陳天聰 韓建海 王會(huì)良

( 河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)，471003)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年新增腦卒中等神經(jīng)性系統(tǒng)疾病的患者高達(dá)300多萬(wàn)，且隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，腦卒中患者的人數(shù)會(huì)不斷增加[1-2]。大部分腦卒中患者經(jīng)過(guò)急性期的救治后，下肢功能會(huì)有不同程度的喪失，生活不能自理。國(guó)內(nèi)外大量的研究資料表明，大腦神經(jīng)區(qū)域具有一定的可塑性，通過(guò)一系列的康復(fù)訓(xùn)練，能最大程度地恢復(fù)或補(bǔ)償失去的功能[3]。

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是由理療師或醫(yī)護(hù)人員一對(duì)一完成的，這項(xiàng)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，康復(fù)效果很大程度上依賴于理療師的水平，訓(xùn)練強(qiáng)度不能保證，影響患者的康復(fù)效果[4]。本文針對(duì)下肢功能喪失的偏癱患者，在已搭建的臥式康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)平臺(tái)上，分析設(shè)計(jì)示教功能，使本設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠完成醫(yī)護(hù)人員的示教康復(fù)動(dòng)作，減輕醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

示教盒示教是機(jī)器人編程方法中最簡(jiǎn)單方便的一種，目前，對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑比較簡(jiǎn)單的機(jī)器人大多采用這種方法編程。示教編程器實(shí)際上是用戶操作機(jī)器人的手持設(shè)備，主要包括兩部分功能，一是以用戶設(shè)置的參數(shù)控制機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸來(lái)調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)；二是通過(guò)記錄機(jī)器人的位姿信息以及用戶設(shè)定的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序的生成與編輯[5-6]。對(duì)已有的臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，本設(shè)計(jì)是人機(jī)耦合的多剛體串聯(lián)運(yùn)動(dòng)模型，示教由經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師根據(jù)患者的具體病情自行設(shè)定康復(fù)動(dòng)作，示教過(guò)程以患者的下肢為基礎(chǔ)，必須滿足人體的生理約束，確保人身安全。本設(shè)計(jì)選用普通的Joystick，示教時(shí)將Joystick安裝在機(jī)器人腳的底部，操作時(shí)理療師可以依據(jù)患者的具體病情，以搖桿作為手持設(shè)備，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)示教，操作簡(jiǎn)單方便，經(jīng)濟(jì)適用。

1 機(jī)械平臺(tái)

臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)平臺(tái)是擬人化多剛體的四自由度關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，機(jī)器人本體由肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕部三部分組成。其中，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)各1個(gè)自由度，機(jī)器人的手腕部分有2個(gè)俯仰自由度[7],具體如圖1所示。

圖1 機(jī)械系統(tǒng)平臺(tái)

由圖1（a）的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖可知，電機(jī)1 與減速器1 直連，安裝在基座上，帶動(dòng)肩關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。后面三個(gè)電機(jī)與減速器的連接均采用帶傳動(dòng)的連接方式。電機(jī)2 通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速器2 旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)肘關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。減速器3與減速器4 十字交叉安裝，電機(jī)3通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速器3旋轉(zhuǎn)，電機(jī)4通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速器4旋轉(zhuǎn)，分別實(shí)現(xiàn)腕部的俯仰運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)3單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，可帶動(dòng)腳底板旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)腳部的背曲和趾曲運(yùn)動(dòng)。電機(jī)4單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，可帶動(dòng)腳底板旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)腳部的內(nèi)旋和外展。而電機(jī)1和電機(jī)2分別帶動(dòng)機(jī)器人大臂、小臂運(yùn)動(dòng)，可以使患者的下肢在一個(gè)鉛垂面的平面內(nèi)做康復(fù)動(dòng)作，同時(shí)腿部支撐和腳部支撐在電機(jī)3的驅(qū)動(dòng)下調(diào)整姿態(tài)，可以避免康復(fù)過(guò)程中因下肢遇到死點(diǎn)而挫傷患者下肢各關(guān)節(jié)。因此，本設(shè)計(jì)的機(jī)器人也可以看成是三自由度的平面關(guān)節(jié)機(jī)器人。圖1（b）是簡(jiǎn)單加工后的樣機(jī)實(shí)物照片，樣機(jī)中選用的電機(jī)均是帶13位增量光電編碼器的安川伺服交流電機(jī)。

運(yùn)動(dòng)控制卡GTS-800-PV(G)-PCI (固高科技公司)是以IBM-PC及其兼容機(jī)為主機(jī)，提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線，可以同時(shí)控制8個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制卡提供C語(yǔ)言等函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，還可以將這些控制函數(shù)與控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建造符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡自帶的A/D模塊可直接通過(guò)其提供的語(yǔ)言讀取狀態(tài)，應(yīng)用方便。

Joystick手柄(日本三和公司)實(shí)物如圖2所示。

此Joystick手柄為方檔，做工好，精準(zhǔn)度高，手感舒適 、輕爽，采用歐姆龍微動(dòng)，壽命長(zhǎng)，且無(wú)振動(dòng)、無(wú)延遲。此搖桿與按鍵配合使用，可以控制各個(gè)軸的正反方向運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)控制卡與計(jì)算機(jī)相連，Joystick與運(yùn)動(dòng)控制卡自帶的A/D模塊相連，利用其自帶的A/D模塊，與基于Windows、利用Visual C++6.0編寫的軟件界面、運(yùn)動(dòng)控制程序及病人數(shù)據(jù)庫(kù)文件構(gòu)成系統(tǒng)，根據(jù)用戶的康復(fù)需求，對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行示教；計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采樣記錄，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡專用庫(kù)函數(shù)，將運(yùn)動(dòng)控制程序傳輸給運(yùn)動(dòng)控制卡，控制電機(jī)按所需軌跡旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的動(dòng)作控制，從而實(shí)現(xiàn)理療師設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作的示教。

