劉 鵬，葛小青，李 宇?，趙佳欣

(1 中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所， 北京 100094； 2 中國科學院大學, 北京 100049； 3 東北大學機械工程與自動化學院， 沈陽 110819)

康復機器人的研究一直是機器人領(lǐng)域的一個重要話題，由于這是一個多學科交叉的領(lǐng)域，國內(nèi)外許多研究者都對康復機器人的不同方面展開了研究，其中包括針對康復機器人訓練過程的控制策略。從控制效果來分，可以將其分為被動康復訓練控制與主動康復訓練控制。被動康復訓練是指康復機器人帶動人體手臂進行康復訓練的方式；主動訓練指的是人體手臂發(fā)力，康復機器人提供輔助或阻力的訓練方式[1]。

與外骨骼助力系統(tǒng)的控制不同，康復機器人的運動控制對接觸力的要求更為嚴格。對于進行康復治療的患者來說，接觸力的施加方式會影響到康復的效果。對此，亞利桑那州立大學、哈佛大學等對康復機器人的訓練控制進行了相關(guān)研究，其中的大多數(shù)學者側(cè)重于對設(shè)計的機構(gòu)本體進行運動補償，他們將康復機器人的運動機構(gòu)分別進行，由局部控制到整體控制。Huang等[2]利用氣動人工肌肉開發(fā)手臂康復裝置,能實現(xiàn)在肩、肘、腕共有4個自由度的康復運動，該裝置只能為患者提供被動的上肢康復運動，非常經(jīng)濟適用而且方便在家庭環(huán)境進行康復訓練，如今該團隊的上肢康復機器人已經(jīng)進行到第4代。文獻[3]設(shè)計出一款基于鮑登線驅(qū)動的上肢可穿戴外骨骼，但由于鮑登線本身存在摩擦并且有延時驅(qū)動的缺點，該文獻提出一種新的控制方案——分層控制來解決這個問題，通過這個方法實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的助力。分層控制方案主要分為3層：上層、中層、底層。上層是一個主動阻抗控制用來識別穿戴者意圖，中層用來補償鮑登線的延時，底層用來補償鮑登線內(nèi)部的摩擦力。

中國的哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、浙江大學、華中科技大學等高校也對康復機器人的訓練方式展開研究，其中大部分研究的方向側(cè)重于對運動算法的設(shè)計與驗證。文獻[4]針對7自由度康復機械臂設(shè)計自適應阻抗控制策略，在理論上證明比傳統(tǒng)阻抗控制能取得更好的效果。文獻[5]提出基于模糊邏輯的實時在線安全監(jiān)測控制方法，提取相關(guān)運動特征，評估受訓患肢狀態(tài)穩(wěn)定情況,安全監(jiān)控模糊控制器能實現(xiàn)正常擾動情況下的控制期望力調(diào)節(jié)以及突發(fā)情況下的緊急響應，通過基于位置的阻抗控制策略實現(xiàn)患肢與機器人末端的柔順性。文獻[6]對被動控制策略和半主動控制策略展開研究。通過分析人體上肢神經(jīng)肌肉運動及感知機理，建立人體上肢神經(jīng)肌肉及各關(guān)節(jié)的運動模型。提出主從機械手欠運動自由度匹配方法，改善主從異構(gòu)機械手在運動奇異點、關(guān)節(jié)運動極限點等運動空間的控制性能，實現(xiàn)柔性外骨骼與從機械手之間的運動協(xié)調(diào)。文獻[7]氣動人工肌肉采用拮抗肌對的方式實現(xiàn)單關(guān)節(jié)的雙向運動，即每個關(guān)節(jié)的雙向運動都需要同時控制兩根氣動人工肌肉來實現(xiàn)，提出一種伴隨狀態(tài)樹的方法以消除結(jié)點能量的線性相關(guān)性，避免類內(nèi)離散度矩陣奇異問題。在采集4路手臂肌電信號的基礎(chǔ)上，選取結(jié)點能量作為運動意圖特征，實現(xiàn)基于主動運動意圖的人上肢康復機器人交互控制,并驗證算法的實用性。

