全向移动康复机器人设计与研究_嵇建成.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第1期全向移动康复机器人设计与研究*嵇建成1，2龚涛2（1中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳518055；2深圳职业技术学院智能制造技术研究院，广东 深圳518055）Design and Research of an Omni-directional Mobile Rehabilitation Robot摘要：下肢运动障碍患者和失能、半失能老人在日常生活和康复训练过程中，通过有效的物理刺激手段和针对性的康复训练可以恢复部分或全部的运动功能。因此设计了一种新型的全向移动康复机器人，通过全向移动底盘实现地面移动跟随，通过减重模组实现患者的减重支撑，通过柔性骨盆机构实现患者的扶持和部分骨盆运动自由度。首先介绍了全向移动康复机器人的机械机构和运动模式，其次介绍了机器人的电气组成和工作原理，建立了基于人机交互信息的控制模型。关键词：运动控制；人机交互；康复机器人Abstract:During the ADL and rehabilitation training of people with dyskinesia and elders,partial motor functions can berestored via efficient rehabilitation training and external physical stimulation.Thus,the omni-directional mobile rehabilitationrobot is designed to implement the assisted walking,the omni-directional mobile platform is capable of accompany move-ment,the linear motion module is capable of body weight support and the flexible pelvic mechanism can realize part of thepelvic motions.This paper introduces the structural composition of rehabilitation robot,and then introduces the electricalcomponents and operating principle of the robot,additionally,the motion controlling model is built based on the humanmachine interaction signals.Keywords:human-machine interaction,motion control,rehabilitation robot据我国残疾人事业统计发展报告的研究数据，截止2020年，我国约有各类残疾人总数为8500万，而脑卒中患病总人数超过2800万，是成年人致残的首要原因1-2。此外，截止到2021年，中国老年人口总数也达到了26 402万，65岁及以上人口占总人口的13.5%，老龄化的日益加重也造成了众多的失能、半失能老人部分或全部的运动神经元损伤和下肢运动障碍3。近年来，随着康养需求的增大，传统的康复治疗手段已经难以应对日益扩大的康养需求，而康复机器人通过实施高强度的重复训练，能够替代大部分传统方法训练的医护人员，因而面向家庭、社区及康复机构的中小型康复训练设备是目前的研究热点之一。1康复助行机器人研究现状在下肢运动障碍患者和失能、半失能老年人的日常活动和康复训练过程中，机器人的移动辅助功能至关重要，能够避免患者因长期卧床而导致下肢静脉血栓的形成4。康复助行机器人作为一种新型、高效且应用前景十分广阔的下肢功能康复产品，其设计正呈多样化、小型化和智能化发展趋势。目前可分为电动轮椅、下肢外骨骼机器人、智能超声拐杖、主被动助行器和智能助行器等五大类5-6。瑞士、日本和加拿大的多家科研机构相继研制出了多功能助行器，处于世界领先地位。我国相关康复助行机器人的研究起步较晚，在高技术助老助残康复服务辅具的研究上取得了成果，但是产业化的康复产品较少。国内外研究机构对小型化康复助行机器人展开了深入研究，如图1a所示为新加坡国立大学研发的一种机器人助行器Robotic Walker7，该机器人实现了减重支撑、辅助下肢运动和自然步态训练。日本和韩国研制了自动步行辅助电动手推车Robot Assist Walker和COOL Aide，如图1b和图1c所示，旨在通过助力帮助老年人在户外独立行走8-9。英国公司研制的坐站转移及助行机器人TEK-RMD，如图1d所示，能够通过电动连杆实现坐姿和站姿的转换。德国菲兹曼公司研制的步态训练机器人e-go可通过倾角传感器对交互力进行控制。圣埃斯皮里托联邦大学研制了基于使用者意图的智能步行器，通过编码器、激光测距仪和超声波传感器识别患者的运动意图。斯洛文尼亚大学研制了结合骨盆运动及下肢助行的康复机器人BAR10，该机器通过人机结合处的两个力传感器识别患者的运动意图，并对步行过程中的动态平衡扰动力控制策略展开了深入研究。根据移动辅助机器人的临床试验11-12，其关键功能为保持重心稳定，提供减重支撑力，辅助患者站立和行走，目前研究主要集中在重心跟随，往往约束骨盆及上肢运动，在骨盆机构设计和交互力控制策略方面尚有待研究。2全向移动机器人设计及运动模式全向移动机器人的设计是基于对下肢关键运动的分析和移动辅助机器人的临床试验结果，在日常生活和步行训练过程中，*广东省科技厅重点研发计划资助项目（2020B0909020002）；广东省创新团队项目（2020KCXTD047）图1国内外康复助行机器人1全向移动康复机器人设计与研究下肢髋、膝、踝关节的运动和骨盆运动的配合才能够正常地维持平衡和行走运动，因此，本文对下肢关键运动做了研究分析。