一種新型踝關節康復機器人其控制方法與流程
2023-10-07 02:33:19
本發明屬於康復機器人技術領域，涉及一種新型踝關節康復機器人其控制方法。
背景技術：
康復機器人是一類輔助病患或老年人進行日常鍛鍊的自動化裝置。近年來，機器人輔助物理治療的研究方興未艾，主要源於康復訓練是一項大量重複性的工作，康復師工作量大且容易疲憊，而這一類型工作正是機器人的強項。踝關節康復機器人便是典型代表。踝關節是人體保持步態平衡和承重的重要關節，具有繞解剖平面三自由度的旋轉運動功能。踝關節扭傷是一種常見的下肢運動損傷，且具有恢復緩慢的特點。利用機器人技術進行踝關節輔助康復訓練，便於康復師制定多種針對性康復訓練方案，同時可以定量化地評估和收集訓練數據，對於損傷患者的快速康復具有重要意義。
針對踝關節輔助康復訓練，國內外很多學者對此進行了研究，並研製成功了多種不同構型、不同控制方法的康復設備。girone在1999年基於六自由度的stewart機構研製了「rutgersankle」機器人[1]，並利用力反饋技術和虛擬實境技術構建了多種訓練場景，可實現平衡、力量、靈活性訓練。該設備成功利用並聯機構作為踝部康復設備，但是具有多餘自由度，帶來控制複雜性。其氣動驅動方式並不適合醫療或家用環境要求的靜音、便攜特點。liu在2006年利用三自由度並聯機構3rss/s研製了電機驅動的踝關節康復設備，結構較為緊湊[2]。saglia2009年研製了兩自由度並聯康復機器人[3]，該設備具有三支鏈，冗餘驅動的特點。其關節驅動採用了一種新型的繩驅動將電機轉動轉化為活塞直線運動的裝置。根據踝關節的生理結構，多數學者提出的康復設備均採用三轉動自由度的配置形式。tsoi提出了一種3-ups結構的並聯康復設備，並討論了自適應的交互控制方法[4]。李大順將3-rss機構用於踝關節康復機器人的研製[5]。曾達幸提出了一種pu-crru-crrr機構，具有三自由度並聯解耦的特點[6]。
踝關節術後康復一般分為早期、中期、後期三個階段，病患會循序漸進地恢復關節活動範圍和肌肉力量。在早期階段，康復訓練一般被動活動為主；而在中後期階段，則主動活動為主，被動活動為輔。因此，康復機器人的控制方式分為主動和被動兩種方式，分別控制機器人末端的運動軌跡和輸出力/力矩。saglia開發的康復設備採用位置控制方式，機器人引導患者踝關節運動套，適應於早期康復訓練。胡進將康復機器人的力控制分為力位混合控制和阻抗控制兩種方法[7]。ju利用模糊控制器實現了兩自由度康復機器人的力位混合控制[8]。tsoi則採用阻抗控制方式，施加一定的阻力到患者踝部，從而實現患者的主動訓練[4]。
踝關節康復機器人的工作空間和自由度配置必須與踝關節的結構和運動特性保持一致。通常，踝關節的運動可認為是繞著三個解剖平面（即額狀面、矢狀面、水平面）的法線方向旋轉運動，如圖1所示。其中，繞著矢狀面法線的旋轉稱為背伸/蹠屈運動；繞水平面法線的旋轉稱為外伸/內展運動，繞額狀面法線的旋轉稱為內翻/外翻運動。這三個解剖平面是相互正交的，所以踝關節的運動可等價於繞某一轉動中心做球面運動。如表1所示，每種運動的轉動範圍並不相同，但其運動範圍都比較小[9]。
表1踝關節各運動的角度範圍
參考文獻
[1]gironem,burdeag,bouzitm,etal.astewartplatform-basedsystemforankletelerehabilitation[j].autonomousrobots,2001,10(2):203-212.
[2]liug,gaoj,yueh,etal.designandkinematicssimulationofparallelrobotsforanklerehabilitation[c]mechatronicsandautomation,proceedingsofthe2006ieeeinternationalconferenceon.ieee,2006:1109-1113.
[3]sagliaja,tsagarakisng,daijs,etal.ahigh-performanceredundantlyactuatedparallelmechanismforanklerehabilitation[j].internationaljournalofroboticsresearch,2009,28(9):1216-1227.
