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)重點實驗室，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動功能恢復(fù)［1］。鏡像療法的原理是：利用一面鏡子反射健肢動作，讓患者產(chǎn)生患肢運動的錯覺，以刺激其大腦產(chǎn)生運動意識，從而促使患肢運動功能重建。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，患肢實際上是無法移動的，僅通過運動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)定性會受到影響。因此，鏡像療法的實施亟須尋求創(chuàng)新突破［4］。

目前，已有很多學(xué)者針對鏡像療法的有效實施提出了多種方法，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)了一個虛擬現(xiàn)實鏡像視覺反饋系統(tǒng)，其由計算機(jī)、手部動作捕捉數(shù)據(jù)手套、手臂移動跟蹤定位系統(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，利用運動想象產(chǎn)生患肢抓取的錯覺。該系統(tǒng)可同時進(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)了一個用于手部運動功能康復(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)練有利于上肢運動功能的恢復(fù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鏡像療法中患肢不能動的缺陷，促進(jìn)了視覺和本體感覺的整合。如：Beom等［7］設(shè)計了一個可以實時運動的穿戴式兩軸機(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，通過兩肢體間的空間耦合效應(yīng)促進(jìn)患肢運動功能的恢復(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)器人通過鏡像對稱的映射運動來帶動患肢運動，形成雙側(cè)肢協(xié)同運動模式，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)大腦運動皮層網(wǎng)絡(luò)的重組，促進(jìn)皮層神經(jīng)的可塑性［8-10］。

綜上所述，健肢運動鏡像的虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)和機(jī)器人輔助患者雙側(cè)肢協(xié)同運動均能有效改善傳統(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)實技術(shù)將健肢與健肢鏡像運動呈現(xiàn)到虛擬場景中，同時使用氣動機(jī)械臂牽引患肢作鏡像運動，以實現(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)動作［11］，患者只能被動地作跟隨運動。但是由于患者存在個體差異，偏癱程度不同的患者使用時應(yīng)對康復(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)主要包括主控計算機(jī)（搭載虛擬現(xiàn)實體感交互平臺）、控制器、可穿戴式動作捕捉設(shè)備、二自由度氣動機(jī)械臂和工作臺。其中，可穿戴式動作捕捉設(shè)備主要用于采集患者健肢的位姿信息；氣動機(jī)械臂為平面連桿結(jié)構(gòu)，其關(guān)節(jié)由擺動氣缸驅(qū)動，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］。在主控計算機(jī)端搭載的虛擬現(xiàn)實體感交互平臺中建立實時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)鏡像運動映射算法將患者健肢位姿信息換算為鏡像后氣動機(jī)械臂的運動軌跡，并生成相應(yīng)的控制信號發(fā)送至氣動機(jī)械臂的控制器，以實時控制氣動機(jī)械臂帶動患肢作鏡像運動。

所設(shè)計的上肢鏡像康復(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，通過動作捕捉設(shè)備將健肢動作輸入到虛擬現(xiàn)實體感交互平臺中，健肢動作被鏡像映射為患肢動作并同步到虛擬場景中，虛擬場景中的健肢鏡像動作通過視覺反饋給患者，以刺激患者大腦中控制患肢運動的神經(jīng)元，從而實現(xiàn)數(shù)字化鏡像治療。同時，健肢動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)器人帶動患肢作鏡像運動，促進(jìn)患肢運動功能恢復(fù)。相對于傳統(tǒng)的鏡像治療和機(jī)器人輔助訓(xùn)練，所設(shè)計的系統(tǒng)采用人體大腦和肢體雙閉環(huán)的康復(fù)思想，在實現(xiàn)視覺反饋的鏡像治療的同時促使雙側(cè)肢協(xié)同運動，有利于患者大腦皮層神經(jīng)元重塑和患肢運動功能恢復(fù)。此外，由于健肢運動更符合患肢自身的用手習(xí)慣，使用健肢運動映射控制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運動更具有個性化特征［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算機(jī)、LinksRT半實物仿真機(jī)、比例壓力閥、旋轉(zhuǎn)編碼器、擺動氣缸和VD_Suit動作捕捉設(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動作捕捉設(shè)備采集的患者健肢的位姿信息，實現(xiàn)健肢與氣動機(jī)械臂的運動映射；以LinksRT半實物仿真機(jī)作為控制器，其中，PCI-6602計數(shù)器板用于采集旋轉(zhuǎn)編碼器信號以獲取氣動機(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氣缸的壓力信號，PCI-6216模擬量輸出卡用于控制比例壓力閥的出口壓力，從而控制氣動機(jī)械臂運動。基于MATLAB/Simulink軟件建立氣動機(jī)械臂的控制模型，并在實際搭建的物理樣機(jī)上完成半實物仿真，可以方便地調(diào)試控制算法，從而快速地驗證其有效性。

