CN107050763B - 一种新型踝关节康复机器人其控制方法 - Google Patents

一种新型踝关节康复机器人其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型踝关节康复机器人，包括电控箱、基座、驱动电机、编码器、3‑RRR球面并联机构及脚部踏板；3‑RRR球面并联机构位于底部基座及上方脚部踏板之间，3‑RRR球面并联机构具有三条相同的运动支链，每条支链由三个转动副和两个连杆组成，该3‑RRR球面机构具有三个纯转动自由度，且各转动轴线交于一点，该点是3‑RRR球面机构的转动中心O点，每条运动支链的各个转动副轴线也交于O点。具有三转动自由度，并且工作空间应当满足踝关节各运动的角度范围；同时，还满足踝关节转动灵活性高、承载能力强的生理特点。

Description

一种新型踝关节康复机器人其控制方法
技术领域
本发明属于康复机器人技术领域，涉及一种新型踝关节康复机器人其控制方法。
背景技术
康复机器人是一类辅助病患或老年人进行日常锻炼的自动化装置。近年来，机器人辅助物理治疗的研究方兴未艾，主要源于康复训练是一项大量重复性的工作，康复师工作量大且容易疲惫，而这一类型工作正是机器人的强项。踝关节康复机器人便是典型代表。踝关节是人体保持步态平衡和承重的重要关节，具有绕解剖平面三自由度的旋转运动功能。踝关节扭伤是一种常见的下肢运动损伤，且具有恢复缓慢的特点。利用机器人技术进行踝关节辅助康复训练，便于康复师制定多种针对性康复训练方案，同时可以定量化地评估和收集训练数据，对于损伤患者的快速康复具有重要意义。
针对踝关节辅助康复训练，国内外很多学者对此进行了研究，并研制成功了多种不同构型、不同控制方法的康复设备。Girone在1999年基于六自由度的Stewart机构研制了Rutgers Ankle”机器人，并利用力反馈技术和虚拟现实技术构建了多种训练场景，可实现平衡、力量、灵活性训练。该设备成功利用并联机构作为踝部康复设备，但是具有多余自由度，带来控制复杂性。其气动驱动方式并不适合医疗或家用环境要求的静音、便携特点。Liu在2006年利用三自由度并联机构3RSS/S研制了电机驱动的踝关节康复设备，结构较为紧凑。Saglia2009年研制了两自由度并联康复机器人，该设备具有三支链，冗余驱动的特点。其关节驱动采用了一种新型的绳驱动将电机转动转化为活塞直线运动的装置。根据踝关节的生理结构，多数学者提出的康复设备均采用三转动自由度的配置形式。Tsoi提出了一种3-UPS结构的并联康复设备，并讨论了自适应的交互控制方法。李大顺将3-RSS机构用于踝关节康复机器人的研制。曾达幸提出了一种PU-CRRU-CRRR机构，具有三自由度并联解耦的特点。
踝关节术后康复一般分为早期、中期、后期三个阶段，病患会循序渐进地恢复关节活动范围和肌肉力量。在早期阶段，康复训练一般被动活动为主；而在中后期阶段，则主动活动为主，被动活动为辅。因此，康复机器人的控制方式分为主动和被动两种方式，分别控制机器人末端的运动轨迹和输出力/力矩。Saglia开发的康复设备采用位置控制方式，机器人引导患者踝关节运动套，适应于早期康复训练。胡进将康复机器人的力控制分为力位混合控制和阻抗控制两种方法。Ju利用模糊控制器实现了两自由度康复机器人的力位混合控制。Tsoi则采用阻抗控制方式，施加一定的阻力到患者踝部，从而实现患者的主动训练。
踝关节康复机器人的工作空间和自由度配置必须与踝关节的结构和运动特性保持一致。通常，踝关节的运动可认为是绕着三个解剖平面（即额状面、矢状面、水平面）的法线方向旋转运动，如图1所示。其中，绕着矢状面法线的旋转称为背伸/跖屈运动；绕水平面法线的旋转称为外伸/内展运动，绕额状面法线的旋转称为内翻/外翻运动。这三个解剖平面是相互正交的，所以踝关节的运动可等价于绕某一转动中心做球面运动。如表1所示，每种运动的转动范围并不相同，但其运动范围都比较小[9]。
