多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂.doc

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1、多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂摘要：多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂的设计采用并行连杆机构。这种机械结构的优点是易于控制、机构轻巧，控制两个点就可以让机械臂在一个范围很大的二维空间内运动。通过离合器的开合可以完成主动治疗和被动治疗的切换。机械臂系统将力反馈遥操作机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的辅助康复医疗，患者可以在家中根据医生的远程设定自行进行康复锻炼。可以预计，该系统的应用，不仅可以大大提高医生的工作效率，而且极大地方便了广大上肢受伤和中风病人。关键词：并行连杆机构；三自由度； 力反馈； 基于Internet的远程测控； 康复医疗训练1引言机器人技术一项重要的科学技术，特别是机械

2、设计、计算机、自动控制技术等现代技术发展的重要产物之一。随着电子技术、传感器技术、医学影像技术、现代信息处理技术等技术的飞速发展, 机器人技术应用到医疗领域, 由此而产生了医疗康复机器人。医疗康复机器人的发展不仅在医学领域产生了重大的影响, 为传统医学带来了极大的技术甚至是观念上的变革, 而且作为一种产业已经成为世界经济新的增长点, 因而受到了世界各国的普遍重视1。上肢受伤和中风病人需要在医生的指导和一定大小的外力的作用下进行肢体功能的恢复锻炼。传统的康复训练设备大多单纯采用机械结构，使用时每个病人都需要有一个专门的康复医生帮助治疗。而随着中国人口老龄化的加快中风病人将越来越多，患者多医生少的

3、矛盾越来越突出。我们的创新设计作品是一种康复训练机械臂。它是一种可以自动控制的，用于中风病患者康复训练的康复机器人；它使得每个医生可以同时指导多个病人进行康复治疗。2 国内外研究概况康复治疗机器人是康复医学和机器人技术的完美结合。20 世纪80 年代是康复机器人研究的起步阶段,美国、英国、加拿大和日本在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1990 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期3。目前,康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢等几个方面4。2.1康复治疗机器人的研究现状康复治疗机器人在医疗实践上主要是用于恢复患者肢体运动系统的功能。运动系统的问题可以划

4、分为两类:一类是生物力学或生物物理化学类型的应用;另一类是运动学习47 。当人的肢体受外伤、烧伤或做手术后,由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制。生物力学或生物物理化学类型的应用就是使用机器人系统来打破受伤肢体的运动范围8。当病患经历了中风 ( Stroke )、帕金森氏病( Parkinsons Disease)等一系列的运动神经伤害后，往往也会失去运动的能力。这就需要运动技能的学习或再学习。运动技能的学习或再学习是一个囊括了竞争运动控制理论、训练技术和人机接口问题等诸多方面的复杂问题,下面详细介绍。2.2 CPM 机CPM 机是利用康复医学中连续被动运动

5、(Continuous Passive Motion/ CPM) 8的基本原理对受伤肢体进行康复治疗的机械装置,是目前为止唯一的一个机器人生物力学或生物物理化学类型的应用的例证。早在20 世纪60 年代初期就有医学团体运用CPM 机进行了术后康复治疗的医学实践,此后也有用于膝、肩、肘关节等康复的CPM机出现。但由于受技术水平的限制,这类CPM 机长期停留在“大关节”康复的范围内。目前,市场上已经有了用于腕关节和手指关节这样的“小关节”康复的CPM 机(图2.2为Rolyan 公司的手关节和腕关节CPM机) ,但他们还不能像“大关节”CPM 机那样实现精确的控制,不能对手指抓握等精巧的动作进行训

6、练,治疗的效果还有待提高9。图2.2 Rolyan 公司的CPM 机2.3 神经运动康复治疗机器人目前这一类机器人的研究比较活跃,用来康复治疗与神经运动有关的疾病, 包括中风、帕金森氏病和大脑性麻痹(Cerebral Palsy) 69 。美国麻省理工学院研制了一种帮助中风患者康复治疗的机器人MIT-MANUS69 ,它有2 个自由度,可以实现病人的肩、肘和手在水平和竖直平面内的运动。在治疗过程中,把中风病人的手臂固定在一个特制的手臂支撑套中,手臂支撑套固定在机器人臂的末端。病人的手臂按计算机屏幕上规划好的特定轨迹运动,屏幕上显示出虚拟的机器人操作杆的运动轨迹,病人通过调整手臂的运动可以使两条

