李仁偉 楊名遠(yuǎn) 張夢(mèng)瑩 逯偉棟 李文燕

（南開(kāi)大學(xué)濱海學(xué)院，天津 300350）

0 引言

近幾年，我國(guó)中風(fēng)病人的數(shù)量逐年增多，中風(fēng)后需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)，但是由于康復(fù)治療師的短缺，因此許多病人都錯(cuò)過(guò)了最佳的恢復(fù)時(shí)期。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人開(kāi)始在康復(fù)領(lǐng)域中應(yīng)用，通過(guò)外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂幫助病人進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)是1個(gè)很好的康復(fù)方法，該方法能夠讓病人在沒(méi)有康復(fù)師的情況下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并且上肢康復(fù)機(jī)械臂可以實(shí)時(shí)記錄病人的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，也可以作為病人最后康復(fù)的確認(rèn)依據(jù)，為醫(yī)師診斷病情提供更可靠的支持和依據(jù)。

通過(guò)最終的研結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案對(duì)病人的康復(fù)效果有很大的影響，在病人的使用過(guò)程中會(huì)存在一些與最初設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題，例如機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)帶給病人的推力與病人的恢復(fù)情況有很大的關(guān)系，這涉及控制系統(tǒng)的邏輯控制，而外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂最終的應(yīng)用也離不開(kāi)對(duì)數(shù)據(jù)的分析以及與機(jī)械設(shè)計(jì)的磨合，只有擁有足夠多的數(shù)據(jù)才能調(diào)試好程序。

1 構(gòu)建模型材料描述

1.1 肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)描述

人體上肢的運(yùn)動(dòng)主要是由3個(gè)關(guān)節(jié)配合完成的（一共有7個(gè)自由度），而該文設(shè)計(jì)的機(jī)器人包括了其中2個(gè)關(guān)節(jié)（肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)）。雖然只有2個(gè)關(guān)節(jié)，但是該機(jī)器人能夠做出許多動(dòng)作，在初步的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)各個(gè)動(dòng)作的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而搭建模型，編寫(xiě)力量反饋程序[1]。

肩關(guān)節(jié)可以伸展、屈曲、內(nèi)收、外展、內(nèi)部旋轉(zhuǎn)和外部旋轉(zhuǎn)，靈活性非常高，關(guān)節(jié)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)的范圍見(jiàn)表1。肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)決定了肘關(guān)節(jié)的位置。

與肩關(guān)節(jié)相比，肘關(guān)節(jié)只能來(lái)回運(yùn)動(dòng)1個(gè)自由度，通過(guò)肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可以確定腕關(guān)節(jié)的位置。模型數(shù)據(jù)的采集以以下7個(gè)動(dòng)作為主：肩關(guān)節(jié)和平、肩關(guān)節(jié)屈伸、肩關(guān)節(jié)外展、肩關(guān)節(jié)伸展、肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋、肩關(guān)節(jié)外旋以及肘關(guān)節(jié)屈伸[2]。

1.2 電機(jī)、驅(qū)動(dòng)方式和大小臂材料的選擇

1.2.1 電機(jī)選型

該文選擇了輸出力矩相對(duì)較小的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)具有精度高、響應(yīng)速度快以及運(yùn)行相對(duì)安靜的特點(diǎn)，并且與舵機(jī)相比，伺服電機(jī)的選型更側(cè)重于平穩(wěn)轉(zhuǎn)速和高精度，因此綜合考慮病人的運(yùn)動(dòng)需求后，確定以伺服電機(jī)為機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)[3]。同時(shí)，還會(huì)根據(jù)外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)確定電機(jī)的型號(hào)，需要考慮人體各關(guān)節(jié)的扭矩，其力度的大小直接關(guān)系到病人的康復(fù)情況，關(guān)節(jié)扭矩表見(jiàn)表2。

1.2.2 驅(qū)動(dòng)方式

該文選擇了電機(jī)驅(qū)動(dòng)板獨(dú)有的CAN控制方式，相對(duì)于PWM方式，CAN控制方式的穩(wěn)定性和可控性都更高，但是它的代碼比PWM的代碼更復(fù)雜，需要重復(fù)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)板所需要的指令才能達(dá)到相應(yīng)的目的。

