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[摘 要 ]为了提升康复效果，提升患者主观参与度，以患者康复期主动力反馈作为输入量，提出了一种以阻抗控制为核心的康复机器人控制策略。该控制策略建立起机器人所受外力与其位置、速度、加速度之间的模型关系，实现了对机器人末端位置的调节，使得康复机器人达到了柔顺控制的目的。以Matlab Simulink搭建仿真模型，进行仿真实验，模拟机器人力臂关键位置的变化曲线，合理配置阻抗刚度、阻尼、惯量等系数，达到理想的输出效果。通过Simulink中示波器的输出，研究仿真实验输出曲线，达到了合理的机器人力臂控制效果。
[关键词]康复机器人;阻抗控制;Simulink仿真
[中图分类号]TP242 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–02
[Abstract]In order to improve the rehabilitation effect and the subjective participation of patients， a rehabilitation robot control strategy with impedance control as the core is proposed by taking the main dynamic feedback of the patients as the input during the rehabilitation period. This control strategy establishes the model relationship between the external force received by the robot and its position， speed and acceleration， and realizes the adjustment of the end position of the robot， so that the rehabilitation robot achieves the purpose of compliant control. Use matlab simulink to build a simulation model， conduct simulation experiments， simulate the change curve of the key position of the robot arm， and reasonably configure the impedance stiffness， damping， inertia and other coefficients to achieve the desired output effect. Through the output of the oscilloscope in simulink， the simulation experiment output curve was studied， and a reasonable robot arm control effect was achieved.
[Keywords]rehabilitation robot; impedance control; simulink simulation
1 概述
隨着现代科技的发展与进步，机器人控制技术在社会各个领域有着广泛地应用，机器人与人可以通过在生产生活中一同作业，从而把机器人的高效率发挥到极致。因此，在现代社会中，机器人具有性价比高和安全方便的优点，对工业的发展非常有利。随着现代科技的发展，机器人技术已经不断渗入人类生产工作的各个领域。根据各个领域的不同应用，人们开发了不同的具有感知、行动和交互能力的各种智能机器人。对于机器人的控制性能要求也在不断地提高。
随着机器人的广泛应用，机器人在医疗领域的应用也逐渐推广。康复机器人逐渐在医疗康复领域发挥着越来越关键的作用，能够减轻患者家属与医疗人员的负担，更加安全有效地促进患者的恢复。
然而机器人作为一种复杂结构的设备，要实现与人的安全、高效协作任务，除了设计稳定可靠的机械结构外，软件控制算法逐渐成为决定康复机器人性能高低的关键性因素，得到了机器人专家和学者的广泛研究。其中，有学者提出基于主从式结构利用齐次坐标建立机器人主从臂在统一固定坐标系下的运动学方程，解决了双臂干涉问题。也有学者提出了主动镜像式的康复系统及其控制算法，实现了患肢与健肢做同步镜像运动的目的。还有的学者提出了自由度并联式腿部康复机器人，实现了各个关节外展和内收运动。患者康复后期利用患者接触力，利用自身力量克服阻力成为新的难点。
基于此，本文为了提升康复效果，提升患者主观参与度，提出了一种基于阻抗控制与柔顺控制方法为核心的康复机器人控制策略。中阻尼器的力与移动速度成正比，弹簧力的大小与位移量成正比，通过牛顿定律，得到系统的方程，建立阻抗控制模型，使用Matlab软件进行仿真设计，设计出离散阻抗控制器，，通过调节相关参数的变化，获得理想的位置输出曲线，达到设计目的。
2 力反馈主动控制方法
2.1 主动柔顺控制的提出
文献《针刺结合现代康复技术治疗脑卒中后偏瘫临床研究》中提到，脑卒中病人在患病后会出现偏瘫，因此患者难以靠自身的力量完成某些常规性动作。在当前的医疗康复领域中，患者康复后期的恢复成为新的难点，亟须一种用于实现主动式力反馈功能的机器人设备，从而提出了阻抗控制。阻抗控制是实现柔顺控制的方法，阻抗控制的实质是调节机器人位置与末端作用力的关系。机器人的控制系统需要刚性，也需要柔性。将机器人模型理想化为带有弹簧和阻尼器的二阶力学系统，并建立二阶微分方程进行分析。 2.2 康复机器人阻抗控制
