劉慶祥，郭冰菁,2，韓建海,2,3，李向攀,2，黃明祥

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.河南省機(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；3.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471003）

近年來，經(jīng)循證醫(yī)學(xué)證明鏡像療法是一種有效的臨床治療方法，可用于腦卒中后單側(cè)忽略癥患者或偏癱患者的上肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)［1］。鏡像療法的原理是：利用一面鏡子反射健肢動(dòng)作，讓患者產(chǎn)生患肢運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)覺，以刺激其大腦產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)意識(shí)，從而促使患肢運(yùn)動(dòng)功能重建。鏡像療法有效性的內(nèi)在機(jī)制是人體大腦鏡像神經(jīng)元的激活，從而促進(jìn)大腦神經(jīng)的可塑性［2-3］。鏡像療法已被廣泛應(yīng)用于人體上肢康復(fù)的臨床治療。但傳統(tǒng)的鏡像治療存在一定的局限性：第一，患肢實(shí)際上是無法移動(dòng)的，僅通過運(yùn)動(dòng)想象來促使大腦神經(jīng)元重塑；第二，鏡像是通過鏡子反射產(chǎn)生的，因鏡像裝置的限制，臨床治療效果的穩(wěn)定性會(huì)受到影響。因此，鏡像療法的實(shí)施亟須尋求創(chuàng)新突破［4］。

目前，已有很多學(xué)者針對(duì)鏡像療法的有效實(shí)施提出了多種方法，可歸納為以下2類。一類是將鏡像療法與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，使患者產(chǎn)生身臨其境的沉浸感，增加康復(fù)治療的趣味性。如：岡山大學(xué)的Kenji等［5］開發(fā)了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)鏡像視覺反饋系統(tǒng)，其由計(jì)算機(jī)、手部動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)手套、手臂移動(dòng)跟蹤定位系統(tǒng)、顯示器和虛擬訓(xùn)練游戲系統(tǒng)組成，患者通過穿戴數(shù)據(jù)手套來控制虛擬場景中的手臂移動(dòng)，利用運(yùn)動(dòng)想象產(chǎn)生患肢抓取的錯(cuò)覺。該系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行手腕和手指功能的康復(fù)訓(xùn)練。奧塔哥大學(xué)的Hoermann等［6］開發(fā)了一個(gè)用于手部運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練的鏡像系統(tǒng)，通過攝像頭采集健康手的圖像，并在液晶屏幕上顯示其鏡像圖像，然后基于Unity3D軟件設(shè)計(jì)虛擬鏡像場景，以進(jìn)行患肢手部的鏡像康復(fù)治療。另一類是將鏡像療法與上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)合，使用機(jī)器人進(jìn)行輔助訓(xùn)練有利于上肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鏡像療法中患肢不能動(dòng)的缺陷，促進(jìn)了視覺和本體感覺的整合。如：Beom等［7］設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的穿戴式兩軸機(jī)器人，用于偏癱患者手臂的康復(fù)訓(xùn)練。該機(jī)器人的原理為：健肢一側(cè)的傳感器將位姿信息轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信號(hào)并傳遞給患肢一側(cè)的機(jī)器人，以使患肢和健肢同步移動(dòng)，通過兩肢體間的空間耦合效應(yīng)促進(jìn)患肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)（其作用機(jī)制是在鏡像神經(jīng)元作用下，一側(cè)肢體傾向于采用另一側(cè)肢體的空間特征）。在采用機(jī)器人輔助訓(xùn)練的鏡像治療中，機(jī)器人通過鏡像對(duì)稱的映射運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)患肢運(yùn)動(dòng)，形成雙側(cè)肢協(xié)同運(yùn)動(dòng)模式，使得未受損的大腦半球與受損的大腦半球相互作用，從而更好地誘導(dǎo)大腦運(yùn)動(dòng)皮層網(wǎng)絡(luò)的重組，促進(jìn)皮層神經(jīng)的可塑性［8-10］。

綜上所述，健肢運(yùn)動(dòng)鏡像的虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)和機(jī)器人輔助患者雙側(cè)肢協(xié)同運(yùn)動(dòng)均能有效改善傳統(tǒng)鏡像療法的不足，提高康復(fù)效率?；诖耍P者通過將鏡像康復(fù)理論、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)三者有效結(jié)合，提出了一種體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可穿戴式動(dòng)作捕捉設(shè)備快速獲取患者健肢的位姿信息，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將健肢與健肢鏡像運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)到虛擬場景中，同時(shí)使用氣動(dòng)機(jī)械臂牽引患肢作鏡像運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)體感交互式鏡像康復(fù)訓(xùn)練。

