本發(fā)明屬于康復機器人技術領域，涉及一種新型踝關節(jié)康復機器人其控制方法。

背景技術：

康復機器人是一類輔助病患或老年人進行日常鍛煉的自動化裝置。近年來，機器人輔助物理治療的研究方興未艾，主要源于康復訓練是一項大量重復性的工作，康復師工作量大且容易疲憊，而這一類型工作正是機器人的強項。踝關節(jié)康復機器人便是典型代表。踝關節(jié)是人體保持步態(tài)平衡和承重的重要關節(jié)，具有繞解剖平面三自由度的旋轉運動功能。踝關節(jié)扭傷是一種常見的下肢運動損傷，且具有恢復緩慢的特點。利用機器人技術進行踝關節(jié)輔助康復訓練，便于康復師制定多種針對性康復訓練方案，同時可以定量化地評估和收集訓練數(shù)據(jù)，對于損傷患者的快速康復具有重要意義。

針對踝關節(jié)輔助康復訓練，國內外很多學者對此進行了研究，并研制成功了多種不同構型、不同控制方法的康復設備。girone在1999年基于六自由度的stewart機構研制了“rutgersankle”機器人[1]，并利用力反饋技術和虛擬現(xiàn)實技術構建了多種訓練場景，可實現(xiàn)平衡、力量、靈活性訓練。該設備成功利用并聯(lián)機構作為踝部康復設備，但是具有多余自由度，帶來控制復雜性。其氣動驅動方式并不適合醫(yī)療或家用環(huán)境要求的靜音、便攜特點。liu在2006年利用三自由度并聯(lián)機構3rss/s研制了電機驅動的踝關節(jié)康復設備，結構較為緊湊[2]。saglia2009年研制了兩自由度并聯(lián)康復機器人[3]，該設備具有三支鏈，冗余驅動的特點。其關節(jié)驅動采用了一種新型的繩驅動將電機轉動轉化為活塞直線運動的裝置。根據(jù)踝關節(jié)的生理結構，多數(shù)學者提出的康復設備均采用三轉動自由度的配置形式。tsoi提出了一種3-ups結構的并聯(lián)康復設備，并討論了自適應的交互控制方法[4]。李大順將3-rss機構用于踝關節(jié)康復機器人的研制[5]。曾達幸提出了一種pu-crru-crrr機構，具有三自由度并聯(lián)解耦的特點[6]。

踝關節(jié)術后康復一般分為早期、中期、后期三個階段，病患會循序漸進地恢復關節(jié)活動范圍和肌肉力量。在早期階段，康復訓練一般被動活動為主；而在中后期階段，則主動活動為主，被動活動為輔。因此，康復機器人的控制方式分為主動和被動兩種方式，分別控制機器人末端的運動軌跡和輸出力/力矩。saglia開發(fā)的康復設備采用位置控制方式，機器人引導患者踝關節(jié)運動套，適應于早期康復訓練。胡進將康復機器人的力控制分為力位混合控制和阻抗控制兩種方法[7]。ju利用模糊控制器實現(xiàn)了兩自由度康復機器人的力位混合控制[8]。tsoi則采用阻抗控制方式，施加一定的阻力到患者踝部，從而實現(xiàn)患者的主動訓練[4]。

踝關節(jié)康復機器人的工作空間和自由度配置必須與踝關節(jié)的結構和運動特性保持一致。通常，踝關節(jié)的運動可認為是繞著三個解剖平面（即額狀面、矢狀面、水平面）的法線方向旋轉運動，如圖1所示。其中，繞著矢狀面法線的旋轉稱為背伸/跖屈運動；繞水平面法線的旋轉稱為外伸/內展運動，繞額狀面法線的旋轉稱為內翻/外翻運動。這三個解剖平面是相互正交的，所以踝關節(jié)的運動可等價于繞某一轉動中心做球面運動。如表1所示，每種運動的轉動范圍并不相同，但其運動范圍都比較小[9]。

表1踝關節(jié)各運動的角度范圍

參考文獻

[1]gironem,burdeag,bouzitm,etal.astewartplatform-basedsystemforankletelerehabilitation[j].autonomousrobots,2001,10(2):203-212.