1.2.3 大小臂材料

機(jī)械臂對(duì)材料的要求比較高，首先要求材料要輕便；其次，要求材料能夠承受較大的應(yīng)力；最后，要求材料具有可塑造性。用這樣的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)才能保證機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1.3 尺寸確定

按照《中國(guó)成年人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)（GB 10000—1988）》（見(jiàn)表3）圖標(biāo)的要求來(lái)設(shè)計(jì)連桿的尺寸。

表3 人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)圖標(biāo)設(shè)定上臂長(zhǎng)度為300 mm，設(shè)定前臂長(zhǎng)度為230 mm。

2 模型原理以及構(gòu)建

2.1 模型原理

以坐標(biāo)系為基準(zhǔn)搭建數(shù)學(xué)模型，每個(gè)關(guān)節(jié)是相對(duì)固定的，通過(guò)齊次變換來(lái)表示與計(jì)算坐標(biāo)系的空間關(guān)系，從2個(gè)相鄰關(guān)節(jié)的空間關(guān)系推斷出最終要執(zhí)行的動(dòng)作，并通過(guò)齊次變換矩陣來(lái)表達(dá)空間關(guān)系。

肢體空間位置的變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要進(jìn)行建模，并搭建數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，最后通過(guò)程序固定模型，初步計(jì)算公式如公式（1）所示[4]。

由于機(jī)械臂的質(zhì)量分布是三維的，因此很難根據(jù)每個(gè)驅(qū)動(dòng)力的慣性確定準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型，由于關(guān)節(jié)摩擦?xí)a(chǎn)生扭矩、外部干擾和正確的參數(shù)。因此，提高控制和跟蹤的精度是非常重要的[5]。

2.2 預(yù)測(cè)功能模型

2.2.1 預(yù)測(cè)函數(shù)模型

預(yù)測(cè)功能控制的主要功能是對(duì)外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)不停的數(shù)據(jù)反饋不斷地對(duì)其進(jìn)行校正，提高模型的準(zhǔn)確度，并且根據(jù)算法預(yù)測(cè)功能的控制值進(jìn)行分組，將其設(shè)置為跟蹤設(shè)置值和控制設(shè)置值。設(shè)置值的值線性疊加與圖像特性有關(guān)，通常選擇主要功能信號(hào)、階躍信號(hào)和對(duì)角線信號(hào)等。追蹤設(shè)定值為c（k）時(shí)，相應(yīng)的控制變量預(yù)測(cè)的表達(dá)式如公式（2）所示。

式中：c（k）為跟蹤設(shè)置值；u（k）為給定位置；y（k）為實(shí)際對(duì)象；k為任意整數(shù)；km（k）為x軸的積分量；Xm（k）為y軸微積分量。

在控制外骨骼型上肢康復(fù)機(jī)械手的時(shí)候，選擇跳躍功能和斜坡功能可以滿足對(duì)系統(tǒng)控制精度的要求。廣義逆系統(tǒng)和外骨骼型上肢康復(fù)操縱器是由偽線性系統(tǒng)控制的[6]，該系統(tǒng)是由一系列訓(xùn)練操縱器模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)功能控制最終會(huì)通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)轭A(yù)測(cè)模型的輸出與輸出之間的誤差為e（k+i），所以預(yù)測(cè)功能控制的效果取決于預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。模型則是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械作用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)狀態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)在，數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性、可逆且廣義的逆矩陣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性系統(tǒng)的控制[7]。

要獲得準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的反轉(zhuǎn)過(guò)程比較復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程難以準(zhǔn)確得到求解。由于它是逆過(guò)程，因此為了算法簡(jiǎn)化，需要對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行多次訓(xùn)練才可以識(shí)別。設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)功能閉環(huán)控制器，該控制器可以對(duì)準(zhǔn)肢體康復(fù)訓(xùn)練操縱器進(jìn)行軌跡跟蹤和實(shí)時(shí)控制[8]。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制器介紹及選型

由于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠛芨撸骺刂破餍枰p串行端口支持力傳感器使用模擬輸出，因此具有ADC功能特定速度的控制器才能滿足要求。型號(hào)為12C5A60S2的微控制器可以滿足對(duì)相關(guān)控制的要求。該微控制器具有單個(gè)時(shí)鐘周期，最高工作頻率為35 MHz，它具有40個(gè)通用I/O端口，擁有處理外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)的能力，而且最終還有剩余端口能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