本文通過對國內(nèi)外康復機器人的設(shè)計與控制策略的研究，設(shè)計一款氣動人工肌肉驅(qū)動的上肢康復機器人，并設(shè)計兩種不同的主動康復訓練策略。

康復機器人領(lǐng)域?qū)Π踩缘囊筝^高，與傳統(tǒng)電機驅(qū)動的康復機器人相比，氣動人工肌肉作為新型驅(qū)動器具有較高的安全性及良好的柔順性正受到研究者的青睞，但由于氣動肌肉存在非線性與遲滯等缺點是阻礙其推廣的瓶頸，從而尋找一種可靠的控制方法是一項亟待解決的技術(shù)難題。本文將直接力控制與阻抗控制應用于氣動人工肌肉的驅(qū)動，得到較好的實驗效果。

1 康復機器人硬件平臺設(shè)計

上肢康復機器人的設(shè)計主要包含4部分：手臂部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、肩部結(jié)構(gòu)設(shè)計、背部支架設(shè)計和腰部托架的設(shè)計。其中手臂部件包括肩關(guān)節(jié)、上臂、前臂、手部托架、肘部氣動人工肌肉驅(qū)動器、腕部氣動人工肌肉驅(qū)動器；肩部由兩塊能相對轉(zhuǎn)動的弧形板組成；背部支架包括兩塊背部橫梁，主要起支撐、固定與連接作用；腰部支架主要由兩部分末端有弧度的鈑金件構(gòu)成，起到固定與連接的作用?？祻蜋C器人概圖如圖1所示[2,8-11]。最終的實驗樣機如圖2所示。

圖1 上肢康復機器人概圖Fig.1 Schematic of robot

圖2 上肢康復機器人實物圖Fig.2 Overview of the rehabilitative robot

2 上肢康復機器人性能

上肢康復機器人不僅能用于單個手臂的康復訓練，還能用于雙臂的康復訓練。而且大部分結(jié)構(gòu)采用鋁合金材質(zhì)，重量輕、方便拆卸，不僅能滿足醫(yī)療機構(gòu)對康復訓練的要求，對于移動不便的患者還能在家庭環(huán)境中進行康復訓練。上肢康復機器人的性能指標如表1所示。

表1 康復機器人性能指標Table 1 Performance index of the rehabilitation robot

雙臂康復機器人的運動范圍如圖3所示，從圖中可以看出雙臂康復機器人的運動范圍肘關(guān)節(jié)的有效行程為5°～90°，腕關(guān)節(jié)的有效行程為15°～70°。左臂、右臂的負載力均為12 kg，成年人體的手臂重量為4～6 kg，滿足負載要求。左臂與右臂的關(guān)節(jié)在2 bar氣壓下的運動速度為：右臂肘關(guān)節(jié)0.371 rad/s，右臂腕關(guān)節(jié)0.240 rad/s，左臂肘關(guān)節(jié)0.297 rad/s，左臂腕關(guān)節(jié)0.192 rad/s。

圖3 康復機器人充氣狀態(tài)Fig.3 Inflatable state of the rehabilitation robot

3 上肢康復機器人主動康復訓練

在患者手臂康復中期，患者手臂恢復了部分機能，有一定的自行抬起手臂的能力。此時，采取以康復機器人為輔、人手臂為主的康復訓練模式。簡而言之，康復機器人在此階段的訓練中只起輔助運動或增加阻力的功能。將這種康復訓練模式稱為主動康復訓練模式，患者的手臂康復訓練對接觸力有一定的要求，而且接觸力對機器人的運動軌跡有影響，他們之間的相互作用關(guān)系對康復訓練的效果有很大影響。

