馮超 馬早

摘要：本文采用穿戴式外骨骼機械結(jié)構(gòu)，設計一款用于偏癱患者進行康復訓練及助行的裝置。為了使患者在訓練和行走時更好的步態(tài)和協(xié)調(diào)平衡能力，在控制上通過采樣患者的健肢的運動信息進行識別處理，來控制患肢的運動。

關(guān)鍵詞：外骨骼 編碼器 偏癱 伺服電機 步態(tài)

1.背景

我國現(xiàn)有各類殘疾人員8296萬人，占我國人口6.34%，其中下肢體殘疾2412萬人，所占比重29.1%，現(xiàn)在下肢殘疾患者中，由中風引起的偏癱居多，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，中國每年新發(fā)中風的病人超過200萬[1]，其中80%以上的患者會留下一側(cè)肢體癱瘓的癥狀，給其身心帶來了雙重傷害，給獨立生活帶來困難，也給家庭社會帶來較大的負擔。這部分患者可以通過科學的、正確的康復訓練能夠回復到正常。

作為康復訓練來講，一是要由科學的訓練方法和步驟，二是要有有效的訓練器械。傳統(tǒng)的訓練是通過人工輔助和簡單的訓練器械進行的，其訓練強度，規(guī)范性都受到較大的制約，最終導致患者達不到希望的訓練效果，甚至造成患者步態(tài)發(fā)生嚴重的變化，使患者失去康復的信心，造成終生殘疾。設計有效的偏癱下肢康復訓練器是必要的。

偏癱下肢康復訓練器使用時，穿戴在患者的肢體上，通過電動機械結(jié)構(gòu)使患者相應關(guān)節(jié)反復衩動屈伸，持續(xù)被動運動可以刺激關(guān)節(jié)，使其生理性關(guān)節(jié)液產(chǎn)生良性循環(huán)，減輕關(guān)節(jié)腫脹，可防止或治療因創(chuàng)傷或運動不足等原因?qū)е禄蚩赡軐е碌年P(guān)節(jié)運動幅度減小，關(guān)節(jié)僵硬和靜脈栓塞[2]等。

2.功能要求

1）被動單肢運動，平衡行走，起坐;主動單肢運動行走。

2）被動控制模式下，具有速度，步幅，步頻可調(diào)。

3）具有運動信息的采集、存儲。

4）具有三重安全保護措施和應急措施。

5）體積小穿戴使用方便，使患者康復訓練不受時間地點限制。

3.結(jié)構(gòu)組成

偏癱下肢康復訓練器依托穿戴式外骨骼結(jié)構(gòu)設計的，其主要構(gòu)成部分為：控制器，伺服驅(qū)動，傳感器、機械關(guān)節(jié)連桿等四部分構(gòu)成。其構(gòu)成框圖（圖一）和機械結(jié)構(gòu)（見圖二）

伺服系統(tǒng)：是由直流伺服電機（120w空心杯直流電極），增量式光電編碼器（500線），伺服電機驅(qū)動器（CAN總線驅(qū)動），減速器（諧波減速機40：1）構(gòu)成，主要完成在控制器的作用下對髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)進行驅(qū)動。

機械關(guān)節(jié)連桿：主要由髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)，腰托，上枝條，腳托，大小腿連桿，腿托等構(gòu)成，這些連桿是由關(guān)節(jié)連在一起形成外骨骼，使用時通過胸托，腰托，大小腿托，腳托捆綁在患者的下肢上，在控制系統(tǒng)的作用下，通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，帶動患者肢體運動。為了適應不同的患者使用，腰托，大小腿連桿的尺寸都是可調(diào)節(jié)的;每個關(guān)節(jié)都設計有運動范圍（角度）安全保護裝置，以保護患者使用時的人身安全。

傳感器：傳感器是由扭力傳感器、光電傳感器、肌張力構(gòu)成，其作用一是作為訓練效果的測評，二是對出現(xiàn)的痙攣進行檢測和保護;三是檢測運動狀態(tài)信息為運動控制提供依據(jù)。