1 上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人僅能根據(jù)醫(yī)師設(shè)置的康復(fù)軌跡機(jī)械地重復(fù)動(dòng)作［11］，患者只能被動(dòng)地作跟隨運(yùn)動(dòng)。但是由于患者存在個(gè)體差異，偏癱程度不同的患者使用時(shí)應(yīng)對(duì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)定的期望軌跡做出調(diào)整，以增加康復(fù)過程中的舒適性［12］。因此，在康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人輔助患者康復(fù)治療的過程中，如何實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互、人機(jī)共融已成為迫切的需求。為了使康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人更好地服務(wù)患者以及實(shí)現(xiàn)自然有效的人機(jī)交互，提出一種體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，其總體布局如圖1所示。

圖1 體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的總體布局Fig.1 Overall layout of somatosensory interactive upperlimb mirror rehabilitation training robot system

體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)主要包括主控計(jì)算機(jī)（搭載虛擬現(xiàn)實(shí)體感交互平臺(tái)）、控制器、可穿戴式動(dòng)作捕捉設(shè)備、二自由度氣動(dòng)機(jī)械臂和工作臺(tái)。其中，可穿戴式動(dòng)作捕捉設(shè)備主要用于采集患者健肢的位姿信息；氣動(dòng)機(jī)械臂為平面連桿結(jié)構(gòu)，其關(guān)節(jié)由擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)，其末端與患肢末端（手部）相連，通過末端牽引的方法進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練［13］。在主控計(jì)算機(jī)端搭載的虛擬現(xiàn)實(shí)體感交互平臺(tái)中建立實(shí)時(shí)同步的人體模型以及康復(fù)訓(xùn)練虛擬場景，然后基于人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法將患者健肢位姿信息換算為鏡像后氣動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，并生成相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送至氣動(dòng)機(jī)械臂的控制器，以實(shí)時(shí)控制氣動(dòng)機(jī)械臂帶動(dòng)患肢作鏡像運(yùn)動(dòng)。

所設(shè)計(jì)的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)適用于上肢偏癱患者。該系統(tǒng)以患者健肢為主端，通過動(dòng)作捕捉設(shè)備將健肢動(dòng)作輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)體感交互平臺(tái)中，健肢動(dòng)作被鏡像映射為患肢動(dòng)作并同步到虛擬場景中，虛擬場景中的健肢鏡像動(dòng)作通過視覺反饋給患者，以刺激患者大腦中控制患肢運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鏡像治療。同時(shí)，健肢動(dòng)作的鏡像映射軌跡作為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的期望軌跡，由機(jī)器人帶動(dòng)患肢作鏡像運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)患肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的鏡像治療和機(jī)器人輔助訓(xùn)練，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用人體大腦和肢體雙閉環(huán)的康復(fù)思想，在實(shí)現(xiàn)視覺反饋的鏡像治療的同時(shí)促使雙側(cè)肢協(xié)同運(yùn)動(dòng)，有利于患者大腦皮層神經(jīng)元重塑和患肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。此外，由于健肢運(yùn)動(dòng)更符合患肢自身的用手習(xí)慣，使用健肢運(yùn)動(dòng)映射控制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更具有個(gè)性化特征［14］。

2 上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)組成

體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件主要包括主控計(jì)算機(jī)、LinksRT半實(shí)物仿真機(jī)、比例壓力閥、旋轉(zhuǎn)編碼器、擺動(dòng)氣缸和VD_Suit動(dòng)作捕捉設(shè)備，如圖2所示。

圖2 體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Control system block diagram of somatosensory interactive upper-limb mirror rehabilitation training robot

體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制系統(tǒng)基于VD_Suit動(dòng)作捕捉設(shè)備采集的患者健肢的位姿信息，實(shí)現(xiàn)健肢與氣動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)映射；以LinksRT半實(shí)物仿真機(jī)作為控制器，其中，PCI-6602計(jì)數(shù)器板用于采集旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)以獲取氣動(dòng)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度，PCI-6251多功能采集板卡用于采集擺動(dòng)氣缸的壓力信號(hào)，PCI-6216模擬量輸出卡用于控制比例壓力閥的出口壓力，從而控制氣動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)?；贛ATLAB/Simulink軟件建立氣動(dòng)機(jī)械臂的控制模型，并在實(shí)際搭建的物理樣機(jī)上完成半實(shí)物仿真，可以方便地調(diào)試控制算法，從而快速地驗(yàn)證其有效性。