[2]liug,gaoj,yueh,etal.designandkinematicssimulationofparallelrobotsforanklerehabilitation[c]mechatronicsandautomation,proceedingsofthe2006ieeeinternationalconferenceon.ieee,2006:1109-1113.

[3]sagliaja,tsagarakisng,daijs,etal.ahigh-performanceredundantlyactuatedparallelmechanismforanklerehabilitation[j].internationaljournalofroboticsresearch,2009,28(9):1216-1227.

[4]tsoiyh,xiesq.designandcontrolofaparallelrobotforanklerehabilitation.[j].internationaljournalofintelligentsystemstechnologies&applications,2010,8:100-113.

[5]李大順,李劍鋒,王颯,等.并聯(lián)3-rrs踝關節(jié)康復機構及運動分析[j].機械設計與制造,2015(8):4-8.

[6]曾達幸,胡志濤,侯雨雷,等.一種新型并聯(lián)式解耦踝關節(jié)康復機構及其優(yōu)化[j].機械工程學報,2015(09):1-9.

[7]胡進,侯增廣,陳翼雄,等.下肢康復機器人及其交互控制方法[j].自動化學報,2014(11):2377-2390.

[8]jums,lincc,lindh,etal.arehabilitationrobotwithforce-positionhybridfuzzycontroller:hybridfuzzycontrolofrehabilitationrobot.[j].ieeetransactionsonneuralsystems&rehabilitationengineeringapublicationoftheieeeengineeringinmedicine&biologysociety,2005,13(3):349-358.

[9]s,siegler,j,chen,cd,schneck.thethree-dimensionalkinematicsandflexibilitycharacteristicsofthehumanankleandsubtalarjoints-parti:kinematics[j].journalofbiomechanicalengineering,1988,110(4):364-373。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點，本發(fā)明提供一種新型踝關節(jié)康復機器人其控制方法，它具有三轉動自由度，并且工作空間應當滿足踝關節(jié)各運動的角度范圍；同時，還滿足踝關節(jié)轉動靈活性高、承載能力強的生理特點。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種新型踝關節(jié)康復機器人，包括電控箱、基座、驅動電機、編碼器、3-rrr球面并聯(lián)機構及腳部踏板；其中，3-rrr球面并聯(lián)機構位于底部基座及上方腳部踏板之間，3-rrr球面并聯(lián)機構具有三條相同的運動支鏈，每條支鏈由三個轉動副和兩個連桿組成，該3-rrr球面機構是一種典型的球面并聯(lián)機構（spm），具有三個純轉動自由度，且各轉動軸線交于一點，該點是3-rrr球面機構的轉動中心o點，每條運動支鏈的各個轉動副軸線也交于o點，首先，在轉動中心o點處建立固連于靜平臺的靜坐標系ox0y0z0，z0指向靜平臺的法線方向向上，x0指向o點與運動支鏈靠近靜平臺的轉動副中心連續(xù)在靜平臺上的投影方向，y0由右手定則確定，其次，在同樣在轉動中心o點處建立固連于動平臺的動坐標系ox0'y0'z0'，該坐標系會隨著動平臺的運動而運動，在初始位置，動坐標系與靜坐標系重合；

定義方向矢量ui(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連架桿與靜平臺之間轉動副的軸線方向；定義vi(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連桿與動平臺之間的轉動副的軸線方向；定義wi(i=1,2,3)，指向同一運動支鏈上兩連桿之間轉動副的軸線方向；