如图1所示，Xd为期望目标位置，而实际位置为X。机器人与人体之间的互相作用力随着相互接触而产生。该系统中其他参数分别为目标质量M、目标阻尼B、目标刚度K。基于此系统可以实现阻抗控制。系统的方程为：
阻抗控制的核心在于机器人与人体之间实际位置存在偏差，
通过阻抗控制会实现力与位置之间的动态平衡。由上式可知，接触力的大小可以通过实际位置与目标位置的偏差求得，同样的，位置偏差也可以通过接触力求得，两者的内环反馈量分别为力和位置。对此进行研究，设计康复机器人的阻抗控制器如图2所示。
3 实验结果与分析
3.1 仿真搭建
根据控制变量法，通过合理调节目标质量M、目标阻尼B、目标刚度K，首先在目标质量和目标刚度不变的情况下调节目标阻尼，然后在目标阻尼和目标刚度不变的情况下调节目标质量，观察示波器输出波形图，来获取理想的实际位置输出曲线。
3.2 仿真结果与分析
分析3组参数的改变对机器人位置的改变效果，当检测人的外力时，通过系数放大，转变成机器人的位置运动，实现辅助人運动以及在每某一目标点可活动的目的。
在m=1，b=200为前提，在k分别等于6000、12000、24000时分析输出变化如图3所示。通过观察可得，随着阻抗控制刚度系数的增加，上升时间开始缩短，并逐渐出现超调。
对所有仿真结果进行综合分析，从宏观上看，在m=1、k=24000、b=200时，系统上升时间较短，出现小幅度的超调且最终趋于平稳。当m=10时，不论k、b为何值，系统最终无法趋于平衡状态，不满足系统稳定要求。
根据图3实验结果可知，阻抗控制参数的调节都会对控制响应速度产生影响，其中刚度系数的调节影响最为明显，实际应用过程中，机器人协助病人进行康复训练，位置调节最为关键，通过不同的刚度系数产生不同的响应效果，从而给予病人不同的感受。医生可以根据病人的康复阶段进行系数调整，从而达到良好的恢复效果。
4 结束语
本文根据阻抗控制的基本原理对康复机器人进行仿真分析，通过调节m、b、k等3个参数的变化，得到类似于PID控制的仿真模型。基于仿真模型的输出曲线的分析，研究参数对输出的影响。从上升时间、超调量、调节时间等方面综合分析系统的优劣，从而找到系统的最优解。基于阻抗控制理论设计康复机器人可以更好地提升患者的康复主观性，更好地促进患者的康复。
参考文献
[1] 迟祥.基于sEMG动作识别的桌面式上肢康复机器人控制研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2020.
[2] 牛雪娟，孙宏图.变倾角自适应双轮自平衡机器人控制算法[J].控制工程，2021，28（2）：306-312.
[3] 鲁守银，张蔚然，赵洪华.主从式上肢外骨骼康复机器人的运动学研究[J].济南大学学报（自然科学版），2021（5）：1-8.
[4] 叶增林，张良安，陈华，等.2URR-SRR-RUPUR并联式腿部康复机器人机构设计与运动性能分析[J].机械传动，2021，45（3）：82-89.
[5] 高志群.针刺结合现代康复技术治疗脑卒中后偏瘫临床研究[J].安徽中医药大学学报，2021，40（2）：58-62.
[6] 李海源，刘畅，严鲁涛，等.上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究[J].机械工程学报，2020，56（19）：200-209.
[关键词]康复机器人;阻抗控制;Simulink仿真
[中图分类号]TP242 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–00–02
[Abstract]In order to improve the rehabilitation effect and the subjective participation of patients， a rehabilitation robot control strategy with impedance control as the core is proposed by taking the main dynamic feedback of the patients as the input during the rehabilitation period. This control strategy establishes the model relationship between the external force received by the robot and its position， speed and acceleration， and realizes the adjustment of the end position of the robot， so that the rehabilitation robot achieves the purpose of compliant control. Use matlab simulink to build a simulation model， conduct simulation experiments， simulate the change curve of the key position of the robot arm， and reasonably configure the impedance stiffness， damping， inertia and other coefficients to achieve the desired output effect. Through the output of the oscilloscope in simulink， the simulation experiment output curve was studied， and a reasonable robot arm control effect was achieved.
