康复机器人系统结构及控制技术

徐国政，宋爱国，李会军
System design and control technique of robot-aided rehabilitation
Xu Guo-zheng, Song Ai-guo, Li Hui-jun
Abstract: Robot-aided rehabilitation is a new motion recovery therapy technology. As an important branch of medical robot, it involves many domains, such as rehabilitation medicine, biomechanics, mechanics, electronics, materials, computer science and robotics. It has become a research focus in international robot field. The structure characteristic, system design and control method of existing rehabilitation robot were reviewed and introducted based on its characteristics and application. Moreover, an analysis of key technology in the field of rehabilitation robot was presented.
1 学术背景
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[1]。作为医疗机 器人的一个重要分支，贯穿了康复医学、生物 力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学 以及机器人学等诸多领域,已经成为了国际机 器人领域的一个研究热点。将机器人技术应用 于康复医疗领域，不仅可以将康复医师从繁重 的训练任务中解放出来，减轻医疗人员的负 担，而且还可以详细客观地记录训练过程中的 治疗数据，供康复医师分析和评价康复训练效 果。
检索关键词：康复机器人，系统设计，运 动控制，康复评估。
检索文献类型：控制方法、系统结构设计。 检索文献量：382 篇。 3.2 检索方法 纳入标准：①针对性强，相关度高的文献。 ②同一领域选择近期发表或权威杂志的文 献。 排除标准：重复研究。 文献质量评价：30篇文献中，系统结构设计的 文献12篇[1-12]，控制策略研究的文献18篇[13-30]。
[http://www.crter.cn http://en.zglckf.com]
摘要：康复机器人是近年来发展起来的一种新的运动神经康复治疗技术,作为医疗机器人的一个重要分支,它贯穿了康复医 学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域,已经成为了国际机器人领域的一个研究热 点。根据康复机器人技术的发展特点和应用并结合该领域的研究背景，分别从康复机器人机械结构设计、系统架构和运动 控制策略等方面详细分析和介绍了国内外近年来的主要研究成果，并对该领域的一些关键技术进行了探讨。 关键词：康复机器人；系统设计；运动控制；康复评估
徐国政，宋爱国，李会军.康复机器人系统结构及控制技术[J]. 中国组织工程研究与临床康复，2009，13(4):717-720. [http://www.crter.org http://cn.zglckf.com]
0 引言
2 目的
目前世界上很多国家已进入老龄化社 会，老龄化过程中的生理衰退导致老年人四 肢活动能力逐渐下降，给日常生活带来诸多 不便，由脑卒中等疾病引起肢体运动功能性 障碍的患者也日益增加。对病患部位进行康 复治疗是一种十分有效的医疗手段，传统治 疗偏瘫的方法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。
力/位置混合控制采用位置控制方式和力控制方式 分别控制自由和受限方向上运动。Lokomat 将患者下肢 的主动力纳入力/位置混合控制架构实现了下肢及步态 的康复训练[13]。该方法直观上允许对康复机械同患者的 相互作用力进行直接控制，但是对力、位置分别控制对 系统的运算性能提出较高要求，控制系统实时性变差。
图 2 外骨骼结构
ARMin[8] (图 3)采用的是混合式结构，上臂和肘关 节的内旋/外旋驱动采用的是外骨骼结构，而肩部的水平 /垂直旋转运动是由连接在上臂和固定在墙壁上的两轴 之间的端部结构驱动。
图 3 混合型结构
图 5 一对多的远程康复机器人训练系统结构
4.3 康复机器人运动控制策略 机器人在辅助患者进行 康复训练过程中，其运动控制策略有自身应用和设计特 点，必须依据运动功能康复理论和病患机制。国内外文 献中有关康复机器人运动控制策略从控制手段主要分 为：力控制策略、力场控制策略及生物电信号控制策略。
Fra Baidu bibliotek
图 1 端部结构
ARM-Guide[5](图 2)，MIME[6]，Lokomat[7]等采用了 外骨骼结构。混合型结构的康复机器人综合了端部结构 和外骨骼结构的优点，既可对施加在患者身体不同部位 的力/力矩进行独立控制，又可满足不同患者的需要。
图 4 远程康复系统结构
然而远程康复医疗机器人训练系统大多未涉及力觉 反馈，或采用主从式结构，只能一对一的康复训练。李 会军等[12]将力觉反馈遥操作机器人技术应用于远程康 复医疗，设计了基于 Internet、一对多的力觉辅助远程 康复医疗机器人训练系统(图 5)。该系统的主要特色在 于可以进行一对多的、实现力觉辅助的远程康复训练。
ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH
717
www.CRTER.org
徐国政，等.康复机器人系统结构及控制技术
4 文献证据综合提炼
4.1 康复机器人机械结构设计 机械本体设计是机器人 辅助康复训练系统的基础，应简洁轻巧、易于控制。国 内外文献中有关康复机器人机械结构设计大体分为 3 种 类型：端部结构、外骨骼结构及混合型结构。
