三自由度上肢康复机器人研制

三自由度上肢康复机器人研制 东南大学 硕士学位 三自由度上肢康复机器人研制 姓名:刘攀峰 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:王爱民;崔建伟 20090528 摘 要 将机器人技术用于运动功能障碍患者的康复训练，形成了康复机器人这一新型技术，并取得了 令人振奋的成果，如今已成为康复工程和机器人科学领域研究的前沿课题。然而，康复机器人研究 仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机,:程化的康复机器人的需求。 因此本课题的研究具有重要的应用前景。 本文通过对国内外康复训练机器人的发展现状及应用等方面的总结，提出了一种新型三自由度 康复训练机器人设计，用于上肢运动功能障碍患者的康复训练。具体工作如下: 依据康复训练机器人的应用场合和应用对象，首先分析了现有康复机器人的机械结构特点，通 过对各种设计方案的比较，确定了机器人的总体设计方案，包括机械结构设计、机器人运动学分析、 安全性设计、驱动方式的选择、计算机控制系统结构的选择等。 设计了人机接口、力传感器、康复机器人传感器的数据采集电路、伺服电机驱动与控制电路、 串行通信接口电路等硬件电路，加入了隔离电路，为整个系统的正常工作提供了硬件上的保障。 进行了控制策略的研究，并在此基础上介绍了,，,控制算法，开发了基,,,,,,,,,,,主、从单 片机的下位机控制软件。 进行了单片机控制系统软硬件的调试、速度位置控制等实验。实验结果表明本文设计的康复训 练机器入具有安全可靠等特点，达到了设计要求。 关键词:机器人;康复训练;上肢;力传感器; 东南大学硕上学位论文 ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,;,,,, ,,, ,,,,,,,,,,，,,,;, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,( ,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,;,,,？,, ,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,;, ;,,,,, 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,,,,，,，,;,,,,,,,,,,,,,,,;,, ,,,,,,,, ,,(,,,,,,,,,,,，,,, ,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ;,,,,,, ,,,，,,;,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,? ;,,, ,,;,,;,,,,,,, ;,,,,,, ,,,,,,，,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,;,,,,,,，,,;(,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,—,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,？,,,,,,,,,( ,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,卜,,,,,;,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ，， 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名:客,簧噜 日期:,口口了尊弓月爿日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研 究生院办理。 研究生繇啪卞师签名,囊,瞧,,,罗奇,删日 第一章绪论 第一章绪论 ,(,课题背景及研究目的、意义 中风，或称脑卒中，亦称为脑血管意外，是指由各种原冈引起脑动脉系统和静脉系统发生病理 性改变所造成的一类疾病。中风所出现的脑血液循环障碍直接影响脑组织，并使脑细胞发生功能性 或器质改变。中风具有高死亡率、高复发率以及高致残率等特点，严重影响了人们的生存质量及生 命。世界卫生组织将这种病确定为当今人类的第一杀手。一(日(患了中风，重者死亡，轻者半身瘫痪， 生活不能自理，给患者的生活、工作、学习带米极大的不便，也给患者带来了极大的精神痛苦，同 时也给患者家人和社会带米负担【,,。据不完全统计，在我国仅中风引起的偏瘫患者就占全国人口数 的,‰,,,‰，人数达,,,万至,,,,万。 