【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，發(fā)展康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)更具實(shí)際意義。隨著康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的研究和使用，有望簡(jiǎn)化醫(yī)師與患者“一對(duì)一”的繁重治療過程，推動(dòng)殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提高殘疾人的生活質(zhì)量。同時(shí)，通過臨床上使用積累的大量數(shù)據(jù)，將有助于認(rèn)識(shí)訓(xùn)練參數(shù)與康復(fù)效果之間的關(guān)系，從而能夠在機(jī)器人輔助腦神經(jīng)康復(fù)治療上取得更大的突破。因此，康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和神經(jīng)反饋訓(xùn)練有廣泛的應(yīng)用前景。 康復(fù)機(jī)器人的原理和設(shè)計(jì) 工作原理和結(jié)構(gòu) 根據(jù)已廣泛應(yīng)用于臨床的 CPM( Continuous Passive Motion) 理論， 即滑膜關(guān)節(jié)持續(xù)被動(dòng)活動(dòng)理論，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循 2 種設(shè)計(jì)原則． 1) 解剖學(xué)設(shè)計(jì)． 支撐并推動(dòng)關(guān)節(jié)按其自然運(yùn)動(dòng)形式活動(dòng)，在技術(shù)上可使支撐帶動(dòng)關(guān)節(jié)接近生理活動(dòng)。 2) 隨意聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)． 通過牽動(dòng)關(guān)節(jié)周圍組織運(yùn)動(dòng)，使關(guān)節(jié)按其固有的運(yùn)動(dòng)軌跡活動(dòng)。 解剖學(xué)設(shè)計(jì)可使患者更舒適，而隨意聯(lián)動(dòng)則考慮到機(jī)械實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和使用方便，更易幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。 因此上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用隨意聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，通過運(yùn)動(dòng)臂 的運(yùn)動(dòng)分別牽引上、下肢做大范圍的康復(fù)訓(xùn)練。 上下肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，其主要結(jié)構(gòu)見圖 1 中 1— 11． 1— 訓(xùn)練器主體， 5— 運(yùn)動(dòng)臂， 3— 控制面板及 LED 顯示模塊， 4— 齒輪， 6— 電機(jī)， 7— 電機(jī)控制模塊， 8— 床邊固定件， 9— 墻體固定件， 10— 電源， 11— USB 通信模塊． 圖 1 上下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu) 橫梁裝配圖 立柱座 左頂端法蘭 左立柱裝配圖 中軸承承套 圖 1 中，電源 10 為電機(jī) 6 提供 24 V 工作電壓，電機(jī) 6 經(jīng)過減速器和一個(gè)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)齒輪軸 4 轉(zhuǎn)動(dòng)，在齒輪軸 4 的兩端有 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)臂 2 和 5，它們的位置相差 180176。［ 5］，以保證患者在被動(dòng)模式下運(yùn)動(dòng)時(shí)最大限度地被運(yùn)動(dòng)臂牽引。當(dāng) 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)臂安裝有 2個(gè)運(yùn)動(dòng)手柄時(shí)，患者就可以在運(yùn)動(dòng)手柄的帶動(dòng)下進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練，而當(dāng) 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)臂安裝有 2 個(gè)運(yùn)動(dòng)腳踏時(shí)，患者就可以在進(jìn)行相應(yīng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)采用 2 級(jí)控制方案，總體控制方案示意如圖 2 所示。 PC 機(jī)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、狀態(tài)顯示和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制。 控制面板作為備用控制設(shè) 備，在 PC 機(jī)控制出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 電機(jī)選擇 上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可提供訓(xùn)練者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練和被動(dòng)訓(xùn)練。主動(dòng)訓(xùn)練是指訓(xùn)練者利用自身的力量克服阻力旋轉(zhuǎn)曲柄進(jìn)行的訓(xùn)練 。 被動(dòng)訓(xùn)練是指訓(xùn)練者不借助自身的力量，隨著由電機(jī)帶動(dòng)的曲柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的訓(xùn)練。 在被動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)，當(dāng)訓(xùn)練者向運(yùn)動(dòng)方向施加主動(dòng)力時(shí)即自動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)訓(xùn)練。 在主動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)，當(dāng)訓(xùn)練者停止施加主動(dòng)力時(shí)即自動(dòng)轉(zhuǎn)為被動(dòng)訓(xùn)練． 為適應(yīng)這種訓(xùn)練要求，電機(jī)選擇臺(tái)灣 HIWIN公司的 AM1 型電機(jī)． 該電機(jī)體積小，控制電壓即可控制轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)矩為線性，有益于電路設(shè)計(jì)。通過增加減速箱可達(dá)到增加扭力的效果。 電機(jī)控制電路 電機(jī)控制電路選用上海新茂半導(dǎo)體有限公司的 SSU7301 單片機(jī)作為主控芯片． SSU7301 是 一款 8 位單片機(jī)，以標(biāo)準(zhǔn) 8052CPU 為核心，外圍集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PWM、 SPWM、看門狗定時(shí)器和 LCD 驅(qū)動(dòng)器等多種功能，內(nèi)置 8 KB 的閃速存儲(chǔ)器?？傮w來說， SSU7301單片機(jī)性能優(yōu)良，資源豐富，應(yīng)用方便，完全滿足上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)要求。 采用單片機(jī) PWM 調(diào)制方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)芯片選用 LM18200，驅(qū)動(dòng)部分電路原理如圖3 所示。 單片機(jī) SSU7301 的 P1. 5 口用作 PWM 的輸出端口。 PMW 采用 5 位分辨率， PWM 頻率選擇為 23 437. 5 Hz。 通過分別寫入 0F— 1F 到 PWM D0 特殊功能寄存器，將 PWM 均勻分為 9 個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的 9 個(gè)等級(jí)。 P1. 6 端口用作電機(jī)方向控制端口，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 P1. 3 端口用作繼電器控制端口，繼電器導(dǎo)通時(shí)電機(jī)才能工作。 P3. 