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1、三自由度上肢訓練器及控制系統(tǒng)設計 （文獻翻譯） 18 關節(jié)康復機器人上肢理療和訓練 摘要：本研究的目的是設計一個機器人系統(tǒng)來幫助患者的康復，使他們能以后做各種日?；顒?。假設要使一個9自由度的外骨骼機器人到達所期望的的位置，這對操作系統(tǒng)和各關節(jié)的設計是相當?shù)睦щy。在本文中，我們解決操作一個人的手臂的運動軌跡不定的問題，使我們能夠避免通過錯誤姿勢來做康復運動，同時尋找所需的解決方案，然后盡可能準確地達到所需的康復運動動作。此外，本研究結合肌電圖（EMG）和力傳感器來檢測病人的運動對他上肢的影響，使康復機器人可

2、以支持人類的的上肢適當?shù)剡_到預期的運動。為此我們對康復機器人進行設計和實驗，并取得可喜的成果。 B.-C. Tsai, W.-W. Wang, L.-C. Hsu, L.-C. Fu and J.-S. Lai The 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems October 18-22, 2010, Taipei, Taiwan 1 簡介 經(jīng)過去十年的發(fā)展，康復機器人物理治療已經(jīng)投入使用至今。事實上，許多康復機器人在文獻[1-4]已提出了上肢的治療和援助。根據(jù)康復機器人的機械

3、結構，主要有三種類型的中風癱瘓患者接觸或互動的。第一種類型是一個端點的固定系統(tǒng)，如MIT-Manus，可以修復的患者的前端的一部分，UE（用戶設備）引導所需的變動。也就是說，中風癱瘓患者可以執(zhí)行動作，只有前臂支撐。是第二類型的線纜懸掛系統(tǒng)，，如Freebal重力補償系統(tǒng)。它提供了康復服務的UE在反重力的支持。第三類是外骨骼臂系統(tǒng)，如AR Min。 在這項研究中，我們的康復機器人選擇外骨骼類型。類似人類的機器人臂（外骨骼）的使用已在文獻中已經(jīng)提出各種建議，并對人的手臂的動作的原理進行解釋。所有這些類人機器人的結構通常采用一些特殊的組成部分圓形的導環(huán)，以達到人的肩膀的內(nèi)部/外部旋轉。然而，參與設

4、計的特殊成分，這項研究的目的是在模仿人類的??運動使用的坐標功能和生物啟發(fā)的標準，以實現(xiàn)我們的目標。這種康復機器人是專為上肢康復外骨骼型，包括自由度的設計，結合選擇性反向運動學（IK）解決方案，阻抗控制，由EMG觸發(fā)而改進的MIT-Manus 。其中，自由度設計是指比正常人類的上肢多個關節(jié)。這樣的設計可以讓ROM接近一個正常的人，并提供協(xié)調(diào)的機械結構。在本研究中因為IK問題產(chǎn)生重復設計的問題，首先是研究機器人手臂和人的手臂區(qū)別，然后尋找有效的和理想IK的幾何關系解決方案。 中風康復治療的康復機器人的應用程序的運動軌跡是執(zhí)行圓形軌跡。這個訓練計劃，使患者的手臂協(xié)調(diào)運動。 Miyoshi等人（2

5、010年）指出，它是一個復雜的運動協(xié)調(diào)肌肉的共同收縮和偏心活動在內(nèi)側/外側和向前/向后方向。此外，一個顯示運動皮層的激活和復制一些幾何形狀的的視覺反應之間的關系文獻已經(jīng)發(fā)表過。 2 康復機器人的設計 2.1 機械結構 人類的上肢的程度的自由度（DOF）通常被定義為獨立的位移或運動的總數(shù)。一般來說，肩關節(jié)復雜的3自由度運動（前屈/后伸，外展/內(nèi)收，旋內(nèi)/旋外），2個自由度，肘關節(jié)（屈曲/伸直，前臂旋前/旋后）， 在腕關節(jié)的自由度（前屈/后伸，旋內(nèi)/旋外）。理想的情況下，設計自由度上肢康復機器人能達到的所有功能，但事實上，它可能無法實現(xiàn)，因為它產(chǎn)生的運動范圍（ROM），特別是肩會運動

6、到一些死區(qū)。因此，我們采用多自由度設計來解決這個問題。多自由度的康復機器人的設計提供更多可供選擇的運動解決方案的同時，避免在相關的工作區(qū)不利的軌跡點規(guī)劃。按照這樣的概念，外骨骼型機器手臂配備比一個人的手臂多個關節(jié)，產(chǎn)生了9個自由度機械手，包括6DOF肩關節(jié)的機器人，在肘關節(jié)的1自由度和2自由度在腕關節(jié)，如示于圖2.1.1。 圖2.1.1 康復機器人的圖片 在下文中，圖2.1.2 顯示了一個人的上肢和其與所提到的9自由度康復機器人的運動自由。顯然，用來容納由于人類的肩關節(jié)的（即2-4個關節(jié)，為水平面內(nèi)運動，關節(jié)5為矢量面內(nèi)運動，運動的機械關節(jié)的1-6的康復機器人，即關節(jié)1,2，3,4,