表1 踝关节各运动的角度范围
Figure 525631DEST_PATH_IMAGE001
Figure 285514DEST_PATH_IMAGE002
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种新型踝关节康复机器人其控制方法，它具有三转动自由度，并且工作空间应当满足踝关节各运动的角度范围；同时，还满足踝关节转动灵活性高、承载能力强的生理特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型踝关节康复机器人，包括电控箱、基座、驱动电机、编码器、3-RRR球面机构及脚部踏板；其中，3-RRR球面机构位于底部基座及上方脚部踏板之间，3-RRR球面机构具有三条相同的运动支链，每条支链由三个转动副和两个连杆组成，该3-RRR球面机构是一种典型的球面并联机构（SPM），具有三个纯转动自由度，且各转动轴线交于一点，该点是3-RRR球面机构的转动中心O点，每条运动支链的各个转动副轴线也交于O点，首先，在转动中心O点处建立固连于静平台的静坐标系OX 0 Y 0 Z 0，X 0指向静平台的法线方向向上，Z 0指向O点与运动支链靠近静平台的转动副中心连续在静平台上的投影方向，Y 0由右手定则确定，其次，在同样在转动中心O点处建立固连于动平台的动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '，该坐标系会随着动平台的运动而运动，在初始位置，动坐标系与静坐标系重合；
定义方向矢量u i (i=1,2,3)，指向运动支链i中连架杆与静平台之间转动副的轴线方向；定义v i (i=1,2,3)，指向运动支链i中连杆与动平台之间的转动副的轴线方向；定义w i (i=1,2,3)，指向同一运动支链上两连杆之间转动副的轴线方向；
因为三条运动支链完全相同，所以对其结构参数研究时，可以将3-RRR机构的简化为一条支链作为研究对象，单条运动支链共有四个结构参数：
α 1——连架杆两端转动副轴线的夹角；
α 2——连杆两端转动副轴线的夹角；
β 1——方向矢量u i 与静平台法线方向OH的夹角；
β 2——方向矢量v i 与静平台法线方向OH'的夹角；
这些结构参数对机构的工作空间、灵活度产生影响，为了获得较好的灵活度指标，同时考虑到机构对称性，对四个参数进行尺寸综合，确定优化结果为α 1=90°，α 2=90°，β 1=54°，β 2=54°，此时3-RRR球面机构呈现正交特点，方向矢量v i 垂直于w i ；
将各条运动支链的驱动输入定义为θ i (i=1,2,3)，因为3-RRR球面机构为纯转动机构，可用欧拉角表示其动平台的姿态角，采用ZXY欧拉角[ϕ,θ,ψ]来表示姿态，动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '相对于静坐标系OX 0 Y 0 Z 0的坐标变换过程为：
（1）坐标系OX 0 Y 0 Z 0绕X 0转动ϕ角，得到中间坐标系OX 1 Y 1 Z 1；
（2）坐标系OX 1 Y 1 Z 1绕X 1轴转动θ角，得到中间坐标系OX 2 Y 2 Z 2；
（3）坐标系OX 2 Y 2 Z 2绕Y 2轴转动ψ角，得到动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '；
由以上变换过程可以写出从定坐标系OX 0 Y 0 Z 0系到动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '的旋转矩阵R E ：
Figure 268514DEST_PATH_IMAGE003
。