2.2 控制策略設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是柔順性好，其被廣泛應(yīng)用于各類柔性場合。氣動(dòng)系統(tǒng)能夠在完成作業(yè)任務(wù)的同時(shí)保證使用者的安全和對(duì)環(huán)境的友好性。但是，由于氣體的可壓縮性大，使得氣動(dòng)系統(tǒng)在控制穩(wěn)定性方面較電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差。另外，氣動(dòng)系統(tǒng)的低阻尼比特性使其伺服控制的響應(yīng)不夠穩(wěn)定。當(dāng)氣缸低速工作時(shí)，因受摩擦力矩的強(qiáng)非線性和低阻尼特性的影響，氣缸在響應(yīng)過程中出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)合適的控制策略來改善氣動(dòng)系統(tǒng)的伺服控制響應(yīng)特性尤為重要。根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)的特性，本文氣動(dòng)機(jī)械臂采用PD（proportional differential，比例微分）+速度前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?，如圖3所示。其中，PD控制能夠增大系統(tǒng)阻尼，提高穩(wěn)定性；速度前饋補(bǔ)償可有效消除系統(tǒng)的遲滯，從而滿足康復(fù)軌跡跟蹤的控制需求。

圖3 氣動(dòng)機(jī)械臂的PD+速度前饋補(bǔ)償控制策略框圖Fig.3 Block diagram of PD+speed feedforward compensation control strategy of pneumatic manipulator

基于圖3，PD+速度前饋補(bǔ)償控制策略可表示為：

式中：θd（k）為氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的期望角度；d（k）為氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的期望角速度；θ（k）為氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)際角度；u（k）為比例壓力閥的控制電壓；KP為比例增益；KD為微分增益；KV為速度前饋增益；e（k）為位置誤差。

3 人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法

體感交互式上肢鏡像康復(fù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)鏡像控制的關(guān)鍵是獲取穩(wěn)定的患者健肢位姿信息，并通過運(yùn)動(dòng)映射算法將其轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)機(jī)械臂的期望軌跡。本文通過VD_Suit動(dòng)作捕捉設(shè)備來采集患者健肢的位姿信息［15］，將其映射為氣動(dòng)機(jī)械臂末端的位置并規(guī)劃氣動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)體感交互控制。

運(yùn)動(dòng)映射的目的是讓氣動(dòng)機(jī)械臂牽引患者患肢按健肢的鏡像運(yùn)動(dòng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練［16］。目前，常用的運(yùn)動(dòng)映射方法主要包括末端映射、關(guān)節(jié)映射和關(guān)鍵點(diǎn)映射。對(duì)于主端和從端結(jié)構(gòu)不一致（異構(gòu)）的遙操作系統(tǒng)，無法在關(guān)節(jié)空間中建立二者的映射關(guān)系。在所設(shè)計(jì)的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)中，氣動(dòng)機(jī)械臂與患者健肢為異構(gòu)映射，且采用末端牽引的方式帶動(dòng)患肢，故本文選擇末端映射的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是映射算法簡單，且不需要考慮主、從端的結(jié)構(gòu)和角度關(guān)系。在笛卡爾坐標(biāo)系中，建立患者健肢末端位置與氣動(dòng)機(jī)械臂末端位置的映射關(guān)系，即將健肢末端的工作空間與氣動(dòng)機(jī)械臂末端的工作空間進(jìn)行配準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)健肢末端位姿與氣動(dòng)機(jī)械臂末端位姿的對(duì)應(yīng)［17］。一般情況下，運(yùn)動(dòng)映射需要分別建立主、從端的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和工作空間，通過設(shè)計(jì)人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法來將健肢末端位置轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)機(jī)械臂末端的目標(biāo)位置，隨后通過求解運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解來規(guī)劃其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以實(shí)現(xiàn)主從跟隨運(yùn)動(dòng)。在本文的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)中，動(dòng)作捕捉設(shè)備將采集到的患者健肢的位姿信息直接傳輸至虛擬場景中的人體模型，而后Unity3D軟件（搭載非常強(qiáng)大的物理和動(dòng)畫引擎）直接提取健肢末端的位姿信息，無須進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。綜上，提出一種基于工作空間的人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法，如圖4所示。其中：為患者健肢末端Pm在健肢工作坐標(biāo)系下的位置；為患肢末端Ps在患肢工作坐標(biāo)系下的期望位置（由健肢末端位置鏡像映射得到）；XP、YP為氣動(dòng)機(jī)械臂末端P在機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的位置（由患肢末端期望位置經(jīng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后得到）。