随着世界各国相继进入老龄化，中风患者势必越来越多。科技的发展使医护人员对于急性中风 患者能够采取比较有效的治疗手段，中风后能够幸存下来的人越来越多。但是通常中风患者易残留 各种各样的后遗症，如偏瘫、语言功能障碍、运动功能障碍、神志障碍、面瘫(口眼歪斜)、二便失禁 等，一般以运动功能障碍居多，重者影响正常生活。在幸存者中有,,,一,,,残留有不同的残疾，一 组资料显示生活不能自理者高达,,(,,,,,。因中风而导致运动功能障碍，常常对患者本人及家庭造成 心理和其它方面的冲击。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会成本的 极大浪费。冈此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提 高患者本身的生活质量，也可以减轻家庭及社会的经济负担。 随着我国脑神经外科技术的不断发展，虽然越来越多的脑血管疾病患得剑了及时的手术治疗， 但火部分患者在手术后会伴随后遗症。对中风后遗症患者，必须争取早期康复治疗，尤其在发病后 的前三个月内的康复治疗是获得理想功能恢复的最佳时机,,,,，但对病程长者，其潜在功能恢复力也 不容忽视，应当继续进行相应的康复治疗，也可达到改善功能的效果。根据临床经验，在发病后两 年内，如果康复措施得当，会有不同程度的恢复。目前，偏瘫上肢康复训练的传统方法主要是依赖 于医师对患者进行手把手的指导和训练。这种方式存在一些问题:首先，一名治疗师只能同时对一名 患者进行运动训练，训练效率低，并且由于治疗师自身原因，无法保证患者得到足够的训练强度， 治疗效果多取决于治疗师的经验和水平;其次，不能精确控制和参数(运动速度、轨迹、强度等)， 不利于治疗方案的确定和改进，康复评价指标不够客观，不利于偏瘫患者神经康复规律的深入研究: 此外，如果患者离医院或康复训练的地点距离较远甚至居住在比较偏远地区，出院患者接受人强度 或长期的治疗也将很人程度上受到距离、天气或交通不便等条件的限制，非常不利丁患者中风后的 恢复。可以看出，单靠医师的指导进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。 因此，应该寻求更先进的偏瘫康复训练手段，把更先进的技术引入到偏瘫康复治疗领域,,,。 本课题的目的是设计一种三自由度上肢康复训练机器入。通过机械手臂带动患者的患肢在水平 面或者垂直面运动，模拟日常生活中的上肢运动规律，通过计算机控制上肢运动进行康复训练，实 现机器入与人的上肢协调运动，从而达剑最佳康复效果。 东南人学硕十学位论义 采用机器人进行偏瘫康复训练，能解决传统训练方法存在的问题。首先，机器人不存在“疲倦” 的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求，它将治疗师从繁重的训练任务中解脱出来，而专注 于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容;其次，机器人可以客观记录训练中患肢的位置、方 向、速度以及所产生的力等客观数据供治疗师分析，以评价治疗的效果。这些数据使治疗师可以从 中发现数据与治疗结果间的对应关系，从而可能深入了解中枢神经康复的规律，进一步了解大脑与 运动功能之间控制与影响的关系，为大脑的开发开辟新的大地;再次，机器人技术可以通过虚拟现实 技术为患者提供丰富多彩的训练内容，令患者积极参与治疗，并及时得到治疗效果的反馈信息，使 得远程治疗和集中治疗成为可能。由国内外康复医学和机器人技术学的科研人员 的实验和研究证明: 患者可以接受机器人辅助治疗，治疗过程具有吸引力;机器人对患者进行康复训练确实有很好的康 复治疗效果，在治疗过程中，系统还提供了有效的康复评价手段;如果能够在训练过程中提供多种 形式的信息反馈，充分发挥患者的主观能动性，并根据患者状态给予暗示或建议等，将会使康复效 果得到很人提高。在我国，康复医学事业仍然处于起步阶段，其患者数量多、治疗师资源缺乏。据 此现状，发展机器人辅助肢体运动功能康复技术更具实际意义。 ,(,国内外研究现状 康复机器人是机器人科学与康复医学的交叉学科，是机器人技术在医疗领域中的新应用。康复 机器人具体又可分为康复训练机器人和功能辅助型机器人两种。前者的主要功能是帮助患者完成各 种运动功能的恢复性训练，如人的下肢行走训练、手臂运动训练、脊椎牵引运动训练、颈部运动训 练等;后者的主要功能是用来帮助肢体运动功能障碍的患者完成各种运动，如智能轮椅、导盲手杖、 机器人假肢纠,,。本文研究的是上肢康复训练机器人，主要用来帮助上肢有运动功能障碍的患者进 行康复训练。 ,(,(,国外研究现状 康复机器人技术在欧美国家得到了机器人研究者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展 了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。 