一種外骨骼輔助康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

幸晉渝,李 勇

(1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000； 2.西安大艾機(jī)器人科技有限公司，西安 710000)

0 引言

隨著我國社會(huì)老齡化的不斷加劇，中風(fēng)偏癱等神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者越來越多；再加上各種意外事故的頻發(fā)，下肢運(yùn)動(dòng)障礙的人群不斷增加。這些障礙包括行走不便、步態(tài)變形等，嚴(yán)重者甚至無法站立、抬腿、行走，極大地影響患者的正常生活[1-2]。在這種背景下，將機(jī)器人和康復(fù)醫(yī)療相結(jié)合的新產(chǎn)品——康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)合不同的機(jī)器人控制方法，康復(fù)機(jī)器人可以為下肢癱瘓患者提供主動(dòng)和被動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練[3-4]。

下肢康復(fù)機(jī)器人是一種多輸入多輸出機(jī)構(gòu)，具有很強(qiáng)的不確定性和非線性特征。目前，圍繞著康復(fù)機(jī)器人的控制算法進(jìn)行了大量的研究。經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)簡單且應(yīng)用廣泛，但存在一些問題。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于專家控制規(guī)則的PID控制方法，克服了經(jīng)典 PID 結(jié)構(gòu)中被控對(duì)象具有時(shí)變、非線性、大滯后等特性；文獻(xiàn)[6] 提出了改進(jìn)蟻群算法的PID參數(shù)優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[7-8]采用了模糊 PID 控制方法。在康復(fù)機(jī)器人的實(shí)物樣機(jī)制作方面，美國伯克利仿生技術(shù)公司在2011 年推出了可用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的eLEGS 外骨骼機(jī)器人[9]； 日本筑波大學(xué)研發(fā)的 HLA 外骨骼康復(fù)機(jī)器人可以幫助用戶完成如站立、行走、爬樓梯等動(dòng)作[10]；哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)了一種基于固定平臺(tái)的非穿戴式的康復(fù)訓(xùn)練裝置[11]。國內(nèi)康復(fù)機(jī)器人因起步晚、沒有掌握關(guān)鍵部件技術(shù)等原因，目前都還是實(shí)驗(yàn)室中的樣機(jī)。

鑒于此，設(shè)計(jì)并制作了一種基于TI處理器的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可用于下肢殘障患者的被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的步態(tài)，在軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上，各關(guān)節(jié)電機(jī)根據(jù)接收到的驅(qū)動(dòng)信息完成對(duì)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)下肢的行走動(dòng)作。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為簡化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的外骨骼康復(fù)機(jī)器人具有4個(gè)關(guān)節(jié)，分別是左、右大腿髖關(guān)節(jié)和左、右小腿膝關(guān)節(jié)，為簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)都沒有考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只考慮屈伸運(yùn)動(dòng)，這樣康復(fù)機(jī)器人一共有4個(gè)自由度。為使4個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，模擬實(shí)現(xiàn)人體行走步態(tài)，搭建控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用分布式結(jié)構(gòu)，組態(tài)屏為整個(gè)系統(tǒng)的控制終端，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互控制?？刂破髦靼鍖?shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，各關(guān)節(jié)的控制及電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用驅(qū)控一體化結(jié)構(gòu)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)；采用霍爾傳感器、兩個(gè)磁編碼器信號(hào)檢測關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢測信號(hào)直接連接到驅(qū)動(dòng)器(其中編碼器1芯片內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，所以接口內(nèi)置，沒有外部接口)；驅(qū)動(dòng)器和外界的連接只有電源線和通訊線，通過CAN總線和控制器進(jìn)行信息交互。機(jī)器人控制系統(tǒng)可通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)到控制器，并進(jìn)一步由控制器通過CAN總線應(yīng)用到各驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)下肢大、小腿的康復(fù)訓(xùn)練。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用磁場定向控制FOC方案(見圖2)，包括位置環(huán)(PD)、速度環(huán)(ADRC)、力矩環(huán)(PI)。自抗擾控制器(ADRC)能夠?qū)ο到y(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)估算并補(bǔ)償，其所要整定的參數(shù)只有一個(gè)即帶寬，一旦整定，控制器可以工作在較寬的轉(zhuǎn)速和負(fù)載范圍內(nèi)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器主板

控制器主板是外骨骼康復(fù)機(jī)器人的核心，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)下肢各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并與上位機(jī)(組態(tài)屏)和各關(guān)節(jié)控制器進(jìn)行通信。由于主控制器需要完成軌跡規(guī)劃及大量的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，因此選用基于TI公司高性能處理器TMS320F28069M的嵌入式控制板，如圖3所示。控制器主板使用到的通信接口有藍(lán)牙、CAN口和串口。

