一种并联踝关节康复机器人及其控制方法
[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说是一种并联式踝关节康复机器人及其控 制方法。
[0002] 脚踝关节是人体最大的负重关节之一，很容易因运动不当（如跑跳、行走）、疾病 (如中风、偏瘫）、事故（车祸、意外）等原因造成关节和肌肉损伤。脚踝关节具有背屈/跖 屈、内翻/外翻和内收/外展三个运动自由度。传统的脚踝康复治疗主要依赖于治疗师一 对一的徒手训练，难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求。目前，国内外已有 多家科研机构开展了踝关节康复机器人的研发与临床试验，并取得了一定的进展。采用机 器人进行踝关节康复训练，不仅可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而且能够满 足不同患者对训练方法的不同要求，故可以解决传统康复训练的一些缺陷。此外，在踝关节 康复过程中，康复机器人能否完全模拟人体踝关节的运动规律（背屈/跖屈、内翻/外翻和 内收/外展运动）以及能否适应不同患者进行相应的康复训练，对于患者踝关节的恢复效 果有着重大的意义。
[0003] 现有的踝关节康复机器人大多采用刚性驱动机构作为驱动器，比如直线马达或电 机，这种机器人由于驱动器的刚性本质导致其柔顺性较差，容易在机器人控制中产生不可 控的作用力，对患者带来康复不适甚至二次损伤。另外，很多踝关节机器人的旋转中心（主 运动）与人体脚踝旋转中心不一致，在训练过程中下肢其他部位会随之一起运动，而不仅 仅是踝关节，因此不能保证对踝关节的有效训练。同时，大多数踝关节康复机器人可调节的 运动范围很小，仅能实现两个自由度的运动，不能契合不同患者所需要的训练姿态及对踝 关节康复的全范围康复需求。
[0004] 而且，目前的脚踝关节康复机器人多以被动训练模式为主，患者在机器人的辅助 下进行重复性的被动训练，不能根据实时交互完成智能主动的训练，无法提高患者参与训 练的积极性，因而限制了其所产生的康复效果。例如，中国专利. 7公开了一 种踝关节康复机器人，其控制部分仅实现了机器人的基本运动控制，未在训练过程中考虑 患者的主动运动意图；中国专利.X公开了一种主动/被动踝关节康复训练 装置，仅通过装置机构特征实现半主动式的训练，并未对脚踝关节机器人本身的主动控制 策略提供更多信息。临床康复表明，有患者主动参与的康复训练将产生更好的康复效果，同 时，当患者不希望主动参与训练时，还需要通过被动训练方法提高患者的肌肉活动能力。因 此，研发脚踝关节机器人兼具被动和主动训练能力的智能控制方法是至关重要的。