2.2 控制策略設(shè)計

氣動系統(tǒng)最大的優(yōu)點是柔順性好，其被廣泛應(yīng)用于各類柔性場合。氣動系統(tǒng)能夠在完成作業(yè)任務(wù)的同時保證使用者的安全和對環(huán)境的友好性。但是，由于氣體的可壓縮性大，使得氣動系統(tǒng)在控制穩(wěn)定性方面較電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)差。另外，氣動系統(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，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)計合適的控制策略來改善氣動系統(tǒng)的伺服控制響應(yīng)特性尤為重要。根據(jù)氣動系統(tǒng)的特性，本文氣動機(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）為氣動機(jī)械臂關(guān)節(jié)的期望角度；d（k）為氣動機(jī)械臂關(guān)節(jié)的期望角速度；θ（k）為氣動機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實際角度；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)鏡像運動映射算法

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

運動映射的目的是讓氣動機(jī)械臂牽引患者患肢按健肢的鏡像運動進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練［16］。目前，常用的運動映射方法主要包括末端映射、關(guān)節(jié)映射和關(guān)鍵點映射。對于主端和從端結(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)計的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)中，氣動機(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患肢，故本文選擇末端映射的方法。該方法的優(yōu)點是映射算法簡單，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機(jī)械臂末端的工作空間進(jìn)行配準(zhǔn)，從而實現(xiàn)健肢末端位姿與氣動機(jī)械臂末端位姿的對應(yīng)［17］。一般情況下，運動映射需要分別建立主、從端的運動學(xué)方程和工作空間，通過設(shè)計人機(jī)鏡像運動映射算法來將健肢末端位置轉(zhuǎn)換成氣動機(jī)械臂末端的目標(biāo)位置，隨后通過求解運動學(xué)逆解來規(guī)劃其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，以實現(xiàn)主從跟隨運動。在本文的上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)中，動作捕捉設(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)雜的運動學(xué)建模。綜上，提出一種基于工作空間的人機(jī)鏡像運動映射算法，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)活動凝聚力低，社會輻射力差。主要原因在于對學(xué)生社團(tuán)組織發(fā)展缺乏理性的指導(dǎo)，雖然每個社團(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)動指導(dǎo)教師的積極性，有些指導(dǎo)教師對社團(tuán)活動從不參與或指導(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)鏡像運動映射算法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，而從端氣動機(jī)械臂末端只能作平面移動且可達(dá)范圍有限，因此須對通過動作捕捉設(shè)備獲取的健肢末端工作空間進(jìn)行限定［20］：忽略垂直于工作臺的Z向位移，將健肢末端的工作空間限定在與氣動機(jī)械臂末端工作空間對應(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。對氣動機(jī)械臂末端的工作空間進(jìn)行分析，并建立其運動學(xué)模型。二自由度氣動機(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為以氣動機(jī)械臂大臂關(guān)節(jié)為原點構(gòu)建的基坐標(biāo)系，X2O2Y2為以氣動機(jī)械臂小臂關(guān)節(jié)為原點構(gòu)建的坐標(biāo)系。

圖5 二自由度氣動機(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機(jī)械臂末端的正運動學(xué)方程，可表示為：

式中：θ1、θ2分別為氣動機(jī)械臂大、小臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，以逆時針方向為正向；L1、L2分別為氣動機(jī)械臂大、小臂的長度。

