【文章內(nèi)容簡介】 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)行主動訓(xùn)練和被動訓(xùn)練。主動訓(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)帶動的曲柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的訓(xùn)練。 在被動訓(xùn)練狀態(tài)，當(dāng)訓(xùn)練者向運(yùn)動方向施加主動力時(shí)即自動轉(zhuǎn)為主動訓(xùn)練。 在主動訓(xùn)練狀態(tài)，當(dāng)訓(xùn)練者停止施加主動力時(shí)即自動轉(zhuǎn)為被動訓(xùn)練． 為適應(yīng)這種訓(xùn)練要求，電機(jī)選擇臺灣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)動器等多種功能，內(nèi)置8 KB 的閃速存儲器?？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)制方式對電機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動芯片選用LM18200，驅(qū)動部分電路原理如圖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，對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的9 個(gè)等級。 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。 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)動是主動模式還是被動模式。電機(jī)控制電路配備一塊南京國顯電子公司的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)動方向，并能實(shí)時(shí)顯示以上信息以及有無主動訓(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，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)動方向。康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制策略機(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)動功能康復(fù)理論和病患機(jī)制。國內(nèi)外文獻(xiàn)中有關(guān)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動控制策略從控制手段主要分為：力控制策略、力場控制策略及生物電信號控制策略。 力控制策略：運(yùn)用力傳感器直接檢測機(jī)器人同病患部位之間的相互作用力并對之進(jìn)行控制，是機(jī)器人輔助康復(fù)運(yùn)動控制中應(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。阻抗控制雖然對系統(tǒng)的不確定性和擾動具有較強(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。Lokomat 將患者下肢的主動力納入力/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，但是對力、位置分別控制對系統(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)動控制進(jìn)入智能化階段，尤其被控對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)模糊控制和氣動人工肌肉驅(qū)動技術(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)則庫過大，模糊推理時(shí)間延長，實(shí)時(shí)性難以保證；規(guī)則庫簡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。力場控制策略：力場控制策略仿照物理學(xué)中電勢和電場力的概念，把機(jī)械手在環(huán)境中的運(yùn)動視為一種人造受力場中的運(yùn)動。當(dāng)需要提供輔助力時(shí)，可以將輔助力場設(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)，可以將阻力場設(shè)計(jì)為機(jī)械手末端速度矢量的函數(shù)或者根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練過程中的力場后效應(yīng)進(jìn)行阻力場設(shè)計(jì)。力場控制難點(diǎn)在于力場本身的設(shè)計(jì)以及力場控制策略的選擇。胡宇川等基于力場控制策略研制了一種用于偏癱上肢復(fù)合運(yùn)動的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，該機(jī)器人不僅可以帶動患肢完成大范圍、大幅度的復(fù)合動作訓(xùn)練，而且還可以實(shí)現(xiàn)主動、被動、抗阻、助力等多種訓(xùn)練模式。Patton 等根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練中力場的后效應(yīng)(aftereffect)使患者沿著事先設(shè)定的正弦軌跡進(jìn)行伸展康復(fù)訓(xùn)練。Banala 等為使患者完成步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)計(jì)PID 力場控制器使之在腳部附近產(chǎn)生阻尼力場。機(jī)器人輔助運(yùn)動功能康復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展前景機(jī)器人輔助運(yùn)動功能康復(fù)治療技術(shù)涉及機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。從現(xiàn)有文獻(xiàn)和康復(fù)機(jī)器人臨床應(yīng)用來看，未來機(jī)器人輔助患者運(yùn)動功能康復(fù)的研究應(yīng)主要集中在以下幾個(gè)方面： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械本體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。機(jī)械本體設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮患者的病情特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)功能、訓(xùn)練模式、安全舒適性等，提高訓(xùn)練動作的種類，增大動作幅度，積極探索新材料技術(shù)在康復(fù)機(jī)械中的應(yīng)用，使機(jī)械更加簡潔輕巧，穿戴起來更加舒適。從康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)來看，應(yīng)積極發(fā)展遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人訓(xùn)練系統(tǒng)，特別是多路復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，使患者