所述3-RRR球面机构具有一个静平台和一个动平台，基座与3-RRR球面机构的静平台固定相连，动平台则与脚部踏板固定相连。
所述运动支链靠近静平台的连杆为连架杆。
在3-RRR球面并联结构中还增加了一条支链，由一个球运动副组成，球铰的中心与3-RRR球面机构的转动中心重合，该支链并无驱动，主要用于优化机构刚度，增加承载能力。
一种新型踝关节康复机器人的控制方法，包括两种康复模式：运动功能训练模式和肌肉力量训练模式，分别适合踝关节损伤的病患在术后恢复前期和中后期的训练治疗，康复机器人本体结构、硬件、控制软件及交互***构成了完整的使用环境，硬件控制***采用上下位机的架构方式，上位机是基于普通台式电脑或家用笔记本电脑，运行训练虚拟场景计算、位置控制、运动学计算、力计算等高层控制算法；下位机则是基于嵌入式***，执行编码器采集、电机驱动控制、通信控制等底层控制算法；上下位机采用以太网通信方式，可实现高速数据传输，且利于联网操作和多机器人扩展；其中运动功能训练模式的人机交互界面负责提供训练者可视化的虚拟训练场景，以提供一定沉浸感的训练体验。用户通过人机交互界面选择训练模式，机器人运动规划器根据训练者的输入，在数据库中查找该模式对应的训练计划，运动规划器根据训练计划设定的运动范围、运动速度进行插值计算，输出机器人动平台姿态数据给运动学逆解模块进行逆解计算，求得各个关节的控制量，并交由下位机的PID控制器进行位置控制，关节编码器负责采集电机转角，作为PID控制器的输入，同时反馈到上位机的运动学正解模块中，计算机器人动平台的实时姿态，经过虚拟场景渲染，反馈到训练者，提供具有沉浸感的训练效果，从而有效提升训练过程中的乐趣；踝关节康复的中后期则主要使用肌肉力量训练模式，在该训练模式下，不同于位置控制下的牵引运动，机器人须提供一种阻力给训练者，康复机器人采用阻抗控制作为肌肉力量训练时的力控模型，训练者向康复机器人施加踝部运动，机器人则根据与训练者脚部相连的动平台姿态变化，计算反馈力并输出给训练者。采用经典的“质量-阻尼-弹簧”模型作为反馈力计算方法：
Figure 257199DEST_PATH_IMAGE004
其中，F为机器人向训练者反馈的力，M表示惯性系数，B表示阻尼系数，K表示刚度系数，X表示训练者向机器人施加的运动；
反馈力F需经过静力学反解，得到各个驱动关节的驱动力矩τ i (i=1,2,3)，并最终转换为电机电流进行伺服控制，根据虚功原理，有：
Figure 540412DEST_PATH_IMAGE005
将公式（8）带入公式（17）中，可得：
Figure 707083DEST_PATH_IMAGE006
J T 为机构的力雅可比矩阵，表示机器人动平台输出的反馈力与关节驱动力矩的映射关系；
康复训练者与康复机器人的交互包括运动输入、视觉反馈和力反馈，机器人工作在一种被动模式下，关节编码器采集驱动电机转角，经过运动学正解模块计算机器人动平台姿态角，输入阻抗控制器模块计算反馈力，并经过静力学反解，计算关节的驱动力矩，经过底层的闭环控制实现反馈力的输出。
所述训练计划文件是采用一种类自然语言的自定义脚本，存储于数据库中，具有良好的扩展性。对于不同病患的不同阶段，康复师只需制定康复训练计划，即可转换为脚本文件，供机器人运动规划器调取作为机器人动平台姿态规划的依据。
本发明的有益效果是：采用3-RRR球面机构作为机器人的基础构型，具有灵活性好、刚度高、紧凑便携，符合踝关节生理结构特征等优点；在机构设计的基础上完成了机械结构设计；完成了3-RRR球面机构的建模分析，通过坐标变换矩阵和机构几何约束方程推导了运动学逆解。针对并联机构运动学正解求解困难的问题，根据机构关节空间和操作空间的速度映射关系，设计了一种迭代算法计算机构的运动学正解，通过算例证明了算法具有精度高、迭代速度快的特点；根据踝关节术后康复的不同时期，设计了两种康复训练模式：运动功能训练模式和肌肉力量训练模式。运动功能训练模式下采用位置控制方式建立机器人的控制***结构；在肌肉力量训练模式下采用阻抗控制方式，采用“质量-阻尼-弹簧”力模型，保证了机器人在被动工作下，与人交互具有良好的柔顺性和安全性。