[4]tsoiyh,xiesq.designandcontrolofaparallelrobotforanklerehabilitation.[j].internationaljournalofintelligentsystemstechnologies&applications,2010,8:100-113.
[5]李大順,李劍鋒,王颯,等.並聯3-rrs踝關節康復機構及運動分析[j].機械設計與製造,2015(8):4-8.
[6]曾達幸,胡志濤,侯雨雷,等.一種新型並聯式解耦踝關節康復機構及其優化[j].機械工程學報,2015(09):1-9.
[7]胡進,侯增廣,陳翼雄,等.下肢康復機器人及其交互控制方法[j].自動化學報,2014(11):2377-2390.
[8]jums,lincc,lindh,etal.arehabilitationrobotwithforce-positionhybridfuzzycontroller:hybridfuzzycontrolofrehabilitationrobot.[j].ieeetransactionsonneuralsystems&rehabilitationengineeringapublicationoftheieeeengineeringinmedicine&biologysociety,2005,13(3):349-358.
[9]s,siegler,j,chen,cd,schneck.thethree-dimensionalkinematicsandflexibilitycharacteristicsofthehumanankleandsubtalarjoints-parti:kinematics[j].journalofbiomechanicalengineering,1988,110(4):364-373。
技術實現要素：
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供一種新型踝關節康復機器人其控制方法，它具有三轉動自由度，並且工作空間應當滿足踝關節各運動的角度範圍；同時，還滿足踝關節轉動靈活性高、承載能力強的生理特點。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種新型踝關節康復機器人，包括電控箱、基座、驅動電機、編碼器、3-rrr球面並聯機構及腳部踏板；其中，3-rrr球面並聯機構位於底部基座及上方腳部踏板之間，3-rrr球面並聯機構具有三條相同的運動支鏈，每條支鏈由三個轉動副和兩個連杆組成，該3-rrr球面機構是一種典型的球面並聯機構（spm），具有三個純轉動自由度，且各轉動軸線交於一點，該點是3-rrr球面機構的轉動中心o點，每條運動支鏈的各個轉動副軸線也交於o點，首先，在轉動中心o點處建立固連於靜平臺的靜坐標系ox0y0z0，z0指向靜平臺的法線方向向上，x0指向o點與運動支鏈靠近靜平臺的轉動副中心連續在靜平臺上的投影方向，y0由右手定則確定，其次，在同樣在轉動中心o點處建立固連於動平臺的動坐標系ox0'y0'z0'，該坐標系會隨著動平臺的運動而運動，在初始位置，動坐標系與靜坐標系重合；
定義方向矢量ui(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連架杆與靜平臺之間轉動副的軸線方向；定義vi(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連杆與動平臺之間的轉動副的軸線方向；定義wi(i=1,2,3)，指向同一運動支鏈上兩連杆之間轉動副的軸線方向；
因為三條運動支鏈完全相同，所以對其結構參數研究時，可以將3-rrr機構的簡化為一條支鏈作為研究對象，單條運動支鏈共有四個結構參數：
α1——連架杆兩端轉動副軸線的夾角；
α2——連杆兩端轉動副軸線的夾角；
β1——方向矢量ui與靜平臺法線方向oh的夾角；
β2——方向矢量vi與靜平臺法線方向oh'的夾角；
