皇室的赏赐
计算机测量与控制．２０２１．２９（１）
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·
收稿日期：２０２０１１０９； 修回日期：２０２０１２０９。
基金项目：延安大学大学生创新创业训练计划项目（Ｄ２０１７１７２）；延安大学大学生创新创业训练计划项目（Ｄ２０１９２１８）；延安大学２０１８年科研计划项目（ＹＤＱ２０１８－１０）。
作者简介：程 帆（１９９５），男，陕西咸阳人，本科，主要从事电气与自动化方向的研究。
引用格式：程 帆，董宇欣．基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２０２１，２９（１）：１１１１１４． 文章编号：１６７１４５９８（２０２１）０１０１１１０４ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃ
ｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２１．０１．０２３ 中图分类号：ＴＰ２７３．５文献标识码：Ａ基于力阻抗模型的上肢康复机器人
交互控制系统设计
程 帆，董宇欣
（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安 ７１６０００）
摘要：传统上肢康复机器人交互控制系统受到奇异位形影响，导致系统控制精准度较低，为此提出基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统；设计上肢康复机器人交互控制系统结构，选取双串口１２ＣＳＡ６０Ｓ２系列单片机作为下位机控制核心模块，利用椎齿轮改变驱动力方向，设计机械臂肘部结构，通过同步带传动，将器件隐藏于空手柄中；设计机械臂腕部结构，满足临床康复时上肢患者站姿与坐姿训练需求；选择箔式应变片ＢＦ３５０力传感器，设计电阻应变片桥接电路，处理传输信号；构建机器人目标阻抗模型，设计基于力阻抗控制策略，调节位置、速度和关节；为改善奇异位形情况，在奇异位形附近关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到，实现角速度精准输出，完成系统控制；由实验结果可知，该系统直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置跟踪结果与标准值基本一致，满足系统设计需求。
关键词：力阻抗模型；上肢康复机器人；交互控制；奇异位形；
犇犲狊犻犵狀狅犳犐狀狋犲狉犪犮狋犻狏犲犆狅狀狋狉狅犾犛狔狊狋犲犿犳狅狉犝狆狆犲狉犔犻犿犫犚犲犺犪犫犻犾犻狋犪狋犻狅狀犚狅犫狅狋
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ＣｈｅｎｇＦａｎ，ＤｏｎｇＹｕｘｉｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｙａｎ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎ ａｎ ７１６０００，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｓｉｎｇｕｌａｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｎｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｂａｓｅｄｏｎｆｏｒｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｍｏｄｅｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｄｕａｌｓｅｒｉａｌｐｏｒｔ１２ｃｓａ６０ｓ２ｓｅｒｉｅｓｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｏｒｅ
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０ 引言
当前上肢康复机器人训练模式主要有被动式和主动式
两种，活动性训练分为强化训练和阻抗训练，是实现运动
康复的主要方法之一［１］。积极锻炼的临床作用主要是维持
肌肉的弹性和收缩力，机械地刺激肌肉受体，提高运动能
力，增强心肺功能。常规主动训练主要有徒手训练和阻力
训练［２］。医生在训练过程中，首先要根据患者的具体情况
确定训练目标，然后指导患者完成指定动作。如有需要，
医生应保护或帮助病人。抗阻培训主要通过人工或机械手中学生物
段，医师需要根据病人的情况和自己的经验来确定阻力的
大小，方向和频率。根据上肢阻抗参数，采集人体表面肌
电信号，检测人体活动意图，控制机器人运动［３］。以往通
过采集人体表面肌电信号检测人体运动意图估计，可用于
控制上肢康复机器人，虽然生理学信号直接反映人体主动
运动意图，但采集困难，信号受外界影响大，准确性差，
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计算机测量与控制 第２９
卷
·１１２ ·学习成本高，直接使用困难；基于力／位置传感器的方法通过对人体上肢的主动力和运动进行检测，建立了上肢与机器人关节间的力矩映射模型，以判断人的活动意图。与生理信号相比，力／