控制器：由嵌入式單片機（STM32）成承擔，完成對信息的采集、處理和對運動進行控制。

4.運動模型

運用D-H表示法建立單下肢運動模型（正運動模型[4]）：

通過求解矩陣，就可以得到末端的位姿。

運動學的逆解：給定末端的運動位置和姿態(tài)，求解各關(guān)節(jié)的運轉(zhuǎn)角度。設末端的坐標為（xp，yp），姿態(tài)角ɑ=θ1+θ2+θ3，確定各關(guān)節(jié)的角度θ，其位姿矩陣為[3]：

在已知末端坐標和姿態(tài)角及連桿參數(shù)下，求解位姿矩陣，就可得到各關(guān)節(jié)的運動角度，在求解時，得到的解可能有多個，這時要根據(jù)各關(guān)節(jié)運動參數(shù)范圍來確定。

4.步態(tài)分析

根據(jù)人的下肢行走時與地面接觸情況，將人的行走過程分為[2]：承重反應期（0-15%）、站立中期（15%-40%）、站立末期（40%-50%）、邁步前期（50%-60%）、邁步初期（60%-70%）、邁步中期（70%-85%）、邁步末期（85%-100%）。

步態(tài)分析的目的就是根據(jù)步態(tài)不同區(qū)間建立該區(qū)間的動力模型，以確定控制系統(tǒng)輸出的驅(qū)動信息，達到驅(qū)動肢體運動的目的。

本設計運用數(shù)字圖像處理技術(shù)來獲得步態(tài)信息，通過在正常人髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)處做明顯的標志，通過攝像獲得連續(xù)一個周期的步態(tài)周圖像，運用背景差分法對圖像進行分析處理，得到步態(tài)曲線。

對各關(guān)節(jié)的時間-角度曲線進一步分析，可得到角速度-時間曲線。

5.控制策略

對于被動控制來說，設置運動的步幅、速度，來確定各關(guān)節(jié)運動角度;對于平衡訓練來講，通過傳感器來檢測健肢的運動信息，來控制患肢的運動;對于主動行走控制，是來檢測患肢的運動意圖，運用靈敏度放大的控制方式進行跟隨控制。

對于被動控制模式，控制方法主要采用pid算法，該算法非常成熟，這里就不敘述。主動控制模式，采用SAC靈敏度放大控制方法，該方法是有美國加州大學提出并成功應用于BLEEX下肢行走外骨骼上。這種控制方法是在傳統(tǒng)抗擾動靈敏度分析的基礎上發(fā)展而來的，是通過增加外骨骼控制系統(tǒng)對人體施加于其上的力或力矩的響應靈敏度從而實現(xiàn)外骨骼跟隨人體運動[5]。

建立SAC控制器的關(guān)鍵是建立外骨骼系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，我們知道，外骨骼的工作是由伺服電機驅(qū)動機械關(guān)節(jié)進行的，所以外骨骼的傳遞函數(shù)可以視為直流伺服電機的傳遞函數(shù)，模型如下[6]：

6.控制流程

7.總結(jié)

本文論述了平衡偏癱下肢康復訓練器的組成、模型以及控制原理和流程;設計了被動、平衡、主動3種訓練模式，以更好地適用偏癱患者的訓練;尤其是用健肢運動狀態(tài)來控制患肢的運動，使患者更好的掌握平衡，步態(tài)更趨于合理;主動模式采用了具有自學習能力的ASC控制方法，使患者訓練時能感到舒適，自然。

參考文獻：

[1]我國康復機器人的現(xiàn)狀 、機遇和未來，賢集網(wǎng)2021-06-16

[2]蔡廣文等編著.中風康復訓練手冊，世界圖書出版公司，2009-10-1

[3]張宏亮.外骨骼式老年人輔助行走裝置設計研究，南京理工大學學位論文，2011.3

[4]董慧穎.機器人原理與技術(shù)，機械工業(yè)出版社2014年9

[5]Kazerooni H.，Racine J.-L.，Huag Lihua，Steger R.，On the Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton （BLEEX）[J].Proceedings of the 2005 IEEE Intermationgal Conference on Robotcs and Automation.2005，4;18-22

[6]留錦波，張承惠。電機與拖動[M].北京：清華大學出版社，2006

作者簡介：

馮超，1987.10，陜西西安人，男，漢，本科，研究方向：機電設備設計與實施，職稱：電氣工程師。

馬早，1988.07，女，漢，河南 鄭州人，本科，研究方向：機電設備運行與管理，職稱：機械助理工程師。