這些結構參數對機構的工作空間、靈活度產生影響，為了獲得較好的靈活度指標，同時考慮到機構對稱性，對四個參數進行尺寸綜合，確定優化結果為α1=90°，α2=90°，β1=54°，β2=54°，此時3-rrr球面並聯機構呈現正交特點，方向矢量vi垂直於wi；
將各條運動支鏈的驅動輸入定義為θi(i=1,2,3)，因為3-rrr球面並聯機構為純轉動機構，可用歐拉角表示其動平臺的姿態角，採用zxy歐拉角[ϕ,θ,ψ]來表示姿態，動坐標系ox0'y0'z0'相對於靜坐標系ox0y0z0的坐標變換過程為：
（1）坐標系ox0y0z0繞z0轉動ϕ角，得到中間坐標系ox1y1z1；
（2）坐標系ox1y1z1繞x1軸轉動θ角，得到中間坐標系ox2y2z2；
（3）坐標系ox2y2z2繞y2軸轉動ψ角，得到動坐標系ox0'y0'z0'；
由以上變換過程可以寫出從定坐標系ox0y0z0繫到動坐標系ox0'y0'z0'的旋轉矩陣re：
。
所述3-rrr球面並聯機構具有一個靜平臺和一個動平臺，基座與3-rrr球面並聯機構的靜平臺固定相連，動平臺則與腳部踏板固定相連。
所述運動支鏈靠近靜平臺的連杆為連架杆。
在3-rrr球面並聯結構中還增加了一條支鏈，由一個球運動副組成，球鉸的中心與3-rrr球面並聯機構的轉動中心重合，該支鏈並無驅動，主要用於優化機構剛度，增加承載能力。
一種新型踝關節康復機器人的控制方法，包括兩種康復模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式，分別適合踝關節損傷的病患在術後恢復前期和中後期的訓練治療，康復機器人本體結構、硬體、控制軟體及交互系統構成了完整的使用環境，硬體控制系統採用上下位機的架構方式，上位機是基於普通桌上型電腦或家用筆記本電腦，運行訓練虛擬場景計算、位置控制、運動學計算、力計算等高層控制算法；下位機則是基於嵌入式系統，執行編碼器採集、電機驅動控制、通信控制等底層控制算法；上下位機採用乙太網通信方式，可實現高速數據傳輸，且利於聯網操作和多機器人擴展；其中運動功能訓練模式的人機互動界面負責提供訓練者可視化的虛擬訓練場景，以提供一定沉浸感的訓練體驗。用戶通過人機互動界面選擇訓練模式，機器人運動規劃器根據訓練者的輸入，在資料庫中查找該模式對應的訓練計劃，運動規劃器根據訓練計劃設定的運動範圍、運動速度進行插值計算，輸出機器人動平臺姿態數據給運動學逆解模塊進行逆解計算，求得各個關節的控制量，並交由下位機的pid控制器進行位置控制，關節編碼器負責採集電機轉角，作為pid控制器的輸入，同時反饋到上位機的運動學正解模塊中，計算機器人動平臺的實時姿態，經過虛擬場景渲染，反饋到訓練者，提供具有沉浸感的訓練效果，從而有效提升訓練過程中的樂趣；踝關節康復的中後期則主要使用肌肉力量訓練模式，在該訓練模式下，不同於位置控制下的牽引運動，機器人須提供一種阻力給訓練者，康復機器人採用阻抗控制作為肌肉力量訓練時的力控模型，訓練者向康復機器人施加踝部運動，機器人則根據與訓練者腳部相連的動平臺姿態變化，計算反饋力並輸出給訓練者。採用經典的「質量-阻尼-彈簧」模型作為反饋力計算方法：
其中，f為機器人向訓練者反饋的力，m表示慣性係數，b表示阻尼係數，k表示剛度係數，x表示訓練者向機器人施加的運動；
反饋力f需經過靜力學反解，得到各個驅動關節的驅動力矩τi(i=1,2,3)，並最終轉換為電機電流進行伺服控制，根據虛功原理，有：
將公式（8）帶入公式（17）中，可得：
jt為機構的力雅可比矩陣，表示機器人動平臺輸出的反饋力矩與關節驅動力矩的映射關係；
康復訓練者與康復機器人的交互包括運動輸入、視覺反饋和力反饋，機器人工作在一種被動模式下，關節編碼器採集驅動電機轉角，經過運動學正解模塊計算機器人動平臺姿態角，輸入阻抗控制器模塊計算反饋力，並經過靜力學反解，計算關節的驅動力矩，經過底層的閉環控制實現反饋力的輸出。
所述訓練計劃文件是採用一種類自然語言的自定義腳本，存儲於資料庫中，具有良好的擴展性。對於不同病患的不同階段，康復師只需制定康復訓練計劃，即可轉換為腳本文件，供機器人運動規劃器調取作為機器人動平臺姿態規劃的依據。