康复机器人是机器人技术和康复工程的结合。首次尝试将服务于残疾人的机器人系统产品化是 在,,世纪的,,年代到,,年代。实践证明这些尝试都不太成功，这主要有,个方面原因:其一是设 计的不理想，尤其是人机接口;其二是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。,,世纪,, 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先 地位。,,,,年以前全球的,,个研究中心分布在,个工业区内:北美、英联邦、欧洲人陆和斯堪的 纳维亚半岛及日本。,,,,年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。 ,,,,年，,，,设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统,，,,,,,,,，该设备采用五连杆机 构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性，用于病人的肩、肘运动。 ,,,,,,,,具有辅助或阻碍手臂的平面运动功能，可以精确测量手臂的平面运动参数，并通过计算机 界面为患者提供视觉反馈，在，临床应用中取得了很好的效果。在此基础上，他们又研制了用丁手腕 部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临床试验。,，,,,,,,,在结构机 , 里二兰堑堡 械设计方面考虑了安全性、稳定性以及患者近距离物理接触的柔顺性。围，,，为,，,,,,,,,系统( 图,,为安莪在轮椅上的,，,珥，,,,,。 圉，,，,?,,,,,,,系 图,,安装在轮椅上的,，,,,,,, 另一个典型的上肢康复训练机器人系统是,，,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,咖,,，,一，如图,(,所示。该 设各包括左右两个可移动的手臂支撑(由工业机器，,，,,,,,,操纵患者手臂，为息者提供驱动力， 既可以提供平面运动训练，也可以带动肘和肩膀进行三维运动。但是,,,,,,,,本质上是工业机器 人。因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及结构上与人的上肢不完全匹配，该系统在医疗 领域的应用有其局限性。 嘿黼:: ,(，错 (,) (,) 图,,镜像运动机器，,，,, ,,,,年美国的,岫等人研制了一种称作手—物体一手的系统(,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,)，尝试对 一只手功能受损的患者进行康复训练”(这种飘手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上、可绕转 轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作(如图,,, 所示,该机器主要帮助完成两个任务动作的训练:双手移动和双手挤压。双手移动任务要求两手夹 持某一物体作前后往返运动，挤压运动要求在物体上产生需要的抓取力。为限制自由度数日，患者 双手要放置在刚性手柄上，以阻止手腕屈伸。 东南大学硕?学位论文 图,,手(物体一手的系统 ,,,,年，,,,,,,,,,,,,,，,,,等研制了辅助和测量向导器,,,,,,,,,,，用来测定患者上肢的活动 空问。,,,,年他们对该装置进行改进，用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢 运动功能。如图，,,所示。 该设备为单电机驱动的二自由度装置，包括一个直线轨道，其俯仰角和水平面的倾斜角可咀调接。 试验中患者手臂缚在夹板上，沿亩线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力，但是这种设 备训练方式单一，无法进行更深的研究。 (,) (,) 图，,,辅助康复和测量向导器,,,(,,,,, ,,,,年，瑞士苏黎世,,:,学的,,一”等开发了一种新型的上肢康复机器，,,,,,，如图,石所示。 它是一种,自由度半外骨架装置，安装有传感器及,维力,力矩传感器，能够进行肘部届伸和肩膀的空 问运动，用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的话动。 第一章绪论 型,石,,,,,康复机器人 此外关于上肢康复训练机器人的报道还有:,,,机、,,,,,,,以及华盛顿大学设计的,,,), 上胜外骨架装置等。