第三，社團(tuán)缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)，發(fā)展勢頭不強(qiáng)勁。調(diào)查中61.9%的人認(rèn)為社團(tuán)活動(dòng)凝聚力低，社會(huì)輻射力差。主要原因在于對(duì)學(xué)生社團(tuán)組織發(fā)展缺乏理性的指導(dǎo)，雖然每個(gè)社團(tuán)都配備1～2名指導(dǎo)教師，但高校在社團(tuán)管理辦法中，對(duì)指導(dǎo)教師的責(zé)權(quán)利等缺乏明確規(guī)定，未能充分調(diào)動(dòng)指導(dǎo)教師的積極性，有些指導(dǎo)教師對(duì)社團(tuán)活動(dòng)從不參與或指導(dǎo)很少。社團(tuán)是自發(fā)組織，學(xué)生缺乏系統(tǒng)的思想理論，在建設(shè)社團(tuán)過程中難免發(fā)展后勁不足。

圖4 基于工作空間的人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法Fig.4 Human-machine mirror motion mapping algorithm based on workspace

主、從端工作空間的匹配是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)遙操作系統(tǒng)有效控制的基礎(chǔ)［18-19］。在本文的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)中，主端健肢穿戴的動(dòng)作捕捉設(shè)備的工作空間為三維空間，可采集360°全方位的位姿信息，而從端氣動(dòng)機(jī)械臂末端只能作平面移動(dòng)且可達(dá)范圍有限，因此須對(duì)通過動(dòng)作捕捉設(shè)備獲取的健肢末端工作空間進(jìn)行限定［20］：忽略垂直于工作臺(tái)的Z向位移，將健肢末端的工作空間限定在與氣動(dòng)機(jī)械臂末端工作空間對(duì)應(yīng)的一定范圍的平面內(nèi)，僅將健肢末端在該平面內(nèi)的位移視為有效信號(hào)。對(duì)氣動(dòng)機(jī)械臂末端的工作空間進(jìn)行分析，并建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。二自由度氣動(dòng)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)及各坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖5所示。其中：XOY為世界坐標(biāo)系，X1O1Y1為以氣動(dòng)機(jī)械臂大臂關(guān)節(jié)為原點(diǎn)構(gòu)建的基坐標(biāo)系，X2O2Y2為以氣動(dòng)機(jī)械臂小臂關(guān)節(jié)為原點(diǎn)構(gòu)建的坐標(biāo)系。

圖5 二自由度氣動(dòng)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡圖及坐標(biāo)系構(gòu)建Fig.5 Structure diagram of two-degree-of-freedom pneumatic manipulator and coordinate system construction

利用幾何法建立二自由度氣動(dòng)機(jī)械臂末端的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可表示為：

式中：θ1、θ2分別為氣動(dòng)機(jī)械臂大、小臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以逆時(shí)針方向?yàn)檎?；L1、L2分別為氣動(dòng)機(jī)械臂大、小臂的長度。

根據(jù)二自由度氣動(dòng)機(jī)械臂末端的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，得到其末端的工作空間，如圖6所示。

對(duì)于基于工作空間的人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法，需要將人體健肢末端的位置映射到牽引患肢的氣動(dòng)機(jī)械臂末端的工作空間中，建立健肢末端與氣動(dòng)機(jī)械臂末端工作空間的鏡像映射關(guān)系，如圖7所示。圖中：XmOmYm為健肢工作坐標(biāo)系，XsOsYs為患肢工作坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸方向相同。

基于工作空間的人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法采用點(diǎn)到點(diǎn)的方式控制氣動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)?；谏鲜龆x的坐標(biāo)系，得到健肢工作坐標(biāo)系與患肢工作坐標(biāo)系的鏡像變換矩陣sTm：