本發明的有益效果是：採用3-rrr球面並聯機構作為機器人的基礎構型，具有靈活性好、剛度高、緊湊便攜，符合踝關節生理結構特徵等優點；在機構設計的基礎上完成了機械結構設計；完成了3-rrr球面並聯機構的建模分析，通過坐標變換矩陣和機構幾何約束方程推導了運動學逆解。針對並聯機構運動學正解求解困難的問題，根據機構關節空間和操作空間的速度映射關係，設計了一種迭代算法計算機構的運動學正解，通過算例證明了算法具有精度高、迭代速度快的特點；根據踝關節術後康復的不同時期，設計了兩種康復訓練模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式。運動功能訓練模式下採用位置控制方式建立機器人的控制系統結構；在肌肉力量訓練模式下採用阻抗控制方式，採用「質量-阻尼-彈簧」力模型，保證了機器人在被動工作下，與人交互具有良好的柔順性和安全性。
附圖說明
圖1踝關節運動自由度示意圖；
圖2是踝關節康復機器人結構示意圖；
圖3是3-rrr球面並聯機構建模圖；
圖4是運動功能訓練模式方框示意圖；
圖5肌肉力量訓練模式方框示意圖。
圖中：1-基座，2-3-rrr球面並聯機構，3-踏板，4-驅動電機，5-電控箱。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
參見圖1～圖5，一種新型踝關節康復機器人，包括電控箱5、基座1、驅動電機4、編碼器、3-rrr球面並聯機構2及腳部踏板3；其中，3-rrr球面並聯機構2位於底部基座1及上方腳部踏板3之間，3-rrr球面並聯機構2具有三條相同的運動支鏈，每條支鏈由三個轉動副和兩個連杆組成，該3-rrr球面機構是一種典型的球面並聯機構（spm），具有三個純轉動自由度，且各轉動軸線交於一點，該點是3-rrr球面機構的轉動中心o點，每條運動支鏈的各個轉動副軸線也交於o點，首先，在轉動中心o點處建立固連於靜平臺的靜坐標系ox0y0z0，z0指向靜平臺的法線方向向上，x0指向o點與運動支鏈靠近靜平臺的轉動副中心連續在靜平臺上的投影方向，y0由右手定則確定，其次，在同樣在轉動中心o點處建立固連於動平臺的動坐標系ox0'y0'z0'，該坐標系會隨著動平臺的運動而運動，在初始位置，動坐標系與靜坐標系重合；
定義方向矢量ui(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連架杆與靜平臺之間轉動副的軸線方向；定義vi(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連杆與動平臺之間的轉動副的軸線方向；定義wi(i=1,2,3)，指向同一運動支鏈上兩連杆之間轉動副的軸線方向。
因為三條運動支鏈完全相同，所以對其結構參數研究時，可以將3-rrr機構的簡化為一條支鏈作為研究對象，單條運動支鏈共有四個結構參數：
α1——連架杆兩端轉動副軸線的夾角；
α2——連杆兩端轉動副軸線的夾角；
β1——方向矢量ui與靜平臺法線方向oh的夾角；
β2——方向矢量vi與靜平臺法線方向oh'的夾角；
這些結構參數對機構的工作空間、靈活度產生影響，為了獲得較好的靈活度指標，同時考慮到機構對稱性，對四個參數進行尺寸綜合，確定優化結果為α1=90°，α2=90°，β1=54°，β2=54°，此時3-rrr球面並聯機構2呈現正交特點，方向矢量vi垂直於wi；
將各條運動支鏈的驅動輸入定義為θi(i=1,2,3)，因為3-rrr球面並聯機構2為純轉動機構，可用歐拉角表示其動平臺的姿態角，採用zxy歐拉角[ϕ,θ,ψ]來表示姿態，動坐標系ox0'y0'z0'相對於靜坐標系ox0y0z0的坐標變換過程為：
（1）坐標系ox0y0z0繞z0轉動ϕ角，得到中間坐標系ox1y1z1；
（2）坐標系ox1y1z1繞x1軸轉動θ角，得到中間坐標系ox2y2z2；
（3）坐標系ox2y2z2繞y2軸轉動ψ角，得到動坐標系ox0'y0'z0'；
由以上變換過程可以寫出從定坐標系ox0y0z0繫到動坐標系ox0'y0'z0'的旋轉矩陣re：