根據(jù)二自由度氣動機(jī)械臂末端的正運動學(xué)方程，得到其末端的工作空間，如圖6所示。

對于基于工作空間的人機(jī)鏡像運動映射算法，需要將人體健肢末端的位置映射到牽引患肢的氣動機(jī)械臂末端的工作空間中，建立健肢末端與氣動機(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)鏡像運動映射算法采用點到點的方式控制氣動機(jī)械臂運動?；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)氣動機(jī)械臂工作時，其末端與患肢末端相連。為了求解氣動機(jī)械臂末端在基坐標(biāo)系X1O1Y1中的位置，需對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相對于氣動機(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：

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

4 試驗驗證

4.1 樣機(jī)試驗平臺搭建

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)試驗平臺，其由主控計算機(jī)、LinksRT仿真機(jī)（內(nèi)置控制器及擴(kuò)展板卡）、二自由度氣動機(jī)械臂和VD_Suit動作捕捉設(shè)備組成。該上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)有被動康復(fù)訓(xùn)練和主動康復(fù)訓(xùn)練兩種模式。其中：對于被動康復(fù)訓(xùn)練模式，氣動機(jī)械臂末端的軌跡完全按照動作捕捉設(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)練動作軌跡）映射得到；對于主動康復(fù)訓(xùn)練模式，患者患肢具有一定的運動功能，患者可主動跟隨健肢運動過程，自適應(yīng)調(diào)節(jié)氣動機(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)軌跡跟蹤試驗來分析上肢鏡像康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的運動跟蹤特性，然后通過復(fù)合運動軌跡規(guī)劃試驗對其多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行驗證，最后通過鏡像康復(fù)訓(xùn)練試驗對所設(shè)計的人機(jī)鏡像運動映射算法和控制策略的有效性進(jìn)行驗證。

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)試驗平臺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

為保證氣動機(jī)械臂運動的穩(wěn)定性，須對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)活動度和康復(fù)運動周期，選擇峰值為40°、周期為6 s的正弦信號作為氣動機(jī)械臂關(guān)節(jié)的期望軌跡信號，對其2個關(guān)節(jié)單獨進(jìn)行軌跡跟蹤試驗。氣動系統(tǒng)氣源壓力設(shè)為0.6 MPa，試驗參數(shù)如表1所示，氣動機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤曲線如圖9所示。

圖9 氣動機(jī)械臂關(guān)節(jié)軌跡對比Fig.9 Trajectory comparison of pneumatic manipulator joints

表1 氣動機(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

通過對比基于PD控制和PD+速度前饋補(bǔ)償控制的氣動機(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)償控制后氣動機(jī)械臂的遲滯得到了明顯優(yōu)化；拐點處關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度存在誤差是因為當(dāng)關(guān)節(jié)進(jìn)行屈/伸轉(zhuǎn)換時，擺動氣缸需要換向，此時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，氣動機(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機(jī)械臂的運動跟蹤特性符合康復(fù)訓(xùn)練的要求。

4.3 復(fù)合運動軌跡規(guī)劃試驗

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)練時常用的平面畫圓動作為例規(guī)劃訓(xùn)練軌跡，軌跡圓心在氣動機(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：

為了使氣動機(jī)械臂具有較好的運動特性，即保證其速度與加速度連續(xù)，利用S形曲線對氣動機(jī)械臂末端的軌跡進(jìn)行插值處理。然后基于氣動機(jī)械臂的逆運動學(xué)方程，求解其2個關(guān)節(jié)的角位移規(guī)劃曲線，從而獲得復(fù)合運動規(guī)劃軌跡。由于樣機(jī)處于試驗階段，選擇多位健康人員進(jìn)行試驗。本文選取其中2位測試者的試驗數(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)定運動周期為10 s，則規(guī)劃的氣動機(jī)械臂末端軌跡如圖10中實線所示。測試者1使用時氣動機(jī)械臂末端的實際軌跡如圖10中虛線所示，測試者2使用時氣動機(jī)械臂末端的實際軌跡如圖10中點線所示。

