基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三自由度主動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人研究

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三自由度主動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人研究摘要：本文針對(duì)腦卒中自主能力較弱的患者，開發(fā)設(shè)計(jì)一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三自由度主動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過磁粉離合器傳遞可控扭矩，經(jīng)由三重軸和連桿機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)。控制部分采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理以及指令的傳遞，人機(jī)交互部分采用OpenGL技術(shù)開發(fā)康復(fù)訓(xùn)練程序，通過虛擬環(huán)境中的模型運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患者完成康復(fù)訓(xùn)練。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性，確定系統(tǒng)能夠幫助自主能力較弱隨著我國(guó)老齡化進(jìn)程加快，越來(lái)越多老年人的健康成為社會(huì)的一大問題。腦卒中是老年人普遍發(fā)生的一種疾病，有著發(fā)病率高、死亡率高、致殘率高的特點(diǎn)［1］，對(duì)老年人的健康威脅尤為重大。由于傳統(tǒng)的康復(fù)醫(yī)學(xué)治療是治療醫(yī)師與患者一對(duì)一模式，存在著效率低下以及難以普及等問題［2］?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的康復(fù)機(jī)器人將工程學(xué)和醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，成為新型的康復(fù)模式逐漸受到人們的重視。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練中可以提高趣味性和患者的主動(dòng)性［3］，國(guó)外對(duì)此研究比較早。例如美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的MIT-MANUS［4］，英國(guó)的雷丁大學(xué)研究的GENTLE/S機(jī)器人［5］，意大利圣安娜高等學(xué)校研制的BRANDO機(jī)器人［6］等。我國(guó)最近也有一些高校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在康復(fù)機(jī)器人方面取得了一定的進(jìn)展?？祻?fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，外骨骼式和末端牽引式［7］。外骨骼有著定位和控制精準(zhǔn)并且易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)被廣泛采用，但是其復(fù)雜的外形形狀容易給患者帶來(lái)恐懼感。末端牽引式因?yàn)椴粫?huì)與患者有過多的身體接觸，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)易于被患者接受。本文設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)采用了末端牽引式的結(jié)構(gòu)，針對(duì)一些能力較弱并不能完成自主運(yùn)動(dòng)的患者，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套機(jī)器人帶動(dòng)患者運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，并開發(fā)了相應(yīng)的虛擬訓(xùn)練環(huán)境。1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)三自由度上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)主要由下位機(jī)康復(fù)機(jī)器人、上位機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境和輔助訓(xùn)練設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)原理如圖所示。圖1康復(fù)機(jī)器人原理簡(jiǎn)圖被動(dòng)式康復(fù)模式是在患者具有一定自主運(yùn)動(dòng)能力下進(jìn)行的一種模式，該模式簡(jiǎn)單有效，如今很多康復(fù)機(jī)器人都能實(shí)現(xiàn)這種訓(xùn)練模式。針對(duì)一些自主能力較弱的患者，作者在實(shí)現(xiàn)了三自由度被動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行拓展開發(fā)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種主動(dòng)式的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，即由機(jī)器人帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。2機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)由于患者能力較常人弱，故在康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性加以保證?？紤]一般患者的康復(fù)需求以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本，作者設(shè)計(jì)開發(fā)了一套三自由度上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。該上肢康復(fù)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)患者上肢三自由度方向的運(yùn)動(dòng)，即肩部、肘部的屈/伸以及肩部的外展/內(nèi)收。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。圖2康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)內(nèi)部采用三重軸結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)且互不干涉。手柄傳遞運(yùn)動(dòng)部分采用連桿機(jī)構(gòu)，材料選用鋁合金，能實(shí)現(xiàn)大范圍的靈活運(yùn)動(dòng)，保證一般患者的運(yùn)動(dòng)需求。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)，通過DSP控制模塊可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制。電機(jī)和傳動(dòng)軸之間采用磁粉離合器連接，在運(yùn)動(dòng)過程中通過控制磁粉離合器的電流不僅可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，還可以對(duì)電機(jī)的輸出力矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而在一定程度上保證了患者的安全。同時(shí)，在安全方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了機(jī)械擋塊，防止在軟件控制故障時(shí)出現(xiàn)失控狀況。3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析已知機(jī)器人末端的位姿矩陣和各桿結(jié)構(gòu)參數(shù)（a、α、d求解關(guān)節(jié)變量θi（i=1，2，3…）。設(shè)位姿矩陣為將變換矩陣的逆矩陣左乘上式，則利用矩陣相等對(duì)應(yīng)的元素相等，上式中可以得到12個(gè)方程，其中9個(gè)是獨(dú)立的，可以求出關(guān)節(jié)變量。在MATLAB平臺(tái)下，利用RoboticsToolbox［8］工具箱建立機(jī)器人將已知的關(guān)節(jié)變量和前面求解的關(guān)節(jié)變