7、曲线尽量重合,从而达到康复治疗的目的。如果病人的手臂不能主动运动,机器人臂可以像传统康复医疗中临床医生的做法那样带动病人的手臂运动。图2.3为MIT-MANUS 在治疗中风病人69。图2.3中风病人在用MIT-MANUS 治疗在此基础上，他们又研制了用于腕部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临床实验。另一个典型的上肢康复训练装置是MIME（mirror-image motion enabler），该设备包括左右两个可移动的手臂支撑，患侧手臂支撑由工业机器人PUMA-560 操纵，为患肢提供驱动力，既可以提供平面运动训练，也可以带动肩和肘进行三维运动。但是PUMA-560从本

8、源上说是工业机器人，因而从机械的角度上说不具有反向可驱动性以及载荷、运动速度以及输出力控制等原因（如机器人臂的活动空间和患者手臂的活动空间差异很大，在运动规划方面增加了难度；训练比较适合于康复后期的患者，不适用于对安全要求更高的偏瘫急性期患者；安全性更多地依赖于软件的设计)，该系统在医疗领域的应用也有其局限性。此外关于上肢康复医疗训练机器人的报道还有：乔治敦大学医学中心ISIS设计的InMotion2 (IM2)、Bi-Manu-Track、Gentle/s system、 REHAROB以及华盛顿大学设计的7 DOF带动力的上肢外骨架装置等。2.4 口腔功能康复治疗机器人英国一个研究团体的研

9、究表明,用Handy1 帮助残疾人进食的过程能促进病人口腔和肢体运动功能的增强。语言障碍矫正学家的研究表明,口腔运动技能、进食以及发音之间存在着一定的关系。20 世纪90 年代中期就开始了通过提高口腔的运动技能来提高发音能力这方面的研究。日本早稻田大学研制了一种临床训练病人张嘴、闭嘴的康复机器人WY2369 ,临床结果表明,该机器人能使病人口腔开合范围由36 mm 提高到41 mm。2.5 协调运动康复治疗机器人现实社会中有这样的人群,他们偏瘫、中风,有的两个上肢或下肢的其中一个有残疾,这就严重影响了病人的活动和操作能力,尤其是必须由双手或双腿来完成的工作能力降低或丧失。目前,已经有许多团体在

10、研究双手协调、双腿协调等问题。美国加利福尼亚大学的科研人员对需用双手完成的日常工作进行了理论分析,并研制了恢复双手操作协调操作能力的原理性样机,试验结果证实了该装置的有效性69 。2.6运动训练机器人已有研究表明,儿童能通过操作电动轮椅适当提高视觉、空间的技能和运动能力69 ,同样可以用类似的器械来提高老年人甚至成年人的运动能力。值得注意的是康复机器人还有一个重要领域职业训练,涵盖了从对感知和运动学习的任务训练的评价到工地环境模拟的内容。如对运动员运动损伤的康复治疗、针对性辅助训练,以及象宇航员这种特殊职业的模拟训练等。国外在这一领域已经有了较广泛的研究与应用,国内尚处于起步阶段。随着体育和职

11、业教育两大产业的发展,机器人在这一领域的应用前景将十分广阔。2.7 国内研究状况国内用于康复医疗训练的机器人系统比较少，但也正在开展相关研究。台湾国立成功大学研制了一种类似人手臂的康复训练装置，采用力-位置混杂模糊控制器提供恒定的力，使肘和肩按照设定轨迹运动；清华大学在国家“863”计划支持下，从2000年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了一种上肢康复设备UECM，可以在平面内进行两个自由度的运行训练10。南航开发了一种康复医疗机械臂，采用单片机和步进电机控制；浙江的一些企业也开发一些与CPM类似的康复机械臂装置。这些康复机械都存在一些共同的缺陷：1）不能远程操作；2）医生在本地亲自操

12、作，实施一对一的康复治疗，或按计算机中预先设定的路径运动，不能实现医患交互；3）没有力反馈功能；4）病人不能主动运动，或康复设备不能提供阻尼力。为了解决这个问题，东南大学宋爱国教授等将力反馈遥操作机器人技术应用于上肢受伤和中风病人的康复医疗训练，针对上肢受伤和中风病人康复医疗和锻炼的需要，设计了一种基于互联网的、一对多的力觉辅助远程康复医疗机器人系统臂，使一个医生可以同时指导多名中风病人的康复训练，同时又可以使部分中风病人或伤残病人无需住院训练治疗，利用基于互联网的远程力觉辅助康复医疗机械臂，在家中就可以根据医生的远程设定自行进行康复训练。医生则可以对病人进行监控，并根据不同患者的治疗情况及时

