步行器結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設計

-20-引言隨著科技進步和人民生活水平的提高，我國和世界上許多國家一樣，正在步入老齡化社會。在老年人群中會有大量的腦血管或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，其后遺癥多數(shù)伴有偏癱癥狀。近期的流行病學研究結(jié)果表明，全國腦卒中，每10萬人年發(fā)病人數(shù)為110-180例;年死亡率每為10萬人80-120例，且發(fā)病率呈上升的趨勢，雖死亡率呈下降趨勢，但幸存者中70%以上都患有不同程度的功能障礙(殘疾)。同時，由于交通運輸工具的迅速增多，因交通事故而造成神經(jīng)心痛損傷或肢體損傷的人數(shù)也越來越多。醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學證明，這類患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物外，正確、科學的康復訓練對于肢體運動功能的恢復和提高起到非常重要的作用。因為這類患者都存在一定的運動障礙，康復訓練需要有專業(yè)人員幫助或者需要在專業(yè)人員的監(jiān)護下才能進行，由于專業(yè)護理人員的缺乏和醫(yī)療費用等問題，多數(shù)患者選擇在家里自行訓練，甚至在康復后期拋開他人監(jiān)護，自行訓練。這時，為了安全有效的進行訓練，需要助行裝置能提供一種安全監(jiān)護和預測的有效信息，幫助患者更好更安全地進行康復訓練。本文針對下肢癱瘓病人在行走康復訓練中的安全監(jiān)護和預測問題，研究上肢力信息的提取方法，并嘗試用于康復訓練監(jiān)測和效果評估，以探索解決殘疾人康復工程中監(jiān)護與預測的難點。由于人體神經(jīng)系統(tǒng)對下肢失去了控制，下肢殘疾患者就失去了下肢運動能力。如果患者長期臥床，會造成諸多并發(fā)癥，如褥疫、骨質(zhì)疏松、截癱神經(jīng)痛、泌尿系統(tǒng)感染、尿毒癥等，并可反復發(fā)作。并發(fā)癥使得患者住院時間延長，不僅所需的各項醫(yī)療費用增加，而且也影響了后期的康復治療效果，甚至并發(fā)癥嚴重者還可導致死亡。對下肢殘疾患者而言，站立及步行訓練對其后期的康復具有重要的意義。步行器屬于康復醫(yī)療器械，旨在幫助截癱病人進行后期的康復治療。為了使步行器成為普遍適用的康復器械，在設計構(gòu)思步行器時，需要考慮到一些設計的基本理念和功能定位。1步行器的概述1.1步行器的定義步行器(walkingaids)即為輔助人站立與行走的工具和裝置。行走是人類健康的重要標志，也是口常生活中重復最多的動作。近年來隨著交通事故和意外損傷的增多，腦血管病患者的相對增加。一旦病情平穩(wěn)后，改善和恢復步行功能擺到了康復醫(yī)學的首要位置。另一方面伴隨著我國人民生活水平的不斷改善，人口老齡化必然出現(xiàn)。由于年邁肌肉力的耐力減弱，需要借助步行器械和矯形器獲得安全步態(tài)的人越來越多，在臨床康復治療中接受康復治療的多數(shù)患者，在步行的開始就需要借助步行器械和矯形器的支持。有些患者的步行甚至需要終生使用步行器械和矯形器。1.2步行器的功能下肢殘疾患者下肢癱瘓，不能自主的進行站立及步行練習，需要借助相應的步行矯形器來幫助完成。通過很多臨床研究發(fā)現(xiàn)，站立或者步行康復訓練可以有效的減少下肢殘疾后期并發(fā)癥，并極大改善患者的體質(zhì)。從康復步行器所能實現(xiàn)的功能，可以把其功能分成三個部分：行走功能，減重支撐功能，控制驅(qū)動功能[1]。1.2.1行走功能步行器，顧名思義必須要實現(xiàn)行走康復的功能。脊髓損傷使得神經(jīng)系統(tǒng)失去了對下肢的控制，無法實現(xiàn)正常的行走功能，容易出現(xiàn)一系列的并發(fā)癥。所以在不傷害下肢體的前提下，借助其他的工具使下肢進行步行等運動，可以促進血液循環(huán)，減少肌肉萎縮等并發(fā)癥，改善患者心情，促進身心康復。步行系統(tǒng)主要設有一仿人髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，長腿支柱，腳部，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等主要的機構(gòu)，可以保汗患者進行簡單的步行訓練。1.2.2減重支撐功能患者長時間不運動或者很少運動，下肢會出現(xiàn)不同程度的萎縮，無法承受整個人體的重量。