基于主动交互控制的家用康复治疗床自适应阻抗控制实现

刘中华

【关键词】主动交互控制;家用康复治疗床;自适应阻抗控制

人口老龄化是近年来出现的一个比较突出的问题，老年患者容易出现神经系统疾病，在近年来神经系统疾病的发病率逐年升高，患病后80%的患者都会留下残疾，影响生活自理能力，必要时要对患者进行康复治疗。康复治疗时间越早恢复效果越好，并发症也就越少。肢体残疾在所有残疾中发生率最高，因此对肢体残疾患者进行康复治疗十分有必要。家用康复治疗床是在现代科技的发展背景下，将机器人技术与现代医学康复技术相结合下的产物，为肢体瘫痪的患者提供了有效的康复训练。自适应控制在各种控制方法中脱颖而出，因此，研究一种基于主动交互控制的家用康复治疗床自适应阻抗控制，通过检测人机交互作用力的方式判断患者的主动运动意图则显得极其重要。

1家用康复治疗床控制系统方案设计

家用康复治疗床其主要功能就是帮助下肢障碍患者进行康复治疗训练，以帮助能够正常行走。它针对患者的残疾程度进行多种肢体的康复治疗，以帮助患者今早恢复健康。

家用康复治疗床控制系统中，下位机是整个系统的核心。控制系统通过触摸屏向下位机发送信息，从而让系统获取患者的治疗信息。伺服输出、伺服驱动器、伺服电机作为系统的主要组成部分，需要相互配合。运动控制器会向伺服驱动器发送信息指令，再由伺服驱动器完成向伺服电机的信息传送，两者形成一个控制闭环系统，从而完成下肢康复训练。在整个系统中，传感器的作用就是采集机器人的各种位置信息，为控制系统提供重要信息，以实现闭环控制，从而保证系统的安全性。

2基于主动交互控制的模糊自阻抗控制器设计

当康复训练进入到治疗后期时，患者可以根据自己的恢复情况主动参与到康复训练中。阻抗控制方法的作用就是完成人机交互，让患者能够与机器人达成一个很好的训练与被训练的关系，从而主动参与到康复训练中。控制系统通过模糊阻抗控制器将人机交互作用力转换为修正量，并通过机器人逆运动学将修正量作用在位置控制内环中，从而实现主动康复。家用康复治疗床通过传感器检查患者下肢与康复训练机器人的交互作用，从而建立两者的动态关系。

家用康复治疗床对患者进行康复治疗时，可以设定治疗床的运动状态，让它能够一直保持低速运动状态，如果没有惯量项的作用，會影响机械机构的作用力。由于家用康复治疗床在进行下肢行走训练时，由下肢髋关节和膝关节联动，因此大小腿人机之间的接触力会形成一个速度修正量，根据人体下肢标准可以得到，膝关节的与髋关节的运动范围不同，因此阻抗参数也不同。如果采用模糊自适应阻抗控制，首先需要对阻抗参数进行统一化整理，使其能够在实际的康复训练中获得较慢的训练速度，但是这种会影响患者的恢复效果，因此对阻抗参数的调整要慎重。根据大小腿产生的作用力对阻抗系数进行调整即可。

在对患者进行下肢主动康复训练之前需要对患者进行接触力测评，让患者平躺后，对大小腿的绝对平均主动作用力进行康复训练方案制定，患者在不同阶段所采取的训练速度有所不同，前期比后期的主动训练轻松，当患者的下肢恢复一定效果后需要适当加训练速度，因此，针对康复训练阶段进行了阻抗参数模糊规则表的设计，如表1所示。

3实验结果分

模糊自适应阻抗控制可以帮助患者更好的实现主动康复训练，在此基础之上对其进行仿真，以床体0°平躺康复训练为例，假设阻抗参数相同，采取大小不同的力对患者进行阻抗控制实验，并比较训练的效果。如果阻抗控制实验中，主动作用力相似，则需要采取不同的阻抗参数进行实验。假设初始阻抗参数为z=0.2，得到当力较大时，速度也较大，当阻抗参数相同时，主动力越大则速度调整量越大;当绝对平均主动力基本相同时，阻抗参数越大则速度越小。在进行模糊自适应阻抗控制时，需要对变量进行模糊处理，并根据模糊结果对阻抗参数进行调整。

采用模糊自适应阻抗控制可以更加快速准确的判断出患者的运动意图，从而让患者可以主动参与到康复训练中，提高肌肉力量，达到快速恢复的效果。

结束语

针对患者下肢存在训练障碍的问题，提出了一种家用康复治疗床控制算法，通过模糊自适应阻抗控制让治疗床可以通过人机交互作用力对患者的运动意图进行判断，根据患者的恢复效果提高训练速度，验证了模糊自适应阻抗控制的有效性，让患者可以主动参与康复训练，让患者尽早恢复身体机能。