式中：KX、KY為X、Y向上的比例映射系數(shù)。

式中：Pm為健肢末端在健肢工作坐標(biāo)系中的位置矢量；Ps為患肢末端在患肢工作坐標(biāo)系中的位置矢量。

當(dāng)氣動(dòng)機(jī)械臂工作時(shí)，其末端與患肢末端相連。為了求解氣動(dòng)機(jī)械臂末端在基坐標(biāo)系X1O1Y1中的位置，需對(duì)患肢末端位置矢量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程如下：

式中：P為氣動(dòng)機(jī)械臂末端在基坐標(biāo)系X1O1Y1中位置矢量；Pso為患肢工作坐標(biāo)系原點(diǎn)在基坐標(biāo)系X1O1Y1中的位置矢量；Rs為患肢工作坐標(biāo)系XsOsYs與基坐標(biāo)系X1O1Y1的旋轉(zhuǎn)矩陣。

設(shè)患肢工作坐標(biāo)系XsOsYs相對(duì)于氣動(dòng)機(jī)械臂基坐標(biāo)系X1O1Y1的旋轉(zhuǎn)角為φ，則旋轉(zhuǎn)矩陣可表示為：

通過求氣動(dòng)機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解可得到其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。利用幾何法求得氣動(dòng)機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，根據(jù)其工作情況，取，可得：

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了測試體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的性能，搭建了如圖8所示的樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，其由主控計(jì)算機(jī)、LinksRT仿真機(jī)（內(nèi)置控制器及擴(kuò)展板卡）、二自由度氣動(dòng)機(jī)械臂和VD_Suit動(dòng)作捕捉設(shè)備組成。該上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)有被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練兩種模式。其中：對(duì)于被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式，氣動(dòng)機(jī)械臂末端的軌跡完全按照動(dòng)作捕捉設(shè)備采集的患者健肢末端位置信息（或理療師的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作軌跡）映射得到；對(duì)于主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式，患者患肢具有一定的運(yùn)動(dòng)功能，患者可主動(dòng)跟隨健肢運(yùn)動(dòng)過程，自適應(yīng)調(diào)節(jié)氣動(dòng)機(jī)械臂控制的阻抗系數(shù)，提高患肢在康復(fù)過程中的參與度。由于軌跡控制是機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)，首先通過單關(guān)節(jié)軌跡跟蹤試驗(yàn)來分析上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)跟蹤特性，然后通過復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃試驗(yàn)對(duì)其多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行驗(yàn)證，最后通過鏡像康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法和控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖8 體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Somatosensory interactive upper limb mirror rehabilitation training robot system prototype test platform

4.2 單關(guān)節(jié)軌跡跟蹤試驗(yàn)

為保證氣動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，須對(duì)PD+速度前饋補(bǔ)償?shù)目刂扑惴ㄟM(jìn)行參數(shù)調(diào)整。為了測試氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤響應(yīng)特性，根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練中人體上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度和康復(fù)運(yùn)動(dòng)周期，選擇峰值為40°、周期為6 s的正弦信號(hào)作為氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的期望軌跡信號(hào)，對(duì)其2個(gè)關(guān)節(jié)單獨(dú)進(jìn)行軌跡跟蹤試驗(yàn)。氣動(dòng)系統(tǒng)氣源壓力設(shè)為0.6 MPa，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，氣動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤曲線如圖9所示。

圖9 氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)軌跡對(duì)比Fig.9 Trajectory comparison of pneumatic manipulator joints

表1 氣動(dòng)機(jī)械臂的PD+速度前饋補(bǔ)償控制參數(shù)Table 1 PD+speed feedforward compensation control parameters of pneumatic manipulator

通過對(duì)比基于PD控制和PD+速度前饋補(bǔ)償控制的氣動(dòng)機(jī)械臂單關(guān)節(jié)軌跡跟蹤曲線，可以看出采用PD+速度前饋補(bǔ)償控制后氣動(dòng)機(jī)械臂的遲滯得到了明顯優(yōu)化；拐點(diǎn)處關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度存在誤差是因?yàn)楫?dāng)關(guān)節(jié)進(jìn)行屈/伸轉(zhuǎn)換時(shí)，擺動(dòng)氣缸需要換向，此時(shí)比例壓力閥兩端的壓差變化較大，且在換向過程中存在的摩擦及沖擊等不確定性因素，導(dǎo)致氣動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤存在誤差。采用PD+速度前饋補(bǔ)償控制時(shí)，氣動(dòng)機(jī)械臂大、小臂關(guān)節(jié)軌跡跟蹤的平均誤差分別為0.8°和1.5°，軌跡跟蹤的均方根誤差分別為0.8°和1.0°。由此可以看出，基于比例壓力控制的氣動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)跟蹤特性符合康復(fù)訓(xùn)練的要求。