那么減重支撐功能就是要為患者分擔大部分體重的功能，減少人體重量對下肢的壓迫，防止下肢關(guān)節(jié)壓迫受傷。減重支撐系統(tǒng)可以更好地促進、輔助行走功能。步行器對患者的減重支撐的主要有幾個部位：腋下的支撐系統(tǒng)對一身體兩邊起到“托住”的作用，相當于一個拐杖的支撐；膝關(guān)節(jié)的鎖定，減少自由度，大腿小腿連起來組成一個“整體”，此時的骨骼起到了一個支撐作用；骸關(guān)節(jié)設計處需要“卡住”胯部，以便電機帶動骸關(guān)節(jié)的扭動，這樣也起到了一定的減重功能，另外此處設計有比較厚的保護墊，以防患者受傷。1.2.3控制驅(qū)動部分患者長時間臥床，缺乏鍛煉，體力會出現(xiàn)明顯下降。如果單純依靠患者健全上肢的力量來帶動下肢運動，患者會比較吃力，并且病人做一個動作的難度是普通人的好幾倍。所以需要借助一定的外力與患者共同合作，實現(xiàn)行走功能?？刂葡到y(tǒng)包括微型控制器，驅(qū)動電機，傳感器，變速箱等，可以使患者實現(xiàn)人機合作，并且簡單快捷省力的操作。1.3步行器的運動方式對于外骨骼類步行器，一般會采用兩種方法進行步態(tài)規(guī)劃。其一就是利用仿人結(jié)構(gòu)。首先研究人體的基本構(gòu)造，然后簡化為機構(gòu)簡圖。結(jié)合已測出的各個關(guān)節(jié)的運動曲線，規(guī)劃和模擬人的步態(tài)。其二就是運用數(shù)學的方法進行人體的建模。通過對步行器的運動學求解建模，從而得出步行器的步態(tài)規(guī)劃。尤其對于康復類外骨骼，步態(tài)的規(guī)劃是否合理，將極大的影響穿戴者的舒適性，同時也會影響到患者康復的積極性。在規(guī)劃步行器行走步態(tài)時，應對人體下肢運動關(guān)節(jié)和主要運動特點進行詳細的分析和認知。人類本身是靠雙足直立行走，同樣步行器也是雙足直立行走的運動方式，只是下肢膝關(guān)節(jié)鎖定。本質(zhì)上，兩者在運動原理上是類似的，只不過由于人類的肢體結(jié)構(gòu)比較精細復雜，在行走的過程中可以做很多細節(jié)調(diào)整，所以動作很靈活流暢；而步行器的結(jié)構(gòu)相對還是比較簡單，活動方式也比較機械，所以動作相對也會顯得比較僵硬。綜合考慮這些因素，采用第一種的仿人的結(jié)構(gòu)，可以使步態(tài)規(guī)劃更符合人體運動，對患者的身體和心理都有促進作用。圖1步行器運動方式示意圖步行器的運動方式的分解圖如圖1所示。步行器規(guī)劃的步態(tài)策略描述如下：(1)先邁左腳，左腳離地，身體重心轉(zhuǎn)移到右腳，由右腳支撐身體；(2)右腳產(chǎn)生一個后蹬趨勢，支撐身體前移；(3)左腳著地，身體重心轉(zhuǎn)移到兩腳之間，身體完成一段距離的移動；(4)再邁右腳，右腳離地，身體重心轉(zhuǎn)移到左腳，由左腳支撐身體；(5)左腳產(chǎn)生一個后蹬趨勢，支撐身體前移；(6)右腳著地，身體重心轉(zhuǎn)移到兩腳之間，身體再完成一段距離的移動；(7)繼續(xù)邁左腳……如此往復循環(huán)，從而可以實現(xiàn)雙足行走。2人體下肢結(jié)構(gòu)和步態(tài)分析人類在生活中離不開運動。人類身體結(jié)構(gòu)會隨著運動而呈現(xiàn)一定規(guī)律變化。大自然造就了人類，在人類不斷地進化過程中，身體的結(jié)構(gòu)不斷地適應著大自然的變化。人類身體擁有一個復雜，柔韌和合理的結(jié)構(gòu)，使得人類具有走、跑、跳和蹲等各種運動能力。然而，人類的身體結(jié)構(gòu)又是相當脆弱的，一旦遭受到某種損害時，如交通事故，重大疾病，自然災害等時，身體的某些器官或者組織結(jié)構(gòu)就會發(fā)生損傷而失去部分功能。步態(tài)是人體結(jié)構(gòu)與功能、運動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、行為心理活動在行走時的外在表現(xiàn)。不同的人步行的姿勢是不一樣的，步行器和矯形器可以直接影響步態(tài)的變化，反過來根據(jù)步態(tài)的變化也可以評價助行器械和矯形器的作用。2.1人體下肢結(jié)構(gòu)分析2.1.1人體下肢術(shù)語確立的標準姿勢，便于我們對人體結(jié)構(gòu)有正確的認識和研究，并了解各部分的形態(tài)和相互位置關(guān)系。另外，有利于初學者準確的掌握和正確的交流。2.1.1.1標準姿勢標準姿勢也稱為姿勢，其定義為兩腳跟靠攏，足尖向前靠攏;雙手在軀干兩側(cè)呈自然下垂，掌心向前;身體垂直站立，兩眼向正前方平視。