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下肢康复机器人示教训练方法研究

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第11卷第16期 中国科技论文 CHINA SCIENCEPAPER Vo1.11 No.16 Aug.2016 2016年8月 下肢康复机器人示教训练方法研究 冯永飞 ,路廷延 ,杜亚鑫 ,陈 菲 ,李 齐 ,王洪波 (1.燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室,河北秦皇岛066004;2.燕山大学先进锻 压成形技术与科学教育部重点实验室,河北秦皇岛066004) 摘要:针对现存的下肢康复机器人技术未能与康复治疗人员的治疗经验有效结合的问题,提出了1种下肢康复机器人示教训 练方法。建立了示教训练方法的数学模型,并设计了下肢康复机器人无线数据采集系统,获取患者在康复医师治疗其下肢过程 中肢体运动信息,这些信息用于机器人的控制,从而再现康复医师治疗过程,提高了机器人的治疗效果,有效降低了康复医师的 劳动强度。对示教训练的无线数据采集系统进行静态测量误差分析及系统标定,实验结果表明该系统可满足下肢康复机器人 示教训练的要求,为康复机器人关键技术研究奠定理论基础。 关键词:下肢康复机器人;示教训练;无线数据采集系统;误差分析;系统标定 中图分类号:TH113 文献标志码:A 文章编号:2095—2783(2016)16—1802—06 Research on teaching training method of the lower limb rehabilitation robot FENG Yongfei1,LU TingtingI,DU Yamn ,CHEN Fei ,LI Qi ,WANG Hongbo , (1.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province,Yanshan University, Qinhuangdao,Hebei 066004,China;2.Key Laboratory of Advanced Forging&Stamping Technology and Science of Ministry of Education,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei 066004,China) Abstract:A teaching training method for lower limb rehabilitation robot is proposed,because the existing technology of rehabili— tation robot is not able to combine with the clinical experience of rehabilitation physician effectively.During the physician treating patient,the robot obtains motion information of patient’S lower limb via a wireless data acquisition system and those data is used to control the robot to reproduce the physician’S treating movement,then improving the therapeutic effect of the robot and reduc— ing the labor intensity of the rehabilitation doctor.The mathematical model of the teaching training method was built,and the system static measurement error was analyzed and system calibration was made.Experiments results demonstrate that