附图说明
图1踝关节运动自由度示意图；
图2是踝关节康复机器人结构示意图；
图3是 3-RRR球面机构建模图；
图4 是运动功能训练模式方框示意图；
图5肌肉力量训练模式方框示意图。
图中：1-基座，2-3-RRR球面机构，3-踏板，4-驱动电机，5-电控箱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参见图1～图5，一种新型踝关节康复机器人，包括电控箱5、基座1、驱动电机4、编码器、3-RRR球面机构2及脚部踏板3；其中，3-RRR球面机构2位于底部基座1及上方脚部踏板3之间，3-RRR球面机构2具有三条相同的运动支链，每条支链由三个转动副和两个连杆组成，该3-RRR球面机构是一种典型的球面并联机构（SPM），具有三个纯转动自由度，且各转动轴线交于一点，该点是3-RRR球面机构的转动中心O点，每条运动支链的各个转动副轴线也交于O点，首先，在转动中心O点处建立固连于静平台的静坐标系OX 0 Y 0 Z 0，X 0指向静平台的法线方向向上，Z 0指向O点与运动支链靠近静平台的转动副中心连续在静平台上的投影方向，Y 0由右手定则确定，其次，在同样在转动中心O点处建立固连于动平台的动坐标系OX 0 'Y 0 ' Z 0 '，该坐标系会随着动平台的运动而运动，在初始位置，动坐标系与静坐标系重合；
定义方向矢量u i (i=1,2,3)，指向运动支链i中连架杆与静平台之间转动副的轴线方向；定义v i (i=1,2,3)，指向运动支链i中连杆与动平台之间的转动副的轴线方向；定义w i (i=1,2,3)，指向同一运动支链上两连杆之间转动副的轴线方向。
因为三条运动支链完全相同，所以对其结构参数研究时，可以将3-RRR机构的简化为一条支链作为研究对象，单条运动支链共有四个结构参数：
α 1——连架杆两端转动副轴线的夹角；
α 2——连杆两端转动副轴线的夹角；
β 1——方向矢量u i 与静平台法线方向OH的夹角；
β 2——方向矢量v i 与静平台法线方向OH'的夹角；
这些结构参数对机构的工作空间、灵活度产生影响，为了获得较好的灵活度指标，同时考虑到机构对称性，对四个参数进行尺寸综合，确定优化结果为α 1=90°，α 2=90°，β 1=54°，β 2=54°，此时3-RRR球面机构2呈现正交特点，方向矢量v i 垂直于w i ；
将各条运动支链的驱动输入定义为θ i (i=1,2,3)，因为3-RRR球面机构2为纯转动机构，可用欧拉角表示其动平台的姿态角，采用ZXY欧拉角[ϕ,θ,ψ]来表示姿态，动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '相对于静坐标系OX 0 Y 0 Z 0的坐标变换过程为：
（1）坐标系OX 0 Y 0 Z 0绕Z 0转动ϕ角，得到中间坐标系OX 1 Y 1 Z 1；
（2）坐标系OX 1 Y 1 Z 1绕X 1轴转动θ角，得到中间坐标系OX 2 Y 2 Z 2；
（3）坐标系OX 2 Y 2 Z 2绕Y 2轴转动ψ角，得到动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '；
由以上变换过程可以写出从定坐标系OX 0 Y 0 Z 0系到动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '的旋转矩阵R E ：
Figure 302012DEST_PATH_IMAGE007
。