以下描述，沒有特殊標注，均是在人體標準姿勢的基礎上進行的。2.1.1.2常用的人體方位術(shù)語人體常用的方位術(shù)語為了便于學習和研究人體各部分及其結(jié)構(gòu)的位置變化。表1為人體常用方位術(shù)語。表1人體常用方位術(shù)語方位術(shù)語定義上(superior)下(inferior)按姿勢，頭居上，足在下前(anterior)后(posterior)靠身體腹面者為前，而靠背面者為后內(nèi)側(cè)(medialis)外側(cè)(lateralis)以身體的中線為準，距中線近者為內(nèi)側(cè)，離中線相對遠者為外側(cè)，如手的拇指在外側(cè)而小指在內(nèi)側(cè)內(nèi)(interior)外(exterior)凡有內(nèi)腔的器官，以內(nèi)腔為準，近內(nèi)腔者為內(nèi)，遠離內(nèi)腔者為外淺(superficial)深(deep)靠近體表的部分叫淺，相對深入潛居于內(nèi)部的部分叫深認識人體的空間坐標系，對研究人體結(jié)構(gòu)一有重要影響：①軸(axis):按照方位，人體可有互相垂直的三種類型的軸，這在找述某些結(jié)構(gòu)的形態(tài)，特別是關(guān)節(jié)運動時，是非常重要的。這三種軸即為矢狀軸，冠狀軸，垂直軸。矢狀軸(sagittalaxis)即由前向后與身體長軸和冠狀軸相垂直的水平線。冠狀軸(coronalaxis)即由左向右與身體長軸和矢狀軸相垂直的水平線，又稱額狀軸。垂直軸(verticalaxis):即與身體長軸平行與水平面垂直的軸。②面(plane):按照上述三種軸，人體可以有相互垂直的三種類型面，這些對某些結(jié)的描述也是重要的。矢狀面(sagittalplane):即按矢狀面力一向與水平面和冠狀面相垂自，將身體分成左右兩部的縱切面。其中正中的，稱為正中矢狀面，將人體分成左右二等分。冠狀面(coronalplane):又稱為額狀軸即按冠狀面方向與水平面和矢狀面相垂直，將身體分為前后兩部的縱切面。水平面(horizontalplane):又稱橫切面即與上述二面垂直與水平面平行，將身體分為上下兩部的斷面[2]。2.1.2人體下肢結(jié)構(gòu)和自由度分析研究人體骨骼構(gòu)造得知人體下肢骨骼由人腿骨(股骨)、小腿骨(脛骨和膝骨)、足骨(附骨、拓骨和趾骨)組成，人體下肢骨骼解剖圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。人體的下肢骨骼主要構(gòu)成包括兩個部分，分別為下肢帶骨和游離下肢骨。下肢帶骨主要由髖骨組成。每側(cè)髖骨均由位于上方的骼骨，后方的一塊坐骨，前下方的恥骨組成。游離下肢骨包括股骨，骼骨，脛骨，肌骨和足骨組成。ab圖2人體下肢結(jié)構(gòu)及主要關(guān)節(jié)自由度髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和跺關(guān)節(jié)是人體下肢的三個主要關(guān)節(jié)，通過下表2可以很清晰的看出三大關(guān)節(jié)的組成，類型，級數(shù)，自由度等。表2下肢三大關(guān)節(jié)通過上表對三個關(guān)節(jié)分析可知，雖然每一個關(guān)節(jié)運動方式各有不同，但是三個關(guān)節(jié)都會進行屈/伸運動。對三種運動方式分析，可概括其運動特點:屈/伸運動主要是為了幫助人體完成向前跨步的運動，內(nèi)收/外展主要是為了幫助人體在站立或者行走的過程中調(diào)節(jié)身體的平衡，旋內(nèi)/旋外主要為了幫助人體改變行走方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的功能。2.2步態(tài)分析行走是身體平穩(wěn)、交替、對稱、有節(jié)律的運動。步態(tài)就是行走時所表現(xiàn)的姿態(tài)或行走模式。正常步態(tài)是通過骨盆、骸膝、跺和足趾共同協(xié)作完成，上體處于兩足之間的支撐面上以保持平衡。步態(tài)是經(jīng)過后天的學習而獲得的。正常步態(tài)必須完成三個過程:支撐體重，單腿支撐，擺動腿邁步。2.2.1步態(tài)分析的目的步態(tài)分析可評估患者是否存在異常步態(tài)。另外，大量研究成果證實，通過對比分析異常步態(tài)與正常步態(tài)特征，可判斷步態(tài)異常的性質(zhì)和程度，也為分析異常步態(tài)原因，制定矯正異常步態(tài)治療方案和評價康復療效提供必要的依據(jù)。