其中、,,,机是利用康复医学中连续被动运动(;,,，【加?,,,,,女,,,,,,,,卅,,,),,,, 的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置，是目前为止一个机器人生物力学或生物物理化学类型的 应用的例证。由丁受技术水平的限制，,,,机长期停留在“大关节”康复的范围内。目前，市场上已经 有了用于腕关节和手指关节这样的“小著体”康复的,,,札图,,,,,,,,公司的手关节和腕关节,,, 机,，但他们还不能像“太荧节”,,,机那样实现精确的控制，不能对手指抓握等精巧蜘作进行训练， 治疗的效果还有待提高。 ,、 婚,,,,;,,,, 图，,,,,,肌公司的;,,机 近年来(随着机器人技术和康复医学的发展，在欧洲、美国和日本等国家，行行色色的康复训 练机嚣人(如手臂训练机器人、裸关节训练机器人等，以其经济的价格，简易的操作以及适宜的病 情反馈与康复训练指导得到了医学专家与病，的肯定。 ,(,(,国内研究现状 目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、东南大学、上海交通大学、复旦大学、浙江 大学、哈尔滨:,程大学和哈尔滨,二业大学等。其中。上海交通大学和复口大学合作展开了“神经的 运动控制与控制信息源的研究,”,。其研究目的是提，随神经信息。利用神经信息来控制电子假手。 目前，七个自由度假手模拟装置已设计完成，神经信息的提取正在进行动物试验，信息的整合与控 制电路的设计进展顺利。其原理是借助仪器，通过意识控制动作的反复训练，伴随信息转化、生物 反馈、生物控制和功能训练过程，不断调节和增强脑的指令，从而提高中枢神经系统和骨骼肌肉系 , 末南丈学硕士学位论文 统的支配和拉制能力，消脒控制机能障碍和运动障碍(改善直至恢复机能状态。清华大学在国家。,,,, 支持下(从,,,,年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了两款上肢复合运动康复训练 机„,,,,,，他们都可以在平面内进行两个自由度的运行训练，如图,(,示。 , 岛 国,,,上肢复台运动康复训练机(靖华大学研制) 东南丈学从,,,,年起也开展了康复机器人技术的研究【,”，并设计了一套上肢康复训练机器人系 统(圈,,,)，其机械结构如图卜,,所示。此系统现可以实现被动、主动和带阻尼主动三种锻炼模式和 一对多的训练模式，并为了能眵为治疗医师提供客观的病人康复信息，系统还建立了患者信息数据 库。同时，为了吸引患者的更积极的参与训练，系统利用虚拟现实技术设计了不同难易程度的多套 游戏系统(界面如图，,,,所示。 图,,,康复机器人系统运行图(东南大学研制) , 第一章绪论 削,(,,单自由度上肢康复训练机械臂系统结构(东南大学研制) 豳,,,，三个不同难度的程序界面 ,,目前存在的问题 目前康复机器人偏瘫治疗的研究仍然处于起步阶段(临床应用任重而道远。应用于偏瘫康复训 练的机器人还存在如下问题: (,)患者训练动作种类相对较少且仅限于重复某些单一或倚单的动作，患者肢体的活动范宙主要 限于郇,练身体正前方，运动幅度比较小，不能以大范围话动关节和较多关节的复杂话动为目标(不 能够充分提供中枢神经康复所需的运动刺激。 犯】一般仅限于水平面运动(,，,,可阻训练一些三维运动)，不能进行三维或更多维的运动，,, 练:仅限于某些关节、肌肉群或局部神经系统的康复; (,)研究的目标主要在于探索机器人能否应用于康复训练中，以及这种钥,练方式有无泊疗效果( 而对于如何提高康复训练的效果的研究井不深入。 ,)机嚣人辅助治疗过程的机制有特深八研究。 (,)机器人的适用面不够广泛。此适用面包括?不同的患者的适用;,同一患者不同的恢复时期 的适用;,患者需不同锻炼模式(如患者的主动或被动锻炼等模式)的适用,,在患者肌肉出现痉 挛时(此时患肢可能出现较大的阻力或其他干扰)，如何缓解痉挛和使康复效果继续维持现有的较好 ， 东南大学硕上学位论文 (——————————————————————— 觥 的水平，等等方面的适用性。 因此，上肢康复训练机器人系统的应用研究将集中在以下几个方面: 第一康复医疗机器人系统设计:机械结构是康复训练机器人系统的基础，应尽量简沾轻巧，具 有一定的灵活性，提高训练动作的种类，增人动作幅度，在三维空间内对患肢各个关节进行训练。 第二控制策略与运动模式的设计:由于患者的病情千荠万别，冈此，机器人要感知患肢状态(力 量和位置)并采取相应的训练模式和控制策略，在控制系统适应性和稳定性、传感器技术应用、系 统辨识和控制算法设计等方面需要作更深入的研究。 第三力反馈:机器人应该能够实时检测患者与机器人之间的相互作用力，在患者主动能力不足 时提供更人的辅助，而在患者有能力完成动作时，适当减小辅助甚至施加阻力，以便充分发挥患者 残存的功能。 