3-SPS/S踝關節并聯式康復機器人設計

王海芳，陳曉波，張 瑤，焦 龍，李新慶，朱亞錕

（東北大學秦皇島分?？刂乒こ虒W院，河北秦皇島066004）

踝關節在人行走、奔跑、跳躍過程中起到穩定平衡的重要作用，是人體的主要承重關節，也是人體下肢關節中比較容易損傷的部位[1]，如果不及時加以治療，容易造成關節不穩并引起踝關節的反復損傷，嚴重時患者將永久喪失正常行走的能力[2]。傳統的踝關節康復訓練大多是由康復醫師進行接觸式的輔助康復訓練，患者被動訓練，方式單一，醫師工作量大導致訓練時間較短、患者的康復周期較長。隨著機器人技術在康復領域的應用與研究，踝關節康復機器人替代傳統康復醫師對患者進行踝關節康復訓練已經是一種趨勢[3]。

國外，典型的康復機構為美國Rutgers大學提出的6自由度踝關節康復機構，但由于自由度過多，所以難以精確控制[4]。意大利 Saglia等[5-7]開發了一種高性能的3-UPS/U踝關節康復機器人，但該機構只有2個自由度，不能完成踝關節的所有運動。國內，王從哲等[8]設計了一種3-RUS/RRR冗余并聯機構，用于踝關節的康復訓練，并對機構進行了運動學分析。禹潤田等[9]設計了一種用繩索驅動的并聯踝關節康復機構，通過調整繩索張力來改變動平臺的位姿，達到對踝關節進行康復訓練的目的。在前人的研究基礎上，結合踝關節結構，針對傳統踝關節康復訓練方式單一、訓練時間短等問題，本文設計了一種3-SPS/S（S：Spherical，球副；P：Prismatic，移動副）踝關節并聯康復機器人來輔助患者進行康復治療訓練。

1 踝關節機器人機械結構設計

根據人體生理學和踝關節結構，踝關節可視為1個具有3個轉動自由度（背伸/跖屈、內翻/外翻、內旋/外旋）的球關節[10]。每個轉動自由度的最大運動范圍如表1所示。通過對人體踝關節結構的認知和了解，根據機構學原理，為滿足踝關節康復訓練的要求，本文采用3-SPS/S并聯機構。3-SPS/S并聯機構是一種典型的空間3自由度轉動的并聯機構，主要由動平臺、靜平臺、驅動桿支鏈和支撐桿4部分組成，如圖1（a）所示。中間為支撐桿，支撐桿下端固定在靜平臺中心位置，上端通過球鉸與動平臺中心位置相連。結構中下平臺是靜平臺，上平臺是動平臺，動平臺上有鞋具穿戴模型，可將腳放上去進行康復訓練運動。上下平臺之間用3根可變長度的驅動桿通過球鉸來連接，驅動桿本身可由電機控制實現伸縮，通過改變每個驅動桿的長度來實現動平臺繞x，y，z三軸的轉動。搭建的機構實物如圖1（b）所示。

表1 踝關節運動范圍Tab.1 Ankle joint motion range

圖1 3-SPS/S并聯康復機構Fig.1 3-SPS/S parallel rehabilitation institutions

2 運動學分析

在實際操作中，由于驅動桿存在角度約束問題，所以在康復訓練過程中需要對3-SPS/S并聯康復機構進行位置分析，使驅動桿轉動的角度得到合理的控制。本文所用的康復機構是并聯機構，與串聯機構不同的是并聯機構的正解可能存在多個，比串聯機構的正解要復雜得多，所以一般用位置反解來進行位置分析。因此，通過位置反解對3-SPS/S并聯康復機構進行位置分析，獲得輸入輸出構件的關系。

如圖1（a）所示，在動平臺上建立動坐標系oxyz、靜平臺上建立靜坐標系O-XYZ，且坐標原點均位于平臺中心點。動平臺外接圓半徑為r，靜平臺外接圓半徑為R。假設為Bi點相對于靜平臺坐標系o-xyz的相對坐標值，為Bi點的絕對坐標值為Ai點的絕對坐標值。動平臺和靜平臺中心點的距離為h。動平臺按繞z軸、y軸、x軸的順序轉動，角度分別為γ，β，α，各點的坐標為

旋轉變換矩陣為

式中：

由此，每個支鏈li（i=1，2，3）可表示為

若已知動平臺的轉動角度，即α，β，γ的值，即可求得每個支鏈Li的長度。通過減去初始狀態各個支鏈的長度li，得到驅動桿長度的變化量。

3 控制系統的設計

3-SPS/S踝關節并聯康復機構的控制過程即為動平臺姿態的控制過程。但是考慮到動平臺的姿態難以測量，故本文采用基于鉸鏈空間控制的方式，以整個平臺的位姿信息作為反饋量對3-SPS/S并聯康復機構平臺進行位置控制，進而將動平臺的姿態問題通過位置反解間接地轉化為驅動桿的位移控制。通過電機控制驅動桿的伸縮，完成平臺在3個自由度上的旋轉，實現踝關節的背屈、跖屈、內旋、外旋、內翻、外翻運動。具體控制器設計過程為：首先給定動平臺的期望位姿，并通過運動學反解求得與期望位姿對應的各個驅動桿的位移；其次將各個驅動桿的期望位移與實際位移及運動速度作為控制器的輸入量，作用到各個驅動桿上的力為輸出量。