因為三條運動支鏈完全相同，所以對其結構參數(shù)研究時，可以將3-rrr機構的簡化為一條支鏈作為研究對象，單條運動支鏈共有四個結構參數(shù)：

α1——連架桿兩端轉動副軸線的夾角；

α2——連桿兩端轉動副軸線的夾角；

β1——方向矢量ui與靜平臺法線方向oh的夾角；

β2——方向矢量vi與靜平臺法線方向oh'的夾角；

這些結構參數(shù)對機構的工作空間、靈活度產(chǎn)生影響，為了獲得較好的靈活度指標，同時考慮到機構對稱性，對四個參數(shù)進行尺寸綜合，確定優(yōu)化結果為α1=90°，α2=90°，β1=54°，β2=54°，此時3-rrr球面并聯(lián)機構呈現(xiàn)正交特點，方向矢量vi垂直于wi；

將各條運動支鏈的驅動輸入定義為θi(i=1,2,3)，因為3-rrr球面并聯(lián)機構為純轉動機構，可用歐拉角表示其動平臺的姿態(tài)角，采用zxy歐拉角[?,θ,ψ]來表示姿態(tài)，動坐標系ox0'y0'z0'相對于靜坐標系ox0y0z0的坐標變換過程為：

（1）坐標系ox0y0z0繞z0轉動?角，得到中間坐標系ox1y1z1；

（2）坐標系ox1y1z1繞x1軸轉動θ角，得到中間坐標系ox2y2z2；

（3）坐標系ox2y2z2繞y2軸轉動ψ角，得到動坐標系ox0'y0'z0'；

由以上變換過程可以寫出從定坐標系ox0y0z0系到動坐標系ox0'y0'z0'的旋轉矩陣re：

。

所述3-rrr球面并聯(lián)機構具有一個靜平臺和一個動平臺，基座與3-rrr球面并聯(lián)機構的靜平臺固定相連，動平臺則與腳部踏板固定相連。

所述運動支鏈靠近靜平臺的連桿為連架桿。

在3-rrr球面并聯(lián)結構中還增加了一條支鏈，由一個球運動副組成，球鉸的中心與3-rrr球面并聯(lián)機構的轉動中心重合，該支鏈并無驅動，主要用于優(yōu)化機構剛度，增加承載能力。

一種新型踝關節(jié)康復機器人的控制方法，包括兩種康復模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式，分別適合踝關節(jié)損傷的病患在術后恢復前期和中后期的訓練治療，康復機器人本體結構、硬件、控制軟件及交互系統(tǒng)構成了完整的使用環(huán)境，硬件控制系統(tǒng)采用上下位機的架構方式，上位機是基于普通臺式電腦或家用筆記本電腦，運行訓練虛擬場景計算、位置控制、運動學計算、力計算等高層控制算法；下位機則是基于嵌入式系統(tǒng)，執(zhí)行編碼器采集、電機驅動控制、通信控制等底層控制算法；上下位機采用以太網(wǎng)通信方式，可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，且利于聯(lián)網(wǎng)操作和多機器人擴展；其中運動功能訓練模式的人機交互界面負責提供訓練者可視化的虛擬訓練場景，以提供一定沉浸感的訓練體驗。用戶通過人機交互界面選擇訓練模式，機器人運動規(guī)劃器根據(jù)訓練者的輸入，在數(shù)據(jù)庫中查找該模式對應的訓練計劃，運動規(guī)劃器根據(jù)訓練計劃設定的運動范圍、運動速度進行插值計算，輸出機器人動平臺姿態(tài)數(shù)據(jù)給運動學逆解模塊進行逆解計算，求得各個關節(jié)的控制量，并交由下位機的pid控制器進行位置控制，關節(jié)編碼器負責采集電機轉角，作為pid控制器的輸入，同時反饋到上位機的運動學正解模塊中，計算機器人動平臺的實時姿態(tài)，經(jīng)過虛擬場景渲染，反饋到訓練者，提供具有沉浸感的訓練效果，從而有效提升訓練過程中的樂趣；踝關節(jié)康復的中后期則主要使用肌肉力量訓練模式，在該訓練模式下，不同于位置控制下的牽引運動，機器人須提供一種阻力給訓練者，康復機器人采用阻抗控制作為肌肉力量訓練時的力控模型，訓練者向康復機器人施加踝部運動，機器人則根據(jù)與訓練者腳部相連的動平臺姿態(tài)變化，計算反饋力并輸出給訓練者。采用經(jīng)典的“質量-阻尼-彈簧”模型作為反饋力計算方法：

