劉中華

（湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)療設(shè)備與管理學(xué)院 湖南湘潭 411104）

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行康復(fù)治療訓(xùn)練，以幫助能夠正常行走[1]。它針對患者的殘疾程度進行多種肢體的康復(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，下位機是整個系統(tǒng)的核心?？刂葡到y(tǒng)通過觸摸屏向下位機發(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、伺服電機作為系統(tǒng)的主要組成部分，需要相互配合[2]。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

當康復(fù)訓(xùn)練進入到治療后期時，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交互，讓患者能夠與機器人達成一個很好的訓(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交互作用力轉(zhuǎn)換為修正量，并通過機器人逆運動學(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，會影響機械機構(gòu)的作用力[3]。由于家用康復(fù)治療床在進行下肢行走訓(xùn)練時，由下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)聯(lián)動，因此大小腿人機之間的接觸力會形成一個速度修正量，根據(jù)人體下肢標準可以得到，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)進行調(diào)整即可。

在對患者進行下肢主動康復(fù)訓(xùn)練之前需要對患者進行接觸力測評，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[4]，前期比后期的主動訓(xùn)練輕松，當患者的下肢恢復(fù)一定效果后需要適當加訓(xùn)練速度，因此，針對康復(fù)訓(xùn)練階段進行了阻抗參數(shù)模糊規(guī)則表的設(shè)計，如表1所示。

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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[5]，采取大小不同的力對患者進行阻抗控制實驗，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)進行實驗。假設(shè)初始阻抗參數(shù)為z=0.2，得到當力較大時[6]，速度也較大，當阻抗參數(shù)相同時，主動力越大則速度調(diào)整量越大；當絕對平均主動力基本相同時，阻抗參數(shù)越大則速度越小。在進行模糊自適應(yīng)阻抗控制時，需要對變量進行模糊處理，并根據(jù)模糊結(jié)果對阻抗參數(shù)進行調(diào)整。

采用模糊自適應(yīng)阻抗控制可以更加快速準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交互作用力對患者的運動意圖進行判斷，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)身體機能。