位置信号的采集更加可靠，但要通过人机系统动力学模型就可以获得人体的主动力，对于动力学建模和参数识别的要求很高，并且上肢患者在持续稳定地控制力量和动作时，所获得的信号也会引起震颤、停顿等异常现象。为了解决这一问题，提出了基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计。
１ 系统设计
根据对人体解剖学的了解以及上述康复机器人设计要求，提出了一种上肢机器人康复系统，如图１所示。
第１期程 帆，等：
基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计·１１３ ·
１ ３ 上肢康复机器人的安装架设计
该安装架的设计主要考虑以下方面：（１
）安装架的结构应充分考虑人体的位置、姿态及舒适度要求，不得影响机器人的运动空间；（２）确保悬臂梁的刚度，减少机器人运动时振动；（３）在安装架上平衡机器人，确保机器人安装后的稳定性；（４）装框方便移动。该康复机器人配备了一个支架系统，可提升和下降重量。手举式推力支架移动系统；使用平衡块底部的橡胶与地面摩擦固定系统来放下。同时，底部配重的橡胶也可以作为吸振系统。在手动上安装框架驱动丝杠旋转，以及在康复机器人抬起、放下的指导下安装框架，根据病人的需要调整训练期间不同高度。另外，通过调整康复机器人的姿态以及安装悬臂梁的旋转，可以使左右偏瘫患者都能得到满足。座椅侧扶手还可以插入，在训练期间可以为对面肢体的其他部分提供舒
适的支撑［１２］
。
１ ４ 受力数据采集系统设计
受累肢体与机械手末端接触力的采集是上肢康复机器人工作过程中不可缺少的一部分，对整个机器人控制系统的开发具有重要意义。机械臂与受控肢体之间的接触力是控制系统的核心反馈参数，也是控制系统的输入参数。在力反馈作用下，实时重新规划机器人的路径是实现主动模式和阻抗模式的核心思想。
１．４．１ 力传感器选择
力敏传感器是将物理力信号转换成电信号的专用传感器。其原理是把材料受力后的弹性变形，转化为水平变化信号。通过对电平信号的采集和变换，可对传感器施加的力进行间接测量。电阻式应变仪是工业和科学研究中最常用的力传感器，其结构安装简单，使用方便，可靠性高。
选择ＢＦ－３５０型电阻为３５０欧姆的应变片进行试验，材料的应变电阻特性使其在使用过程中受温度的影响较大。为提高测量精度，应将两块应变片同时贴在材料上，分别贴在敏感方向和非敏感方向。应变片在应变测料的灵敏方向上起到测量作用，应作为温度补偿作用。
１．４．２ 力信号放大电路设计
该电阻片的电阻值变化很小，将导致传感器输出的电平信号太小，无法直接作为ＡＤ转换电路外围电路的输入。所以在ＡＤ转换测量之前，必须将传感器输出的电平信号放大。为实现放大倍率的最大化，采用电桥将传感器的电信号连接到放大处理电路中，如图４所示。
为确保放大效率和稳定性，设计了两个传感器输入接口的放大电路。ＲＶ１是桥电路的平衡电阻，确保两个桥臂电压平衡。限流电阻是Ｒ１，Ｒ２，阻值是１ｋ，功率是２Ｗ。三、四级是放大器的输入电阻。三口插座Ｊ１，其中引脚２为基准接地，引脚１和３的连接电阻应采用变阻器。而ＲＳ１为温
度补偿片，ＲＳ２为温度补偿片。供电电压５伏。在ＲＳ１应变片达到最大弹性变形时，即在最大压力作用下，阻力值达到０．５Ω最大变化时，输出电压为１．８２ｍＶ。以ＴＴＬ或ＳＶ电平为例，在单片机正常工作的情况下，可获得放大
计算机测量与控制 第２９
辽宁中医药大学学报卷
·１１４ ·
第１期
陈春俊，等：
高速列车多目标约束横向半主动控制算法研究
·１２５ ·
真对比分析。结果表明：
１
）采用虚拟惯性阻尼天棚半主动控制后，车体横向振动加速度峰值、均方根值和平稳性最大改善率分别为４０％、４２％和１５％，但是构架横向振动加速度均方根值、轮轨横向力峰值和脱轨系数分别恶化了２４％、１０８％和１０８％。可见采用虚拟惯性阻尼天棚半主动控制算法虽然能够有效抑制车体横向振动，改善列车横向运行平稳性，提高平稳性等级。但是会造成构架横向振动加速度、轮轨横向力和脱轨系数严重恶化，降低了列车运行安全性。
２
）
采用多目标约束半主动控制后，车体横向振动加速度峰值、均方根值和平稳性最大改善率分别为３６％、４８％和１５％，轮轨横向力峰值和脱轨系数也分别改善了８％和１７％。可见采用多目标约束半主动控制算法，不仅能够有效抑制车体横向振动，改善列车横向运行平稳性，提高平稳性等级。而且减小了轮轨横向力和脱轨系数，提高了列车运行安全性。
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檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳
７６８１．
（上接第１１４页）
由图７（ｃ
）可知，使用３种系统伸缩关节位置跟踪结果与标准值相差较小，当时间为８ｓ时，采集人体表面肌电信号控制系统与标准值相差６ｍｍ，使用基于力／位置传感器控制系统、基于力阻抗模型系统与标准值相差
打破银行垄断采用传统两种系统受到奇异位形影响，导致位置跟踪结果并不精准，而使用基于力阻模型设计的系统实现对机器人位置跟踪，同时根据力阻模型将机器人从手的力信号引入到奇迹人控制系统之中，进而保证力信号能够对机器人运动位置修正补偿。使用该系统可以实现患者对自己上肢康复训练目的，有利于保护患者安全。
４ 结束语
分析了上肢康复训练机器人的应用进展及科研成果，并对其关键技术进行了深入研究，研制了一套适
合病人上肢训练的手臂康复训练机器人系统。根据病人的病理特征，设计了机器人的主从式控制结构，使病人能够通过操纵主手控制机器人完成上肢运动训练，实验结果表明，所设计系统能够实现直线运动、旋转关节及伸缩关节位置的精准跟踪，能够有效应用于上肢康复训练中。
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