第四安全机制:安全问题是康复机器人设计过程的一个重要方面，康复训练机器人必须根据临 床康复训练的基本动作和安全机制的要求，在设计中除了考虑机器人的功能实现外，还要防止患肢 二次损伤，必须从机构设计(硬件)和控制系统(软件)两个方面保证康复机器人系统的安全性。 第五康复效果的评价机制:与肌电信号检测相结合，探索训练参数与康复效果之间的关系，提 高训练效果。在大量试验的基础上，总结临床康复的初步规律，建立客观、精确 的康复评估方法。 第六多路复用:发展“多路复用”的网络康复医疗机器人系统，提高资源利用率。 ,(,本文的研究目的及主要完成工作 目前，有较多研究的康复训练机器人还处丁探索阶段，人多数都考虑了多种康复训练模式，但 结构多以工业机器人的串联关节为蓝本，没有很好地考虑康复训练过程的特点。首先，病人的康复 训练首先是在专业医生的指导和参与下完成的，多数情形下是从专业医生手把手地指导下开始的， 而后由病人的健康上肢或其家属、护士人工对病肢反复牵引运动，这一过程漫长而且劳动强度很大， 其二，此过程的一个重要特点医生在指导病人训练时要靠“感觉”获知病人的“反馈”以对训练方 法做出评估，因此人为方式的被动康复训练难以针对病人的训练方法作定量的、精确的评估，也不 能针对病人的个体差异制定有针对性的康复训练方案;其三，由上这两点可知，被动训练模式下应 当有医生的参与指导，而不仅仅是机器人按一定的路径对病人的肢体作牵引，而目前的康复训练机 器人是单边的结构，无法体现这一特点;其四，工业机器人的串联机构具有很好的灵活性，但应用 于康复训练就显得比较笨重，控制复杂，成本也较高，只能实现四种模式中的部分模式或功能，最 后，基于工业机器入的串联或部分关节串联的结构，其逆向运动存在多解性，因此从原理上，这种 结构不适合于病人的主动训练模式。 针对康复训练的特点，本文设计了一种可用于上肢康复训练的三自由度康复训机器人，它可以 实现三维空间运动，并且具有结构简单，成本低廉，功能全，适应性强的特点。 其中第一章介绍本课题的研究目的和意义，并对国内外的研究现状及目前存在的问题作一个简 单的介绍。 第二章提出了具体的本系统的设计方案，包括机械结构设计、机器人运动学分析、安全性设计、 , 第一蕈绪论 驱动方式的选择、计算机控制系统结构的设计等。 第三章详细介绍了整个系统的硬件控制电路，包括电源及抗干扰措施、人机接口模块、通讯电 路的设计、电机驱动模块的设计、位置传感器与检测电路的设计、力传感器及其信号检测电路设计、 系统的抗干扰措施等。 第四章对,，,控制算法进行了研究，并在机械结构、硬件平台以及控制策略研究的基础上进行了 系统软件设计。 第五章对整个系统进行了测试，监测康复机器人各项性能是否满足设计要求。 第六章对全文内容进行总结，,并提出今后进一步研究的建议。 , 东南大学硕上学位论文 ,(,引言 第二章三自由度康复训练机器人系统设计方案 上肢康复训练机器人是对上肢有运动功能障碍的患者进行康复训练的机械装置，帮助冈中风引 起的上肢有运动障碍的患者进行运动机能恢复性训练。本课题设计的三自由度康复机器人系统属于 上肢康复训练机器人，要求系统能够实现三个自由度的空间运动，考虑到关节活动范围，要求水平 旋转活动范围不少于,,,:，水平屈伸活动范围不少于,,;,，上下运动活动范围不少于,,;,，系统能 够帮助患者患肢进行功能恢复性训练，同时要求系统能够安全、稳定地完成康复训练任务，并且要 考虑成本低廉、结构小巧以便于推广到家庭使用，所以在方案设计中必须要兼顾系统可靠性和经济 性等多方面的冈素。 ,(,系统机械机构 ,(,(,机械结构设计 机械结构设计是机器人辅助康复训练系统的基础，应尽量简洁轻巧、易于控制。到目前为止， 国内外文献报道中有关康复机器人的机械本体结构设计大体分为三种类型:端部结构、外骨骼结构 及混合型结构。 机械本体为端部结构的康复机器人系统通常是在某一点上与患者身体部位相接触，此种结构易 于设计，方便不同患者使用。,，,,,,,,等研制的,，,,,,,,,，,,,,,,等【,列开发的,,,,,,,,,,,,,,， ,,,,,等【,,,设计的,,,(,,,,,,,均为此种类型结构。相比较端部结构而言，外骨骼结构的康复机器人 是在多处与患者身体部位相接触，实现在患者的不同身体部位同时施加力,力矩作用，康复训练过程 中可以保持患者训练姿势相对固定，最重要的是这种结构可以对施加在患者身体不同部位的力,力矩 进行独立控制，一定程度上减少了患者在康复训练过程中由于肌肉痉挛等因素造 成的二次损伤【,,】。 此种结构的不足之处在于它对不同患者的适应性较差。,,,,,,,,,,,,,等研制的,,,(,,,,,、斯坦 福大学康复研究和开发中心设计的,，,,、瑞士苏黎世巴格里斯特人学矫形外科研究小组【,,,研制的 ,,,,,,,，日本,(,,,,;,,,,,,、台湾国立成功大学,,扪、清华大学季林红等,,,,分别研制的上肢康复机器 人皆采用了外骨骼结构。