圖3 控制器主板電

2.2 關(guān)節(jié)控制與驅(qū)動(dòng)板

關(guān)節(jié)控制與驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)電機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，采用驅(qū)控一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人的行走步態(tài)。由于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中，關(guān)節(jié)控制器需要與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信，以接收電機(jī)編碼器反饋的位置、速度、加速度等信息，同時(shí)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令以驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)關(guān)節(jié)控制器提出了較高的要求。本設(shè)計(jì)選用高性能處理器TMS320F28069M作為關(guān)節(jié)控制微處理器。驅(qū)動(dòng)芯片采用TI公司的DRV8323，該芯片支持高達(dá)60 V的輸入電壓，智能柵極驅(qū)動(dòng)架構(gòu)支持高達(dá)1 A的峰值柵極驅(qū)動(dòng)拉電流和2 A的峰值柵極驅(qū)動(dòng)灌電流?；贒RV8323的驅(qū)動(dòng)電路支持閉環(huán)的速度控制模式和位置控制模式，同時(shí)通過電流反饋可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的電流控制模式。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)的精確控制，采用了基于FAST(磁通、角度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩)觀測器的FOC(磁場定向)控制方案，將TI公司的32位處理器與電機(jī)、運(yùn)動(dòng)、速度和位置控制軟件組合在一起，為運(yùn)行在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換中的電機(jī)提供穩(wěn)健耐用的速度和位置控制。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器選用

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求體積小巧緊湊、重量輕、低慣量且力矩大。為此，選用科爾摩根TBM(S)7615A型電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，峰值失速轉(zhuǎn)矩可達(dá)2.86 N·m，能夠很好地滿足康復(fù)機(jī)器人的使用要求。由于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的高慣量特征，選用哈默納科諧波齒輪傳動(dòng)減速機(jī)實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出，盡可能地縮小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積與總重量。為提高定位精度，在減速器側(cè)安裝角度編碼器(圖4中編碼器2)，實(shí)現(xiàn)真正的轉(zhuǎn)速及位置全閉環(huán)控制。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

考慮到下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人主要用于失去下肢運(yùn)動(dòng)能力的癱瘓病人進(jìn)行被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，患者穿戴該機(jī)器人系統(tǒng)，由機(jī)器人提供髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，幫助患者運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)下肢的康復(fù)訓(xùn)練。康復(fù)機(jī)器人被動(dòng)控制原理如圖5所示，從組態(tài)屏輸入步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)，控制器主板和關(guān)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)板一起實(shí)現(xiàn)步態(tài)軌跡的運(yùn)動(dòng)輸出，利用減速器側(cè)編碼器及電機(jī)側(cè)編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。

圖5 被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練控制框圖

在被動(dòng)訓(xùn)練模式下，根據(jù)組態(tài)屏選擇的步態(tài)及動(dòng)作要求，控制器主板對(duì)機(jī)器人的4個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行軌跡跟蹤控制，此時(shí)系統(tǒng)的輸入是來自組態(tài)屏的步態(tài)軌跡曲線，并反饋實(shí)際的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括關(guān)節(jié)角度、速度及加速度等?？刂葡到y(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

控制系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)的初始化，包括時(shí)鐘初始化、I/O初始化、設(shè)備初始化及過程初始化，其中，I/O初始化主要完成時(shí)鐘、AD、I2C、CAN、EEPROM等硬件接口配置；設(shè)備初始化完成硬件接口、電量檢測、外存儲(chǔ)器等軟件模塊初始化；過程初始化完成控制流程中各軟件模塊的初始化，接下來進(jìn)行關(guān)節(jié)參數(shù)的配置，包括各關(guān)節(jié)機(jī)械角度歸零偏移、使能設(shè)置等。這些任務(wù)完成以后，控制系統(tǒng)進(jìn)入到主任務(wù)執(zhí)行階段，即執(zhí)行來自組態(tài)屏的面板指令。

3.1 主任務(wù)控制流程

康復(fù)機(jī)器人在完成上電初始化及關(guān)節(jié)參數(shù)配置后，就進(jìn)入了待命狀態(tài)，此時(shí)可通過組態(tài)屏對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行指令控制，包括關(guān)節(jié)配置、動(dòng)作設(shè)定、步態(tài)選擇等，具體控制工作流程見圖7。