the system can satisfy the teaching training requirements of rehabilitation robot and provide a theoretical foundation of the key technology study of the rehabilitation robot. Keywords:lower limb rehabilitation robot;teaching training method;wireless data acquisition system;error analysis; system calibration 最新的统计数据显示,全国肢体残疾者数量约 2407万人。我国每年新发脑卒中病例超过300万 人,存活者中约75 致残,丧失了行走能力[川。2014 年我国60岁以上老年人数量已超过2亿,日趋严重 的高龄化社会又会增加大量肢体残障者__2]。随着社 会对下肢康复机器人需求的增加,下肢康复机器人 的研究成为热点,出现了多种类型的下肢康复机器 人L3_6_。目前,下肢康复机器人训练模式主要包括被 动训练模式和主动训练模式l7],由于这些训练模式 都是基于人体下肢各关节运动特点,通过康复机器 人控制再现关节的运动动作,缺乏康复医师主观治 疗感受,治疗效果低于康复医师直接治疗,同时加上 肢体障碍患者的增多,康复医师的劳动强度增大,因 此迫切需要1种新的训练方法来改善康复事业 现状。 收稿日期:2015—12—26 示教训练方法通过一定的技术手段实现康复医 师与患者、康复医师与康复机器人、康复机器人与患 者的多重交互,使康复机器人再现康复医师治疗过 程,从而达到康复医师的临床经验与康复机器人训 练相结合的目的。该方法使患者既能接受针对性的 治疗,又能得到高强度的重复训练,有效降低了康复 医师的劳动强度。Morita等r8。o]将康复医师的治疗 过程与康复机器人技术相结合,设计了一种具有示 教训练功能的个性化上肢康复机器人。此机器人示 教训练功能可以记录康复医师治疗患者过程中患者 上肢运动参数,然后根据上述参数再现治疗过程,同 时康复医师根据患者的实际损伤程度制定个性治疗 方案,提高了机器人的康复效率。陈天聪等[u 选用 Joystick作为示教工具,研究了卧式下肢康复机器人 的示教功能,由经验丰富的医师根据患者的具体病 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20131333110006);河北省高层次人才资助项目 第一作者:冯永 ̄(1988--),男,博士研究生,主要研究方向为康复机器人 通信作者:王洪波,教授,主要研究方向为服务机器人,hongbo w@ysu.edu.cn 第16期 冯永飞,等:下肢康复机器人示教训练方法研究 1803 情,自行设定康复动作满足患者的康复需求。 然而,上述示教训练方法都是基于患者肢体在 康复机器人机械臂上完成的,患者肢体的运动频率 及运动速度都受到机械臂惯性的影响,患者康复训 练效果会受到一定。本文在现有下肢康复机器 人(图1)研究的基础上,提出1种新的下肢康复机器 人示教训练方法。训练过程如下:首先将无线数据 采集系统安装在患者下肢各体段特定位置,在康复 医师对患者进行治疗过程中,将采集到的患者肢体 数据信息发送到上位机,数据被处理转换成角度,并 对角度和姿态实时显示;治疗结束后,生成患者在医 师治疗过程中的患肢运动轨迹,再转换成相应的控 制信息,使下肢康复机器人按照上述患肢运动过程 对患者进行重复训练。 下肢运动功能障碍的患者有较好的疗效,在试验中 未发生不良事件,安全性好。 2下肢康复机器人示教训练数学模型的建立 2.1下肢关节与末端运动数学模型 人体矢状面内,下肢可以实现髋关节、膝关节和 踝关节的转动,将其各体段假设为刚性连杆,则人体 下肢可以简化为三连杆运动模型,如图2所示。 摩加速度 9人体下 图2人体下肢 连杆运动模型 图1下肢康复机器人 同2中OA表示大腿部分,即连杆1,AB表示小 腿部分,即连杆2; 、z。分别是连杆1、连杆2的长 度,L 、L 分别是加速度传感器在大腿、小腿的位 置,0、A、B、S 、S 表示髋关节、膝关节、踝关节、 大腿加速度传感器、小腿加速度传感器位置;0一 Y。为基坐标系,()~ Y。、A一 zY:分别与连杆1、 连杆2同连,B一3C。 