基于混合型结构设计的康复机器人综合了端部结构和外骨骼结构的优点， 既可分别对施加在患者身体不同部位的力,力矩进行独立控制，又可以较方便地满足不同患者的需 要。瑞士苏黎世大学研制的六自由度上肢康复训练机器人,,,,,其机械本体采用的就是混合式结 构，患者在康复训练过程中，上臂和肘关节的内旋,夕,旋驱动机构采用的是外骨骼类型，而肩部的水 平,垂直旋转运动是由连接在上臂和固定在墙肇上的两轴之间的端部类型结构驱动。考虑剑对不同患 者的实用性以及设计的简易性，本康复训练机器人设计选用端部结构。 机械结构系统一般由基座、手臂、末端操作器三大件组成。工业机器人的串联机构虽然具有很 好的灵活性，但应用于康复训练就显得比较笨重，控制复杂，成本也较高，只能实现四种模式中的 部分模式或功能，同时，串联或部分关节串联的机构，其逆向运动存在多解性，因此从原理上，这 ,, 第二章三自由度康复机器人系统设计方案 种结构不适合于病人的主动训练模式，且在对病人进斜欢瘟剖被购苋菀追?直弁丫实榷紊? 害。针对康复训练的特点，机械臂的设计采用并行连村:机构，连杆机构示意图如图,一,所示。 , ，入、,, , 手柄， ，,, 图,(,连杆机构示意图 其中，,,,,,，,,,,,，,,,,,，点,始终位于,点与,点的连线上。在平行四边形,,,, 的任意位置，点,、,和,始终位于一直线上。当;点，司定，,点在图示平面沿一给定曲线运动时， 位于直线,,上的一点,画出一相似的曲线图形。其相似比例系数,,,,,,,。当,点固定，,点 在图示平面沿一给定曲线运动时，位于直线,,上的一点,画出方向相反、一相 似的曲线图形，其相… 似比例系数,,,,,,,。由以上分析可知，机器人操作手柄的运动速度以及位移(水平、垂直)数倍 于(水平运动、垂直运动)滑块的速度及位移，倍数由长连杆和短连杆的艮度比决定，这个数值一 定大于,，其中，当滑块,水平伸缩运动时，若运动位移为?，则操作手柄,运动位移为,,,红， 当滑块,垂直上下运动时，若运动位移为,。，则操作手柄,运动位移为,。,,,，。 通过分析，此机构为一个增速机构，优点是易丁控制、机构轻巧，控制两个点就可以让机械臂 在一个范围很大的二维空间内运动，同时，此结构克服了连杆机构传动比不恒定的不利影响，传动 比完全由杆长确定。 在本三自由度康复机器人设计中，滑块,由电机,控制，当电机,转动时，将带动丝杠,作相 应的转动，通过与螺母作啮合运动，实现从旋转剑直线的运动变换，从而带动滑块,垂直向上或向 下作移动运动，并由小连杆驱动滑块,水平向前或向后作伸缩运动。滑块,由电机,控制，当电机 ,转动时，将带动丝杠,作相应的转动，通过与螺母作啮合运动，实现从旋转到直线的运动变换， 从而带动滑块,垂直向上或向下作移动运动。 设在,时刻，丝杠,转速为,)，，，转动角度为只，五为丝杠,导程，互。为滑块,运动的位移;毛 为滑块,运动的位移，它由五。决定，令薯,,(,,?);丝杠,的转速为哆，转动角度为岛，五为丝杠 ,导程，互为滑块,运动的位移。则有 刁,五鼠,石？， (,(,) ,，,瓦岛,正哆， 根据连杆机构的传动比，于是: (,(,) 东南大学硕上学位论文 ,,,红,可(互),,,(,,;,,,) ,。,办正幺,,,,;,,, 另外，在本设计中，机器人的水平旋转运动通过电机,驱动滚动轴承得以实现， 速为鸭，,为转动时间操作手柄转动角度为?，则 (,(,) (,(,) 设滚动轴承转 ?,,,,, (,(,) 根据式(,(,)、式(,(,)、式(,(,)可知，机器人三自由度方向的运动互不影响，运动解藕，不存在 多个逆解的问题，控制方便。 目前一般用于康复的机器人只能实现机器人自主完成的康复训练方案，而被动训练模式下应当 有医生的参与指导，针对此特点，此机器人设计采用主、从双边结构，主从边采用机械藕合的方式， 由滑块、小连杆实现，可以实现有医护人员参与的康复训练方案，也可以实现由机器人自主完成的 康复训练方案。本设计三自由度康复训练机器人结构视意图如图,—,所示。 电村,, 滑块; 图,(,三自由度康复训练机器人结构视意图 主要由机械臂、手柄、位置传感器、力传感器、离合器、接近开关、丝杠、滑块机构及伺服电 机和底座构成,,,,。分为主边和从边两部分，结构和运动完全对称，保证处于主边的医护人员能准确、 直接地体会患者感觉，便于医生直接指导或参与病人的康复训练。训练时，受试者将手放在机械臂 的一端的手柄上，在机器人的牵引下进,,,,,),,练。通过控制离合器，可以使丝杠与伺服电机分开，从 而完成主动训练和被动训练的切换。当离合器脱开的时候，可以由医生牵引主动杠杆，从而带动患 者运动训练。当离合器吸合时，系统中的三个自由度通过三个伺服电机控制，每个电机控制一个方 向上的运动。