肢体康复机器人的主被动模式设计研究—论文

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1、肢体康复机器人的主被动模式设计研究（1北京信息科技大学北京）摘要为了满足肢体康复需要，设计了肢体康复训练机器人的主被动训练模式。简单介绍了样机结构组成和系统硬件组成部分，阐述了核心运动模式的设计思路和实现方法。通过样机实验，采集电机的电流与速度数据，验证了主动模式与被动模式的可行性。关键词：肢体康复机器人；主动运动模式；被动运动模式；0前言图1样机主要机构肢体运动功能障碍给患者本人、家人以及社会带来了负担[1]。目前有很多种治疗方法，但是无论哪种方法，都离不开对患者进行康复训练[2]。医学理论和和临床康复实践表明，运

2、动康复训练对恢复中枢神经系统功能，防止肌肉萎缩有着重要的意义[3]。在肢体运动康复训练过程中，针对完全丧失肢体运动能力的患者，实施对其受损肢体进行被动运动的训练方案，慢慢的恢复肢体运动能力；针对丧失部分肢体运动能的患者，实施对其受损肢体进行主动训练和被动训练相结合的训练方案。因此，在设计智能康复训练设备时，如何实现病人训练过程中的被动训练模式、主动训练模式以及主被动训练模式的自动切换，成了智能康复训练设备设计者要考虑的核心内容。本文主要介绍实现康复训练过程的主动运动和被动运动思路和方法，通过样机实验采集电机相应的数据

3、，对设计思路进行验证。一样机模型机构及结构组成研究设计下肢康复训练机器人的主被动训练机构，当患者对机构加力时，患者作为动力源，带动带轮转动。当患者不发力时，机构带动患者运动。样机主要机构如图1所示包括电动机、减速器、小带轮、同步带、大带轮、腿部执行部件（脚蹬）。二工作原理机构传动路线：电机固定在电机座上，电机输出扭矩和速度传送给速比为1:5的减速器；减速器输出轴和小带轮直连，把电机减速后的速度和增大后的力矩传送给小带轮；小带轮通过同步带和大带轮相连，小带轮直径和和大带轮直径比为1：4，小带轮通过同步带把速度和力矩传送

4、给大带轮；大带轮和脚蹬臂同轴，大带轮把速度传送给了脚蹬部分。三系统设计及功能实现被动模式是指在康复训练过程中，患者腿部不用有意识的主动发力，完全由机构带动人的下肢进行训练。主动模式是指在训练过程中患者腿部有意识的发力，驱动机进行训练。在训练中不同的患者采用不同的训练模式，这对患者有重要的意义。针对这种情况，康复训练设备设计了不同的被动运动模式，主动运动模式。其硬件控制原理硬件图如图2：图2控制原理硬件图该系统主要有人机界面（触摸屏），控制系统包括PLC控制器和电机驱动器，控制执行部件为电动机。1、各部件作用：（1）通

5、过作为人机界面的触摸屏，通过通信接口和PLC控制器相连，设定各种模式下速度，力量值，控制时间，以及控制时间等。（2）PLC控制器，作为主要的控制单元，接受触摸屏提供的控制信号和驱动器提供的电机状态信息（当前速度值、力矩值、转矩方向值、电机旋转方向等），经过处理后判断出患者运动处于何种状态下，通过模拟量控制电机的输入速度和输入力矩电压值，以及控制开始，停止、暂停等状态。（3）电机驱动器，是电机的状态采集单元和直接控制单元。状态采集单元指不但能过通过安装在电机后部的编码器采集电机的速度，又能够通过霍尔传感器采集到电机电流

6、，而且能根据当前的状态计算出力矩值和电机出力方向。直接控制单元是指根据PLC控制器提供的控制命令，经过计算，直接对电机进行速度闭环控制。2、功能实现思路：为了达到患者康复训练的目的，针对患者不同的恢复时期和不同的肢体状况实现不同的训练方式。（1）被动模式：在康复训练的的初期，患者丧失肌肉力量，无法主动完成运动，只能完全依靠外部力量的帮助实现人的被动训练。被动模式就是使用电机拖动作用，外部可以调节拖动速度，当不改变拖动速度的情况下，训练设备推动下肢进行匀速运动。流程图如图3。图3被动模式流程图（2）主动模式：患者的肌肉

7、具有一定的力量，可以在康复训练设备上进行较小力矩的主动运动，而当主动运动低于设计的标准时自动启动被动训练，可以快速的帮助恢复肌肉力量和增强信心。主动运动模式是在被动运动模式的基础上实现的。主动运动的速度是以被动运动的速度为基础，首先设定被动运动的速度和力矩，设备以匀速的方式做被动运动，当检测到患者进行主动运动时，主动运动时的速度一定会超越被动运动的速度，设备的速度调整为实际的主动运动的速度，当无法检测到主动运动时，此时设备的速度会以匀减速的方式带动腿部运行，直到速度降为目标速度。主动运动控制方式流程图如图4。图4主动

8、模式流程图3、功能实现方法：（1）电机在被动运动模式下，带动着人的肢体运动，起到的作用是拖动力作用。在人不主动改变速度大小的情况下，电机的速度是恒定的。通过上位机可以设置拖动力的大小，和拖动速度。通过PLC系统对上位机设定的参数进行运算，把运算结果发给电机驱动器，再通过驱动器的控制，控制电机输出拖动状态下的速度和力矩。完成被动模式的控制。（2）