其中，f為機器人向訓練者反饋的力，m表示慣性系數(shù)，b表示阻尼系數(shù)，k表示剛度系數(shù)，x表示訓練者向機器人施加的運動；

反饋力f需經(jīng)過靜力學反解，得到各個驅動關節(jié)的驅動力矩τi(i=1,2,3)，并最終轉換為電機電流進行伺服控制，根據(jù)虛功原理，有：

將公式（8）帶入公式（17）中，可得：

j^t為機構的力雅可比矩陣，表示機器人動平臺輸出的反饋力矩與關節(jié)驅動力矩的映射關系；

康復訓練者與康復機器人的交互包括運動輸入、視覺反饋和力反饋，機器人工作在一種被動模式下，關節(jié)編碼器采集驅動電機轉角，經(jīng)過運動學正解模塊計算機器人動平臺姿態(tài)角，輸入阻抗控制器模塊計算反饋力，并經(jīng)過靜力學反解，計算關節(jié)的驅動力矩，經(jīng)過底層的閉環(huán)控制實現(xiàn)反饋力的輸出。

所述訓練計劃文件是采用一種類自然語言的自定義腳本，存儲于數(shù)據(jù)庫中，具有良好的擴展性。對于不同病患的不同階段，康復師只需制定康復訓練計劃，即可轉換為腳本文件，供機器人運動規(guī)劃器調取作為機器人動平臺姿態(tài)規(guī)劃的依據(jù)。

本發(fā)明的有益效果是：采用3-rrr球面并聯(lián)機構作為機器人的基礎構型，具有靈活性好、剛度高、緊湊便攜，符合踝關節(jié)生理結構特征等優(yōu)點；在機構設計的基礎上完成了機械結構設計；完成了3-rrr球面并聯(lián)機構的建模分析，通過坐標變換矩陣和機構幾何約束方程推導了運動學逆解。針對并聯(lián)機構運動學正解求解困難的問題，根據(jù)機構關節(jié)空間和操作空間的速度映射關系，設計了一種迭代算法計算機構的運動學正解，通過算例證明了算法具有精度高、迭代速度快的特點；根據(jù)踝關節(jié)術后康復的不同時期，設計了兩種康復訓練模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式。運動功能訓練模式下采用位置控制方式建立機器人的控制系統(tǒng)結構；在肌肉力量訓練模式下采用阻抗控制方式，采用“質量-阻尼-彈簧”力模型，保證了機器人在被動工作下，與人交互具有良好的柔順性和安全性。

附圖說明

圖1踝關節(jié)運動自由度示意圖；

圖2是踝關節(jié)康復機器人結構示意圖；

圖3是3-rrr球面并聯(lián)機構建模圖；

圖4是運動功能訓練模式方框示意圖；

圖5肌肉力量訓練模式方框示意圖。

圖中：1-基座，2-3-rrr球面并聯(lián)機構，3-踏板，4-驅動電機，5-電控箱。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

參見圖1～圖5，一種新型踝關節(jié)康復機器人，包括電控箱5、基座1、驅動電機4、編碼器、3-rrr球面并聯(lián)機構2及腳部踏板3；其中，3-rrr球面并聯(lián)機構2位于底部基座1及上方腳部踏板3之間，3-rrr球面并聯(lián)機構2具有三條相同的運動支鏈，每條支鏈由三個轉動副和兩個連桿組成，該3-rrr球面機構是一種典型的球面并聯(lián)機構（spm），具有三個純轉動自由度，且各轉動軸線交于一點，該點是3-rrr球面機構的轉動中心o點，每條運動支鏈的各個轉動副軸線也交于o點，首先，在轉動中心o點處建立固連于靜平臺的靜坐標系ox0y0z0，z0指向靜平臺的法線方向向上，x0指向o點與運動支鏈靠近靜平臺的轉動副中心連續(xù)在靜平臺上的投影方向，y0由右手定則確定，其次，在同樣在轉動中心o點處建立固連于動平臺的動坐標系ox0'y0'z0'，該坐標系會隨著動平臺的運動而運動，在初始位置，動坐標系與靜坐標系重合；