7、6的旋內(nèi)/旋外運動），機械關節(jié)7是用于人類的肘關節(jié)的運動，以及用于其它的機械關節(jié)，以適應由于的人的腕關節(jié)的運動（即關節(jié)8-9，旋內(nèi)/旋外運動）。為了使機器人適應不同病人的需求，其作用機理是這樣設計的，上臂的長度，可向從26厘米至34厘米之間變化，而??與前臂可以作出24厘米和30之間變化厘米。 圖2.1.2 人體上肢的運動模型一個人的手臂模型（b）康復機器人 2.2 系統(tǒng)架構 根據(jù)一般的控制系統(tǒng)的功能，它可以被分為三類：（1）傳感器系統(tǒng)（2）驅(qū)動裝置和（3）計算機處理器。傳感器系統(tǒng)通常包括電位器，對于每個關節(jié)的電機的編碼器，以及肌電圖（EMG）和用于人類的上肢的力傳感器。肌肉表面

8、所連接的電極對收集患者的EMG信號。此外，康復機器人配備4個力傳感器安裝在機器人與人的手臂之間的連接，如圖2.2.1所示，每個力傳感器來實現(xiàn)通過對應變計用于測量人類和機器人之間的相互作用力。從上臂由兩個力傳感器測得的力是由于肩膀前屈/后伸，水平內(nèi)收/外展。肘部彎曲/伸展與肩旋轉產(chǎn)生的相互作用力測量前臂。另一方面，康復機器人的電位計在每個關節(jié)處輸出的絕對值的該特定關節(jié)的關節(jié)位置信息。但是，為了實現(xiàn)更精確的位置和速度控制，每個關節(jié)的電機的電機編碼器安裝到相對更高的分辨率的相關關節(jié)的關節(jié)位置信息提取，驅(qū)動裝置使用直流電動機的FAULHABER系列，具有重量輕和高扭矩的顯著功能。 圖2.2.1

9、安裝在機器人手臂的四個力傳感器。照片1）所示的傳感器可以感知力的肩膀前屈/后伸。照片2）顯示的傳感器，可以感知力的肩膀，水平內(nèi)收/外展。的結構是類似的上臂和前臂的傳感器，可以感知彎曲/伸展的力量和肩部旋轉。 3 康復機器人運動學 圖3.1 9自由度康復機器人手臂 在本節(jié)中，我們將嘗試通過逆運動學解決方案的研究，探討所有可行的這9個自由度的外骨骼型康復機器人手臂的運動。為了滿足這一目的，機器人結構的簡化示意圖畫在圖3.1，共12個坐標被分配到基地和運用Denavit的DH（D-H）表示法使用的11個關節(jié)軸的適當位置上。在下文中，我們將調(diào)用的坐標框架為方便起見，“聯(lián)合支點”作為起源

10、。請注意，關節(jié)（）和關節(jié)（）是固定的，因此，相關的旋轉角度和是恒定的，一個U形連接臂在原點的坐標系的連結與把手的坐標原點在抓框架。符號（滑動關節(jié)）和~ （旋轉關節(jié)）被視為對應于各種關節(jié)運動的變量，相關的DH參數(shù)示于表3.1。 表3.1 康復機器人D-H參數(shù) 由于我們的康復機器人的設計屬于外骨骼型，它是合理的假設，在正常運行的人的手臂基本上構成平行的康復機器人臂，這自然推斷一些聯(lián)合樞轉的軌跡機器人應保持在適當?shù)年P系與這些的一些相應的人的手臂的關節(jié)。根據(jù)此平行運動的原則，而不是解決逆運動學解決方案通常發(fā)現(xiàn)整個機器人的運動空間，我們簡化了這個問題，只查找那些解決方案，例如，無論是康復機器人

11、和人類的手臂，將符合上述原則。從技術上講，我們首先會嘗試找到位置軌跡的基本的共同支點的康復機器人給人類手臂各關節(jié)的知識。更具體地說，我們只找到三個位置對應于人的肩關節(jié)，肘關節(jié)，腕關節(jié)機器人的關節(jié)支點。反過來，我們可以很容易地根據(jù)這三個位置的姿勢解決康復機器人的幾何形狀。 假設我們知道人類的肩膀上的期望位置肘關節(jié)聯(lián)合，，手腕接頭，上臂的長度，前臂的長度，和并行康復機器人和人類臂之間的距離。記的旋轉關節(jié)1到關節(jié)9的機器人手臂到，特別是重命名的旋轉關節(jié)4，關節(jié)6和關節(jié)7作為機器人的肩部關節(jié)，肘關節(jié)，和手腕關節(jié)，分別。遵守先前提到的原則，后面的三個機器人關節(jié)與關節(jié)，，，和人類手臂。現(xiàn)在，如果我們進一