其中，机器人的水平伸缩运动通过电机,带动丝杠转动使得滑块运动得以实现，最大 运动范围为,,,,(,;,;机器人的上下移动运动通过电机,带动丝杠转动使得滑块运动得以实现，最 大运动范围为,,(,;,;机器人的水平旋转运动通过电机,驱动滚动轴承得以实现，最人运动范围为 ,,,,,,。，这三个方向的运动互不影响，便于控制，运动范围及可控性满足系统设计要求。丝杠的末 端安装了光电编码器，实时检测机械臂的运动情况。通过对三个电机的协调控制可以实现空间内三 ,, 第二章三自由度康复机器人系统设计方案 个自由度上的复合运动、从而实现患者上肢的多个方向的运动，例如屈伸、抬举、摆动等。这样就 可以充分活动患者的肘关。饥肩关节、腕关节。相对于现有的技术而言，本机构具有结构简单、控 制准确、能够实现多种训练模式并且切换方便、运行安全可靠的优点。 ,(,(,机器人运动学分析 】(运动学分析的意义 机器人的运动控制实际上就是控制各关节驱动电机的运动，使各关:书的运动相互协调，以实现 末端执行器在空间中按一定的路径运动。为了控制机器人的末端执行器按照规定路径、速度运动， 必须弄清各关节角及其随时间的变化情况和末端位姿及其随时间变化情况之间的关系。运动学数学 建模的过程就是为求解机器人从关节空间剑末端直角坐标空间的映射与逆映射的过程。建立两个空 间之问的正确映射关系可以计算出各关„,了运动在任意时刻时机器人末端的位姿，通过预先计算出末 端执行器沿某一特定轨迹运动时相应的各个关节角度值，就可间接地通过控制关节旋转来实现末端 的路径。 ,(运动学分析 如图,(,所示为投影到空间坐标系的三自由度康复机器人。 图,(,康复机器人的运动学简图 其中，,点为坐标系的原点，此点为机器人位置复位时滑块,的位置点，,轴是沿丝杠,方向 箭头向上的直线，,轴是机器人位置复位时沿导轨箭头指向手柄方向的直线，,轴是,轴在水平面 顺时针旋转,,。得到的直线。,点为操作手柄的位置点，,。为位置复位时,点在,轴的分量长度，为 操作手柄不可伸缩的长度，,，为位置复位时,点在,轴的分量长度，为操作手柄上下不可移动的长 度，,，为操作手柄伸缩的长度(变量)，,:为操作手柄上下移动的长度(变量)，,,为操作手柄水平旋转 的角度(变量)，操作手柄位置点,(装有力传感器)在三个电机的驱动下做出所要求的轨迹。 由图中运动关系可得运动学正解，如式(,(,)所示: ,,(，,，,);,,, 耳,(毛，,,),,,,, (,(,) ,,,,,，,, 东南大学硕上学位论文 式(,(,)可表明在给定,、,，、,:的情况，,、机器人操作手柄在基础,一，:,,小一,。阻(,,,置,。 ?一胁妻 碣,扛?可,„ (,(,) ,,,,,—,, 式(,(,)表明在基础坐标系上给定机器人操作手柄的位置情况下，各自由度上的运动参数是唯一 确定的。 „ 式(,(,)、(,(,),,,，为机器人的运动轨迹规划控制提供理论设计参数。 结合式(,(,)、(,(,)、式(,(,)、式(,，,),,,知 ,,,(„，矿(互？”;,,夕 耳,(„，,,(,,？)),,,, (,(,) 乙,厶，办瓦岛 因此，,,( ?…哇 ？:驾,,,,,,掣，,,,,, (,(,) 反:兰, , ,, 在本设计中，为了控制操作手柄的速度和位置、在每个自由度方向上安装了编码器，其中在水 平伸缩、上下移动两个方向，编码器分别安装在丝杠,、丝杠,的木端，在水平旋转方向，编码器 安装在滚动轴承旁边，通过皮带与滚动轴承相连。据上分析可知，要控制好操作手柄按规定轨迹进 行运动只要控制好三个电机的运动。 ,(,安全性设计 由于康复机械人直接对患者的肢体进行操作，而且相对于健康人手臂来说，患者患肢感觉能力 差，部分控制功能缺失，更容易受到损伤，所以康复训练机器人在保障患肢安全性方面要求很高。 针对这一要求，系统在硬件和软件上都做了保护措施，其主要表现为机器人的结构设计和控制系统 的没计。 在结构设计上，牵引机构的运动空间不能与患者的运动空间发生干涉，并且不能对患肢产生过 大的拉扯力。在控制系统的设计中，在软件上，每次训练都会预设一个运动范围，防止转动角度过 大而对患者造成二次伤害，同时机器人不仅要能根据患者康复的具体情况提供动力或者阻力，而且 ,, 第二章三自由度康复机器人系统殴计方案 要随时监控患者患肢的受力情况，实时作出调整。 ,(位置保护 在康复机器人工作的过程中，为了使关节不超过自身的运动范围，进行位置保护是很有必要的，这 里采用硬件和软件相结合的方式米实现。 机械臂控制轴上安装的霍尔开关作为限位开关用来检测其极限位置，结合设计中安装的增量式 光电编码器为机器人控制轴的相对位置定位，在硬件上确保机器人输出轴不超过其行程范围，并将 机器人的工作空间限制在患者可以接受的范围内。当驱动器带动机器人臂到达设定的极限位置时， 产生极限位置信号，从而实现病肢的硬件保护。 ,(力保护 与患者的患肢进行接触时，为了避免末端与人手臂的接触力过大或相互碰撞而拉伤患肢，在进行 位置保护的同时必须采取力矩保护措施。