圖7 主任務(wù)控制流程圖

在執(zhí)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，通過組態(tài)屏下達(dá)控制指令，控制器主板通過RS232串口實(shí)現(xiàn)與組態(tài)屏的通信。在組態(tài)屏上組態(tài)的控制指令有：復(fù)位、步行、坐下、起立、偏置、使能等指令(為簡化流程圖，圖7中只列出了部分指令)，控制器主板接收到這些指令后，就進(jìn)入相應(yīng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)作處理過程(見圖8)。

圖8 機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)作處理過程圖

3.2 機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)作處理過程

點(diǎn)擊組態(tài)屏上的“開始”按鈕后，組態(tài)屏向控制器發(fā)送開始指令(dks)，控制器接收到該指令(在任何正常狀態(tài)下都要執(zhí)行該指令，這是一條設(shè)計(jì)原則，目的是保證在整體系統(tǒng)足夠簡單下各部分能正常協(xié)調(diào)工作)，對(duì)使能的關(guān)節(jié)發(fā)送喚醒指令(eAwake)。對(duì)于還沒輸出PWM的關(guān)節(jié)，此時(shí)它是軟的；收到喚醒指令后，輸出PWM，關(guān)節(jié)變硬，而已變硬的關(guān)節(jié)忽略。然后再向各關(guān)節(jié)發(fā)送暫停指令(ePause)，對(duì)于正在運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，收到該指令后進(jìn)入緩?fù)？刂?，并且?shí)時(shí)報(bào)告角度、速度狀態(tài)，而已暫停的關(guān)節(jié)忽略。當(dāng)每個(gè)關(guān)節(jié)都已暫停，控制器再發(fā)出歸位指令(eSeek)，各關(guān)節(jié)緩緩走到指定角度，此時(shí)機(jī)器人處于立正姿態(tài)。接下來控制器向關(guān)節(jié)發(fā)送軌跡關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也就是PVT表，表中記錄軌跡每點(diǎn)的位置P、速度V、時(shí)刻T。關(guān)節(jié)收到后并做CRC校驗(yàn)回傳給控制器。對(duì)于每一種步態(tài)數(shù)據(jù)(PVT)，我們可以調(diào)節(jié)步行周期，讓機(jī)器人走步變慢或變快，以使病人更為舒適。因此，啟動(dòng)行走前，還發(fā)送步態(tài)速率指令(eSlow)，該指令含一因子去調(diào)整軌跡點(diǎn)的T數(shù)據(jù)。最后控制器向各關(guān)節(jié)發(fā)送走步指令(eWalk)。各關(guān)節(jié)回應(yīng)OK后，控制器將向組態(tài)屏回復(fù)消息“page zt”，組態(tài)屏跳轉(zhuǎn)到“暫?！笨刂平缑?，以期用戶輸入。同時(shí)，主控器還監(jiān)視關(guān)節(jié)走步過程，當(dāng)每個(gè)關(guān)節(jié)都走完一個(gè)周期后，主控器對(duì)各關(guān)節(jié)發(fā)送繼續(xù)走步指令(eAgain)，關(guān)節(jié)收到后重啟PVT表，機(jī)器人循環(huán)走步。

3.3 其他處理流程

機(jī)器人除了完成各關(guān)節(jié)的動(dòng)作處理外，還需完成包括上電初始化、關(guān)節(jié)偏置調(diào)節(jié)、步態(tài)選擇等功能。這些功能的處理過程見圖9。

圖9 機(jī)器人其他處理流程

1)上電參數(shù)同步:控制器是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，組態(tài)屏用作人機(jī)交互界面，重要參數(shù)都存放于控制器上。上電時(shí)，組態(tài)屏主動(dòng)向控制器發(fā)送一上電消息(pwr)，控制器回復(fù)消息(page qd)，組態(tài)屏收到后再跳轉(zhuǎn)到啟動(dòng)界面，接著由控制器讀出EEPROM中保存的參數(shù)，通知組態(tài)屏，至此組態(tài)屏與控制器參數(shù)同步。關(guān)節(jié)上電后直接進(jìn)入指令等待狀態(tài)。

2)關(guān)節(jié)偏置調(diào)節(jié)與關(guān)節(jié)始能設(shè)置:點(diǎn)擊組態(tài)屏上菜單進(jìn)入設(shè)置界面后，可調(diào)整機(jī)器人腿桿姿態(tài)，每次按鍵調(diào)整1度，由組態(tài)屏發(fā)送指令給控制器，控制器記錄并轉(zhuǎn)發(fā)給關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)1度，直到目測姿態(tài)直立為止。也可以設(shè)置各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)使能，被禁止的關(guān)節(jié)進(jìn)入休眠狀態(tài)，即不再輸出PWM，關(guān)節(jié)變軟，并且控制器將不會(huì)向該關(guān)節(jié)發(fā)送走步、起立、坐下等指令。