3.1 康復機器人直接力控制

患者穿戴上手臂進行康復訓練，這種訓練模式可以讓患者對接觸力的大小有直觀的感受。人和康復機器人在運動過程中將機器人等效成外界環(huán)境，那么人體手臂對環(huán)境產(chǎn)生力，這個力的大小對患者來說十分重要，會直接影響患者使用的舒適程度。在這種直接力控制的方式中，期望機器人跟隨人體手臂的運動，給予患者以微小阻力的形式。因此，采用力傳感器測量人施加在機器人的作用力，并設(shè)計控制器根據(jù)這個力的大小控制機器人的運動，從而使得人對機器人的作用力保持在較小的范圍內(nèi)[12-13]。根據(jù)控制要求，可以得到人機交互模型的控制原理圖，如圖4所示。

圖4 康復機器人的直接力控制原理圖Fig.4 Schematic of mechanical arm direct force control

不考慮其他力矩的干擾，得到人機交互模型的動力學模型

(1)

合外力矩表示成驅(qū)動器對康復機器人施加的力矩Ta加上人對機器人施加的力矩Tr；其中人對康復機器人施加的力矩Tr可以表示成

Tr=J(θ)Tfe.

(2)

式中:J(θ)為機器人的雅克比矩陣，fe為在操作空間中人作用于康復機器人的力。

設(shè)計的控制律為

(3)

基于比例控制設(shè)計為

τ=Kffe.

(4)

式中：fe為接觸力，可以由多維力/力矩傳感器(或其他壓力傳感器)測得。將式(3)、式(4)代入(1)可以得到

(5)

3.2 康復機器人的阻抗控制

這種算法可以從兩個角度去理解。一方面，將位置上的誤差認為是產(chǎn)生力的原因，用這種方式設(shè)計的控制器認為是阻抗控制器，從這個角度來看實質(zhì)是將出現(xiàn)的位置誤差轉(zhuǎn)化為力誤差，將力誤差信號導入控制器中，從而通過修正后的力去消除位置誤差，實現(xiàn)位置控制[14]；從另一方面，認為力誤差是產(chǎn)生位置誤差的原因，從這個因果關(guān)系來看，用這種關(guān)系設(shè)計的控制器認為是導納控制器，這種控制方式將接觸的力誤差轉(zhuǎn)化為位置修正量，從而修正期望位置，實現(xiàn)力控制[15]。兩種方式具有結(jié)構(gòu)和控制效果上的對偶性，都能處理上肢康復機器人，無論哪種方式設(shè)計的控制器都需要將接觸力信息作為控制量輸入到控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)機器人對環(huán)境的順應，達到理想的柔順控制效果。

我們基于第一種思想設(shè)計了康復機器人的控制律，阻抗控制的原理如圖5所示。

圖5 阻抗控制原理圖Fig.5 Schematic of impendence control

康復機器人在康復訓練過程中，對力的控制優(yōu)先等級大于對位置控制的優(yōu)先等級。這種控制方式是基于力的阻抗控制。根據(jù)機器人末端位置和機器人與環(huán)境(人對機器人作用力)作用力之間的關(guān)系，通過調(diào)整反饋的位置誤差、速度誤差或剛度達到控制力的目的[16]。

機器人的動力學方程是一個二階微分的形式，所以目標阻抗也選用一個線性二階系統(tǒng)

(6)

式中:M、B、K分別表示機器人的目標慣性、目標阻尼、目標剛度矩陣。dx表示機器人目標位置與當前位置之間的位移。

當人與機器人發(fā)生接觸時，手臂的動力學方程可以表示為

(7)

得到控制律為

(8)