圖2 Joystick圖片

2 應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)是基于Windows操作系統(tǒng)、利用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)的，其強(qiáng)大的中斷機(jī)制、線程調(diào)度和內(nèi)核操作服務(wù)完全滿足示教所要求的關(guān)鍵任務(wù)的性能要求。GTS-800-PV(G)-PCI運(yùn)動(dòng)控制卡在Windows下具有VC高級(jí)編程工具的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，控制程序利用人機(jī)界面輸入的參數(shù)值生成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制卡控制指令，同時(shí)向人機(jī)界面發(fā)送系統(tǒng)狀態(tài)值。

控制程序主要子程序有：患者數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建程序、系統(tǒng)初始化程序、工作位置程序、數(shù)據(jù)處理程序、示教程序、動(dòng)作重現(xiàn)程序等,程序的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于本設(shè)計(jì)的機(jī)器人是人機(jī)耦合的機(jī)電一體化模型，且以人的生理約束為條件，因此在示教過(guò)程中要防止醫(yī)護(hù)人員的誤操作。根據(jù)患者的實(shí)際情況，編程首先設(shè)置軟限位，及設(shè)定每個(gè)電機(jī)的最大位移，一旦電機(jī)位移超出最大值，電機(jī)立即停止工作，保證患者安全。

在示教過(guò)程中，人機(jī)耦合的機(jī)電一體化模型運(yùn)動(dòng)可以映射到直角坐標(biāo)系中，映射關(guān)系如圖4所示。

圖3 示教流程圖

圖4 直角坐標(biāo)系映射圖

圖中l(wèi)1、l2分別代表患者大腿和小腿的長(zhǎng)度，L 是機(jī)器人大臂和小臂的長(zhǎng)度，h是腿心高（機(jī)器人肩關(guān)節(jié)軸線與患者下肢大腿軸心O0的垂直距離），θ1、θ2是機(jī)器人肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)以Y軸為中心運(yùn)動(dòng)的角度，θ4、θ5是患者下肢大腿小腿康復(fù)的角度，θ3是機(jī)器人腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人末端P與人體下肢末端O1始終重合。依據(jù)患者的大腿長(zhǎng)度l1、小腿長(zhǎng)度l2及測(cè)量出的腿心高h(yuǎn)，并依據(jù)患者的具體情況設(shè)定患者下肢康復(fù)的最大角度θ4、θ5，可以計(jì)算出θ1、θ2的最大角度，如下:

O2坐標(biāo)值(x2,y2)為(O1x-l1,O1y-h), O1坐標(biāo)值(x1,y1)為:

以此設(shè)定電機(jī)的最大位移限位θ1、θ2,保證患者安全。

在示教過(guò)程中提取的電機(jī)編碼器特征值，都是以Y軸坐標(biāo)的正方向?yàn)闄C(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的零位，每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)角度都是相對(duì)Y軸基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的角度,順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。再現(xiàn)過(guò)程依據(jù)特征值進(jìn)行樣條差值計(jì)算，設(shè)定軌跡，保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)連續(xù)、平滑。

3 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)完成后，把應(yīng)用程序定制到操作系統(tǒng)內(nèi)核中，配置為開(kāi)機(jī)啟動(dòng)。示教界面的截圖如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)是以正常人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，被測(cè)人的患側(cè)為左側(cè)，患者的大腿長(zhǎng)度為410mm，小腿長(zhǎng)度為400mm，腿心高為100mm，大腿康復(fù)角度最大限制為110°，小腿康復(fù)角度最大限度設(shè)為110°。打開(kāi)示教界面，輸入患者的參數(shù)及限制條件，然后啟動(dòng)機(jī)器人使其運(yùn)行到工作位置，將Joystick的示教器固定在機(jī)器人的腳步支撐架上，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的小腿和腳固定在腿部支撐架和腳底板上，然后開(kāi)始進(jìn)行示教。示教動(dòng)作是以一個(gè)簡(jiǎn)單的抬腿和收腿動(dòng)作為例，圖6為示教過(guò)程中的一組圖片。

圖5 示教界面

圖6 示教實(shí)驗(yàn)

圖7 曲線軌跡1

圖7為示教過(guò)程中對(duì)圖6所示的示教動(dòng)作的各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)提取特征值并進(jìn)行樣條插值后，得到的函數(shù)軌跡曲線及動(dòng)作重現(xiàn)的曲線。圖中（b）、（c）、（d）三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)曲線都是以Y軸為基準(zhǔn)，以工作位置為起始位置。（a）圖為人體腳踝O1的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。

圖8是另一隨機(jī)示教動(dòng)作的腳踝運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。

圖8 軌跡曲線2

4 結(jié)束語(yǔ)

在硬件平臺(tái)上，使用Windows操作系統(tǒng)和VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)的基于Joystick的機(jī)器人示教功能，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該示教功能可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的康復(fù)動(dòng)作的示教和再現(xiàn)，滿足了患者的康復(fù)需求，能夠取代理療師和醫(yī)師的大量重復(fù)工作。與以往的示教盒相比，該設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)以運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，運(yùn)行精度大大提高；

2)基于Joystick的示教工具取代傳統(tǒng)的示教盒，操作簡(jiǎn)單且更貼近所需軌跡，維護(hù)方便；

3)人機(jī)界面友好，信息顯示更加完善。

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