。同定在连杆2的末端;S 一 L『l1Yh S:一 jY 分别固定在大腿加速度传感器、小 腿加速度传感器中心;0 为X 绕z 轴到 的转角, 规定逆时针为正、顺时针为负。 根据文献[12],可以得到机械臂末端点B的位 置与各关节旋转角度的关系为 B— l cos01+,2cos(01+ ) , 、 1 下肢康复机器人及无线数据采集系统设计 下肢康复机器人如图1所示,主要是对肢体功 能障碍患者进行下肢康复训练。该机器人由左腿模 块、右腿模块、可移动座椅、控制箱及触摸显示器5 部分组成。其中左腿模块与右腿模块对称,可以实 现人体矢状面髋关节、膝关节、踝关节的转动;对于 不同身高的患者,该机器人可以实现左、右腿模块的 机械大腿与小腿长度电动调节,以适合患者的生理 尺寸(机械腿各体段变化范同见表1)可移动座椅可 以和机器人分离与合并,实现患者搬移。操作控制 软件完成单关节(髋关节、膝关节、踝关节)和多关节 被动训练、主动训练、示教训练,达到强化训练运动 功能的目的,促进运动神经功能重组、代偿和再生, 避免废用综合征。经过临床试验验证,本机器人对 表1 下肢康复机器人机械腿各体段电动调节范围 机械腿各体段 大腿 小腿 IY J{一 1 sin0】+ 2 sin(0l+02) 2.2人体下肢加速度与关节运动数学模型 采用递推的牛顿一欧拉方法对各连杆的加速度 进行推导 ],角速度和线速度传递公式可以表示为 ∞ }l一 i。。 R ∞ +v0i +{llzH (2) 1 ¨一; R( ', + ∞ × P 1) 式中: ', 和 ∞,表示连杆在坐标系{i}中的线速度和 角速度;i V ', l_】和H’∞ }1是在坐标系{i+1}中的 线速度和角速度; ㈠zH.是{i+1}的z轴单位向 量; R表示旋转矩阵; 。是关节角速度; PH 表 示{i+1}的原点在坐标系{i)中的位置矢量。 角加速度和线加速度传递公式可以表示为 f 。。 +】一 i R +: P ∞ × 牟} +1+磷 jzH 1 \H }1一; R[ +矗 N P {l+ ×( × P}上1)]。 (3) 长度变化范围/ram 已知 {\o。  ̄南.Oo。 。一;0 ; o。 0 。一’0, c… 4 可以求得连杆1和连杆2上S.、Sz点的加速度为 1g04 围科技论文 第11卷 。一 。R ,一 沁一 一 通过加速度传感器获得: 同时连杆1、连杆2上s 、s!点的加速度可以 一 一一 .一一 一 一 一雄 ¨ L“扎  }一-+ 一 联立式(5)和式(6),得到角度与加速度的关 . . g] 卜 ?-+Sl靶oC 2o ,)+-4O口a c:, (Sao Clo+- sl,c e, g]。 . (6) 、系式: 一+ n ( 2 C1 + 一(7) )+n ( 一sl。c 2 )一 (8) , 2fl 2( l+ 2) 一 1(( l 2C2 4-SI2S2) 4-( lC1 2 S2 日 ( 一Slo(’2 )4-“ (f2 ,(’1 4-s2。S1 )一g一 L2 S】2( l 4- 2) 4-,1(fl2 S2一S12C2) 4-(,】S12 S2 -L2f142一z1(、l2f2) l+L2C1 2 2 一+ 一一式中: 是连杆1相对于基座坐标的转动角度; 表示连杆2相对于基座坐标的转动角度,且有下述 关系: ++O l 一 3.2无线数据采集系统下位机软件设计 -0 。4 l ! ,.二 ㈩ 3无线数据采集系统设计 一+ 。 3.1 无线数据采集系统硬件设计 + 一一 本文基于下肢康复机器人示教训练数学模型设 一 计了1套人体下肢加速度数据采集系统.为了使月{ 方便,采集系统主机与从机之问采用无线通信。无 线数据采集系统F}1上位机、数据采集主系统和数据  一++ L 采集分系统组成,如图3所示。采用星状点对多点 通信系统结构模式,数据采集主系统与每l台数据 一凸 一口SI 采集分系统都通过无线数据传输模块以双向通信的 方式进行数据传送。 . 。 为了避免主从系统进行数据通讯时发生同频 干扰,本无线数据采集系统采用时分多址(time di— vision multiple access,TDMA)技术。数据采集主 系统通过扫描的方式分别与各台数据采集分系统 建立通信,保证在同一时刻主系统只与1俞分系 统进行通信,这样在本系统中的数据采集主系统 与数据采集分系统一对多点的通信就分成若f个 点对点通信的组合。