根据具体的作业任务设定末端作用力的允许范围，在保护 系统中判断力传感器信号是否在该范围之内，从而实现机器人的力保护。 ,(,驱动方式的选择 驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人常用的驱动方式可分为以下,,类,,,,: (,汽压驱动使用压力通常在,(,,,(,,,,，最高可达,,,,。气压驱动主要优点是气源方便(一般工 厂都由压缩空气站供应压缩空气)，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶 劣的环境中工作。气压驱动的缺点是功率质龟比小，装置体积人，同时由于空气的可压缩性使得机器人在 任意定位时，位姿精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。 (,瑚,压驱动液压驱动系统用,,,,,,的油液驱动机器人，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱 动平稳，且系统的同有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很人范闱内实现无级调速。 用电液伺服控制液体流量和运动方向时，可以使机器人的轨迹重复性提高。液压驱动的缺点是易漏油，这 不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境。液压驱动多用,二要求输出力较大，运动速度较低的场合。 (,)电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由 电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响 应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等疃嘤诺悖缙 动已经成为最普遍，应用最多的驱动方式，,,年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。 由于手臂康复训练机器人的驱动负载小，要求结构简单、易于控制，所以选用了电气驱动方式。机械 人的驱动装置选用具有体积小、重量轻和良好的控制性等特点的直流伺服电机，它通过电机轴与减速 器配合，将电机的旋转运动传递到机械臂，减少了功率损耗。选用电气控制方式，使得整个系统具有结构 紧凑，成本低廉，操作方便等优点，适合于康复训练机器人。 ,(,计算机控制系统结构的设计 机器人控制系统是机器人信息处理和控制的主体，其设计好坏将决定机器人系统的整体行为和 性能。机器人控制系统按其控制方式可分为三类。 ,, 东南大学硕士学位论文 ,(集中控制方式 用一台微型计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，而且，控制系统不 易维护。 ,(主从控制方式 采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主,,,实现管理、坐标变换、轨迹生成和系 统自诊断等;从,,,实现所有关:肖的动作控制。主从控制方式系统实时性较好，但其系统扩展性较 差。 ,(分布式控制方式 目前普遍采用这种上、下位机二级分布式结构。上位机负责整个系统管理及运动学计算，轨迹规划等; 下位机由多,,,组成，每个,,,控制一个关,,了运动。这些,,,和主控机通过总线形式相联系。这种 结构控制器的,作速度和控制性能明显提高。 由于本康复训练机器人的三个自由度分别用三个直流伺服电机驱动，所以在选择控制方案时， 采用多,,,结构(如图,(,所示)。上位机(本文采用,;机)通过串行通信接口与下位机(,,,,,,,,, 主单片机)进行通讯，上位机负责整个系统管理及用户界面设计，可以实现康复训练机器人的远程在 线控制，进行训练效果监测，下位机为主从分布式设计，主单片机接收到上位机的控制信息后，通 过,,，通信将控制信息传送给从单片机，三个从单片机接受主单片机机的控制 指令分别控制三个电 机的运动速度和位置。 。，釜,函,?可 ,(,本章小结 主 单 片 机 萃俸 刻,,一 善,竺兰竺堂 蛩，,医忑磊订一, 图,,,控制系统示意图 本章介绍了机器人机械结构，通过对三自由度康复机器人系统的需求分析，选择 了一套适合本 系统设计要求的方案，为后续设计指明了设计方向和目标。 ,, 第三章控制系统硬件设计 ,(,引言 第三章控制系统硬件设计 控制系统用来对手臂康复训练机器人的运动速度、位置及力进行控制，控制系统 按其控制方式 主要有集中控制、主从控制和分布式控制二种。由于分布式控制的实时性好，易 丁实现高速、高精 度控制，所以本手臂康复训练机器人的控制系统采用上、下位机分布式控制结构。 ,(,硬件系统总体设计