4.3 復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃試驗(yàn)

在上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的安全工作空間內(nèi)，以康復(fù)訓(xùn)練時(shí)常用的平面畫圓動(dòng)作為例規(guī)劃訓(xùn)練軌跡，軌跡圓心在氣動(dòng)機(jī)械臂基坐標(biāo)系X1O1Y1中的坐標(biāo)為（308.15，0）m、軌跡半徑100 mm。該圓形軌跡的函數(shù)表達(dá)式為：

為了使氣動(dòng)機(jī)械臂具有較好的運(yùn)動(dòng)特性，即保證其速度與加速度連續(xù)，利用S形曲線對(duì)氣動(dòng)機(jī)械臂末端的軌跡進(jìn)行插值處理。然后基于氣動(dòng)機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，求解其2個(gè)關(guān)節(jié)的角位移規(guī)劃曲線，從而獲得復(fù)合運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軌跡。由于樣機(jī)處于試驗(yàn)階段，選擇多位健康人員進(jìn)行試驗(yàn)。本文選取其中2位測試者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測試者1：身高為168 m，體重為65 kg；測試者2：身高為175 m，體重為75 kg。設(shè)定運(yùn)動(dòng)周期為10 s，則規(guī)劃的氣動(dòng)機(jī)械臂末端軌跡如圖10中實(shí)線所示。測試者1使用時(shí)氣動(dòng)機(jī)械臂末端的實(shí)際軌跡如圖10中虛線所示，測試者2使用時(shí)氣動(dòng)機(jī)械臂末端的實(shí)際軌跡如圖10中點(diǎn)線所示。

測試者1和測試者2使用時(shí)，氣動(dòng)機(jī)械臂末端X、Y向的軌跡分別如圖11（a）和圖11（b）所示。畫圓的康復(fù)動(dòng)作是氣動(dòng)機(jī)械臂大、小臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，大、小臂關(guān)節(jié)軌跡的變化曲線分別如圖11（c）和圖11（d）所示。對(duì)比試驗(yàn)曲線可知，曲線平滑連續(xù)，無突變及抖動(dòng)現(xiàn)象氣動(dòng)，氣動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，跟蹤誤差主要出現(xiàn)在剛開始和結(jié)束處，開始時(shí)比例壓力閥送入擺動(dòng)氣缸兩腔的氣體的壓差變化大，導(dǎo)致氣動(dòng)機(jī)械臂不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生了較大的誤差；而結(jié)束時(shí)壓差變化小導(dǎo)致氣動(dòng)機(jī)械臂因驅(qū)動(dòng)力不足而無法克服系統(tǒng)阻尼，從而產(chǎn)生了較大的誤差。

圖11 做畫圓動(dòng)作時(shí)氣動(dòng)機(jī)械臂末端X、Y向軌跡及其關(guān)節(jié)軌跡對(duì)比Fig.11 Comparison of X and Y directional trajectories of end and joint trajectories of pneumatic manipulator during drawing a circle

表2所示為測試者做畫圓動(dòng)作時(shí)氣動(dòng)機(jī)械臂的軌跡跟蹤誤差。其中：在測試者1使用時(shí)，氣動(dòng)機(jī)械臂末端X、Y向位置的平均誤差分別為1.5 mm和4.3 mm，均方根誤差分別為1.6 mm和5.4 mm；大、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的平均誤差分別為0.8°和1.5°，均方根誤差分別為0.7°和1.3°。在測試者2使用時(shí)，氣動(dòng)機(jī)械臂末端X、Y向位置的平均誤差分別為1.1 mm和3.5 mm，均方根誤差分別為1.4 mm和2.2 mm；大、小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的平均誤差分別為0.7°和1.2°，均方根誤差分別為0.6°和0.9°。通過對(duì)比各項(xiàng)誤差可知，對(duì)于不同使用者，氣動(dòng)機(jī)械臂的軌跡跟蹤誤差均較小，均符合系統(tǒng)要求，說明所設(shè)計(jì)的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)具有普適性。在實(shí)驗(yàn)中，不同人使用時(shí)氣動(dòng)機(jī)械臂軌跡跟蹤誤差不同主要是因?yàn)轶w重的影響，測試者2較重，導(dǎo)致氣動(dòng)機(jī)械臂阻尼增大，這在一定程度上改善了氣動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在機(jī)器人輔助的雙側(cè)上肢訓(xùn)練中，考慮增加驅(qū)動(dòng)柔性采用的氣壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在運(yùn)動(dòng)過程中的位置精度及軌跡跟蹤精度、速度均滿足上肢康復(fù)訓(xùn)練的要求。