所述3-RRR球面机构2具有一个静平台和一个动平台，基座1与3-RRR球面机构2的静平台固定相连，动平台则与脚部踏板3固定相连。
所述运动支链靠近静平台的连杆为连架杆。
在3-RRR球面并联结构中还增加了一条支链，由一个球运动副组成，球铰的中心与3-RRR球面机构2的转动中心重合，该支链并无驱动，主要用于优化机构刚度，增加承载能力。
一种新型踝关节康复机器人的控制方法，包括两种康复模式：运动功能训练模式和肌肉力量训练模式，分别适合踝关节损伤的病患在术后恢复前期和中后期的训练治疗，康复机器人本体结构、硬件、控制软件及交互***构成了完整的使用环境，硬件控制***采用上下位机的架构方式，上位机是基于普通台式电脑或家用笔记本电脑，运行训练虚拟场景计算、位置控制、运动学计算、力计算等高层控制算法；下位机则是基于嵌入式***，执行编码器采集、电机驱动控制、通信控制等底层控制算法；上下位机采用以太网通信方式，可实现高速数据传输，且利于联网操作和多机器人扩展；其中运动功能训练模式的人机交互界面负责提供训练者可视化的虚拟训练场景，以提供一定沉浸感的训练体验，用户通过人机交互界面选择训练模式，机器人运动规划器根据训练者的输入，在数据库中查找该模式对应的训练计划，运动规划器根据训练计划设定的运动范围、运动速度进行插值计算，输出机器人动平台姿态数据给运动学逆解模块进行逆解计算，求得各个关节的控制量，并交由下位机的PID控制器进行位置控制，关节编码器负责采集电机转角，作为PID控制器的输入，同时反馈到上位机的运动学正解模块中，计算机器人动平台的实时姿态，经过虚拟场景渲染，反馈到训练者，提供具有沉浸感的训练效果，从而有效提升训练过程中的乐趣；踝关节康复的中后期则主要使用肌肉力量训练模式，在该训练模式下，不同于位置控制下的牵引运动，机器人须提供一种阻力给训练者，康复机器人采用阻抗控制作为肌肉力量训练时的力控模型，训练者向康复机器人施加踝部运动，机器人则根据与训练者脚部相连的动平台姿态变化，计算反馈力并输出给训练者。采用经典的“质量-阻尼-弹簧”模型作为反馈力计算方法：
Figure 969754DEST_PATH_IMAGE008
其中，F为机器人向训练者反馈的力，M表示惯性系数，B表示阻尼系数，K表示刚度系数，X表示训练者向机器人施加的运动；
反馈力F需经过静力学反解，得到各个驱动关节的驱动力矩τ i (i=1,2,3)，并最终转换为电机电流进行伺服控制，根据虚功原理，有：
Figure 472586DEST_PATH_IMAGE009
将公式（8）带入公式（17）中，可得：
Figure 934792DEST_PATH_IMAGE010
J T 为机构的力雅可比矩阵，表示机器人动平台输出的反馈力与关节驱动力矩的映射关系；
康复训练者与康复机器人的交互包括运动输入、视觉反馈和力反馈，机器人工作在一种被动模式下，关节编码器采集驱动电机4转角，经过运动学正解模块计算机器人动平台姿态角，输入阻抗控制器模块计算反馈力，并经过静力学反解，计算关节的驱动力矩，经过底层的闭环控制实现反馈力的输出。
所述训练计划文件是采用一种类自然语言的自定义脚本，存储于数据库中，具有良好的扩展性。对于不同病患的不同阶段，康复师只需制定康复训练计划，即可转换为脚本文件，供机器人运动规划器调取作为机器人动平台姿态规划的依据。
本发明采用3-RRR球面机构2作为机器人的基础构型，具有灵活性好、刚度高、紧凑便携，符合踝关节生理结构特征等优点；在机构设计的基础上完成了机械结构设计；完成了3-RRR球面机构2的建模分析，通过坐标变换矩阵和机构几何约束方程推导了运动学逆解。针对并联机构运动学正解求解困难的问题，根据机构关节空间和操作空间的速度映射关系，设计了一种迭代算法计算机构的运动学正解，通过算例证明了算法具有精度高、迭代速度快的特点；根据踝关节术后康复的不同时期，设计了两种康复训练模式：运动功能训练模式和肌肉力量训练模式。运动功能训练模式下采用位置控制方式建立机器人的控制***结构；在肌肉力量训练模式下采用阻抗控制方式，采用“质量-阻尼-弹簧”力模型，保证了机器人在被动工作下，与人交互具有良好的柔顺性和安全性。

