被訓(xùn)練的關(guān)系，從而主動參與到康復(fù)訓(xùn)練中?？刂葡到y(tǒng)通過模糊阻抗控制器將人機(jī)交互作用力轉(zhuǎn)換為修正量，并通過機(jī)器人逆運動學(xué)將修正量作用在位置控制內(nèi)環(huán)中，從而實現(xiàn)主動康復(fù)。家用康復(fù)治療床通過傳感器檢查患者下肢與康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的交互作用，從而建立兩者的動態(tài)關(guān)系。

家用康復(fù)治療床對患者進(jìn)行康復(fù)治療時，可以設(shè)定治療床的運動狀態(tài)，讓它能夠一直保持低速運動狀態(tài)，如果沒有慣量項的作用，會影響機(jī)械機(jī)構(gòu)的作用力。由于家用康復(fù)治療床在進(jìn)行下肢行走訓(xùn)練時，由下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)聯(lián)動，因此大小腿人機(jī)之間的接觸力會形成一個速度修正量，根據(jù)人體下肢標(biāo)準(zhǔn)可以得到，膝關(guān)節(jié)的與髖關(guān)節(jié)的運動范圍不同，因此阻抗參數(shù)也不同。如果采用模糊自適應(yīng)阻抗控制，首先需要對阻抗參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一化整理，使其能夠在實際的康復(fù)訓(xùn)練中獲得較慢的訓(xùn)練速度，但是這種會影響患者的恢復(fù)效果，因此對阻抗參數(shù)的調(diào)整要慎重。根據(jù)大小腿產(chǎn)生的作用力對阻抗系數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可。

在對患者進(jìn)行下肢主動康復(fù)訓(xùn)練之前需要對患者進(jìn)行接觸力測評，讓患者平躺后，對大小腿的絕對平均主動作用力進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練方案制定，患者在不同階段所采取的訓(xùn)練速度有所不同，前期比后期的主動訓(xùn)練輕松，當(dāng)患者的下肢恢復(fù)一定效果后需要適當(dāng)加訓(xùn)練速度，因此，針對康復(fù)訓(xùn)練階段進(jìn)行了阻抗參數(shù)模糊規(guī)則表的設(shè)計，如表1所示。

3實驗結(jié)果分

模糊自適應(yīng)阻抗控制可以幫助患者更好的實現(xiàn)主動康復(fù)訓(xùn)練，在此基礎(chǔ)之上對其進(jìn)行仿真，以床體0°平躺康復(fù)訓(xùn)練為例，假設(shè)阻抗參數(shù)相同，采取大小不同的力對患者進(jìn)行阻抗控制實驗，并比較訓(xùn)練的效果。如果阻抗控制實驗中，主動作用力相似，則需要采取不同的阻抗參數(shù)進(jìn)行實驗。假設(shè)初始阻抗參數(shù)為z=0.2，得到當(dāng)力較大時，速度也較大，當(dāng)阻抗參數(shù)相同時，主動力越大則速度調(diào)整量越大;當(dāng)絕對平均主動力基本相同時，阻抗參數(shù)越大則速度越小。在進(jìn)行模糊自適應(yīng)阻抗控制時，需要對變量進(jìn)行模糊處理，并根據(jù)模糊結(jié)果對阻抗參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

采用模糊自適應(yīng)阻抗控制可以更加快速準(zhǔn)確的判斷出患者的運動意圖，從而讓患者可以主動參與到康復(fù)訓(xùn)練中，提高肌肉力量，達(dá)到快速恢復(fù)的效果。

結(jié)束語

針對患者下肢存在訓(xùn)練障礙的問題，提出了一種家用康復(fù)治療床控制算法，通過模糊自適應(yīng)阻抗控制讓治療床可以通過人機(jī)交互作用力對患者的運動意圖進(jìn)行判斷，根據(jù)患者的恢復(fù)效果提高訓(xùn)練速度，驗證了模糊自適應(yīng)阻抗控制的有效性，讓患者可以主動參與康復(fù)訓(xùn)練，讓患者盡早恢復(fù)身體機(jī)能。