通過對人體步態(tài)的深入分析研究，結(jié)合截癱康復步行器的設計要求，運用比較成熟的步態(tài)理論，可以為截癱康復步行器的步態(tài)規(guī)劃提供重要的參考依據(jù)。2.2.2步態(tài)時相分析及相關(guān)步態(tài)理論人在行走的時候，同一個足跟連續(xù)兩次著地的時間為一個步態(tài)周期。一個正常的步態(tài)周期包括一個站立相和一個邁步相，每側(cè)下肢都有其各自步行周期。理想狀態(tài)下，健全人在平地行走時是呈現(xiàn)左右劉一稱的。以下分析均是針對健全人，不適合有下肢運動功能障礙的患者。步態(tài)時相分析法是步態(tài)分析中最常用的分析方法，它包括兩個雙腿支撐相(doublesupporting)、單支撐相(singlesupporting)和邁步相(swingphase)。站立相(standphase)是指步行周期中，從足跟著地到足趾離地的過程，約占整個步行周期的前60%。邁步相(swingphase)指步行周期中從足趾離地到同側(cè)足跟再次著地的過程，它發(fā)生在步行周期后40%的時間里。站立相包含兩個雙支撐期和一個單支撐期。雙支撐期為行走中腳與地面同時接觸的時期。一個步行周期中包含兩個雙支撐期，即右雙支撐期和左雙支撐期。發(fā)生時間不同，各占10%的步行周期。單支撐期為行走中僅一側(cè)下肢與地面接觸的時期。行走時一側(cè)下肢單支撐期所占時間，實際上完全等于對稱下肢的邁步相時間。2.3步行康復的理論與方法2.3.1影響行走的因素和異常步態(tài)評估2.3.1.1影響行走的因素影響行走能力的因素包括三個方面：神經(jīng)系統(tǒng)的精確控制；肌肉和關(guān)節(jié)活動；軀干肌協(xié)調(diào)運動。神經(jīng)系統(tǒng)的精確控制指肌肉隨意運動支配，起源于大腦皮質(zhì)中央前回，通過皮質(zhì)腦干束和皮質(zhì)脊髖束，到達脊髖的前角，支配隨意肌運動。前庭小腦系統(tǒng)通過復雜的調(diào)節(jié)和反饋機制，維持肌張力，協(xié)調(diào)平衡，使人體能夠完成許多技巧性運動。除了神經(jīng)系統(tǒng)精確控制外，正常的行走還需要肌肉、關(guān)節(jié)有節(jié)律的活動。另外，軀干肌的協(xié)調(diào)運動對于步行中維持正常姿勢至關(guān)重要。2.3.1.2異常步態(tài)評估導致步態(tài)異常的疾患可分為兩大類:一類是神經(jīng)系統(tǒng)疾患，如腦卒中、腦外傷、脊髖損傷等;另一類是骨科疾患，包括各種骨關(guān)節(jié)疾患、韌帶損傷、一下肢假肢等。本課題主要針對上肢功能健全的脊髖損傷患者。在臨床中從功能和能力兩方面對病人進行評估與分析。功能方面包括對步態(tài)特征、步態(tài)參數(shù)、步態(tài)異常點及步態(tài)異常的原因進行分析與評估;在能力方面，對病人在實際生活中的行走能力進行評估。使病人最大限度獨立回歸家庭和社會，是康復醫(yī)學的核心思想和目的，因此對能力的評估不可忽視。2.3.2康復治療的對象及常用方法2.3.2.1康復治療的對象康復醫(yī)學的宗旨是幫助病人恢復機體的功能，提高患者自理能力，使其最大限度獨立的回歸家庭和社會。一般的疾病通過治療可以完全治愈，而不會留下難以彌補的后遺癥?？祻歪t(yī)學的醫(yī)治對象就是針對在常規(guī)醫(yī)學治療后，機體的功能部分或者完全喪失的病患。從病損的機理來分，康復醫(yī)學的對象主要包括四類:(1)術(shù)后和一些急性的傷病后的病人:所有醫(yī)院內(nèi)外存在功能障礙的患者。(2)慢性病病人:各類慢性病及其誘發(fā)的并發(fā)癥，以致身體器官出現(xiàn)功能減退或者功能障礙。(3)各類殘疾:各類損傷和先天性異常所造成的暫時或永久性的功能障礙。(4)器宮組織的自然衰老:隨著年齡增長，人體各器官組織出現(xiàn)功能退化。2.3.2.2康復治療的常用方法(1)物理療法(physicaltherapy,physiotherapyP.T.)a.運動療法:康復治療中最重要的療法，得到康復醫(yī)學普遍認可。常用的運動療法有牽引、手法、太極拳、八段錦等適度運動，對身心的康復都有幫助。b.理療:磁療、蠟療、靜電療法、電療法等c.中醫(yī)理論療法:利用中醫(yī)理論對人體經(jīng)絡的研究，采用針灸療法、敷貼療法、刮瘤療法、火罐療法、敷臍療法、按摩等促進人體排毒，加快血液循環(huán)。