下位机控制单元实现的是一 对一通信。主要是对上述3种模块进行流程管理。 F}1于功能不同,主系统与从系统的下位机程序有 定差异。其巾,主系统下位机程序主要包括串 口通信程序、无线数据模块通信程序以及无线数 据模块与控制单元的通信程序,其程序流程如图 4(a)所示;分系统下位机程序主要包括加速度传 一感器通信程序、无线数据模块通信程序以及无线 数据模块与控制单元的通信程序。其程序流程如 图4(b)所示。 3.3上位机软件设计 上位机软件的用户界面包括参数设置、控制按 钮、角度显示、姿态显示和末端轨迹显示等5部分组 成,如图5所示。 4无线数据采集系统静态测量误差分析及系 统标定 4.1 系统静态测量误差分析 图3无线数据采集系统 实验采用的辅助测量仪器是电子数显倾角仪 (Digital Protractor),其技术参数主要有分辨率 0.1。,精度0.2。,测量范同0。~360。。系统静态测 第16期 冯永飞,等:下肢康复机器人示教训练方法研究 1805 c0M2 o 9。 、 渡持 均埴角度 ;19200 。 圆围圈圆一  7 系统静态角度测量软件 测量值与实际值的误差对比以及误差值区问分布如 图lO和图11所示。 图4 主系统和分系统控制单元流程图 ;…I ̄,JJIM¥I L囡 _- 。‘_ _t 困__ _  ,I'llm*圈围  一圈 [】 20 4fl H) 帅 l{ 际堵 l re}l(10.9 1 图5上位机软件用户界面 8 1号机[一170。,170。]测量值与参考值的误差对比 量误差分析实验装置如图6所示,系统静态角度 测量软件采用Labview软件编写,界面如图7 所示。 实际角 。) 图9 1号机[一170。,170。]误差值区间分布图 图6 系统静态测量误差分析实验装置 将加速度计固定在转轴处,加速度计的 ’轴与 摇臂轴线方向保持一致。实验时,转动摇臂,使其实 际角度按照5。的步长从一170。变化到170。。在每1 个测试角度处,要保持并通过上位机标定软件读取 加速度计的测量值。按照上述实验过程,1号机 [一170。,170。]测量值与实际值的误差对比以及误差 值区间分布如图8和图9所示,2号机[一170。,170。] 由图9和图l1可知,l号机的绝对误差范围为 (一3。,20),2号机的绝对误差范围为(一4。,5o),而 且,两者的误差分布区间也不同。造成误差的原因 主要有以下几方面: 1)加速度计本身存在的固有误差; 2)分系统内部硬件电路板的安装误差及分系统 安装时位置安装误差; 3)误差分析实验时采用的测量仪器(电子数显 1806 中国科技论文 第11卷 aT—Vd/y。 (12) 由前文知,在不同区间,分系统测量误差情况不 同;另外,1号机和2号机的误差分步区间也不同,因 此对1号机和2号机分别采用分段拟合。 1)如图lO所示,以绝对误差值为±1作为分界 线,将区间分为[一175。,一135。]、(一135。,一9O。]、 (一90。,一5O。]、(一50。,一35。]、(一35。,2O。]、(2O。, 45。]、(45。,135。]和(135。,175。]等8个部分。 对1号机拟合的结果如下: 1.057 6.r+9.009 0, E[一175。,一135。] 0.984 7x+0.148 3, E L一135。,一9O。J 0.993 1z+0.053 2, ∈[一9O。,一5O。] — 罔1O 2号机[一170。,17o。]测量值与参考值的误差对比 1.060 7x+1.701 l, ∈[一5O。,一35。] 1.019 7 +0.351 6, ∈[一35。,2O。] 。 1.031 9x+1.232 7,o72 E E20。,45。] 0.976 8.r+1.822 5,oF E F45。,135。] 1.007 4 一0.699 6, ∈F135。,175。] (13) 式中: 为拟合处理前的角度值; 为经过拟合处理 后的角度值,可以直接用于姿态计算。 对1号机拟合后的角度误差分布图如图12所示。 由图12可知,1号机角度误差能够控制在一1。~1。之内。 一。),辆 絮帮赵《呈f 鼙 一 m 啉 ¨ ¨ 宴际缃 1 图l1 2号机[~170。,170。]误差值区间分布图 倾角仪)具有一定的读数误差;同时测量仪器操作习 惯造成一定的随机误差。 4.2系统标定 2Pll—l50一l0o一50 O 50 l00 l50 200 数据采集分系统存在较大的静态测量误差,另 外,误差产生的原因多是系统硬件本身的误差。