測試者1和測試者2使用時，氣動機(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)動作是氣動機(jī)械臂大、小臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動的合成運動，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。對比試驗曲線可知，曲線平滑連續(xù)，無突變及抖動現(xiàn)象氣動，氣動機(jī)械臂運動平穩(wěn)，跟蹤誤差主要出現(xiàn)在剛開始和結(jié)束處，開始時比例壓力閥送入擺動氣缸兩腔的氣體的壓差變化大，導(dǎo)致氣動機(jī)械臂不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生了較大的誤差；而結(jié)束時壓差變化小導(dǎo)致氣動機(jī)械臂因驅(qū)動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 做畫圓動作時氣動機(jī)械臂末端X、Y向軌跡及其關(guān)節(jié)軌跡對比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作時氣動機(jī)械臂的軌跡跟蹤誤差。其中：在測試者1使用時，氣動機(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，氣動機(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°。通過對比各項誤差可知，對于不同使用者，氣動機(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。在實驗中，不同人使用時氣動機(jī)械臂軌跡跟蹤誤差不同主要是因為體重的影響，測試者2較重，導(dǎo)致氣動機(jī)械臂阻尼增大，這在一定程度上改善了氣動系統(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)動柔性采用的氣壓驅(qū)動關(guān)節(jié)，在運動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

為實現(xiàn)氣動機(jī)械臂牽引患肢跟隨健肢作同步的鏡像運動，首先建立主控計算機(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)動作捕捉設(shè)備采集的健肢位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像運動映射，得到氣動機(jī)械臂末端的位置信息，然后通過TCP通信傳輸給仿真機(jī)，通過求運動學(xué)逆解得到氣動機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，最后控制比例壓力閥對氣動機(jī)械臂各關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服驅(qū)動。

同樣由健康人進(jìn)行鏡像康復(fù)訓(xùn)練功能的驗證。操作者穿戴動作捕捉設(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）抓住氣動機(jī)械臂末端。對動作捕捉設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定后，主手在桌面有效工作空間內(nèi)作一系列平面運動，基于采集的位姿信息，通過人機(jī)鏡像運動映射算法得到氣動機(jī)械臂末端的軌跡，并與其實際軌跡進(jìn)行對比。本試驗中，操作者主手畫方形圖案作為康復(fù)訓(xùn)練的運動軌跡，利用動作捕捉設(shè)備采集相應(yīng)的位姿信息，氣動機(jī)械臂運動軌跡由旋轉(zhuǎn)編碼器反饋?？祻?fù)訓(xùn)練時氣動機(jī)械臂末端的映射軌跡及實際軌跡如圖12所示。

圖12 康復(fù)訓(xùn)練時氣動機(jī)械臂末端的軌跡對比Fig.12 Trajectory comparison of pneumatic manipulator end during rehabilitation training

由圖12可知，由于人體上肢運動具有一定的抖動，所映射的期望軌跡是不規(guī)則的，但氣動機(jī)械臂的運動跟蹤性能良好，使得偏差在康復(fù)訓(xùn)練允許范圍之內(nèi)；氣動機(jī)械臂的康復(fù)動作與主手動作相符，可以較好地進(jìn)行相同動作的牽引訓(xùn)練。通過對比驗證了氣動機(jī)械臂運動跟蹤響應(yīng)的快速性、穩(wěn)定性和可行性，表明所設(shè)計的人機(jī)鏡像運動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。患者可以直接通過穿戴動作捕捉設(shè)備采集健肢位姿信息來控制氣動機(jī)械臂運動，從而輔助患者進(jìn)行雙側(cè)肢協(xié)同運動的鏡像訓(xùn)練，使鏡像療法與機(jī)器人輔助訓(xùn)練相輔相成。經(jīng)試驗驗證，動作捕捉設(shè)備獲取人體上肢位姿信息后，通過人機(jī)鏡像運動映射算法能夠有效地將健肢位姿信息轉(zhuǎn)換為氣動機(jī)械臂的運動軌跡，并牽引患肢完成康復(fù)訓(xùn)練。所設(shè)計的PD+速度前饋補(bǔ)償控制算法實現(xiàn)了氣壓機(jī)械臂的運動控制，其在運動過程中的軌跡跟蹤誤差較小，運動平穩(wěn)，能滿足康復(fù)訓(xùn)練的要求。后續(xù)將在主動康復(fù)訓(xùn)練模式下對輔助力控制和機(jī)器人阻抗控制方面開展進(jìn)一步研究。由于目前仍處于實驗室試驗階段，并未開展臨床試驗，為更全面地評價該上肢鏡像康復(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。