5端口使能第 2 功能，作為 AD1 的模擬輸入端，采集 W2 上的電壓，以判斷機(jī) 器人的運(yùn)動(dòng)是主動(dòng)模式還是被動(dòng)模式。 電機(jī)控制電路配備一塊南京國(guó)顯電子公司的 LED 顯示屏 HD44780，在機(jī)器人上實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以及主、被動(dòng)模式信息。 通過 USB 與上位機(jī)通信，上位機(jī)可以通過用戶端控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載以及運(yùn)動(dòng)方向，并能實(shí)時(shí)顯示以上信息以及有無主動(dòng)訓(xùn)練等信息。 SSU7301MCU 的 P3. 0 和 P3. 1 端口作為第 2 功能引腳用作串口通信，用于與 C8051F320MCU 通信。 同時(shí)， P2 的 8 個(gè) I /O 端口用作控制面板按鍵的檢測(cè)，以防備 PC 機(jī)控制出現(xiàn)異常時(shí)直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載以及運(yùn)動(dòng)方向。 康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略 機(jī)器人在輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練過程中，其運(yùn)動(dòng)控制策略有自身應(yīng)用和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，必須依據(jù)運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)理論和病患機(jī)制。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中有關(guān)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略從控制手段主要分為：力控制策略、力場(chǎng)控制策略及生物電信號(hào)控制策略。 力控制策略：運(yùn)用力傳感器直接檢測(cè)機(jī)器人同病患部位之間的相互作用力并對(duì)之進(jìn)行控制，是機(jī)器人 輔助康復(fù)運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用最廣泛的一種方法，具體控制過程大體經(jīng)歷了 3 個(gè)階段：經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制。 經(jīng)典控制： 從廣義角度講，經(jīng)典控制主要有 3 類， PID 控制、阻抗控制和力 /位置混合控制。如 MIME、ARMGuide 等運(yùn)用 PID 控制機(jī)器人輔助患者實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練。 PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，但是康復(fù)機(jī)器人本身是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，過程中如患者病情發(fā)生突變， PID 控制很難取得理想的效果。 阻抗控制是通過調(diào)節(jié)機(jī)器人末端的位置偏差和力的動(dòng)態(tài)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)位置和力控制的方法，不直接控制期 望的位置和力。由 krebstt (Krebs HI)等 [2]首次提出并應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人 MITManus 控制。阻抗控制雖然對(duì)系統(tǒng)的不確定性和擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性，但當(dāng)患者的病情不確定時(shí)，阻抗控制表現(xiàn)出較差的軌跡跟蹤能力。 力 /位置混合控制采用位置控制方式和力控制方式分別控制自由和受限方向上運(yùn)動(dòng)。 Lokomat 將患者下肢的主動(dòng)力納入力 /位置混合控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了下肢及步態(tài)的康復(fù)訓(xùn)練。該方法直觀上允許對(duì)康復(fù)機(jī)械同患者的相互作用力進(jìn)行直接控制，但是對(duì)力、位置分別控制對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)算性能提出較高要求，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變差 。 現(xiàn)代控制： 康復(fù)機(jī)器人是一個(gè)具有時(shí)變、強(qiáng)耦合和非線性的動(dòng)力學(xué)特征的系統(tǒng)，加上患者在過程中因肌張力的變化、肌肉痙攣等造成的環(huán)境不確定性，其控制十分復(fù)雜。上述經(jīng)典控制策略在適用范圍和控制效果方面均存在不足?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展為康復(fù)機(jī)器人力控制提供了重要的理論基礎(chǔ)。Takahashi 等 [14]運(yùn)用 H2 及最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)了一個(gè)減振系統(tǒng)并運(yùn)用于腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練中。Wege 等 [15]基于 Lyapunov 穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了滑模位置控制器并運(yùn)用于手指關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，取得了一定的效果。但從現(xiàn)有的成果來看， 最優(yōu)控制往往不能保證控制的最佳特性，效果不明顯。魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制等雖具有適應(yīng)患者病情變化的能力，但是在控制實(shí)時(shí)性嚴(yán)格的情況下難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤精度。 智能控制： 隨著智能控制技術(shù)發(fā)展，康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)入智能化階段，尤其被控對(duì)象有不確定性的情況下，智能控制得到了較成功的應(yīng)用。具有代表性的有： Ju 等將模糊邏輯及 PID 控制融入力 /位置混合控制使患者上肢沿直線 /圓弧路徑進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。 Erol 等運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì) PID 控制增益進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使康復(fù)機(jī)器人末端提供的輔助力能適應(yīng)患者病情 的變化。 Ahn等基于神經(jīng)模糊控制和氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行肘部康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，均取得了較理想的效果。但智能控制也有其局限性，如模糊控制中規(guī)則庫(kù)過大，模糊推理時(shí)間延長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性難以保證；規(guī)則庫(kù)簡(jiǎn)單則控制效果受到限制。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中隱含層及隱含層神經(jīng)元數(shù)量的合理確定、泛化能力仍是一個(gè)值得研究的課題。 力場(chǎng)控制策略：力場(chǎng)控制策略仿照物理學(xué)中電勢(shì)和電場(chǎng)力的概念，把機(jī)械手在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為一種人造受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要提供輔助力時(shí)，可以將輔助力場(chǎng)設(shè)計(jì)為機(jī)械手末端位置矢量的函數(shù)，根據(jù)訓(xùn)練過程中機(jī)械手末端的位置偏差調(diào)整 輔助力大小和方向；當(dāng)需要提供阻力時(shí)，可以將阻力場(chǎng)