[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种气动肌肉驱动的踝关节并联康复机器人及 其智能控制方法，该机器人可调以适应不同患者使用，可覆盖踝关节三个自由度的运动训 练，主动和被动训练相结合，并实现智能转换，同时具有柔顺性好，质量轻便等优点。
[0006] 本发明一方面提供一种并联踝关节康复机器人，包括底座，所述底座上插装有支 撑架，该支撑架上活动卡装有调节机构，该调节机构包括主杆、前臂杆和腿部支撑杆，主杆 前端与前臂杆装接，腿部支撑杆与主杆安装连接，前臂杆上装接有连杆，主杆与支撑架活动 卡装；还包括调节机构和运动机构，驱动机构前端与调节机构中的连杆装接，驱动机构末端 与运动机构装接，运动机构与主杆后端活动卡装。
[0007] 所述主杆与支撑架间设有角度定位机构，该角度定位机构包括调节手柄、前带齿 定位片、前固定片、后带齿定位片、后固定片和紧固螺栓，前固定片卡装在前带齿定位片上， 后固定片卡装在后带齿定位片上，紧固螺栓从前固定片、前带齿定位片、后带齿定位片和后 固定片穿过，调节手柄套装在紧固螺栓上并锁紧使前带齿定位片和后带齿定位片啮合安 装，主杆通过螺钉与前固定片连接，支撑架通过螺钉与后固定片连接，调节手柄的手柄部分 外露在支撑架外。
[0008] 所述前臂杆一端插装入主杆内并被设在主杆前端上的螺钉旋钮锁紧，连杆一端插 装入前臂杆内并被设在前臂杆上的螺钉旋钮锁紧。
[0009] 所述驱动机构包括驱动器、第一套筒、第一十字万向节联轴器、第二套筒、拉力传 感器和第二十字万向节联轴器，第一套筒接在气动肌肉的前端，第一^h字万向节联轴器与 第一套筒装接，第二套筒与气动肌肉的后端装接，拉力传感器一端与第二套筒连接、另一端 与第二十字万向节联轴器连接，第一十字万向节联轴器通过第一轴承与连杆装接，第二十 字万向节联轴器通过第三轴承与运动机构连接，所述驱动器为气动肌肉或直线电机或气 缸。
[0010] 所述第一套筒与气动肌肉、第一十字万向节联轴器以螺纹连接方式装接，第二套 筒与气动肌肉、拉力传感器以螺纹连接方式装接，拉力传感器与第二十字万向节联轴器以 螺纹连接方式装接。
[0011] 所述运动机构包括第一运动杆、第二运动杆、第三运动杆、运动平台、六轴力传感 器和脚盘，主杆后端设有第二轴承和第二轴承盖，第一运动杆的端头卡装在第二轴承内，第 一运动杆上设有第四轴承和第四轴承盖，第二运动杆前端卡装在第四轴承内，第二运动杆 的后端装设有第五轴承和第五轴承盖，第三运动杆后端卡装在第五轴承内，运动平台和六 轴力传感器从下往上依次套装在第三运动杆上，脚盘装设在第三运动杆的前端，运动平台 上设有第三轴承和第三轴承盖，第二十字万向节联轴器与第三轴承装接。
[0012] 所述第二轴承内设有第一旋转角度传感器，第四轴承内设有第二旋转角度传感 器，第五轴承内设有第三旋转角度传感器。
[0013] 所述支撑架上设有限位槽，底座上设有螺钉旋扭，该螺钉旋扭插入支撑架的限位 槽中并锁紧，使支撑架与底座固定连接。
[0014] 本发明以气动肌肉或直线电机为驱动器，再配合十字万向节联轴器传递动力，本 机器人的各机构可调以适应不同患者使用，调整主杆的角度即调整了腿部支撑杆的角度， 确保能够迎合不同患者的腿所能屈伸的角度，可覆盖踝关节三个自由度的运动训练，同时 具有柔顺性好，质量轻便等优点；另一方面，加设的调节机构、伸缩式支撑架和运动机构能 有效地扩展和控制本机器人的运动范围，提高了可控性；再一方面，加设的力传感器能有效 地监测、处理和反馈患者所受或施加的力/力矩，实现了本机器人的阻抗控制，提高了本机 器人康复训练效果；最后，加设的旋转角度传感器能有效地实时监测和反馈患者的运动角 度，进一步提高了本机器人康复训练效果。
[0015] 另一方面，本发明还提供了一种并联踝关节康复机器人的控制方法，包括以下步 骤：
[0016] 初始机器人的运动轨迹规划；
[0017] 检测患者脚踝与机器人之间的实际交互作用力/力矩，将该实际交互作用力/力 矩与预设的交互作用力/力矩阈值进行比较；
[0018] 若实际交互作用力/力矩小于预设的交互作用力/力矩阈值，进入被动训练模式， 保持当前运动轨迹，带动患者进行被动训练；
[0019] 若实际交互作用力/力矩大于预设的交互作用力/力矩阈值，进入主动修正训练 模式，修正当前运动轨迹和运动方向，同时保持机器人当前的运动速度和加速度不变，保证 机器人运动的连续性，实现患者的主动修正训练；
[0020] 根据上述运动轨迹，对机器人的气动肌肉进行运动闭环控制，实现对运动轨迹的 精确跟踪。
[0021] 所述主动修正训练模式中，若交互作用力与当前运动轨迹同轴，则保持当前运动 轨迹的轴向，修正当前运动轨迹和运动方向；
[0022] 若交互作用力与当前运动轨迹不在同一轴向上，则改变当前运动轨迹轴向，使当 前轴向运动轨迹变换为另一轴向运动轨迹，具体为首先将当前轴向运动逆向至运动轨迹零 点停止，然后在零点位置转移至另一轴向轨迹运动，完成运动轨迹轴向的变换修正。
[0023] 所述对机器人的气动肌肉进行运动闭环控制具体包括以下步骤：
[0024] 期望轨迹规划，确定机器人的运动修正形式，完成期望轨迹规划；
[0025] 根据轨迹，通过运动学逆解方式计算气动肌肉的期望长度；
[0026] 建立气动肌肉控制模型，采用公式F(p,k) = (p+a) ?eb'k+c?p?k+d?p+e建立函 数模型，其中F为气动肌肉所产生的静态拉力，P为气动肌肉的内部气压；
[0027] 根据气动肌肉控制模型，计算气动肌肉的期望长度所需要的气压值，对气动肌肉 进行充气/放气操作，使气动肌肉中产生相应的气压值；
[0028] 获取机器人的实际运动轨迹，通过运动学逆解方式计算得到气动肌肉的