定義方向矢量ui(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連架桿與靜平臺之間轉動副的軸線方向；定義vi(i=1,2,3)，指向運動支鏈i中連桿與動平臺之間的轉動副的軸線方向；定義wi(i=1,2,3)，指向同一運動支鏈上兩連桿之間轉動副的軸線方向。

因為三條運動支鏈完全相同，所以對其結構參數(shù)研究時，可以將3-rrr機構的簡化為一條支鏈作為研究對象，單條運動支鏈共有四個結構參數(shù)：

α1——連架桿兩端轉動副軸線的夾角；

α2——連桿兩端轉動副軸線的夾角；

β1——方向矢量ui與靜平臺法線方向oh的夾角；

β2——方向矢量vi與靜平臺法線方向oh'的夾角；

這些結構參數(shù)對機構的工作空間、靈活度產(chǎn)生影響，為了獲得較好的靈活度指標，同時考慮到機構對稱性，對四個參數(shù)進行尺寸綜合，確定優(yōu)化結果為α1=90°，α2=90°，β1=54°，β2=54°，此時3-rrr球面并聯(lián)機構2呈現(xiàn)正交特點，方向矢量vi垂直于wi；

將各條運動支鏈的驅動輸入定義為θi(i=1,2,3)，因為3-rrr球面并聯(lián)機構2為純轉動機構，可用歐拉角表示其動平臺的姿態(tài)角，采用zxy歐拉角[?,θ,ψ]來表示姿態(tài)，動坐標系ox0'y0'z0'相對于靜坐標系ox0y0z0的坐標變換過程為：

（1）坐標系ox0y0z0繞z0轉動?角，得到中間坐標系ox1y1z1；

（2）坐標系ox1y1z1繞x1軸轉動θ角，得到中間坐標系ox2y2z2；

（3）坐標系ox2y2z2繞y2軸轉動ψ角，得到動坐標系ox0'y0'z0'；

由以上變換過程可以寫出從定坐標系ox0y0z0系到動坐標系ox0'y0'z0'的旋轉矩陣re：

。

所述3-rrr球面并聯(lián)機構2具有一個靜平臺和一個動平臺，基座1與3-rrr球面并聯(lián)機構2的靜平臺固定相連，動平臺則與腳部踏板3固定相連。

所述運動支鏈靠近靜平臺的連桿為連架桿。

在3-rrr球面并聯(lián)結構中還增加了一條支鏈，由一個球運動副組成，球鉸的中心與3-rrr球面并聯(lián)機構2的轉動中心重合，該支鏈并無驅動，主要用于優(yōu)化機構剛度，增加承載能力。