3.2 控制系統(tǒng)功能劃分

控制系統(tǒng)的劃分非常重要，它可以提高控制系統(tǒng)的效率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，不同的系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理不同的問(wèn)題，最終將數(shù)據(jù)輸入中央處理器，得出輸出數(shù)據(jù)，再完成下發(fā)動(dòng)作，系統(tǒng)控制關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制關(guān)系圖

3.2.1 上位機(jī)

在整個(gè)外骨骼上肢康復(fù)機(jī)械臂的操作系統(tǒng)中，上位機(jī)發(fā)揮了重要的作用，主要負(fù)責(zé)提供運(yùn)動(dòng)指令、模式選擇以及軌跡選擇等，它是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，外骨骼上肢會(huì)根據(jù)設(shè)定好的康復(fù)軌跡進(jìn)行運(yùn)作?？刂破鹘?jīng)過(guò)患者控制后，會(huì)根據(jù)程序中預(yù)設(shè)好的運(yùn)動(dòng)軌跡幫助患者進(jìn)行輔助訓(xùn)練，軌跡的線路會(huì)根據(jù)不同人的不同情況進(jìn)行改變，也可以不做改變，直接使用默認(rèn)軌跡或者手動(dòng)調(diào)整。

3.2.2 下位機(jī)

下位機(jī)主要是一些執(zhí)行單元，主要負(fù)責(zé)接受上位機(jī)的指令和數(shù)據(jù)，并執(zhí)行這些指令，它主要包括控制器、一些傳感器和電機(jī)等，下位機(jī)的控制關(guān)系如圖2所示。

圖2 下位機(jī)控制關(guān)系

3.3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)必須要保證微控制器可以正常工作，這樣主機(jī)和從機(jī)才能完成通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。硬件電路的設(shè)計(jì)還必須確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，同時(shí)還需要抵抗某些外部干擾。除此之外，電路具有調(diào)試端口，可以方便調(diào)試程序，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行功率。

硬件電路設(shè)計(jì)主要是一些控制電路包括芯片和觸摸屏的連接線路等，由于端口P0是漏極輸出，因此連接到4.7 K的上拉電阻，并對(duì)主電路、電源開(kāi)關(guān)和ADC接口電路的電源進(jìn)行濾波。ADC接口配有1個(gè)0.1 uF的濾波電容器。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)搭建

上肢康復(fù)機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由上位機(jī)、下位機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。該實(shí)驗(yàn)中使用的機(jī)械臂采用某些控制命令通過(guò)串行端口以數(shù)據(jù)代碼的形式直接傳輸?shù)娇刂破髦校邕x擇模式的程序。

4.1.1 肩屈運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)代碼寫(xiě)入串行端口傳輸工具中，肩膀屈伸運(yùn)動(dòng)是實(shí)驗(yàn)的重要部分。串行端口發(fā)送代碼后單擊發(fā)送文本/數(shù)據(jù)按鈕，軟件中的程序就會(huì)先對(duì)指令進(jìn)行處理，然后在向控制器和康復(fù)機(jī)器人發(fā)出命令。在關(guān)節(jié)上升至90°時(shí)，要收集關(guān)節(jié)從移動(dòng)到停止過(guò)程中的數(shù)據(jù)。

4.1.2 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在康復(fù)訓(xùn)練中，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，而完整的運(yùn)動(dòng)需要5個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)只對(duì)2個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試檢驗(yàn)程序的有效性。在程序的接口端輸入關(guān)節(jié)的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；通過(guò)按鈕執(zhí)行運(yùn)動(dòng)；最后收集最終的數(shù)據(jù)。在整個(gè)過(guò)程中，可以讓正常人佩戴體驗(yàn)舒適度，并根據(jù)體驗(yàn)感受提出改進(jìn)意見(jiàn)。

4.1.3 阻抗控制實(shí)驗(yàn)

阻抗控制模式主要是通過(guò)測(cè)試患者與外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂之間的作用力，從而判斷外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂控制系統(tǒng)實(shí)際作用的好壞，當(dāng)患者和外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂之間阻抗平穩(wěn)地波動(dòng)時(shí)，說(shuō)明數(shù)據(jù)模型是合適的；否則就說(shuō)明需要進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)據(jù)模型。