4.4 鏡像康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械臂牽引患肢跟隨健肢作同步的鏡像運(yùn)動(dòng)，首先建立主控計(jì)算機(jī)中的虛擬環(huán)境與仿真機(jī)之間的TCP（transmission control protocol，傳輸控制協(xié)議）通信，其次根據(jù)動(dòng)作捕捉設(shè)備采集的健肢位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像運(yùn)動(dòng)映射，得到氣動(dòng)機(jī)械臂末端的位置信息，然后通過TCP通信傳輸給仿真機(jī)，通過求運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到氣動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，最后控制比例壓力閥對(duì)氣動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)。

同樣由健康人進(jìn)行鏡像康復(fù)訓(xùn)練功能的驗(yàn)證。操作者穿戴動(dòng)作捕捉設(shè)備坐在樣機(jī)前方，一側(cè)手（主手，模擬患者健肢）放在桌面初始位置，另一側(cè)手（從手）抓住氣動(dòng)機(jī)械臂末端。對(duì)動(dòng)作捕捉設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定后，主手在桌面有效工作空間內(nèi)作一系列平面運(yùn)動(dòng)，基于采集的位姿信息，通過人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法得到氣動(dòng)機(jī)械臂末端的軌跡，并與其實(shí)際軌跡進(jìn)行對(duì)比。本試驗(yàn)中，操作者主手畫方形圖案作為康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用動(dòng)作捕捉設(shè)備采集相應(yīng)的位姿信息，氣動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡由旋轉(zhuǎn)編碼器反饋?？祻?fù)訓(xùn)練時(shí)氣動(dòng)機(jī)械臂末端的映射軌跡及實(shí)際軌跡如圖12所示。

圖12 康復(fù)訓(xùn)練時(shí)氣動(dòng)機(jī)械臂末端的軌跡對(duì)比Fig.12 Trajectory comparison of pneumatic manipulator end during rehabilitation training

由圖12可知，由于人體上肢運(yùn)動(dòng)具有一定的抖動(dòng)，所映射的期望軌跡是不規(guī)則的，但氣動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)跟蹤性能良好，使得偏差在康復(fù)訓(xùn)練允許范圍之內(nèi)；氣動(dòng)機(jī)械臂的康復(fù)動(dòng)作與主手動(dòng)作相符，可以較好地進(jìn)行相同動(dòng)作的牽引訓(xùn)練。通過對(duì)比驗(yàn)證了氣動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)跟蹤響應(yīng)的快速性、穩(wěn)定性和可行性，表明所設(shè)計(jì)的人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法和控制策略是有效的。

5 結(jié)論

本文開發(fā)的體感交互式上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便以及控制方式新穎?；颊呖梢灾苯油ㄟ^穿戴動(dòng)作捕捉設(shè)備采集健肢位姿信息來控制氣動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而輔助患者進(jìn)行雙側(cè)肢協(xié)同運(yùn)動(dòng)的鏡像訓(xùn)練，使鏡像療法與機(jī)器人輔助訓(xùn)練相輔相成。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，動(dòng)作捕捉設(shè)備獲取人體上肢位姿信息后，通過人機(jī)鏡像運(yùn)動(dòng)映射算法能夠有效地將健肢位姿信息轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，并牽引患肢完成康復(fù)訓(xùn)練。所設(shè)計(jì)的PD+速度前饋補(bǔ)償控制算法實(shí)現(xiàn)了氣壓機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，其在運(yùn)動(dòng)過程中的軌跡跟蹤誤差較小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能滿足康復(fù)訓(xùn)練的要求。后續(xù)將在主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式下對(duì)輔助力控制和機(jī)器人阻抗控制方面開展進(jìn)一步研究。由于目前仍處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，并未開展臨床試驗(yàn)，為更全面地評(píng)價(jià)該上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的效果，還有待進(jìn)一步開展臨床試驗(yàn)。