12、步表示機器人的上臂和機器人的前臂，和，分別的長度，我們可以從示于圖之間的關系的人的手臂和機器人的特征。圖3.2所示。 圖3.2 機器人與人之間的關系 在一般情況下，我們可以調(diào)整機器人的上臂和機器人的前臂的長度相匹配的人的同行的長度。但是，我們寧愿讓機器人的上臂的長度比人類的要長，以容納身材較小的患者，同時解決了逆運動學問題的最佳原則?，F(xiàn)在，我們將開始得到的解決方案如下。 圖3.3 圖顯示了一個人的肩，肘，腕關節(jié)之間的關系，肘關節(jié) ，一個正常的計劃，其中包括三個聯(lián)合位置矢量的定義。 首先，我們會發(fā)現(xiàn)位置的機器人的肘關節(jié)的，當人類手臂的姿勢。如圖3.3，我們定義人的上臂和前臂，

13、以后可以用來推導出矢量肘關節(jié)的向量： （3.1） 平行運動原理前面介紹的，機器人的肘關節(jié)應位于沿方向從人類的肘關節(jié)，即： （3.2） 然后，它是簡單的，計算機器人的肩關節(jié)的位置，一旦被發(fā)現(xiàn)的位置的機器人的肘關節(jié)。這是因為機器人的上臂的載體是人類的上臂矢量平行，然后，我們可以直接確定機器人的肩關節(jié)為： （3.3） 現(xiàn)在，機器人的肩部和肘部的位置，這樣我們就可以找到合適的解決方案的IK從圖3.4中的幾何形狀。其結果是

14、顯示在下面的公式。 （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） （3.10）

15、 （3.11） （3.12） （3.13） （3.14） （3.15） （3.16） （3.17） 最后，因

16、為我們限制的運動，人的手腕前屈/后伸，外展/內(nèi)收，前臂旋前/旋的簡單運動，人的手腕關節(jié)和相應關節(jié)的機器人（和）是簡單的同軸，也就是說，他們的解決方案是顯而易見的。 總括來說，前述IK可以被分成兩組。其中第一個涉及角度的 ~ ，而第二個涉及角度 ~。在第一組中，我們試圖找到構成的機器人在機器人的胳膊肘的姿勢是根據(jù)人類手臂的姿勢。當 ~ 確定第一組中的解決方案時，該的第二組直接對應于人的手臂的角度。因為我們把整體解決方案IK分為兩組，可以大大減少計算負擔。 圖3.4 康復機器人和人類手臂的圖顯示之間的關系 4 控制系統(tǒng)的設計 圖4.1 控制系統(tǒng)框圖 圖4.1示出的兩個康復

17、的模式，該模式由基本PID反饋控制器，阻抗控制器，肌電圖（EMG）觸發(fā)和一個開關的控制系統(tǒng)。當基本PID反饋控制器是位置控制器，其接收的誤差之間的所需的和當前姿勢康復機器人和努力來驅(qū)動的誤差為零。阻抗控制轉矩控制器，它盡量減少康復機器人和人類手臂的扭矩/力之間差距，使之盡可能多的互動，從而推動了康復機器人按照人的意愿運動。 EMG觸發(fā)器用于檢查人體肌肉是否收縮。最后，開關可以選擇主動模式和被動模式。 4.1 基本PID反饋控制 由于康復治療的康復機器人的位置控制的精度水平不高，而不像工業(yè)機械手那樣要求高，在這里我們選擇基本PID反饋控制器來控制機器人手臂。所述控制器被示出在下面的數(shù)學：

18、 這個控制器特點是，不僅可以大大降低計算負擔，而且如果選擇適當?shù)姆答佋鲆孢€可以保持跟蹤誤差的有界性。詳細的討論和證明，可在其他文獻中找到[10]。 4.2 阻抗控制 使用阻抗控制是模仿人體上肢的姿勢和扭矩之間的機械阻抗，其一般形式如下所示： （4.2.1） 其中是由于上肢的運動，如扭矩定義，，是當前姿勢的人體上肢所需的人體上肢和，，分別是慣性，阻尼和剛度。 我們假設模仿的慣性和阻尼的機械阻抗是零，如果康復運動的速度是緩慢的，（4.2.1）的功能可以簡化，可以被簡化為以下： （4.2.2