為了對(duì)主機(jī)的力獲取系統(tǒng)和阻抗控制模型進(jìn)行檢查，康復(fù)機(jī)器人的聯(lián)合阻抗控制實(shí)驗(yàn)通過(guò)串行端口軟件將阻抗控制模式命令發(fā)送給控制器；指令發(fā)出后，無(wú)論康復(fù)機(jī)器人處于哪個(gè)運(yùn)動(dòng)位置，它都會(huì)先返回初始位置。當(dāng)受試者的肘關(guān)節(jié)向前彎曲且壓力較低時(shí)，前臂會(huì)對(duì)外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)械臂施加壓力；而當(dāng)肘關(guān)節(jié)的移動(dòng)角度較小且壓力較高時(shí)，肘關(guān)節(jié)將會(huì)繼續(xù)移動(dòng)，阻抗控制實(shí)驗(yàn)是外骨骼上肢機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中重要的環(huán)節(jié)，阻抗控制中力的關(guān)系極具參考意義，參數(shù)的設(shè)置決定了機(jī)械人用力的大小，合適的用力可以幫助人們更好地進(jìn)行恢復(fù)訓(xùn)練，不至于在使用過(guò)程中因用力過(guò)大而出現(xiàn)二次損傷，也不會(huì)因用力過(guò)小而削弱恢復(fù)效果。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

上述實(shí)驗(yàn)的目的是為了跟蹤上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人手臂的身體并對(duì)其進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)，并不斷調(diào)整模型，計(jì)算并分析過(guò)程數(shù)據(jù)以及最終數(shù)據(jù)，最終得出結(jié)論。采用初步設(shè)定值C=1，采樣周期Ts=1 s，時(shí)間常數(shù)Tr=30 s，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)H1=10。最終由于動(dòng)作模型和實(shí)際運(yùn)動(dòng)采集的數(shù)據(jù)差距恒小，因此輸出的靜態(tài)誤差可以為0，說(shuō)明跟蹤無(wú)靜態(tài)錯(cuò)誤。

檢查預(yù)測(cè)功能控制的魯棒性和穩(wěn)定性，觀察添加錯(cuò)誤后的系統(tǒng)響應(yīng)，并將其與常規(guī)PID控制的效果進(jìn)行比較。單輸入與上面的控制系統(tǒng)分開(kāi)，并且當(dāng)控制時(shí)間為12 s時(shí)，單輸出系統(tǒng)分別執(zhí)行PFC和PID控制。與 PID控制相比，預(yù)測(cè)函數(shù)控制輸出平滑、無(wú)超調(diào)，但是調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。

對(duì)于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人手臂系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用預(yù)測(cè)功能控制能夠使整個(gè)過(guò)程更加自然，同時(shí)能夠?qū)︻A(yù)測(cè)功能控制模型進(jìn)行實(shí)時(shí)改進(jìn)變化。其中主要的2種控制策略分別是PFC和PID，雖然PID控制具有較大的初始控制轉(zhuǎn)矩，但是只能在短時(shí)間內(nèi)完成Pid調(diào)節(jié)。如果發(fā)生外部干擾，它的輸出控制轉(zhuǎn)矩幾乎是不變的。PFC控制轉(zhuǎn)矩比其他方式更加穩(wěn)定。

由測(cè)試的結(jié)果可以看出采取閉環(huán)控制的優(yōu)勢(shì)，它可以同時(shí)得到不同人做出動(dòng)作時(shí)力矩和機(jī)械臂力臂大小的控制函數(shù)，控制函數(shù)越精確，機(jī)械手臂的康復(fù)效果越好。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也證明了外骨骼上肢康復(fù)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)可以滿足康復(fù)訓(xùn)練的要求。

5 結(jié)論

現(xiàn)如今，醫(yī)療越來(lái)越受人們的關(guān)注，而康復(fù)設(shè)備是許多醫(yī)院幫助病人恢復(fù)的重要手段，外骨骼上肢康復(fù)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)給許多癱瘓病人帶來(lái)了希望。同時(shí)，還需要不斷地對(duì)外骨骼上肢康復(fù)機(jī)械臂進(jìn)行改進(jìn)，從而滿足每個(gè)人的康復(fù)需求。