所 以,为了减小测量误差,采用软件编程的方法对系统 进行标定,在此采用多项式拟合。根据多项式拟合 原理,以测量值为自变量,以实际值为因变量进行线 性拟合。 多项式拟合的基本原理: 假设拟合采用==三阶多项式模型 寅断 缃 ) 网12 1号机[一170。,170。]拟合误差值区间分布图 —al +a2 + z+a 一[ 1]・a一, (10) 则根据N对原始数据,可形成相应的拟合方程 Y—Vd口 。 (11) 式中:Y一[ 1, 2,…, 4]T;n一[n1,口2,n3,n4]T; i } ; oT1 1 设计矩阵Vj— 2 ● 2)如图12所示,以绝对误差值为±1作为分界 线,将区间分为[一175。,一lO0。]、(一100。,一5o。]、 (-50。,40。]、(40。,95。]、(95。,135。]和(135。,175。]等 6个部分。 对1号机拟合后的角度拟合的结果如下:  f0. 98 8 +1.z E[|175。,一 O0。]) ∈(一100。,一 0。26 9or+2. ])  11. 3O 4or——2. r E(一50。,40。] 1 1. 11 8J・一O. E(40。,95。])  11. 13 1w——2. ∈(95。,135。]) 1o. 60 6or+6. z E(135。,175。] o。 (14) 1 ● : : 采用左除法可计算拟合系数矩阵 式中: 为拟合处理前的角度值; 为经过拟合处理 后的角度值,可以直接用于姿态计算。 拟合后的误差分布罔如图l3所示,可知误差能 够控制在一1.1 o~1.1。。 第16期 l 5 冯永飞,等:下肢康复机器人示教训练方法研究 1807 [5] ZHU Yuran,ZHEN Ran,LIU Hongwei,et a1.The research of rehabilitation robots BCI technology based ・o on EEG[c]//Proceedings of Internationa1 conference 0.5 螽 o.o on Computer Science and Software Engineering.Piscat— away,NJ,USA:IEEE,2008:1107一ll1O. 世 dⅡ 薹-o [6]胡进,侯增广,陈翼雄,等.下肢康复机器人及其交互 控制方法[J].自动化学报,2014,40(11):2377—2390. HU Jin,HOU Zengguang,CHEN Yixiong,et a1. Lower 1imb rehabilitation robots and interactive control 1・O l_5 methods EJ].Acta Automatica Sinica,2014,40(11): 200—150—100—50 0 50 100 150 200 实际角 。) 图13 2号机[一170。,170。]拟合误差值区间分布图 5结论 本文提出了1种下肢康复机器人示教训练方 法,将康复医师的临床经验与康复机器人的康复训 练相结合,提供有效、稳定、重复性好的康复训练;建 立了下肢关节运动与末端轨迹运动之间的关系和下 肢加速度与关节运动之间的关系,进而建立了示教 训练方法数学模型;设计了1套无线数据采集系统, 包括系统硬件设计、下位机软件设计及上位机软件 设计,可以直观显示获取的患者运动参数及肢体运 动姿态。无线数据采集系统的误差实验证明,本文 所设计的采集系统误差比较小,通过系统标定,系统 误差可以得到有效控制。 [参考文献](References) [13新华网.上海国际脑健康论坛召开我国年增脑卒中病 人300万EB/OL].(2015—11—20)[2oi5—12—01].ht~ tp://news.xinhuanet. com/local/2015—11/20/c一 128447520.htm. E23 新华网.我国6O岁以上老年人数量突破2亿[EB/ 0L].(2014—02—19)E2o15—12一O1].http:/news.xinhua— net.corn/politics/2014—02/19/c 119412552.htm. 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