一種新型踝關節(jié)康復機器人的控制方法，包括兩種康復模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式，分別適合踝關節(jié)損傷的病患在術后恢復前期和中后期的訓練治療，康復機器人本體結構、硬件、控制軟件及交互系統(tǒng)構成了完整的使用環(huán)境，硬件控制系統(tǒng)采用上下位機的架構方式，上位機是基于普通臺式電腦或家用筆記本電腦，運行訓練虛擬場景計算、位置控制、運動學計算、力計算等高層控制算法；下位機則是基于嵌入式系統(tǒng)，執(zhí)行編碼器采集、電機驅動控制、通信控制等底層控制算法；上下位機采用以太網(wǎng)通信方式，可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，且利于聯(lián)網(wǎng)操作和多機器人擴展；其中運動功能訓練模式的人機交互界面負責提供訓練者可視化的虛擬訓練場景，以提供一定沉浸感的訓練體驗，用戶通過人機交互界面選擇訓練模式，機器人運動規(guī)劃器根據(jù)訓練者的輸入，在數(shù)據(jù)庫中查找該模式對應的訓練計劃，運動規(guī)劃器根據(jù)訓練計劃設定的運動范圍、運動速度進行插值計算，輸出機器人動平臺姿態(tài)數(shù)據(jù)給運動學逆解模塊進行逆解計算，求得各個關節(jié)的控制量，并交由下位機的pid控制器進行位置控制，關節(jié)編碼器負責采集電機轉角，作為pid控制器的輸入，同時反饋到上位機的運動學正解模塊中，計算機器人動平臺的實時姿態(tài)，經(jīng)過虛擬場景渲染，反饋到訓練者，提供具有沉浸感的訓練效果，從而有效提升訓練過程中的樂趣；踝關節(jié)康復的中后期則主要使用肌肉力量訓練模式，在該訓練模式下，不同于位置控制下的牽引運動，機器人須提供一種阻力給訓練者，康復機器人采用阻抗控制作為肌肉力量訓練時的力控模型，訓練者向康復機器人施加踝部運動，機器人則根據(jù)與訓練者腳部相連的動平臺姿態(tài)變化，計算反饋力并輸出給訓練者。采用經(jīng)典的“質量-阻尼-彈簧”模型作為反饋力計算方法：

其中，f為機器人向訓練者反饋的力，m表示慣性系數(shù)，b表示阻尼系數(shù)，k表示剛度系數(shù)，x表示訓練者向機器人施加的運動；

反饋力f需經(jīng)過靜力學反解，得到各個驅動關節(jié)的驅動力矩τi(i=1,2,3)，并最終轉換為電機電流進行伺服控制，根據(jù)虛功原理，有：

將公式（8）帶入公式（17）中，可得：

j^t為機構的力雅可比矩陣，表示機器人動平臺輸出的反饋力矩與關節(jié)驅動力矩的映射關系；

康復訓練者與康復機器人的交互包括運動輸入、視覺反饋和力反饋，機器人工作在一種被動模式下，關節(jié)編碼器采集驅動電機4轉角，經(jīng)過運動學正解模塊計算機器人動平臺姿態(tài)角，輸入阻抗控制器模塊計算反饋力，并經(jīng)過靜力學反解，計算關節(jié)的驅動力矩，經(jīng)過底層的閉環(huán)控制實現(xiàn)反饋力的輸出。

所述訓練計劃文件是采用一種類自然語言的自定義腳本，存儲于數(shù)據(jù)庫中，具有良好的擴展性。對于不同病患的不同階段，康復師只需制定康復訓練計劃，即可轉換為腳本文件，供機器人運動規(guī)劃器調取作為機器人動平臺姿態(tài)規(guī)劃的依據(jù)。

本發(fā)明采用3-rrr球面并聯(lián)機構2作為機器人的基礎構型，具有靈活性好、剛度高、緊湊便攜，符合踝關節(jié)生理結構特征等優(yōu)點；在機構設計的基礎上完成了機械結構設計；完成了3-rrr球面并聯(lián)機構2的建模分析，通過坐標變換矩陣和機構幾何約束方程推導了運動學逆解。針對并聯(lián)機構運動學正解求解困難的問題，根據(jù)機構關節(jié)空間和操作空間的速度映射關系，設計了一種迭代算法計算機構的運動學正解，通過算例證明了算法具有精度高、迭代速度快的特點；根據(jù)踝關節(jié)術后康復的不同時期，設計了兩種康復訓練模式：運動功能訓練模式和肌肉力量訓練模式。運動功能訓練模式下采用位置控制方式建立機器人的控制系統(tǒng)結構；在肌肉力量訓練模式下采用阻抗控制方式，采用“質量-阻尼-彈簧”力模型，保證了機器人在被動工作下，與人交互具有良好的柔順性和安全性。