3)選擇步態(tài)，步態(tài)速率:機(jī)器人控制器保存有4種步態(tài)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，不同步態(tài)有不同的抬腿、踢腿、落腳、后移的跨度和時(shí)長。點(diǎn)擊組態(tài)屏上相應(yīng)的菜單按鈕，可選擇工作步態(tài)，也可設(shè)置步態(tài)周期。用戶設(shè)置完此類參數(shù)后，由組態(tài)屏傳遞給控制器保存下來，并在開機(jī)后再同步到組態(tài)屏。每啟動(dòng)走步之前，根據(jù)步態(tài)選擇參數(shù)發(fā)送一個(gè)PVT表到各關(guān)節(jié)，同時(shí)也傳遞步態(tài)速率到關(guān)節(jié)。

4)復(fù)位:機(jī)器人復(fù)位，將停止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)，并歸位到直立姿態(tài)。點(diǎn)擊組態(tài)屏上復(fù)位按鈕啟動(dòng)此過程，組態(tài)屏發(fā)送復(fù)位指令(dfw)到控制器，控制器進(jìn)入復(fù)位流程，先后發(fā)送喚醒(eAwake)、暫停(ePause)、歸位(eSeek)到關(guān)節(jié)，等到關(guān)節(jié)完成每個(gè)過程后，通知組態(tài)屏跳轉(zhuǎn)到準(zhǔn)備界面(page zb)。

5)坐下、起立:機(jī)器人完成半蹲下和立正運(yùn)動(dòng)，過程大體如復(fù)位，不再贅述。

3.4 組態(tài)屏界面設(shè)計(jì)

為便于實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人與使用者的交流，開發(fā)了基于組態(tài)屏的控制終端。在該終端上，設(shè)置了開機(jī)界面、啟動(dòng)界面、步態(tài)調(diào)整界面、步態(tài)選擇、步態(tài)信息界面、準(zhǔn)備開始界面等。圖10～12分別是系統(tǒng)步態(tài)調(diào)整、關(guān)節(jié)時(shí)序以及啟動(dòng)界面。

圖10 步態(tài)調(diào)整界面

圖11 一種機(jī)器人關(guān)節(jié)時(shí)序

圖12 機(jī)器人啟動(dòng)界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案制作的機(jī)器人整體輕便。經(jīng)測試，諧波減速后的關(guān)節(jié)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩可達(dá)300 N·m，可以很好地克服體重85公斤以下患者的肌張力。FOC+ADRC控制下輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、速度無超調(diào)、在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行，消除了患者的不適感和恐懼感。

由運(yùn)動(dòng)員標(biāo)準(zhǔn)步伐姿態(tài)數(shù)據(jù)擬合的PVT曲線，在本機(jī)器人控制中得到了很好的跟蹤，曲線光滑、延遲低，位置誤差在1°以內(nèi)。實(shí)踐證明患者體驗(yàn)良好，體感完全不同于基于倒立擺模型構(gòu)建的同類產(chǎn)品。機(jī)器人步態(tài)可選、步速平滑調(diào)節(jié)、單腿訓(xùn)練等功能，滿足了醫(yī)生根據(jù)患者感受及時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練方案的要求，得到了醫(yī)生一致好評(píng)。

自動(dòng)隨機(jī)亂序發(fā)送各指令給機(jī)器人主體，持續(xù)測試12小時(shí)以上，并未出現(xiàn)1次動(dòng)作紊亂的情況，檢驗(yàn)了程序流程設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

5 結(jié)束語

外骨骼康復(fù)機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)達(dá)到了預(yù)期的功能，可幫助病人完成模擬行走、起立、坐下等動(dòng)作。在4種正常步態(tài)輸入的測試下，關(guān)節(jié)跟蹤誤差小。具有結(jié)構(gòu)小巧、轉(zhuǎn)矩大、步態(tài)平穩(wěn)、控制精度良好、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可初步應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)機(jī)構(gòu)。今后還需進(jìn)一步研究主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的控制要求，以使外骨骼康復(fù)機(jī)器人能在更大范圍內(nèi)滿足病人的康復(fù)訓(xùn)練需求。