13、地远程调整康复方案。单自由度康复锻炼机械臂的主要功能是医生通过远程操作，控制直流力矩电机带动机械手一端的转动，病患的手放在机械手的另一端，患肢被带动着做平面往复转动，以达到康复锻炼的目的。单自由度康复锻炼机械臂的结构如图2.7.1所示，主要由机械臂，手柄，托盘，位置传感器及电机和底座构成。臂的一端安装力传感器，力传感器采用应变计式侧力传感器，用于测量人手和机械臂之间作用力，其测量精度为0.5%F.S。另一端用于放置病患的手部，为使病患的手放置的舒适，设计一个圆盘安装在手臂上，使得设计更加人性化。机械臂的上方与位置传感器相连，以测量机械臂转动的角度，位置传感器采用电位计式，精度较高可以达到0.1

14、%F.S。考虑到电机的轴与角位移传感器的轴不可能完全对心，为防止刚性撞击，增加柔性联轴器联结直流力矩电机与角位移传感器。图2.7.1 单自由度力觉辅助远程康复训练机械臂结构图图2.7.2 单自由度力觉辅助远程康复训练机械臂实物图东南大学宋爱国教授等的单自由度机械臂的缺点是只有一个自由度,无法对患者的上肢进行充分运动。为此，我们对上述系统进行了改进，设计了三自由度上肢康复训练机器人，它有较大的运动空间，可以对上肢关节进行康复医疗训练。3 多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂设计的的医学基础3.1 背景从国家统计的数据看，1951年到2003年（其中68、69两年空缺），51年中全国因道路交通事故死

15、亡有1655300人，致伤致残的有5887180人。11很多因此而致残、受伤的患者由于受伤组织的皮肤、韧带和肌肉失去弹性而导致肢体运动的速度和范围受到限制。据资料统计，有关大脑方面的疾病是我国居民死亡率最高的三大疾病之一，我国每年新增患者人数超过300万人，而且随着老龄化的加剧，患者人数会不断增加。虽然随着脑神经外科技术的不断发展，越来越多的患者得到了及时的治疗，挽救了生命，但由于脑血管意外的致残率很高，偏瘫和其它运动障碍患者的人数也随之增加，据1989 年上海市的统计调查，6 万名脑血管意外后的幸存者中，90%以上有脑血管意外后遗症，其中偏瘫居首位1215。据不完全统计，在美国有620万上肢

16、运动障碍者，而我国偏瘫等上肢运动障碍患者超过1000万。这类疾病对患者本人、家庭造成生活、心理及其它方面的冲击。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会成本的很大浪费。因此，寻求有效的康复手段，使患者在一定程度上恢复失去的功能，有利于提高患者本身的生活质量，并减轻社会的负担。3.2生物力学或生物物理化学类型康复训练的医学基础辅助康复控制系统的特点和难点-设计必须符合康复医学理论的康复控制策略。其中最重要的一点就是生物力学的控制策略。机器人要感知患肢状态（力量和位置）并采取相应的控制策略。这是辅助康复控制的技术难点。患肢运动过程中 ,其肌张力的变化、肌肉痉挛的出现将会使系统负载

17、和动力学参数发生不确定的大幅度改变 ,有可能使控制系统变得不稳定。而患肢运动信息的错误辨识将有可能造成肌肉组织撕裂、肌肉痉挛及结缔组织损伤。因此 ,在控制系统适应性、传感器技术应用、运动评估数据分析和算法方面需要作更深入的研究1427。辅助肢体运动功能康复机器人的系统设计有其自身应用和设计的特点。不能在脱离运动功能康复理论和病患机理的情况下 ,直接引入工业机器人的控制策略和系统结构。否则 ,无法达到康复效果 ,并有可能造成患者肢体损伤 ,引起患者痉挛加重和不可逆转的运动功能障碍。因此 ,在控制和评估策略中要考虑以下问题 :（）设计辅助康复的控制策略要基于神经生理学的运动功能康复方法 ,对辅助康

18、复的对象要有严格的针对性。由中枢神经系统损伤造成的运动功能障碍 ,其病患部位不同、病患特性不同、不同恢复阶段对应的训练原则也不同。这就要求制定的机器人辅助康复控制策略应有严格的针对性 ,从而使辅助系统的应用符合医学标准并得到医师和患者的认可。我们现阶段所研究的辅助康复机器人仅针对脑卒中患者在恢复期的上肢运动功能康复 ,因此本文关于控制策略和评估策略的讨论也主要围绕上述对象。（）能够实现多种复合的运动模式的控制系统是实现辅助康复功能的前提条件。研究中 ,我们认为传统工业机器人所采用的步进电机或带有高减速比的直流电机的驱动形式不能同时满足所需要的随意运动（voluntary movement）、助