4 實驗結(jié)果分析

4.1 直接力控制實驗

實驗平臺如圖6所示，薄膜壓力傳感器安裝在康復機器人末端處繃帶上下兩側(cè)，當患者進行康復訓練時，與患者手部上下有接觸，用于檢測力的大小與方向，每個手臂由4個電磁閥控制充放氣，其中2個控制充氣，另外2個控制放氣。當人體手臂向上運動時，P1大于P2，壓力向上，氣動人工肌肉根據(jù)力的大小轉(zhuǎn)換成PWM信號值，控制電磁閥的開合，實現(xiàn)充氣，手臂向上抬起；當P2大于P1，壓力向下，控制另一組電磁閥的開合，人工肌肉放氣，手臂向下運動。實驗流程如圖7所示。程序采用周期循環(huán)的模式，采樣周期為0.001 s，為了處理數(shù)據(jù)方便，定義P=P1-P2，當P大于0.1時，說明力的方向向上；當P小于-0.1時，說明力的方向向下。當力的方向向上時，根據(jù)力的大小轉(zhuǎn)化成PWM信號，控制氣動人工肌肉的充氣；當力的方向向下時，根據(jù)力的大小轉(zhuǎn)化成PWM信號，控制氣動人工肌肉放氣。

圖6 實驗平臺示意圖Fig.6 Schematic of experimental platform

圖7 實驗流程圖Fig.7 Experimental flow chart

實驗效果如圖8所示，在進行康復訓練時，手臂向上或向下運動，康復機器人給穿戴者提供阻力。薄膜壓力傳感器的讀數(shù)P如圖9所示。

從圖9可以看出，實驗者在手臂穿戴上康復機器人進行訓練時，圖中由于力的正負轉(zhuǎn)變2次，說明實驗者進行了2次抬起、放下的動作，即2個周期的康復訓練。在第1個周期內(nèi)，阻力的絕對值大小在1 N之內(nèi)；第2個周期內(nèi)阻力的絕對大小在1～1.5 N之間。與用電機作為驅(qū)動器的康復機器人相比，由于氣動肌肉存在遲滯，在一定程度上減小了力的突變，力的變化速率較小，讓患者有更舒適的訓練。

4.2 阻抗控制實驗

阻抗實驗如圖10所示，同樣地，當手臂在進行康復訓練時，隨機地在某個時間段內(nèi)加入一障礙物，測試康復機器人的性能。

薄膜壓力傳感器的讀數(shù)P如圖11所示?？祻蜋C器人的設(shè)定的軌跡為正弦運動軌跡。當沒有障礙物時，此時的康復訓練類似于被動康復訓練，以跟蹤軌跡為目的。康復機器人按系統(tǒng)設(shè)定的軌跡進行運動。

圖8 穿戴實驗圖Fig.8 Wear experimental diagram of the right arm

圖9 薄膜壓力傳感器數(shù)值Fig.9 Numerical values of the film pressure sensor

阻抗控制算法大多數(shù)應用于電機驅(qū)動的康復機器人，而氣動肌肉驅(qū)動的康復機器人由于本身的遲滯讓患者與機器人的接觸力更穩(wěn)定，為了比較兩個驅(qū)動器在阻抗控制算法的效果，讓康復機器人輔助患者進行以某一恒力進行訓練，將系統(tǒng)的接觸力設(shè)定為1 N。分別將阻抗控制算法應用于電機驅(qū)動與氣動人工肌肉驅(qū)動的康復機器人，從圖11可以發(fā)現(xiàn)，阻抗控制算法在氣動人工肌肉中驅(qū)動的康復機器人表現(xiàn)更穩(wěn)定，從而保證了康復訓練的舒適性。與電機控制的康復機器人相比，阻抗控制在氣動人工肌肉驅(qū)動器的條件下能達到更好的實驗效果。

圖10 阻抗實驗Fig.10 Impedance control trial

圖11 左臂薄膜壓力傳感器的讀數(shù)Fig.11 The readings on the left arm membrane pressure sensor

5 總結(jié)

本文所設(shè)計的4自由度上肢康復機器人，結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量較輕、穿戴方便，將氣動人工肌肉作為驅(qū)動器，提高了系統(tǒng)的安全性；康復機器人移動方便，適用于在各種室內(nèi)場合進行康復訓練。通過對主動康復訓練的研究，采用直接力控制及阻抗控制算法設(shè)計兩種康復訓練模式，并進行相關(guān)實驗分析，兩種訓練方式均產(chǎn)生預期的實驗結(jié)果，驗證了主動康復訓練的效果。