基于模糊推理的上肢康复机器人自适应阻抗控制

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Ｎ２Ｅ＝∑ ［ｆ（ｉ）－＾ｆ（ｉ）］ｅｅ１ｉ＝
式（６）可以定义为－１＾Ｚ（ｔ）＝Ａ（ｔ）Ｃ（ｔ）ｔ ≥Ｎｅ进行计算，即
ｔ＋１
（７）
根据滑动平均的方法，Ａ（ｔ），Ｃ（ｔ）可以用下式
ａ（ｔ＋１）＝ｉ，ｊ
第３９卷第１期２００９年１月
东南大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
３－ｊａ（ｔ）＋ｘ（ｔ＋１）ｘ（ｔ＋１）－ｉ，ｊ３－ｉ３－ｊｘ（ｔ－Ｎ＋１）ｘ（ｔ－Ｎ＋１）
ｋ＝ｔ－Ｎ＋２３－ｉ
∑
３－ｉ３－ｊｘ（ｋ）ｘ（ｋ）＝
ｉ＝１，２，３；ｊ＝１，２，３
ｔ＋１
（８）
ｃ（ｔ＋１）＝ｉ（２）
ｃ（ｔ）＋ｘ（ｔ＋１）ｆ（ｔ＋１）－ｉｅ
３－ｉｘ（ｔ－Ｎ＋１）ｆ（ｔ－Ｎ＋１）ｅ
ｋ＝ｔ－Ｎ＋２３－ｉ
∑
３－ｉｘ（ｋ）ｆ（ｋ）＝ｅ
（３）
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ｆｕｚｚｙｂａｓｅｄａｄａｐｔｉｖｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔ
ＸｕＧｕｏｚｈｅｎｇＳｏｎｇＡｉｇｕｏＬｉＨｕｉｊｕｎ
ｉ＝１，２，３；ｊ＝１，２，３
Ｖｏｌ３９Ｎｏ１Ｊａｎ．２００９
基于模糊推理的上肢康复机器人自适应阻抗控制
徐国政宋爱国李会军
（东南大学仪器科学与工程学院，南京２１００９６）
摘要：根据患肢的病情特点为患肢康复运动提供最优的辅助力，保持系统的稳定，是机器人辅助康复控制技术中的关键所在．针对此问题在传统阻抗控制方法基础上，提出一种基于力参考值在线模糊调整的模糊自适应阻抗控制算法．该算法首先对患肢机械阻抗参数进行在线辨识，然后根运用模糊推理技术对康复机器人末端同患肢之间相互作用力的期望值以及据辨识得到的参数，目标阻抗控制参数进行实时调整．分析和仿真试验结果表明，该方法较传统阻抗控制方法更能有效地适应患肢病情的变化，具有较好的稳定性和鲁棒性．关键词：康复机器人；参数辨识；模糊推理；自适应阻抗控制中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－０５０５（２００９）０１０１５６０５
１ｉ＝ｔ－Ｎ＋ｔ
１ｉ＝ｔ－Ｎ＋
ｘ（ｉ） ∑ｘ（ｉ）ｘ（ｉ） · ∑ ｉ＝ｔ－Ｎ＋１ｉ＝ｔ－Ｎ＋１ｔｔ２（ｉ）ｘ（ｉ） ∑ｘ（ｉ） ∑ｘ
１ｉ＝ｔ－Ｎ＋ｔ
¨ （ｉ）ｘ（ｉ） ∑ｘ ¨ （ｉ）ｘ（ｉ） ∑ｘ
２
１ｉ＝ｔ－Ｎ＋
¨ （ｉ）ｆ（ｉ） ∑ ｘｅ１＝ｔ－Ｎ＋ｉｔｘ（ｉ）ｆ（ｉ） ∑ ｅｉ１＝ｔ－Ｎ＋ｔ ∑ ｘ（ｉ）ｆ（ｉ）ｅ
ｉ＝ｔ－Ｎ＋１
（６）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇｏｐｔｉｍａｌａｓｓｉｓｔａｎｔｆｏｒｃｅｆｏｒｕｐｐｅｒｌｉｍｂｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｔｒａｉｎｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐａｔｉｅｎｔｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｉｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｏｕｒｓｔｕｄｙｉｓｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｆｕｚｚｙａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｂａｓｅｄｏｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｐｒｏｖｉｄｉｎｇｔｉｍｅｖａｒｙｉｎｇｆｏｒｃｅｔｏｓｔｒｏｋｅｐａｔｉｅｎｔｓ．Ａｎｏｎｌｉｎｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｉｍｐａｉｒｅｄｌｉｍｂｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｂｙｕｓｉｎｇｈｅｄｅｓｉｒｅｄｆｏｒｃｅａｎｄｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅａｄｊｕｓｔｅｄａｕｔｏｍａｔｉｆｕｚｚｙａｄａｐｔｉｖｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｃａｌｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐａｔｉｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌ／ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｐｈａｓｅ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｍｕｃｈｍｏｒｅｓｔａｂｌｅａｎｄｒｏｂｕｓｔｔｈａｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｅｖｅｎｉｎｔｈｅｃａｓｅｗｈｅｎｔｈｅｐａｔｉｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｓａｂｒｕｐｔｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｒｏｂｏｔ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｆｕｚｚｙｉｎｆｅｒｅｎｃｅ；ａｄａｐｔｉｖｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌ脑卒中是指脑血管系统发生病理性改变，并造成脑神经损伤而产生的一类疾病．脑卒中偏瘫后，传统治疗偏瘫的方法患者一侧肢体运动功能丧失．是由康复医师对患者进行手把手的康复训练，这种治疗方法不仅效率较低，而且康复效果在很大程度上取决于康复医师的临床经验．康复机器人技术是近年来发展起来的一种新的运动神经康复治疗技术
，在进行康复机器人设计的过程中，一个重
要的方面就是为患者的运动提供最优的作用力，帮助患者完成康复训练．
收稿日期：２００８０４２９．作者简介：徐国政（１９７９ —），男，博士生；宋爱国（联系人），男，博士，教授，博士生导师，ａ．ｇ．ｓｏｎｇ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目：教育部重点资助项目（１０７０５３）、江苏省六大高峰人才资助项目（０６Ｄ０３１）、江苏省国际合作资助项目（ＢＺ２００６０４６）．引文格式：徐国政，宋爱国，李会军．基于模糊推理的上肢康复机器人自适应阻抗控制［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２００９，３９（１）：１５６１６０．
１患肢机械阻抗参数在线辨识
患肢的动力学特性通常可以用质量弹簧阻尼模型来表示，即ｆｘ ¨ ＋ｂｘ＋ｋｅｘｅ＝ｍｅｅ（１）式中，ｆｅ为康复机械手末端同患肢之间的相互作用力；ｘ，ｘ，ｘ ¨ 分别为患肢的位移、速度、加速度；ｍ，ｂ，ｅｅｋ阻尼和刚度．ｅ分别为患肢的质量、＾＾ｂｋ假设ｍ＾，，，ｂ，ｋｅｅｅ为患肢机械阻抗参数ｍｅｅｅ相应的估计值，则有＾＾＾＾ｘ ¨ ＋ｂｘ＋ｋｘｆｅ＝ｍｅｅｅ根据最小二乘法
［１３］
到目前为止，大多数康复机器人在辅助患者完成康复训练的过程中主要是依靠康复医师事先设
４６］，但是根据偏瘫治疗学定好的参数值进行训练［７］知道［，在现代偏瘫康复治疗中，根据患肢的肌
力、肌张力及运动模式的规律性变化，大多将整个偏瘫恢复过程分为３个阶段：软瘫期、痉挛期和恢复期，不同恢复阶段对应的病患特性相差较大，特别是在患者康复过程中若有痉挛产生，由于痉挛的主要外在表现之一为肢体运动阻力的突然提高， ห้องสมุดไป่ตู้ 可能会导致系统变得不稳定，此时如果仍然按照事
万方数据
第１期
徐国政，等：基于模糊推理的上肢康复机器人自适应阻抗控制
ｔｔｔ
１５７
－１
先设定好的参数进行康复训练，则不仅对病人的康因此，根据复训练不利，甚至给患者带来二次损伤．患者恢复过程中的病情特点实时调整康复机械手末端同患者之间的相互作用力、保持系统稳定是至关重要的．针对上述情况，本文在传统阻抗控制方法基础上，根据患肢恢复过程中的病情特点，提出了一种在线调节辅助力参考值和目标阻抗控制参数的模糊调整算法．仿真试验结果表明本文提出的控制策略能够较好地改善系统的动态性能，使系统具有较好的稳定性和鲁棒性．
２ ∑ｘ ¨ （ｉ）１ｉ＝ｔ－Ｎ＋ｍ＾（ｔ）ｅｔ＾＝ ∑ｘ（ｔ）（ｉ）ｘ ¨ （ｉ）ｅｉｂ＝ｔ－Ｎ＋１＾ｋ（ｔ）ｅｔ（ｉ）ｘ ¨ （ｉ） ∑ｘ
１ｉ＝ｔ－Ｎ＋ｔ