19、力运动（assistant movement）、抗阻力运动（resisted movement）、被动运动（passive movement）等多种康复辅助运动形式的实现1427。而无刷力矩伺服电机控制系统和交流伺服电机直接驱动是较好的方案 ,能满足辅助康复训练的控制要求。3.3运动学习训练的医学基础经过近几十年的大量临床研究和实验，大脑可塑性理论已经为绝大多数学者所认可。近30年在神经系统疾病康复领域中最重要的研究成果之一，就是人们逐渐认识到中枢神经系统具有高度的可塑性（Plasticity），这是中枢神经损伤后功能恢复的重要理论依据。目前认为与大脑可塑性有关的因素有功能重组和代偿两类，而肢

20、体进行主动或者被动的康复训练可以导致中枢神经映射（mapping）区域的变化，现已为许多科学研究所证实。因此，大脑可塑性理论是偏瘫康复的生理学基础。研究表明，中枢神经系统受损后的功能恢复可以通过功能重组（reorganization）和功能重建（reestablishment）获得。中枢神经系统一旦损伤，神经组织再生非常困难，然而它的功能都可以通过代偿而恢复。神经的可塑性，发生于损害早期或后期，表现在新的突触连接的侧支发芽（collateral sprouting）、神经发生、休眠突触活化、支配区转移和形成新的神经通路等几个方面1427。研究表明，特定的功能训练在中枢神经系统受损后功能恢复的过

21、程中必不可少，这为机器人辅助康复技术提供了重要的医学依据。而在现实中由于偏瘫康复治疗技术本身难点、疑点较多，加之传统观点对偏瘫康复认识的误解，往往由于训练方法不当，而造成患者痉挛加重和不可逆转的运动功能障碍。同时，一些患者只能在家里接受家人的简单康复训练或完全依靠自然康复，其效果不甚理想，甚至错过康复的最佳时机。随着现代中枢神经康复机理研究的深入，国外研究人员利用机器人技术在运动功能康复方面开展了大量研究，其研究目标是实现真正具有治疗和医疗测评功能的辅助康复机器人，并进一步强调在康复医学（rehabilitation medicine）中辅助康复训练的价值，以及针对患者进行运动功能训练的作用。

22、同时，运动功能康复训练的方法如何通过机器人的控制策略得以实现，即在某种意义上如何辅助治疗医师为患者进行治疗，已经成为这类机器人控制研究的难点和热点。4 方案设计4.1 系统总体设计我们的多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂根据临床康复训练的基本动作和安全性的要求,在设计中除了考虑机器人的功能实现外,特别注意了对患者瘫肢的保护。三个自由度可以实现患者上肢的多个方向的运动，例如屈伸、抬举、摆动等。这样可以充分活动患者的肘关节、肩关节、腕关节。如图4.1.1所示。图4.1.2演示的是上肢的屈伸运动，这种运动可以帮助患者完成肘关节的运动。图4.1.1上肢康复部位图4.1.2上肢的一种康复动作多自由度力觉

23、辅助远程康复训练机械臂的远程控制系统结构如图4.1.3所示，由康复锻炼机械臂及外部测控电路组成。安装在机械臂上的位置传感器和力传感器将采集到的信号经过调理放大后送入测控电路，经过A/D转换后的信号再通过USB接口传输到病人端计算机，病人端计算机通过Internet网同医生端计算机相连，计算机根据这些信号与通过网络传输过来的医生设定的即时参数比较后发出控制指令，该指令再次通过USB接口送给测控电路，测控电路的驱动模块控制电机的转动。图4.1.3 机械康复臂远程控制系统总图42机械部分设计我们的多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂是在原有的单自由度辅助远程康复医疗机器人系统臂基础上改进而来的。国外的

24、产品例如Rolyan 公司的CPM 机和MIME（mirror-image motion enabler）是基于工业机器人改制而来的。工业机器人的特点是位置控制很精确但是不灵活，而且工业机器人一般体积庞大、造价昂贵。工业机器人一般是串行的多关节结构，这种结构控制位置很好但是运用于康复医疗就不合适了。正因为它的这种结构，决定了基于工业机器人改制成的一些国外的产品无法完成对病人进行主动治疗，在对病人进行被动治疗时还很容易发生手臂脱臼等二次伤害。有些国内的康复医疗机器人仿制国外产品,也有这样的缺点。多自由度机械臂的设计采用并行连杆机构。这种机械结构的优点是易于控制、机构轻巧，控制两个点就可以让机械臂

