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工程设计学报
工程设计学报  2022, Vol. 29 Issue (2): 143-152    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.027
创新设计     
体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统
刘庆祥1(),郭冰菁1,2(),韩建海1,2,3,李向攀1,2,黄明祥1
1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003
2.河南省机器人与智能系统重点实验室，河南 洛阳 471003
3.机械装备先进制造河南省协同创新中心，河南 洛阳 471003
Somatosensory interactive upper-limb mirror rehabilitation training robot system
Qing-xiang LIU1(),Bing-jing GUO1,2(),Jian-hai HAN1,2,3,Xiang-pan LI1,2,Ming-xiang HUANG1
1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China
2.Henan Key Laboratory of Robotics and Intelligent Systems，Luoyang 471003，China
3.Henan Collaborative Innovation Center for Advanced Manufacturing of Mechanical Equipment，Luoyang 471003，China
 全文: PDF(4176 KB)   HTML
摘要：

针对脑卒中患者因大脑神经损伤而造成的上肢运动功能缺失，结合镜像疗法的机器人辅助训练可通过促使双侧肢协同运动来有效地促进大脑神经元重塑，从而实现运动功能恢复。为此，将镜像康复理论、虚拟现实技术和机器人技术有效结合，提出一种体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统。使用动作捕捉设备采集患者健肢的位姿信息，通过设计人机镜像运动映射算法来映射上肢康复训练机器人的运动轨迹。考虑到康复治疗的柔性需要，该机器人的关节采用基于比例压力控制的摆动气缸来驱动；同时，针对气动系统的特性，设计了PD（proportional differential，比例微分）+速度前馈补偿的轨迹跟踪控制策略，实现了双侧肢协同运动的镜像康复训练。通过对机器人系统样机进行复合运动轨迹规划试验和镜像康复训练试验，验证了该系统在镜像康复治疗中的可行性和有效性。所设计的机器人系统为人体双侧肢协同运动的康复训练临床需求提供了设计思路和实现方法。
关键词： 上肢康复训练机器人;  镜像治疗;  体感交互;  比例压力控制;  运动映射    
Abstract:

Aiming at the loss of upper limb motor function caused by brain nerve injury in stroke patients, the robot assisted training combined with mirror therapy can effectively promote the remodeling of brain neurons by promoting the coordinated movement of bilateral limbs, so as to realize the recovery of motor function. Therefore, a somatosensory interactive upper-limb mirror rehabilitation training robot system was proposed by effectively combining the mirror rehabilitation theory, virtual reality technology and robot technology. The pose information of human healthy limb was collected by the motion capture equipment, and the motion trajectory of upper-limb rehabilitation training robot was mapped by designing a human-machine mirror motion mapping algorithm. Considering the flexibility of rehabilitation treatment, the robot joints were driven by oscillating cylinders based on proportional pressure control; at the same time, according to the characteristics of pneumatic system, the trajectory tracking control strategy of PD (proportional differential) + speed feedforward compensation was designed to realize the mirror rehabilitation training of coordinated movement of bilateral limbs. The feasibility and effectiveness of robot system in the mirror rehabilitation treatment were verified by the composite motion trajectory planning test and the mirror mirror rehabilitation training test for the robot system prototype. The designed robot system provides a design idea and implementation method for the clinical needs of rehabilitation training for the cooperative movement of human bilateral limbs.
Key words: upper-limb rehabilitation training robot    mirror therapy    somatosensory interaction    proportional pressure control    motion mapping
收稿日期: 2021-05-11 出版日期: 2022-05-06
CLC:  TP 242.6  
基金资助: 河南省科技攻关计划资助项目(192102210065)
通讯作者: 郭冰菁     E-mail: 1627049654@qq.com;bingjing@haust.edu.cn
作者简介: 刘庆祥（1995—），男，河南新乡人，硕士生，从事机器人研究，E-mail：1627049654@qq.com，https：//orcid.org/0000-0001-5335-0133
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刘庆祥
郭冰菁
韩建海
李向攀
黄明祥

引用本文:

刘庆祥,郭冰菁,韩建海,李向攀,黄明祥. 体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 143-152.

Qing-xiang LIU,Bing-jing GUO,Jian-hai HAN,Xiang-pan LI,Ming-xiang HUANG. Somatosensory interactive upper-limb mirror rehabilitation training robot system[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(2): 143-152.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.027    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I2/143

图1  体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统的总体布局
图2  体感交互式上肢镜像康复训练机器人控制系统框图
图3  气动机械臂的PD+速度前馈补偿控制策略框图
图4  基于工作空间的人机镜像运动映射算法
图5  二自由度气动机械臂结构简图及坐标系构建
图6  气动机械臂末端的工作空间
图7  健肢末端与气动机械臂末端工作空间的镜像映射关系
图8  体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统样机试验平台
关节KPKDKV
大臂关节0.240.0220.012
小臂关节0.400.0140.030
表1  气动机械臂的PD+速度前馈补偿控制参数
图9  气动机械臂关节轨迹对比
图10  做画圆动作时气动机械臂末端轨迹对比
图11  做画圆动作时气动机械臂末端X、Y向轨迹及其关节轨迹对比
测试者末端位置误差/mm关节转动角度误差/(°)
平均误差均方根误差平均误差均方根误差
X向Y向X向Y向大臂小臂大臂小臂
11.54.31.65.40.81.50.781.3
21.13.51.42.20.71.20.60.9
表2  做画圆动作时气动机械臂的轨迹跟踪误差
图12  康复训练时气动机械臂末端的轨迹对比
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