[Keywords]rehabilitation robot; impedance control; simulink simulation
1 概述
隨着现代科技的发展与进步，机器人控制技术在社会各个领域有着广泛地应用，机器人与人可以通过在生产生活中一同作业，从而把机器人的高效率发挥到极致。因此，在现代社会中，机器人具有性价比高和安全方便的优点，对工业的发展非常有利。随着现代科技的发展，机器人技术已经不断渗入人类生产工作的各个领域。根据各个领域的不同应用，人们开发了不同的具有感知、行动和交互能力的各种智能机器人。对于机器人的控制性能要求也在不断地提高。
随着机器人的广泛应用，机器人在医疗领域的应用也逐渐推广。康复机器人逐渐在医疗康复领域发挥着越来越关键的作用，能够减轻患者家属与医疗人员的负担，更加安全有效地促进患者的恢复。
然而机器人作为一种复杂结构的设备，要实现与人的安全、高效协作任务，除了设计稳定可靠的机械结构外，软件控制算法逐渐成为决定康复机器人性能高低的关键性因素，得到了机器人专家和学者的广泛研究。其中，有学者提出基于主从式结构利用齐次坐标建立机器人主从臂在统一固定坐标系下的运动学方程，解决了双臂干涉问题。也有学者提出了主动镜像式的康复系统及其控制算法，实现了患肢与健肢做同步镜像运动的目的。还有的学者提出了自由度并联式腿部康复机器人，实现了各个关节外展和内收运动。患者康复后期利用患者接触力，利用自身力量克服阻力成为新的难点。
基于此，本文为了提升康复效果，提升患者主观参与度，提出了一种基于阻抗控制与柔顺控制方法为核心的康复机器人控制策略。中阻尼器的力与移动速度成正比，弹簧力的大小与位移量成正比，通过牛顿定律，得到系统的方程，建立阻抗控制模型，使用Matlab软件进行仿真设计，设计出离散阻抗控制器，，通过调节相关参数的变化，获得理想的位置输出曲线，达到设计目的。
2 力反馈主动控制方法
2.1 主动柔顺控制的提出
文献《针刺结合现代康复技术治疗脑卒中后偏瘫临床研究》中提到，脑卒中病人在患病后会出现偏瘫，因此患者难以靠自身的力量完成某些常规性动作。在当前的医疗康复领域中，患者康复后期的恢复成为新的难点，亟须一种用于实现主动式力反馈功能的机器人设备，从而提出了阻抗控制。阻抗控制是实现柔顺控制的方法，阻抗控制的实质是调节机器人位置与末端作用力的关系。机器人的控制系统需要刚性，也需要柔性。将机器人模型理想化为带有弹簧和阻尼器的二阶力学系统，并建立二阶微分方程进行分析。 2.2 康复机器人阻抗控制
如图1所示，Xd为期望目标位置，而实际位置为X。机器人与人体之间的互相作用力随着相互接触而产生。该系统中其他参数分别为目标质量M、目标阻尼B、目标刚度K。基于此系统可以实现阻抗控制。系统的方程为：
阻抗控制的核心在于机器人与人体之间实际位置存在偏差，
通过阻抗控制会实现力与位置之间的动态平衡。由上式可知，接触力的大小可以通过实际位置与目标位置的偏差求得，同样的，位置偏差也可以通过接触力求得，两者的内环反馈量分别为力和位置。对此进行研究，设计康复机器人的阻抗控制器如图2所示。
3 实验结果与分析
3.1 仿真搭建
根据控制变量法，通过合理调节目标质量M、目标阻尼B、目标刚度K，首先在目标质量和目标刚度不变的情况下调节目标阻尼，然后在目标阻尼和目标刚度不变的情况下调节目标质量，观察示波器输出波形图，来获取理想的实际位置输出曲线。
3.2 仿真结果与分析
分析3组参数的改变对机器人位置的改变效果，当检测人的外力时，通过系数放大，转变成机器人的位置运动，实现辅助人運动以及在每某一目标点可活动的目的。
在m=1，b=200为前提，在k分别等于6000、12000、24000时分析输出变化如图3所示。通过观察可得，随着阻抗控制刚度系数的增加，上升时间开始缩短，并逐渐出现超调。
对所有仿真结果进行综合分析，从宏观上看，在m=1、k=24000、b=200时，系统上升时间较短，出现小幅度的超调且最终趋于平稳。当m=10时，不论k、b为何值，系统最终无法趋于平衡状态，不满足系统稳定要求。
根据图3实验结果可知，阻抗控制参数的调节都会对控制响应速度产生影响，其中刚度系数的调节影响最为明显，实际应用过程中，机器人协助病人进行康复训练，位置调节最为关键，通过不同的刚度系数产生不同的响应效果，从而给予病人不同的感受。医生可以根据病人的康复阶段进行系数调整，从而达到良好的恢复效果。
4 结束语
本文根据阻抗控制的基本原理对康复机器人进行仿真分析，通过调节m、b、k等3个参数的变化，得到类似于PID控制的仿真模型。基于仿真模型的输出曲线的分析，研究参数对输出的影响。从上升时间、超调量、调节时间等方面综合分析系统的优劣，从而找到系统的最优解。基于阻抗控制理论设计康复机器人可以更好地提升患者的康复主观性，更好地促进患者的康复。
参考文献
[1] 迟祥.基于sEMG动作识别的桌面式上肢康复机器人控制研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2020.
[2] 牛雪娟，孙宏图.变倾角自适应双轮自平衡机器人控制算法[J].控制工程，2021，28（2）：306-312.
[3] 鲁守银，张蔚然，赵洪华.主从式上肢外骨骼康复机器人的运动学研究[J].济南大学学报（自然科学版），2021（5）：1-8.
[4] 叶增林，张良安，陈华，等.2URR-SRR-RUPUR并联式腿部康复机器人机构设计与运动性能分析[J].机械传动，2021，45（3）：82-89.
[5] 高志群.针刺结合现代康复技术治疗脑卒中后偏瘫临床研究[J].安徽中医药大学学报，2021，40（2）：58-62.
[6] 李海源，刘畅，严鲁涛，等.上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究[J].机械工程学报，2020，56（19）：200-209.