25、在一个范围很大的二维空间内运动。通过离合器的开合就可以完成主动治疗和被动治疗的切换。工业机器人就无法完成这种“高难度动作”。图4.2.3多自由度机械臂原理本机构是一种缩放仪机构的变种，从图4.2.3中可以看出，整个机械臂部分主要由并行连杆机构组成，通过调节主动杠杆的运动带动从动杠杆运动，使从动杠杆的末端也就是患者的手能够在方框所示的范围中进行上下、左右、前后三个方向的运动。在图4.2.3中，为叙述方便，作出如上表示，X轴和Z轴分别代表水平和垂直方向。A点与B点代表主动端，C点代表从动端，改变了A点及B点的位置便可改变C点的位置。当A点分别到达A, A,A,B点分别到达B,B,B时，杠杆的末端C

26、则分别到达C,C,C。通过主动杆A点与B点的运动可以带动从动杆C在这个二维平面中运动。设定原始位置为A、B、C，如图上粗实线所示。如果我们要使C点到达C也就是目标点在纵轴上向上运动。根据平行四边形的性质和几何关系得：B端不动的情况下只需要A端向上移动到A就可以实现，如图上点划线ABC所示；如果我们要使C点到达C也就是目标点在横轴上向左运动。根据平行四边形的性质和几何关系得：A端不动的情况下只需要B端详移动到B就可以实现，如图上点划线ABC所示；如果我们要使C点到达C也就是目标点在到达C后在纵轴上向下运动。根据平行四边形的性质和几何关系得：B端不动的情况下只需要A端详移动到A就可以实现，如图上点

27、划线ABC所示。这样我们如果反过来控制A端或B端时，就可以带动C端完成我们希望完成的运动到达我们希望到达的位置。通过A点与B点的不同位置组合，C点便能到达方框内的任意位置。以上实现的是平面内的运动即两个方向上的运动，我们将这个机构安装于活动转台上时就可以完成第三个自由度。当机械臂绕着Z轴转动时，C则能实现前后方向上的运动，由此三个方向组合便实现了三个自由度的运动。图4.2.3多自由度机械臂设计图基于以上的设计思想，建立机构的数学模型。这个机构的特点是当ATxTz在一条直线时，A点的在水平方向的运动由Tx控制，A点在垂直方向的运动由Tz控制。如图所示，它由AD、DCTz、BTx、CTx等四杆组成

28、，由Tx、Tz两个滑块控制X、Z两个方向的运动，再加上绕Z轴的转动，形成成三维空间运动所需要的三个自由度。根据图示的坐标系中机构的几何关系，可以列出机械臂被动训练（由电机驱动机械臂帮助患者完成康复训练动作）时它的运动方程，输入的运动为：x、z时 如图4.2.3由运动方程得到，Z方向的运动与其它运动不会发生耦合。由于ix,iz等都大于1，可见，这是一个将直线运动机构的运动放大的机构，有利于采用较小的结构获得较大的工作空间，当然，相应地提高了电机的效率。主动训练（患者主动完成康复训练动作）时，可以利用X、Z互不相关的特性，固定，输入的运动为X、Z，则：如图4.2.3从上式可看出，康复训练机器人末端

29、较大的运动变成了控制件Tx和Tz较小的运动，因此，从训练者角度看是一个“省力的机构”，有利于病人训练过程的顺利进行。当采用合适的控制策略，对XY运动解耦，可以实现三维空间的运动康复训练。当医生对病人进行训练时，运动方程为：如图4.2.3 图4.2.4在此传动方程下，医生和病人之间有一种翻手腕的感觉，符合康复训练的基本规则，而Z方向的同向，又不会使病人和医生之间感觉别扭，因此，主从机构实现了运动间的完全透明性。系统完整结构如图4.2.4图4.2.4系统完整结构图由于X=0、Y=0表示机构完全合并成一条直线，这是机构的一个奇点，虽然从零位始，机构的几何运动空间得到全部应用，表面上看机构可以有更大的

30、工作空间，但实际上，由于机构构件间的干涉，以及三维空间运动受到杆件长度的制约，将这个位置作为运动起始点并不不能使总的工作空间最大，从图上也可以看出，当X方向的运动到达极限位置时，Z方向将不能运动，因此，要研究机构的工作空间并做优化。本机构的另一外特点是：不仅克服了连杆机构传动比不恒定的不利影响 ，而且传动比完全由杆长确定，同时传动比的大小受以下因素限制：1、传动比越大，主动件的运动越小，有利于传动机构的小型化，但会给电机提出更高的要求，并增大功率，增大电机的体积，因此，过大的传动比反而会使机构的体积增大。2、X、Z方向的运动范围有关，如下图4.2.5为不同传动比ix条件下，X、Z方向的运动极限