2.1下肢关键运动分析在日常的步行过程中，下肢关节运动的参与关节和肢体如图2所示，其中骨盆的关键运动包括中外侧运动（ML）、上下运动（DU）、骨盆倾斜（PO）和骨盆旋转（PR）13-14，对动能和势能的能量转换和保持机体稳定具有重要意义。此外，髋关节、膝关节和踝关节的在矢状面上的运动也是影响步态参数的关键。图2行走过程中的下肢运动基于康复助行机器人临床需求分析，康复助行机器人应实现下肢运动的关键自由度，为患者提供安全的训练环境，并为其提供适当的助推力来完成重心转移，同时提供减重支撑力减轻患者心肺的负担。2.2机构简述在第一代康复机器人样机研究的基础上15-16，研发了新型全向移动康复机器人，主要由全向移动底盘、直线运动机构、柔性骨盆机构和电气系统部分组成。其功能样机如图3所示，全向移动底盘由三个伺服电机驱动的三个全向轮，来实现地面的全向移动跟随，另外设置有两个被动的辅助脚轮来维持整机的动态平衡，三个主动全向轮间隔120均布于支撑架底部，被动脚轮安装于支撑架前侧以支撑前部重量。直线运动机构主要由HIWIN丝杠滑块模组、钢结构支撑架、线缆保护和防护罩壳组成，通过底部的一个伺服电机驱动丝杆并带动模组滑块沿竖直方向运动，柔性骨盆机构安装于模组滑块末端，其主要功能是带动柔性骨盆机构进行上下运动，从而实现患者身体的减重支撑力和助行力的施加。柔性骨盆机构主要由扭矩传感器、拉压力传感器、宽度调整机构、骨盆运动机构和连接安全带等组成。扭矩传感器安装于模组滑块与骨盆机构中间，可通过计算用于监测竖直方向的减重支撑力，两个拉压力传感器安装于骨盆前侧的滚珠花键末端，可用于监测横移方向的交互力，另外两个拉压力传感器安装于骨盆两侧的滚珠花键末端，用于监测前后方向的助行力。宽度调整机构是为了适应不同体型的患者，通过导轨钳制器调整滑块在导轨上的位置实现。此外骨盆运动机构的前部、左右两侧各设置有3根滚珠花键，通过滑块的移动实现骨盆的部分自由度，并通过骨盆两侧的阻尼球铰链实现更为柔顺的骨盆运动。3机器人的电气组成和工作原理3.1电气组成康复助行机器人的控制系统由信号感知系统、机器人控制系统和电机驱动系统三部分组成，如图4所示。机器人的控制柜安装于全向运动底盘的上部，包含对称的2个动力电池、电源滤波模块、若干继电器、1个倍福CX5130控制器、4个电机驱动器、1个4路传感器信号放大器、断电开关、超声波放大器等元件。图4康复机器人的电气组成机器人控制系统通过力矩传感器和拉压力传感器进行人机交互的信号感知，并通过CX5130控制器的PLC进行信号放大和滤波处理，然后根据交互信号和运动算法进行运动意图识别，最后通过四个伺服电机控制机器人的末端运动状态。此外，机器人控制系统通过安全监测模块，利用运动底盘四周的5个超声波传感器进行运行状态监控并防止机器人与障碍物相撞，利用位置传感器和编码器判断患者是否跌倒。3.2工作原理如图5所示，患者的运动信息通过传感器和上位机控制器进行处理，通讯给下位机实现运动监控、安全监测和状态控制等，并进行伺服电机的实时控制。患者可以通过三种方法控制康图3全向移动康复机器人样机图5机器人控制系统框架2工业控制计算机2023年第36卷第1期复机器人的运动：骨盆运动控制，即机器人监测骨盆与机器人间的交互力和力矩，判断运动意图并驱动电机；两操控杆控制，即双手控制操控杆的前后左右，通过两个操控杆的信号组合来驱动电机；单操控杆控制，即单手控制操控杆的前后左右，通过操控杆的信号顺序来驱动电机。骨盆运动控制是较为复杂的，当患者产生运动后，患者骨盆与机器人之间产生相互作用力和力矩，通过人机交互传感器和公式转换，可以得到在机器人坐标系中的合力和合力矩：Fx=fi（i=1，2）Fy=fi（i=3，4）Fz=2t1/（q7+q6）Mz=（fiui）（i=3，4）（1）图6全向移动康复机器人的骨盆运动实现根据临床需要，将康复机器人的基本运动模式设为前进、后退和停止等9种，符号定义为，Ft为前进、后退运动的阈值，Mt为旋转运动的阈值，骨盆运动控制模式的选择逻辑如下：若FyFt，且|Mz|Mt，则机器人前进，运动速度与Fy成正比；若Fy-Ft，且|Mz|Mt，且|Fy|Ft，则机器人右转，转动速度与Mz成正比；若Mz-Mt，且|Fy|Ft，则骨盆机构向上，运动速度与Fz成正比；若Fz-Ft，则骨盆机构向下，运动速度与Fz成正比；其余情况，则整机停止运动。4结束语本文针对下肢运动障碍患者和失能、半失能老人的康复训练需求，提出了一种可全向移动的康复机器人，建立了通过力学传感器和操纵杆的运动控制策略。本研究介绍了康复机器人的系统结构和电气组成，提出了基于交互信息的运动意图识别算法，并给出了初步的骨盆运动控制模式的选择逻辑，在此基础上进行机器人驱动系统的实时控制。下一步我们将在样机的基础上进行正常人的实验测试和结构优化。参考文献1KISA A,KISA S,COLLABORATORS G S.Global,regional,and national burden of stroke and its risk factors,1990-2019:a systematic analysis for the Global Burden of DiseaseStudy 2019J.Lancet Neurol,2021,20(10):795-8202王陇德，毛群安，张宗久.中国脑卒中防治报告（2018）M.北京：人民卫生出版社，20183张园，王伟.失能老年人口规模及其照护时间需求预测J.人口研究，2021，45（6）：110-1254徐辉，李宝华.高血压脑出血术后下肢静脉血栓的预防J.中国误诊学杂志，2012，12（16）：44065嵇建成，郭帅，奚风丰，等.新型混联骨盆支撑机构的设计及力场分析J.华中科技大学学报：自然科学版，2018，46（4）：92-986LEE G,JUNG E J,OHNUMA T,et al.JAIST Robotic Walkerco