19、） （4.2.2）式的物理意義是，所需的姿態(tài)是當前姿勢加補償?shù)臉嫵桑@在另一方面意味著所需的構成應遵循的轉矩的方向。 4.3 肌電觸發(fā) EMG設備是用來檢測微弱的肌電圖信號產(chǎn)生的中風癱瘓患者。但是，在力傳感器的換能器的輸入機械力轉換成電輸出信號。因此，中風癱瘓患者通過肌電圖信號和機械力傳感器產(chǎn)生的電信號之間比較，使該系統(tǒng)可以檢測到正確的肌肉收縮，然后康復機器人提供的中風癱瘓患者正確的外力，協(xié)助他們完成指定的任務。細節(jié)描述如下： 4.3.1 EMG前處理 我們會記錄EMG信號，一個帶通的頻率20 Hz至450 Hz，肌電活動定義如下：

20、 （4.3.1.1） 其中，ch= 1，2，...，8 表示的特定的肌肉。 4.3.2 觸發(fā)信號的定義 該閾值決定的松弛肌肉的肌電活動，觸發(fā)信號被定義為如下： （4.3.2.1） 其中，傳送是指示特定的肌肉，和這些特定肌肉是負責上肢的特定運動的信道的集合。然后，將控制策略（4.3.1.1）修改，以建立正確的肌電觸發(fā)。如下： （4.3.2.2） 其中被定義為觸發(fā)信號是負責特定上肢運動。 5 實驗和結果 5.1 實驗裝置 這個實驗的一個主題康復機器人設計

21、的圓圈軌跡，執(zhí)行和編程在LabVIEW 8.6中。 康復訓練計劃是在某個平面上的沿圓形軌跡運動。在圓形軌跡的實驗中，病人可以選擇的康復模式有被動模式和主動模式。 康復機器人在執(zhí)行任務的圓圈繪制之前，必須預先設定。在初始位置的肩與肘關節(jié)的康復機器人本身和康復機器人上臂和前臂的長度被適當?shù)卣{(diào)整。然后，對象坐在與他的上臂和前臂固定由肩帶連接到支撐底座，和他的手握住手柄。表面肌電電極附著在皮膚表面的主體，包括三角肌（前，中，后部），肱二頭肌，肱三頭肌肌。這些肌肉負責肩關節(jié)屈曲/伸展，和肘關節(jié)前屈/后伸。 EMG噪音水平是在靜息狀態(tài)下測得的閾值。 設計康復機器人運動后，從電腦屏幕上的可視化反饋的圓

22、圈繪制任務執(zhí)行在每個康復模式。此外，與肩膀相平目標圓的直徑被設定為24厘米的順時針旋轉。圓圈繪制的速度可以自我決定的，在電腦上顯示的圖形如下。 5.2 實驗結果 在三種不同的模式，圖5.2.1表示手腕在xz平面和yz平面的軌跡。人的上肢的角度，圖5.2.2還有兩種不同的模式。 圖5.2.1 在兩種模式下在xz平面和yz平面的人的手腕的軌跡。平滑的路徑是被動模式的軌跡，不規(guī)則的一個是主動模式。 圖5.2.2 人的上肢隨時間變化在被動模式下（左圖）和主動模式（右圖）的角度。 6 討論 從圖5.2.1，我們可以清楚地看到，被動模式比主動模式的圓形軌跡相對平滑。這是因為讓他的手

23、腕從一個位置通過預定義的路徑到規(guī)定的位置是在實驗中確實不容易。在實驗中讓實驗者的手腕從一個位置，沿著預先規(guī)定的路徑，用一個低分辨率顯示屏是很難觀察到。特別是關節(jié)插值（y-軸）的手腕在主動模式下特定漂移的。因此，微癱瘓患者在主動模式下繪制的圓輕，提供了一個先進的訓練，而被動模式是用于在嚴重癱瘓者。 從圖5.2.2人們可以看到，肩關節(jié)伸展彎曲，肘關節(jié)屈曲的趨勢是相似的，但肩外展和內(nèi)旋傾向是不同的三種模式。這應歸因于不同的策略來解決重復動作。在被動模式下的策略是采用最低肘關節(jié)的運動，而在主動模式的策略是主動運動?；谶@些結果，在長期的訓練中我們可以分析這些結果，然后改變電機控制策略。7 結論和未來的工作 我們設計了一個外骨骼型多自由度康復機器人（康復機器人），它不需要特殊的組成部分來驅(qū)使人的肩膀旋轉，如圓形導軌。本文介紹了自由度設計結合選擇性反向運動（IK）的解決方案，轉矩反饋和肌電圖觸發(fā)。我們今后的工作是設計控制器，通過應用程序來實現(xiàn)圓形軌跡的繪制任務，可指導病人沿著圓形路徑來訓練和控制中度癱瘓患者的運動策略。 致謝 我們要感謝國立臺灣大學醫(yī)學院附設醫(yī)院的醫(yī)療團隊和所有康復治療師的協(xié)助和寶貴的努力，使上肢康復機器人的最新原型開發(fā)上線。