下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制研究论文_张莉 曹嘉豪 芦珊珊

摘要：灵敏度放大控制（Sensitivity Amplification Control，SAC）方法不需要在人机之间安置任何传感器，同时又能控制外骨骼机器人跟随患者运动。该方法是将患者作用到外骨骼上的力与外骨骼的输出的传递函数定义为灵敏度函数，传统的系统是将灵敏函数最小化，以增加系统对外界干扰等的鲁棒性，然而此处的控制目标却是设计合理的控制器使该灵敏度函数最大化，则就能够实现患者用很小的力带动外骨骼机器人的运动。患者主动机器随动模式下患者与外骨骼之间维持一定的小范围内的相互作用力，此时外骨骼与患者的运动数据相同，通过外骨骼上安装的角度传感器及力传感器等检查装置，可用于对患者进行康复评价。本论文从不同方面阐述下肢外骨骼康复机器人的灵敏度放大控制研究，希望为研究下肢外骨骼康复机器人的专家和学者提供理论参考依据。

关键词：下肢外骨骼康复机器人；灵敏度放大控制；研究

全球最早从1988年开始进行了外骨骼式康复机器人相关专利技术的研究，2005年以前，由于各种技术发展的限制，该领域技术一直未得到突破。2005年后，随着传感器技术、计算机技术等不断飞速发展，外骨骼式康复机器人技术也有较大提高，尤其从2010年至今，基本呈现出近似直线上升的趋势。

1下肢康复机器人

下肢康复机器人是一种能够帮助下肢运动障碍患者逐步恢复行走能力的机器人。它由以下4个部分组成: 机械系统、驱动系统、传感系统、控制系统。机械系统通过若干个机械结构来支撑患者进行康复训练; 驱动系统通过电动、气动或液压的方式驱动机械系统带动患者下肢运动; 传感系统通过获取角度、扭矩、位置等各项数据，以一定的形式传送给控制系统; 控制系统通过对传感系统反馈的数据进行分析并规划步态模式及对驱动系统实现闭环控制，从而带动机械系统进行下肢康复训练。其中，控制系统作为整个下肢康复机器人的中间枢纽，与其他三大系统相互作用，实现整个系统的协调运动。

2灵敏度放大控制

图 1 未加驱动的外骨骼康复机器人系统方框图

图 1 为下肢外骨骼康复机器人与患者结合的系统方框图， 表示驱动器施加于外骨骼康复机器人的力矩，表示阻尼和静、动摩擦力矩，为患者动态，表示除重力力矩之外施加于外骨骼康复机器人的外力矩总和，故有式 (1)

图 1 中未加入SAC控制器，也就意味着控制外骨骼康复机器人的运动需要由患者施加所有的力和力矩，即 = 0 ，则式 (1) 化简得

3外骨骼与患者之间的人机交互作用力

人机交互作用的研究发展过程中，早期将人体单纯地视为用多刚体模型用来研究冲击运动，但是由于没有办法分析人体的粘弹特性对冲击性运动的影响，因此具有很大的局限性．Benno M NIGG和 Wen Liu研究人体冲击时的缓冲特性时，把人体当做质量块和弹簧阻尼元件进行建模，并与人体的多刚体模型共同考虑进行修改。研究铁路卧铺客车乘客在卧姿状态下全身承受振动的舒适度问题时，建立了“人—铺—车辆”振动系统空间垂直方向的动力学模型，并将“人—铺”之间的相互作用关系采用弹簧—阻尼模型．日本筑波大学研制和开发的 HAL-3（Hybrid Assistive Leg）通过检测穿戴者肢体的肌电信号从而获得穿戴者的运动意图，然后控制该机器人模仿人体自身的肌肉收缩功能，穿戴者与 HLA 之间的相互作用同样采用的是弹簧—阻尼模型，只是该模型的输入位移为膝关节的角度值，通过雅克比矩阵可将其转化为关节处的等效力矩。依据康复理论提出了患者主动康复训练模式和控制实现方法，利用 Matlab/SimMechanics 工具箱建立动力学模型及BP神经网络进行识别，获得精确的逆动力学模型，并利用弹簧-阻尼模型表示人机之间的相互作用关系，仿真实验结果表明灵敏度放大控制能够减小患者的承受力矩，减小体能消耗，实现患者与外骨骼很舒适地共同运动，同时也可采集到准确的人体数据用于康复评价．然而，SAC控制器的缺点就是对模型精确度的要求很高，进一步的研究就是提高对外骨骼实体样机模型识别精确度及对参数摄动的鲁棒性。

总之，外骨骼式康复机器人具有良好的应用前景，但也存在产品临床研究较少、智能型仿生性不足、设备笨重不易穿戴等问题，因此在未来外骨骼式康复机器人研究中，在加强关键技术攻关的同时也需强化产品的临床应用，并大力推进产品化进程，让外骨骼式康复机器人尽快在广大患者康复中发挥应有的作用，提高人民福扯。下肢康复机器人控制系统的发展现状进行了综述，重点阐述各类典型控制系统的特点并进行比较。在下肢康复机器人的应用中，嵌入式控制系统与 PLC 适合用于下位机，直接控制传感器与执行机构，而 IPC 与实时仿真控制系统适合用于上位机，能够监测、管理运动速度、轨迹等各项数据，并对下位机进行实时控制。由于传统的控制策略和算法的限制，在实际应用中仍然存在一些问题: 在患者进行康复训练时，未真正了解患者的康复意图; 无法检测患者肌肉力度是否在正常活动允许范围内; 在多个任务中间转换时，容易中断用户移动，不具有连贯性等。为了使下肢康复机器人得到更广泛的应用，需要不断提高其精度、丰富其功能。

参考文献：

[1]医疗外骨骼康复机器人的发展[J]. 薛建明.??医学信息.?2019(09)

[2]下肢外骨骼康复机器人的动力学建模及神经网络辨识仿真[J]. 陈贵亮,李长鹏,赵月,刘更谦.??机械设计与制造.?2013(11)

[3]外骨骼穿戴式康复机器人研究综述[J]. 杨海乐,朱惠盈,林星羽.?计量与测试技术.?2019(03)

[4]一种下肢外骨骼助行康复机器人及康复评价方法[J].宁萌,罗超,马泽峰,张秋菊,王琨.??机械科学与技术.?2017(05)

[5]下肢外骨骼康复机器人动力学分析与仿真[J]. 陈炜,王立柱,张林琰,马利.??机械设计.?2018(04)

[6]手部外骨骼康复机器人机构研究与设计[J].樊琛,杨振坤,高申南.?山东工业技术.?2018(17)

[7]下肢外骨骼康复机器人及其关键技术研究[J]. 李静,朱凌云,苟向锋.??医疗卫生装备.?2018(08)

[8]一种7自由度外骨骼上肢康复机器人设计与控制研究[J]. 刘志辉,孙奕,唐智,袁涛,孔繁磊,王生泽.??东华大学学报(自然科学版).?2017(04)

论文作者:张莉 曹嘉豪 芦珊珊

论文发表刊物:《科学与技术》2019年17期

论文发表时间:2020/1/15

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