3.1 控制系統設計

本文設計的3-SPS/S踝關節康復機器人主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分主要包括3-SPS/S并聯康復平臺、多軸運動控制器、傳感器模塊、語音模塊、顯示器模塊、降壓模塊、繼電器模塊以及應急按鈕。軟件部分主要包括上位機界面程序、控制程序以及Arduino控制板程序。

從3-SPS/S踝關節康復機器人的功能來講，整個控制系統需要完成的任務是：當用戶選擇指定的康復訓練運動時，控制電動推桿進行規律性伸縮運動。3-SPS/S踝關節康復機器人總體控制框圖如圖2所示，多軸運動控制器是整個控制系統的核心，將設計的控制系統所需要的界面顯示、用戶接口、數據處理等應用程序與控制函數集成在一起，從而實現系統的功能。Arduino控制板作為信號處理裝置用來處理壓力傳感器信號和語音模塊信號，對其優先級進行排列，確保每次只有一個壓力傳感器信號或語音信號轉換為數字脈沖信號發送到運動控制器的通用輸入接口。運動控制器發送過來的通用輸出信號，經處理后傳輸給語音模塊進行語音播報。

3.2 系統軟件設計

3-SPS/S踝關節并聯康復機器人運動控制軟件的流程如圖3所示。系統開機后播報開機語音，進行故障檢測，若系統存在故障則自動轉到“故障”狀態并進行相應的故障提醒，工作人員判斷故障類型，然后做出相應操作；若系統無故障則判斷平臺是否處于設定的初始位姿，如果不是初始位姿，進行復位操作，之后進入康復訓練模式選擇，選擇需要的運動模式進行康復訓練，訓練結束后系統關閉。結合系統的工作流程和機器人的主要功能，將整個控制系統分為應用軟件層、核心軟件層以及驅動軟件層。其中，應用軟件層主要部分為人機界面，包括參數配置、模式選擇等；核心軟件層主要為實現機器人的軌跡規劃、控制以及通用I/O邏輯控制的程序集合；驅動軟件層主要面向單軸與多軸運動控制、數字/模擬信號轉換以及硬件I/O控制的函數集合。

圖2 踝關節康復機器人控制系統框圖Fig.2 Block diagram of the ankle joint rehabilitation robot control system

圖3 系統軟件工作流程Fig.3 Flow chart of system working

4 訓練模式

本文設計的3-SPS/S踝關節康復機器人，具有3種康復訓練模式，即被動康復訓練模式、主動康復訓練模式以及智能語音康復訓練模式，能夠滿足患者康復后期踝關節康復治療的要求。

啟動康復系統后，即可進入康復運動模式的選擇界面，患者可以在3種康復模式中選擇合適的訓練模式。圖4（a）為選擇被動康復訓練模式后的人機交互界面，在該界面中，用戶可以選擇踝關節的具體運動方式。選中之后可以選擇給定的康復訓練等級標準，該標準分為輕度、中度、高度3個等級，分別對應不同的運動角度。此外，也可以在給定的范圍內選擇自定義運動角度。點擊確定，踝關節康復機器人進入工作狀態。圖4（b）為選擇主動康復訓練模式后的人機交互界面，直接點擊確定，康復機器人進入主動康復訓練狀態，安裝在穿戴模型上的壓力傳感器將對足部壓力進行實時監測，當患者希望進行某個方向的踝關節訓練時，通過足部施加壓力，康復機器人將產生相應方向的運動，停止用力，運動停止并返回。圖4（c）為選擇智能語音康復訓練模式后的人機交互界面，直接點擊確定，康復機器人進入智能語音康復訓練狀態，康復機器人通過語音模塊播報康復訓練選項，患者通過語音回復選擇相應的動作和訓練角度進行踝關節康復訓練。

圖4 康復模式工作界面Fig.4 Work interface of recovery pattern

5 實驗測試

搭建起的整個踝關節康復機器人實驗平臺如圖5所示。對3-SPS/S踝關節并聯康復機器人進行多次實驗，確保系統滿足踝關節康復訓練要求的基本功能及使用的可靠性和安全性條件，驗證設計方案的可行性。

圖5 實驗平臺Fig.5 Experiment platform

3-SPS/S踝關節并聯康復機器人的基本功能實驗主要是無人的空載運行實驗，測試在沒有負載的情況下該裝置是否可以完成康復訓練以及角度精度誤差是否在允許范圍內。圖6分別為零位、背屈角度為30°、外翻角度為30°、內旋角度為20°（由于位形奇異對內旋和外旋的影響，在被動訓練和智能語音訓練模式下，需要施加相應方向的外力驅動）情況下的動平臺位姿狀態。

圖6 并聯機構位姿Fig.6 Position of parallel mechanism

通過多次實驗，選取實驗過程中誤差最大的一組數據，數據如表2所示。從表中數據可以分析得到角度精度誤差絕對值在1.0°以內，具有較高的控制精度，能夠滿足踝關節康復訓練的要求。

表2 并聯機構轉角Tab.2 Results of simulation and experiment

6 結論

本文結合目前少自由度并聯機器人機構研究取得的成果，提出一種可以進行被動康復訓練模式、主動康復訓練模式以及智能語音康復訓練模式的3自由度轉動的3-SPS/S踝關節并聯康復機器人。由多次實驗結果可知：該康復機器人可以實現踝關節的背屈、跖屈、內旋、外旋、內翻、外翻等康復訓練運動，而且具有較高的控制精度，可以滿足不同程度踝關節損傷患者的康復訓練需求。本文證明了設計方案切實可行，為并聯康復機器人提供了新的設計方法。