31、。图4.2.5 不同传动比ix条件下X、Z方向的运动极限由于Z方向的运动可正可负，因此，我们画出一条Z/X0.5的线，用这条线与各曲线的交点来确定运动空间，同时考虑传动机构的设计。从上可看出，当传动比大于1：5时，曲线趋于重合，表明工作空间不会再扩大，因此，取传动比为1：5，工作的起始位置可由作图的方法试求后再调整得到。我们同时还必须注意到这样运动有一定的不足。因为这个机构安装于活动转台上完成第三个自由度。被动杆在完成Y轴方向的直线行程时实际上做的是圆周运动与直线运动合成的曲线运动。如图4.2.6所示。解决这个问题的办法是在控制算法中加入补偿环节。图4.2.6 机械臂运动图多自由度康复锻炼机械

32、臂的结构如图4.2.7所示，主要由机械臂、手柄、位置传感器、离合器、接近开关、丝杠、滑块机构及伺服电机和底座构成。手柄安装在机械臂的一端，病人握住就可以进行治疗。机械臂的一端安装力传感器，力传感器采用应变计式侧力传感器，用于测量人手和机械臂之间作用力，其测量精度为0.5%F.S。另一端用于放置医生的手。医生可以主动牵引病人的手臂进行运动。机械臂的设计采用并行连杆机构，原理在前文有述。计算机通过控制伺服电机带动丝杠控制A杆的位置；通过丝杠和滑块机构的组合运动控制B杆的位置。丝杠的末端与位置传感器相连，以控制机械臂转动的角度。位置传感器安装于低速度的丝杠末端，为了保证测量精度我们选用了高性能的位置

33、传感器。考虑到电机的轴与角位移传感器的轴不可能完全对心，为防止刚性撞击，增加接近开关。离合器可以使丝杠与伺服电机分开，当电机动力分开时有医生牵引患者运动，当电机动力结合时有计算机控制进行治疗。图4.2.7 多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂机构图由于采用了平行连杆机构，平行连杆机构平衡问题是普遍存在的问题。机械臂在设计中的平衡也就成了重点。因为在使用的时候机械臂的一端有患者使用时，将导致机械臂一端的重力很大。我们现在解决的办法是在机械臂的另外一端增加配种块，但是这种配种的方法缺点是配平的重量固定，不够灵活。正在考虑动态平衡的可行性。整个系统的活动部分我们选用轻质材料，减轻机械部分的重量从而减小

34、整个机械部分的惯性。机架采用组合装配结构可以改善系统的工艺性。但是机架等关键部分因为受力较大我们在考虑使用更好的材料。由于电动机的震动等因素导致的问题也在我们的考虑之中，我们会采用减震垫片等方法解决。43控制电路设计整个电路部分由测控电路、传感器信号采集调理电路两部分组成(电路框图如图4.3.1所示)。计算机给出控制指令信号经过USB端口传入单片机，单片机把接收到的信号处理后送入D/A。D/A将数字信号转化为模拟量通过光电隔离，并转化为控制电机的大电流信号，控制电机。电机带动机械臂运动治疗患者。位置传感器和力传感器能够获取在治疗过程中出现的运动位置和交互力信息。位置传感器的信号直接送到A/D；

35、力传感器得到的是小信号，小信号经过调理放大电路送至A/D。A/D把得到的模拟量转化为数字量输入单片机。位置及力信号经过USB反馈到计算机。这样完成一个闭环控制环节。这样做既可以精确控制机械臂的位置和力量，更好的治愈病患。又可以控制一些极限位置防止前文所述的意外二次伤害。(见生物力学或生物物理化学类型康复训练的医学基础)图4.3.1 电路的组成框图4.4 电路硬件部分电路硬件部分包括数据采集模块，二选一 A/D转换模块，单片机处理电路模块，D/A转换电路模块，电机驱动电路模块及USB接口电路模块共六个模块。下面我们具体讨论各部分的设计思想： 数据采集模块： 本电路的数据采集模块由位置传感器、跟随