并联机器人因其无累积误差，精度较高，在业内广受好评，本文就详细介绍了它的研究方向、特点、分类等知识。

一、 并联机器人的特点
自工业机器人问世以来，采用串联机构的机器人占主导位置。串联机器人具有结构简单、操作空间大，因而获得广泛应用。由于串联机器人自身的限制，研究人员逐渐把研究方向转向并联机器人。和串联机器人相比，并联机器人有以下特点：
1、并联结构其末端件上同时由6根杆支撑，与串联的悬臂梁相比刚度大，结构稳定。
2、由于刚度大，并联结构较串联结构在相同的自重或体积下，有高的多的承载能力大。
3、串联机构末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大、精度低， 并联式则没有那样的误差积累和放大关系，微动精度高。
4、串联机器人的驱动电机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯量，恶化了动力性能，而并联机器人将电机置于机座上，减小了运动负荷。
5、在位置求解上，串联机构正解容易，但反解困难。而并联机构正解困难，反解非常容易，而机器人在线实时计算是要计算反解的。

二、 并联机器人的分类
根据并联机器人的自由度数，可以分为：
1、2自由度并联机构。2自由度并联机构，如5-R，3-R-2-P（R表示旋转，P表示 平移）。平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2个平移自由度。

2、3自由度并联机构。3自由度并联机构种类较多，形式复杂，一般有以下形式， 平面3自由度并联机构，如3-RRP机构、3-RPR机构、它们具有2个旋转自由度和1个平移自由度；3维纯平移机构，如Star Like并联机构、Tsai并联机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维平移空间机构；空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS机构、这类机构属于欠秩机构，在工作空间不同的点，其运动形式不同是其最显著的特点，由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际的广泛应用；
3、4自由度并联机构。4自由度并联机构大多不是完全的并联机构，如 2-UPS-1-RRRR机构，运动平台通过3个支链与顶平台相连，有2个运动链是相同的，各具有一个虎克铰U，1个平移副P，其中P和1个R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。
4、5自由度并联机构。现有的5自由度并联机构结构复杂，如韩国的Lee的5自由 度并联机构具有双层结构。
5、6自由度并联机构。该类并联机器人是国内外学者研究的最多的并联机构，一般情况下，该类机构具有6个运动链。随着6自由度并联机构研究的深入，现有的并联机构中，也有拥有3个运动链的6自由度并联机构，如3-PRPS和3-UPS等机构，还有在3个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。

三、 并联机器人的应用

并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。随着并联机器人研究的不断深入，其应用领域也越来越广阔。并联机器人的应用大体分为六大类。运动模拟器、并联机床、工业机器人、微动机构、医用机器人和操作器。

１、运动模拟器。应用最广泛的是飞行模拟器。训练用飞行模拟器具有节能、经济、 安全、不受场地和气象条件限制、训练周期短、训练效率高等突出优点，目前已成为各类飞行员训练的必备工具。同时，这种运动模拟器也是研究和开发各种运载设备的重要工具。通过模拟器可以在早期发现问题、减少风险、进行综合系统验证，解决各系统间的动态匹配关系、加速系统实验过程，缩短研制周期，降低开发费用。

２、并联机床。用作并联机床是并联机构最具吸引力的应用。并联机床结构简单，传动链短，刚度大、质量轻、成本低，容易实现“6轴联动”，能加工更加复杂的三维曲面。还具有环境适应性强的特点，便于重组和模块化设计，可构成形式多样的布局和自由度组合。

４、微动机构。微动机构是并联机器人的重要应用。微动机构发挥了并联机构的特点， 工作空间不大，但精度和分辨率非常高。

５、医用机器人。医疗机器人已经成为医学外科学会和机器人学会共同关注的新技术 领域。医疗机器人具有选位准确、动作精细、避免病人传染等特点。近年来，医疗机器人引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注。

６、操作器。并联机器人可以用作飞船和空间对接器的对接机构，上下平台中间都有 通孔作为对接后的通道，上下平台作为对接环，由6个直线驱动器以帮助飞船对正，对接机构还能完成吸收能量和减振，以及主动抓取、对正拉紧、柔性结合、最后锁住卡紧等工作。对于困难的地下工程，如土方挖掘、煤矿开采，也可以采用这种强力的并联机构。

四、 并联机器人的主要研究方向

由于并联机器人能够解决串联机器人应用中存在的问题，因而，并联机器人扩大了整个机器人的应用领域。由并联机器人研究发展起来的空间多自由度多环并联机构学理论，对机器人协调、多指多关节高灵活手抓等构成的并联多环机构学问题，都具有十分重要的指导意义。因此，并联机构已经成为机构学研究领域的热点之一。目前，国内外关于并联机器人的研究主要集中于运动学、动力学和控制策略三大方向。