Claims (2)

1.一种新型踝关节康复机器人，其特征在于：包括电控箱、基座、驱动电机、编码器、3-RRR球面机构及脚部踏板；其中，3-RRR球面机构位于底部基座及上方脚部踏板之间，3-RRR球面机构具有三条相同的运动支链，每条支链由三个转动副和两个连杆组成，该3-RRR球面机构是一种典型的球面并联机构，具有三个纯转动自由度，且各转动轴线交于一点，该点是3-RRR球面机构的转动中心O点，每条运动支链的各个转动副轴线也交于O点，首先，在转动中心O点处建立固连于静平台的静坐标系OX 0 Y 0 Z 0，X 0指向静平台的法线方向向上，Z 0指向O点与运动支链靠近静平台的转动副中心连续在静平台上的投影方向，Y 0由右手定则确定，其次，在同样在转动中心O点处建立固连于动平台的动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '，该坐标系会随着动平台的运动而运动，在初始位置，动坐标系与静坐标系重合；定义方向矢量u i (i=1,2,3)，指向运动支链i中连架杆与静平台之间转动副的轴线方向；定义v i (i=1,2,3)，指向运动支链i中连杆与动平台之间的转动副的轴线方向；定义w i (i=1,2,3)，指向同一运动支链上两连杆之间转动副的轴线方向；
所述3-RRR球面机构具有一个静平台和一个动平台，基座与3-RRR球面机构的静平台固定相连，动平台则与脚部踏板固定相连；
所述运动支链靠近静平台的连杆为连架杆；
因为三条运动支链完全相同，所以对其结构参数研究时，可以将3-RRR机构的简化为一条支链作为研究对象，单条运动支链共有四个结构参数：
α 1——连架杆两端转动副轴线的夹角；
α 2——连杆两端转动副轴线的夹角；
β 1——方向矢量u i 与静平台法线方向OH的夹角；
β 2——方向矢量v i 与静平台法线方向OH'的夹角；
这些结构参数对机构的工作空间、灵活度产生影响，为了获得较好的灵活度指标，同时考虑到机构对称性，对四个参数进行尺寸综合，确定优化结果为α 1=90°，α 2=90°，β 1=54°，β 2=54°，此时3-RRR球面机构呈现正交特点，方向矢量v i 垂直于w i ；
将各条运动支链的驱动输入定义为θ i (i=1,2,3)，因为3-RRR球面机构为纯转动机构，可用欧拉角表示其动平台的姿态角，采用ZXY欧拉角[ϕ,θ,ψ]来表示姿态，动坐标系OX 0 'Y 0 ' Z 0 '相对于静坐标系OX 0 Y 0 Z 0的坐标变换过程为：
（1）坐标系OX 0 Y 0 Z 0绕X 0转动ϕ角，得到中间坐标系OX 1 Y 1 Z 1；
（2）坐标系OX 1 Y 1 Z 1绕X 1轴转动θ角，得到中间坐标系OX 2 Y 2 Z 2；
（3）坐标系OX 2 Y 2 Z 2绕Y 2轴转动ψ角，得到动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '；
由以上变换过程可以写出从定坐标系OX 0 Y 0 Z 0系到动坐标系OX 0 'Y 0 'Z 0 '的旋转矩阵R E ：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
2.如权利要求1所述新型踝关节康复机器人，其特征在于：在3-RRR球面并联结构中还增加了一条支链，由一个球运动副组成，球铰的中心与3-RRR球面机构的转动中心重合，该支链并无驱动，主要用于优化机构刚度，增加承载能力。
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