36、器、力传感器和力调理放大电路组成。位置传感器选择价格低廉、线性度好、精度高、便于安装的多圈滑动电阻器，它的输出电压较大，因此无需前级调理放大电路。力传感器采用电阻应变片式传感器，具有电信号输出稳定、响应速度快、体积小、重量轻等优点，其主要组成部分是电阻应变片，即主要是通过电阻应变片将力转换成电信号。由于应变式传感器输出的电压信号较弱，所以需要放大电路。为减弱放大电路对测量电桥的影响，放大电路应具有高输入阻抗的特性，并且具有低漂移、较高的精度和较强的抗干扰能力。基于以上几点特性，我们选用了仪用放大器 AD620（见图4.4.1）图4.4.1力传感器模块图4.4.2 位置传感器模块电路中包扩多个位

37、置传感器和力传感器，位置传感器由于输出机械手臂的即时位置状态，而力传感器由于输出各关节的受力状态，位置传感器的输出电压较大，无需前级调理放大电路,而力传感器的输出电压值较小，须添加仪用放大器作为前级调理放大电路，具体电路如图4.4.1所示。数据处理模块：该模块主要由单片机AT89c52、10位A/D转换芯片MCP3204和8位D/A转换芯片DAC0832组成。该模块主要负责数据的处理和数模、模数转换等功能。图4.4.3 A/D转换芯片MCP3204模块 上图中为10位A/D转换芯片MCP3204模块，用于把传感器输出的数据进行模数转换，并把转换结果传到单片机上作进一步处理。图4.4.5 D/A

38、转换芯片DAC0832模块图4.4.6光耦线性隔离放大器模块图4.4.5为8位D/A转换芯片DAC0832模块，它用于将单片机输出的数据进行数模转换，并驱动电机，对机械手臂进行操作。在本系统中，由于工作频率较低，电磁波辐射干扰的影响很小，主要的干扰因素是供电系统的干扰和各组成部分之间的相互干扰。有鉴于此，我们采用了光耦线性隔离放大器ISO124和DC/DC转换芯片DY24D05这两块芯片来对这两种干扰进行抑制。图4.4.6是光耦线性隔离放大器ISO124，用于防止供电系统的干扰和各组成部分之间的相互干扰。USB接口芯片采用的是USB 总线的通用设备接口芯片，在本地端CH372具有8位数据总线和

39、读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372 的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通讯就如同读写文件。图4.4.6 USB通信接口芯片CH372模块CH372内置了USB 通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置固件模式下，CH372 自动处理默认端点0的所有事务，本地端单片机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB 请求，从而可以实现符合各种USB 类规范的设备。本设计采用的是内置固件模式。电机驱动电路如图4.

40、4.6所示。图中，LM1875为单片的低失真、高质量的功率放大芯片。该芯片只需很少的外接电路，而芯片的限流和过热停止工作的设计为该芯片提供了很好的过载保护措施。另外，该芯片还有高增益、转换速率快、高带宽、输出电压和电流大和工作电压范围大（16V-60V）等特点。它能够达到十倍以上的稳定的增益。图4.4.7电机驱动电路4.5 电路软件部分汇编语言是单片机开发的低级语言，它具有程序执行效率高、占用内存容量小、实时性较好等优点。考虑本系统对于实时性要求较高、同时程序并不太复杂，因此采用汇编语言来开发下位机软件。下位机软件采用结构化设计思想，根据功能可以分为以下几个子程序部分：力值与位置信息采样部分、

41、输出控制部分和与上微机的通信部分。力值与位置信息采样部分和输出控制部分程序框图如下：开始设置控制字执行输入控制字子程序开始取转换结果使片选信号有效是否接收到开始位读取高八位数据读取低四位数据结束是否开始将需要转换的数值送入指定地址将DAC0832的地址送入DPTR启动转换返回图4.5.1 数据采集部分程序框图 图4.5.2输出控制部分程序框图单片机通过CH372 芯片接收数据的处理步骤如下：、 当CH372 接收到USB主机发来的数据后，首先锁定当前USB 缓冲区，防止被后续数据覆盖，然后将INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断；、 单片机进入中断服务程序，首先执行GET_STATUS 命

42、令获取中断状态；、 CH372 在GET_STATUS 命令完成后将INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求；、 由于通过上述GET_STATUS 命令获取的中断状态是“下传成功”，所以单片机执行RD_USB_DATA 命令从CH372 读取接收到的数据；、 CH372 在RD_USB_DATA 命令完成后释放当前缓冲区，从而可以继续USB 通讯；、 单片机退出中断服务程序。单片机通过CH372 芯片发送数据的处理步骤如下：、 单片机执行WR_USB_DATA 命令向CH372 写入要发送的数据；、 CH372 被动地等待USB 主机在需要时取走数据；、 当USB主机取走数据后，CH372首先锁