(2)作業(yè)療法(occupationaltherapy,O.T)日常作業(yè)療法包括:日常生活活動、職業(yè)性勞動、工藝勞動、園藝勞動等，以及其他促進生活自理、家庭生活、社會生活的勞動。作業(yè)治療部門還負責向殘疾者提供簡便器具作為家居日常生活活動的輔助工具，以彌補功能上的缺陷。(3)語言治療(speechtherapy,S.T.)又稱言語矯治對失語、構(gòu)音障礙、吶吃、聽覺障礙的患者進行訓練，改善其語言溝通能力。(4)假肢及矯形器(prosthesisandorthosis,Pr&O.)裝配對截肢者裝配假肢，在一定程度上恢復其生活自理和工作能力。同時阻止畸形發(fā)展，改善截肢者情緒，促進其心理健康。(5)康復工程(rehabilitationengineering)器械的使用結(jié)合相應工藝技術(shù)，為殘疾者設計和制造日常生活和職業(yè)勞動的輔助器具或其他器械，以補償功能的不足，提高生活自理的程度，增強學習及工作的能力。(6)心理治療(psychotherapy)對心理、精神、情緒和行為有異常者進行個別的或集體的心理治療。(7)文娛療法(recreationaltherapy)組織患者參加旅行、音樂演奏(唱)或欣賞、文藝晚會、聯(lián)歡、觀看電影和錄像等活動，調(diào)整患者的身心狀態(tài)，恢復其均衡的生活方式，促進重返社會。(8)康復療養(yǎng)(sanatoryrehabilitation)在療養(yǎng)院或療養(yǎng)地，利用礦泉、特殊氣候、日光、空氣、海水等自然因素，促進慢性病者和老年病者以及手術(shù)后或急性病后體弱者康復。(9)康復護理(rehabilitationnursing)根據(jù)總的康復治療計劃，在對殘疾者的護理中，通過體位處理、心理支持、膀眺護理、腸道護理、輔助器械使用指導等，促進患者康復，預防繼發(fā)性殘疾。(10)康復咨詢(rehabilitationcounseling)對殘疾人或傷病員提供有關(guān)社會生活方面的咨詢意見。通過面談輔導，協(xié)助解決其在學習上、職業(yè)上、婚姻或家庭生活上、心理情緒上的困難和問題。(11)其他除上述康復手段外，還包括矯形手術(shù)、藥物療法、飲食療法等?，F(xiàn)代的康復治療往往采用多種形式的積極的治療和訓練。采用積極的多項治療，多種方法協(xié)同康復，其功能改善的效果也會更好，有利于患者康復。3步行器的結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)設計的基本理念和功能定位步行器設計的基本理念和主要特點就是能夠?qū)崿F(xiàn)人機的合作，實現(xiàn)站立和基本的行走訓練。即步行器的控制系統(tǒng)與患者本人的參與結(jié)合起來，從而使得人機合作更加有效。患者的主動參與，可以促進對患者體力的鍛煉，激發(fā)起康復訓練的積極性，改善患者的心態(tài)，從身體和心理促進了患者的康復。步行器的設計初衷就是要通過患者身體重心的左右搖擺，帶動步行器的左右擺動，腳底傳感器采集和轉(zhuǎn)換左右擺動的信息，控制器控制電機轉(zhuǎn)動，并且配合患者健全上肢對控制手柄的控制，實現(xiàn)前進、后退和轉(zhuǎn)彎等簡單行走，進而達到一個步行康復的目的。3.2步行器的總體結(jié)構(gòu)一個完整的人體系統(tǒng)不可或缺的三大系統(tǒng)有骨骼肌肉系統(tǒng)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)，能量供給系統(tǒng)。骨骼肌肉系統(tǒng)支撐整個人體的重量，中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制整個人體的運動，能量供給系統(tǒng)提供人體活動的能源，從而實現(xiàn)正常的人體活動。正如人體的三大系統(tǒng)一樣，步行器總體結(jié)構(gòu)分為三大系統(tǒng)（如圖3所示）：圖3步行器的結(jié)構(gòu)圖3.2.1機械系統(tǒng)對截癱病人而言，機械系統(tǒng)相當于截癱病人的下肢骨骼，起到支撐整個人體重量和輔助行走的功能，可以看出機械系統(tǒng)的重要性。事實也如此，機械系統(tǒng)如同外骨骼，支撐患者體重，使患者具各一定的行走和站立能力，所以機械系統(tǒng)必不可少。機械系統(tǒng)設計的好壞，直接影響到患者康復的積極性和康復的效果。3.2.2控制系統(tǒng)截癱患者的脊髓損傷，使得神經(jīng)系統(tǒng)無法控制下肢運動。那么，步行器的控制系統(tǒng)就相當于在執(zhí)行人體中樞神經(jīng)的任務，使得下肢運動，對于截癱患者尤為突出。