运动学研究内容包括位置正解、逆解和速度、加速度分析两部分内容，这是实现并联机器人控制和应用研究的基础。位置正解就是给定6杆的位移，确定平台的的位置和姿态。若已知平台的位置和姿态，求解6杆的位移称为运动学反解。并联机构的逆解较为容易而正解相对难度，这一点与串联机构相反。对于正解，机构学研究者一开始从数值解法和解析解法两个方向展开大量的研究，并取得了一系列的进展。

a、数值解法。数值解法数学模型简单，可以求解任何并联机构，但是不能求得机构的所有位置解。学者们使用了多种降维搜索算法，来获得位置正解。他们通过几何的和算法的手段，把问题简化成为3个方程组的求解，通过3维搜索得到了全部的实数解。Innocen-ti和Parenti-Castelli提出了找到所有实数解的一维搜索算法。这一算法是通过一条假想的可变长度的连杆临时取代普通6-6平台机构的一条连杆把它变成5-5平台机构。Dagupta和Mruthyunjaya提出了预测~校正算法，这一方法使用一有效的3维搜索法从纯几何角度考虑捕捉实数解。数值算法中牛顿一辛普森法是一类计算效率较高的算法。以上所有的数值方法仅在寻找实数解是有用的(对应于实际的结构)，不能用于预测所有解的个数。为了获得所有的解必须在复数域内确定方程的解，Raghavan提出了实现这一目标的最成功的数值解法，他以多边形系统形式给出了公式表达式，通过Morgan的方法来求解。在复数域内找到了40个解。 90年代，国内学者们也进行了大量的研究。燕山大学的黄真等对6-SPS机构通过部分输入转换的方法，将该机构的位置正解问题由六维降为三维，经巧妙的数学处理，直接得出了速度、加速度反解表达式，从而简化了机构的运动分析。西南交大陈永等提出了一种基于同伦函数的新迭代法，不需选取初值并可求出全部解。该方法用于求解一般的6一SPS并联机构的位置正解，较方便的求出了全部40组解。华中理工的李维嘉采用虚拟连杆，将难于求正解、甚至无法求正解的机构简化成与之相近的、易于求正解的的6—3结构形式，把得出的6—3型的正解，作为求这类机构正解的初始值，通过极少次迭代，得出了其正解的全部精确值。工程兵工程学院刘安心等研究了上下平台均不为平面的最一般6-SPS并联机构位置正解。他建立了含六个变量的位置正解方程组，利用四元齐次化法，跟踪960条同伦路径，求出了全部40组位置正解。

b、解析解法。解析解法主要是通过消元法消去机构方程中的未知数，从而使得机构的输入输出方程为仅含有一个未知数的高次方程。解析解法也有许多种，包括矢量代数法、几何法、矩阵法、对偶矩阵法、螺旋代数法、四元素代数法等。其特点为不需初值，可求得全部解，能避免奇异问题，输入输出的误差效应也可定量表示，但数学推导复杂。国内外学者求解正解的解析解，都是采用从特殊构型到一般构型的思路进行的。大致有三种方法 。第一种是基于球面4杆机构输入输出方程进行的。先求解3-3型并联机构位置正解，后来又拓展到复杂的情况，如6-3，4-4，4-5等。第二种方法是先去掉上平台，然后确定支杆与上平台结合点的轨迹，利用上平台的形状作为约束条件，推出正解方程并进一步化简。第三种方法是将整个结构的一个分支转化为等价的串联机构，再加上其余分支对其关节角度的约束获得方程。应用这些方法，求出了从最简单的3-3到复杂一些的5-5、64等机构位置正解的解析解。一些学者研究发现，当上平台或下平台各自的铰链点具有共线性以及上下平台铰链点构成的多边形具有部分相似性时，正解求解会相对容易些，并给出了相应的正解解析解。Faugere和Lazard在前人分析研究的基础上，根据最大可能解的数目把Stewart平台机构分为了35种结构类型。近年来，少自由度并联机构成为新研究热点，在其机构位置正解分析中解析法被广泛采用。

c、速度和加速度分。速度和加速度分析，最早是在Fieher和Merlet的文献中见到。他们研究发现Stewart平台机构力的正变换是直接的线性映射关系，可以用6×6矩阵H表示。其实就是传统意义的雅可比矩阵。Fieher通过H的线性变换，导出了逆速度运动学公式；通过H 的转置获得了正向运动速度运动学。加速度运动学也可以类似的处理得到。由于速度运动学能直接用于微分运动，Ropponen和Arai已经将它用于关节的精度分析。燕山大学黄真教授利用影响系数法对并联机构的速度加速度进行了分析。机构的一阶影响系数就是传统意义的雅可比矩阵。影响系数法能够以简单的显式表达式表示机构的速度、加速度、误差和受力等；另外还可以从分析影响系数矩阵入手，深入分析机构的一些性能，如奇异性、驱动空间与工作空间的映射、灵活度、各向同性及可操作度等。而影响系数矩阵本身计算比简单，因此影响系数法是一种较好的机构分析方法。

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