43、定当前USB缓冲区，防止重复发送数据，然后将INT#引脚设置为低电平，向单片机请求中断；、 单片机进入中断服务程序，首先执行GET_STATUS 命令获取中断状态；、 CH372 在GET_STATUS 命令完成后将INT#引脚恢复为高电平，取消中断请求；、 由于通过上述GET_STATUS 命令获取的中断状态是“上传成功”，所以单片机执行WR_USB_DATA 命令向CH372 写入另一组要发送的数据，如果没有后续数据需要发送，那么单片机不必执行WR_USB_DATA 命令；、 单片机执行UNLOCK_USB 命令；、 CH372 在UNLOCK_USB 命令完成后释放当前缓冲区，从而可以继

44、续USB 通讯；、 单片机退出中断服务程序；、如果单片机已经写入了另一组要发送的数据，那么转到，否则结束。4.6 网络通讯部分本部分主要目的是实现医生与病人之间的互动交流。康复医疗训练臂的控制及通信系统是基于C+编写的程序。在其通信方面，该系统采用客户机(Client)服务器(Server)的体系结构该结构中，客户端向服务器请求服务，处于休眠状态的服务器接收到客户端的服务请求，此时服务进程唤醒，对客户请求作出响应。客户与服务器之间的通信通过套接字(Socket)来实现，应用程序在网络上的数据传递，视频图像传输等通信都是通过套接字接口实现。套接字(Socket)编程有三种，流式套接字（SOCK_

45、STREAM），数据报套接字（SOCK_DGRAM）和原始套接字（SOCK_RAW）。流式套接字定义了一种可靠的面向连接的服务，可以提供双向、可靠、顺序且不重复的无记录边界的数据流。而数据报套接字则定义了一种无连接的服务，虽然也支持双向的数据流，但不能保证顺序、可靠和不重复，但是相对传输效率比较高，适合于大流量的数据传输。基于网络图像传输不同于数据传输，为了达到传输显示画面的流畅，及传输的稳定可靠，在本系统中，我们选择用流式套接字（SOCK_STREAM)的TCP作为数据传输的套接口，用数据报套接字(SOCK_DGRAM)的UDP作为图像传输的套接口。考虑到使用了不同的方案处理网络通信，因此，

46、 我们用两个独立的线程来完成这两个不同的任务，将整个网络通讯任务分成两个并行的子任务，即数据传输部分和网络传输部分。特点如下:首先，我们采用的是一般的网络通讯模式即客户机/服务器（C/S）方式，其中病人端为客户机，医生端为服务器。第二，由于医生需要监控病人的康复情况，所以我们要用摄像头采集病人端的实时画面并通过网络传送到医生端。它可以不用等待所有的数据接收完毕，就开始播放，这是实时流的最大优点，利用这一特点，我们就可以实现医生对病人的实时监控。还有，由于网络传输画面速度相对于传送数据较慢，为了不影响正常的显示或其它功能，可以用两个独立的线程去完成这些不同的任务。目前我们就是将整个网络通讯任务分

47、成两个并行的子任务，即数据传送部分和图像传输部分，分别采用两个线程来完成它。最后，整个程序界面及工作过程简介见下图图4.6.1 主机端界面图4.6.2客户端界面工作过程如下：（客户端加装摄像头） 客户端输入主机方IP地址，建立联接； 医生根据病人情况及康复要求设定电机参数，包括力，速度，角度可单选也可复选，点击“发送”键，即可发送到客户机端； 病人端电机通过接口电路读取参数，控制机械臂，机械臂即可按照设定带动病人手臂运动； 在运动过程中，客户端会将检测到的力、位置信息反馈到主机处并以曲线显示，便于医生监控，另外医生可以通过视频看到病人康复情况；5 治疗训练方法多自由度力觉辅助远程康复训练机械臂

48、系统对病人进行康复医疗训练可以采用临床上常用的4种模式：被动运动、助力运动、主动运动和阻力运动。康复医疗训练模式的具体实现方式为：(1)被动运动电机采用速度控制模式，由医生通过网络远程确定运动速度的目标值，同时可对最大辅助力矩进行设置。训练时受试者在机器人的带动下运动，但辅助力矩不超过所设阈值，以防拉伤肌肉。此训练模式适于基本无运动功能的患者。(2)助力运动：电机采用力矩控制模式，设定速度范围。受试者运动速度低于电机最小预设速度时，电机输出力矩增加；大于最小速度时，输出力矩降低；高于最高速度时，输出力矩降为零，以避免受试者运动速度太快。此训练模式适于具有一定运动功能但运动幅度较小的患者。(3)主动运动：电机采用力矩控制模式，设定速度范围。电机输