中国组织工程研究与临床康复 第 13 卷 第 4 期 2009–01–22 出版 Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research January 22, 2009 Vol.13, No.4
综述
康复机器人系统结构及控制技术***☆
国家“863”计划 项 目 (2006AA 04Z246) *；教育 部重点项目 (107053)*；江苏 省国际合作项目 (No.BZ 2006046) *
中图分类号: R496.3 文献标识码: B 文章编号: 1673-8225 (2009)04-00717-04
收稿日期：2008-11-13 修回日期：2008-11-22 (20081111047/XR·A)
现代控制：康复机器人是一个具有时变、强耦合和 非线性的动力学特征的系统，加上患者在过程中因肌张 力的变化、肌肉痉挛等造成的环境不确定性，其控制十 分复杂。上述经典控制策略在适用范围和控制效果方面 均存在不足。现代控制理论的发展为康复机器人力控制 提供了重要的理论基础。Takahashi 等[14]运用 H2 及最 优控制方法设计了一个减振系统并运用于腕关节康复 训练中。Wege 等[15]基于 Lyapunov 稳定性理论设计了 滑模位置控制器并运用于手指关节的康复训练，取得了 一定的效果。但从现有的成果来看，最优控制往往不能 保证控制的最佳特性，效果不明显。鲁棒控制、变结构 控制等虽具有适应患者病情变化的能力，但是在控制实 时性严格的情况下难以保证系统的稳定性和跟踪精度。
Received:2008-11-13 Accepted:2008-11-22
东南大学仪器科 学与工程学院，江 苏省南京市 210096
徐 国 政 ☆ ， 1979 年生，男，东南大 学仪器科学与工 程学院在读博士。 主要从事机器人 传感与运动控制 技术方面的研究。
xgzseu@yahoo. com.cn
Xu GZ, Song AG, Li HJ. System design and control technique of robot-aided rehabilitation. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu
Linchuang Kangfu. 2009;13(4): 717-720.
School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China
Xu Guo-zheng☆, Studying for doctorate, School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China xgzseu@yahoo.com. cn
4.2 康复机器人系统架构设计 随着康复机器人的发展和 患者需求的提高，机器人辅助康复训练系统从系统架构上 分大体可分为两个阶段：本地康复医疗训练机器人系统和 远程康复医疗训练机器人系统。大多数如 MIT-Manus(图 1)、MIME 等多属于本地康复医疗训练机 器人系统。随着偏瘫患者逐渐增多，受各种因素的制约， 患者不可能都在医院长期接受康复治疗。计算机网络的 发展使远程康复医疗成为可能。同本地康复医疗训练相 比，远程康复医疗训练可以使患者在家庭或者社区医疗 中心接受康复训练，如斯坦福大学和 Rutgers 大学 CAIP 中心研制的家用远程康复训练系统(图 4)[9-10]、康复机器 人 Friend I/II 等[11]，无论对患者还是康复医师都更为经 济便利。
718
P.O. Box 1200, Shenyang 110004 cn.zglckf.com
徐国政，等.康复机器人系统结构及控制技术
www.CRTER.org
ARMGuide 等运用 PID 控制机器人辅助患者实现康复 训练。PID 控制虽然结构简单、适应性强，但是康复机 器人本身是一个复杂的非线性系统，过程中如患者病情 发生突变，PID 控制很难取得理想的效果。
阻抗控制是通过调节机器人末端的位置偏差和力 的动态关系来实现位置和力控制的方法，不直接控制期 望的位置和力。由 krebstt (Krebs HI)等[2]首次提出并应 用于康复机器人 MIT-Manus 控制。阻抗控制虽然对系 统的不确定性和扰动具有较强的鲁棒性，但当患者的病 情不确定时，阻抗控制表现出较差的轨迹跟踪能力。
力控制策略：运用力传感器直接检测机器人同病患部 位之间的相互作用力并对之进行控制，是机器人辅助康 复运动控制中应用最广泛的一种方法，具体控制过程大 体经历了 3 个阶段：经典控制、现代控制、智能控制。
经典控制：从广义角度讲，经典控制主要有 3 类， PID 控制、阻抗控制和力/位置混合控制。如 MIME、
机械本体为端部结构的康复机器人系统通常是在 某一点上与患者身体部位相接触，此结构易于设计，方 便不同患者使用。MIT-Manus[2](图 1)，Gentle/s system[3]，Arm-trainer 等均为此类结构[4]。较端部结构而言， 外骨骼结构的康复机器人多处与患者身体部位相接触， 实现在患者的不同身体部位同时施加力/力矩作用。此结 构不足之处在于对不同患者的适应性较差。
依据康复机器人技术的发展特点和应用背 景，分别从结构设计、系统架构和运动控制策 略等方面分析了国内外的研究现状，并对该领 域的一些关键技术进行了探讨。
3 资料和方法
3.1 文献检索 检索人：第一作者。 检索文献时限：2000-01/2008-12。 检索数据库：中国期刊全文数据库，
Elsevier Science ， IEEE/IEE(IEL) ， Springer-LINK。
Supported by: the National High-Tech Research and Development Program of China (863 Program), No. 2006AA04Z246*; the Key Program of Ministry of Education, No. 107053*; the International Program of Jiangsu Province, No. BZ2006046*