比較合理的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)人機的合作，能夠節(jié)省體力，使得運動非常高效。從身體和心理兩方面得到康復，效果更加明顯。3.2.3驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)就相當于人體的肌肉和能量供給系統(tǒng)。患者下肢長時間不運動，肌肉就會出現(xiàn)不同程度的萎縮、體力下降等，難以支撐身體和帶動身體運動。驅(qū)動系統(tǒng)帶動腿部運動，從而實現(xiàn)步行訓練。所以需要根據(jù)設計要求選擇合適的驅(qū)動方式和電機，以滿足截癱患者的需求。4步行器控制系統(tǒng)的設計一個好的控制系統(tǒng)是步行器實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。本控制系統(tǒng)是按照軟硬件協(xié)同規(guī)劃方法，嚴格按照步行器控制體系的物理模型，設計實現(xiàn)具備步行器中各控制層的功能。4.1控制系統(tǒng)常用方法4.1.1分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）以微處理器為基礎，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則的新一代儀表控制系統(tǒng)。DCS是分散控制系統(tǒng)的簡稱，國內(nèi)一般習慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。每個子系統(tǒng)只能得到整個系統(tǒng)的一部分信息，只能對系統(tǒng)變量的某個子集進行操作和處理，各自有獨立的控制目標[3]。4.1.2分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)是由多臺計算機分別控制生產(chǎn)過程中多個控制回路，同時又可集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制的自動控制系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)的控制單元是按子系統(tǒng)分布的。系統(tǒng)控制目標分配給個子系統(tǒng)，它們之間可以進行必要的信息交換。4.1.3階梯控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)的控制作用是按照一定的優(yōu)先級和從屬關(guān)系安排的，由決策單元實現(xiàn)。同級的決策單元可以并行工作，并對下級施加作用，它們又要受到上級的干預，下級各單元可以通過上級交換信息。4.2步行器的階梯控制系統(tǒng)結(jié)合步行器的性質(zhì)，并考慮到階梯控制系統(tǒng)具有層次分明、易于實現(xiàn)的特點，步行器控制系統(tǒng)采用階梯控制系統(tǒng)設計。按層次可分為：遠程命令層、運動規(guī)劃層和控制實現(xiàn)層。如圖4所示：任務下達、實時監(jiān)控任務下達、實時監(jiān)控最高級決策遠程命令層任務高級完成指令信息庫反饋信息庫信息融合步行器路徑規(guī)劃信息融合步行器路徑規(guī)劃運動規(guī)劃層傳感器實時傳入傳感器實時傳入任務步態(tài)完成選擇反饋 指令關(guān)節(jié)控制器關(guān)節(jié)控制器任務 電機控制實現(xiàn)層完成 控制反饋指令各電機控制各電機控制圖4步行器的控制層遠程命令層位于體系的最上端，預測生成達到某種程度遠距離的步行器應該移動方向、速度、移動姿態(tài)等命令，即對整個步行器實施監(jiān)控和發(fā)號口令，進行任務的下達，其由人來控制，該層起到了與控制者之間的接口的作用[4]。運動規(guī)劃層是中間級，它一方面接收遠程命令層指令，通過信息庫進行決策翻譯，另一方面通傳感器感受外部環(huán)境，在不斷學習的基礎上進行路徑規(guī)劃、決策分析，然后向控制層發(fā)送命令。控制實現(xiàn)層處于最下端，負責按照接收的命令完成各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角信號，控制各足之間的協(xié)調(diào)工作，形成步態(tài)，同時接收傳感器信息，進行自我調(diào)整，力圖使步行器達到穩(wěn)定。按照這種架構(gòu)進行分成控制，層次簡潔，便于信息傳遞，提高系統(tǒng)實時性。