。
所述3-rrr球面並聯機構2具有一個靜平臺和一個動平臺，基座1與3-rrr球面並聯機構2的靜平臺固定相連，動平臺則與腳部踏板3固定相連。
所述運動支鏈靠近靜平臺的連杆為連架杆。
在3-rrr球面並聯結構中還增加了一條支鏈，由一個球運動副組成，球鉸的中心與3-rrr球面並聯機構2的轉動中心重合，該支鏈並無驅動，主要用於優化機構剛度，增加承載能力。
一種新型踝關節康復機器人的控制方法，包括兩種康復模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式，分別適合踝關節損傷的病患在術後恢復前期和中後期的訓練治療，康復機器人本體結構、硬體、控制軟體及交互系統構成了完整的使用環境，硬體控制系統採用上下位機的架構方式，上位機是基於普通桌上型電腦或家用筆記本電腦，運行訓練虛擬場景計算、位置控制、運動學計算、力計算等高層控制算法；下位機則是基於嵌入式系統，執行編碼器採集、電機驅動控制、通信控制等底層控制算法；上下位機採用乙太網通信方式，可實現高速數據傳輸，且利於聯網操作和多機器人擴展；其中運動功能訓練模式的人機互動界面負責提供訓練者可視化的虛擬訓練場景，以提供一定沉浸感的訓練體驗，用戶通過人機互動界面選擇訓練模式，機器人運動規劃器根據訓練者的輸入，在資料庫中查找該模式對應的訓練計劃，運動規劃器根據訓練計劃設定的運動範圍、運動速度進行插值計算，輸出機器人動平臺姿態數據給運動學逆解模塊進行逆解計算，求得各個關節的控制量，並交由下位機的pid控制器進行位置控制，關節編碼器負責採集電機轉角，作為pid控制器的輸入，同時反饋到上位機的運動學正解模塊中，計算機器人動平臺的實時姿態，經過虛擬場景渲染，反饋到訓練者，提供具有沉浸感的訓練效果，從而有效提升訓練過程中的樂趣；踝關節康復的中後期則主要使用肌肉力量訓練模式，在該訓練模式下，不同於位置控制下的牽引運動，機器人須提供一種阻力給訓練者，康復機器人採用阻抗控制作為肌肉力量訓練時的力控模型，訓練者向康復機器人施加踝部運動，機器人則根據與訓練者腳部相連的動平臺姿態變化，計算反饋力並輸出給訓練者。採用經典的「質量-阻尼-彈簧」模型作為反饋力計算方法：
其中，f為機器人向訓練者反饋的力，m表示慣性係數，b表示阻尼係數，k表示剛度係數，x表示訓練者向機器人施加的運動；
反饋力f需經過靜力學反解，得到各個驅動關節的驅動力矩τi(i=1,2,3)，並最終轉換為電機電流進行伺服控制，根據虛功原理，有：
將公式（8）帶入公式（17）中，可得：
jt為機構的力雅可比矩陣，表示機器人動平臺輸出的反饋力矩與關節驅動力矩的映射關係；
康復訓練者與康復機器人的交互包括運動輸入、視覺反饋和力反饋，機器人工作在一種被動模式下，關節編碼器採集驅動電機4轉角，經過運動學正解模塊計算機器人動平臺姿態角，輸入阻抗控制器模塊計算反饋力，並經過靜力學反解，計算關節的驅動力矩，經過底層的閉環控制實現反饋力的輸出。
所述訓練計劃文件是採用一種類自然語言的自定義腳本，存儲於資料庫中，具有良好的擴展性。對於不同病患的不同階段，康復師只需制定康復訓練計劃，即可轉換為腳本文件，供機器人運動規劃器調取作為機器人動平臺姿態規劃的依據。
本發明採用3-rrr球面並聯機構2作為機器人的基礎構型，具有靈活性好、剛度高、緊湊便攜，符合踝關節生理結構特徵等優點；在機構設計的基礎上完成了機械結構設計；完成了3-rrr球面並聯機構2的建模分析，通過坐標變換矩陣和機構幾何約束方程推導了運動學逆解。針對並聯機構運動學正解求解困難的問題，根據機構關節空間和操作空間的速度映射關係，設計了一種迭代算法計算機構的運動學正解，通過算例證明了算法具有精度高、迭代速度快的特點；根據踝關節術後康復的不同時期，設計了兩種康復訓練模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式。運動功能訓練模式下採用位置控制方式建立機器人的控制系統結構；在肌肉力量訓練模式下採用阻抗控制方式，採用「質量-阻尼-彈簧」力模型，保證了機器人在被動工作下，與人交互具有良好的柔順性和安全性。