層次越高所完成的任務越宏觀，層次越低完成的任務越具體。從高到底，任務被逐次分解，每層只和相鄰的交換信息，下層等待上層規(guī)劃，上層等待下層完成任務。4.3步行器控制系統(tǒng)處理器的選擇整個系統(tǒng)采用基于ARM+DSP的嵌入式設計。ARM作為機器人運動規(guī)劃層，主要負責系統(tǒng)路徑導航，遠程通訊等。該層強調(diào)信息分析，所以必須有個操作系統(tǒng)，而且有大量外部信息進入，其接口必須豐富。而DSP是控制實現(xiàn)層，接受ARM指令，按相關(guān)協(xié)議進行轉(zhuǎn)換，進而對電機進行控制，實現(xiàn)對步行器的運動步態(tài)控制[5]。4.4步行器控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)根據(jù)設計初衷，我們采用集中控制方案，即用一個DSP處理器結(jié)合若干伺服驅(qū)動器對電機進行控制，然后DSP直接與ARM單對單通信。中央控制模塊中央控制模塊PC運動規(guī)劃模塊ARM運動規(guī)劃模塊ARM運動控制模塊DSP運動控制模塊DSP伺服驅(qū)動器+電機伺服驅(qū)動器+電機圖5關(guān)節(jié)集中控制如圖5所示，控制系統(tǒng)分為中央控制模塊、運動規(guī)劃模塊、運動控制模塊，分別對應遠程控制命令層、遠程規(guī)劃層、控制實現(xiàn)層。其中中央控制模塊和運動規(guī)劃模塊可劃為上位機，而運動控制模塊以及下部分劃為下位機。上位機進行高層分析及決策，涉及后續(xù)步行器合作、步行器圖像處理、步行器導航等研究，必須借助高級算法，通過研究智能化控制方法來使步行器具有自主分析能力。比較而言，下位機進行關(guān)節(jié)控制，形成步態(tài)行走，這是整個控制系統(tǒng)軟硬件設計要完成的主要目標。5步行器虛擬樣機的仿真與分析5.1步行器虛擬樣機的構(gòu)建應用Pro/E和ADAMS建立步行器的虛擬樣機模型是一種高效、經(jīng)濟的研究方法。虛擬樣機技術(shù)的應用可以比較快速的對設計的產(chǎn)品進行分析，力求短時間內(nèi)對產(chǎn)品進一步改進，降低設計成本，盡早投入市場。5.1.1基于ADAMS的虛擬樣機技術(shù)ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)是美國MDI公司的機械系統(tǒng)自動化動力學仿真軟件，現(xiàn)己并入美國MSC公司。目前，ADAMS己廣泛的應用于制造業(yè)。其主要有3個基本的模塊，分別是ADAMS/View交互式圖形環(huán)境、ADAMS/Solver求解器模塊、ADAMS/Processor后處理模塊[6]。虛擬樣機技術(shù)(VirtualPrototypeTechnology)是當前設計制造領(lǐng)域的一項新技術(shù)。依托于這項新技術(shù)，設計者們可以利用電腦來設計出所需產(chǎn)品的機械模型，然后選擇這項技術(shù)提供的各種的三維現(xiàn)實環(huán)境來進行后續(xù)的仿真分析。待相應的仿真結(jié)果出來后，反過來對設計的產(chǎn)品優(yōu)化和精化調(diào)整。傳統(tǒng)的設計與制造過程中，新產(chǎn)品的開發(fā)首先需要明確設計概念和論證方案可行性，其次再設計產(chǎn)品。通常產(chǎn)品設計完成后，需要制造試驗樣機來進行性能測試，但是有一些性能測試試驗是破壞性的。在試驗的過程中發(fā)現(xiàn)了某些性能不符合設計要求時，又要對設計進行修改，然后再制造樣機試驗。如此反復，直到性能參數(shù)符合設計的要求。但是這個過程耗時太長，成本太高，特別是對于于那些設計復雜的系統(tǒng)。在當今競爭激烈的市場經(jīng)濟條件下，如此長的設計周期和龐大的試驗成本，顯然嚴重制約了產(chǎn)品的更新和市場的占有。虛擬樣機技術(shù)恰巧很好地解決了這個問題。眾所周知，機械系統(tǒng)的運動是要遵循一定的物理規(guī)律，那么把這些物理的規(guī)律對機械系統(tǒng)進行定義和描述，機械結(jié)構(gòu)的運動就會遵循相應的物理規(guī)律運動。如此的組裝起來，就形成了虛擬樣機，而且計算機會告訴設計者機構(gòu)是如何運動的。其仿真結(jié)果會給設計質(zhì)量一個評價，之后再對原設計進行修改，如此反復。那么，前期設計階段己經(jīng)進行了多項的修改和完善，然后制造出試驗樣機進行后期試驗，得到測試結(jié)果與電腦仿真結(jié)果對比。優(yōu)點是可以大大的縮短研制周期，減少試驗成本，提高了產(chǎn)品研發(fā)的質(zhì)量和效率。因此，虛擬樣機技術(shù)是一種可行、有效的研究方法。5.1.2虛擬樣機模型的建立在Pro/E中，建立零件的三維模型并完成整機模型的虛擬裝配。根據(jù)設計要求，康復步行器的主要零件在Pro/E創(chuàng)建完后，采用傳統(tǒng)自底向上的裝配方式，完成康復步行器的整體的虛擬裝配[7]。在Pro/E中，需要設置單位為“minks”毫米千克秒，即選擇“編輯”一“設置”一“單位”一“minks"[8]。另外，在進行虛擬裝配時考慮到各個構(gòu)件之間運動的相對位置關(guān)系，需注意適當?shù)牧慵{(diào)整和排序，從而確定裝配關(guān)系和裝配順序，以減少后期的調(diào)整。將Pro/E中裝配的模型導入ADAMS中。在Pro/E中安裝Mechanical/Pro模塊，在此菜單中定義剛體，設置轉(zhuǎn)換精度及添加部分約束副等操作后，把修改后的模型另存為可以在ADAMS中讀取的文件類型IGS。這樣可以使得文件在導入ADAMS后，實現(xiàn)無縫連接，從而避免一些圖形元素的丟失。在ADAMS中對樣機模型進一步的修改完善。在ADAMS中打開康復步行器的三維模型文件后，利用ADAMS提供的建模工具，對虛擬樣機模型的部分構(gòu)件進行修改和完善，添加一些必要的約束和驅(qū)動，定義模型接觸，邊界條件等，完各模型所必需的元素。虛擬樣機模型的檢查。待模型修改之后，需要進一步的對系統(tǒng)檢六，如相鄰構(gòu)件之間接觸的定義是否止確，是否存在過約束和是否有一未定義的質(zhì)量構(gòu)件等，保證的所建立模型的準確性，以增加后續(xù)仿真的準確度。由于初期的設計階段沒有試驗樣機和試驗數(shù)據(jù)，在仿真中主要憑借運動規(guī)律和經(jīng)驗常識從如下兒個方面來進行驗證：(1)仿真運動中的運動機理是否符合設計要求，運動是否左右對稱；(2)運動中的受力情況與實際經(jīng)驗相對比，是否符合常識性的力學分析；(3)相互對稱的結(jié)構(gòu)在運動中是否出現(xiàn)的曲線偏差較大等等。這樣可以在做出試驗樣機之前，對于設計進行反復修改完善，減少了試驗樣機試驗次數(shù)，既節(jié)省時間又節(jié)約成本。5.2基于ZMP理論的步行器的穩(wěn)定性分析在雙足步行器器人領(lǐng)域，機器人的行走穩(wěn)定性尤為重要。一般分為靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性兩種。由于靜態(tài)穩(wěn)定性考慮機器人在緩慢行走或者靜止的狀態(tài)，而忽略了其動態(tài)性能，這樣就有一定的局限性。目前，研究者主要采用的動態(tài)穩(wěn)定性分析，零力矩點(ZMP)理論是最常用的動態(tài)穩(wěn)定性分析準則。5.2.1零力矩點(ZMP)理論零力矩點(ZeroMomentPointZMP)理論是前南斯拉夫?qū)W者M.vukobratovic于1968年提出，它是關(guān)于步行器器人動態(tài)平衡的理論[9]。在仿人步行器器人動態(tài)穩(wěn)定運動的規(guī)劃與控制的研究方面，ZMP的動態(tài)穩(wěn)定判據(jù)仍然廣泛應用，是分析仿人機器人穩(wěn)定行走的重要參考。下圖6給出了機器人足底所受作用力分布的例子。沿足底分布的負載具有相同的方向，他們等效于一個合力N，合力N所通過的在足底_丘的這個作用點被稱為零力知點，簡稱ZMP。圖6零力知點示意圖零力矩點(ZMP)理一論有如下性質(zhì)：在步行中，零力矩點始終位十支撐腿的腳托與著地點所組成的有效支撐區(qū)域內(nèi)。這為后續(xù)的步行器的動態(tài)穩(wěn)定性分析提供了重要的依據(jù)。5.2.2康復步行器的穩(wěn)定性分析在分析步行器的運動時，主要分為單腳支撐期和雙腳支撐明。雙腳支撐期，系統(tǒng)質(zhì)心在地面的投影在兩腳之間，在ZMP的支撐凸多邊形內(nèi)，如圖7支撐多邊形區(qū)域示意圖，能夠保證穩(wěn)定。單腳支撐期，ZMP在康復步行器腳托支撐的有效的凸多邊形內(nèi)，但是系統(tǒng)的質(zhì)，白在地面的投影可能會超出支撐多邊形區(qū)域，因此單腳支撐期動態(tài)穩(wěn)定性分析顯得尤為重要。圖7支撐多邊形區(qū)域示意圖為了對康復步行器進行穩(wěn)足性分析，需要劉問題進行簡明，使得問題的探討更加方便，做出如下假設：系統(tǒng)不考慮繞Z軸產(chǎn)生的力矩和滑轉(zhuǎn)，只考慮其繞X軸、Y軸產(chǎn)生的力矩，