CN102551986A - 上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法，其特征在于：包括上位机、USB通信微处理器模块、光电耦合器一、光电耦合器二、电机控制微处理器模块、AD转换电路模块和上下肢康复训练机器人电机。上位机建立参考训练模型，根据参考训练模型发出康复训练命令，USB通信微处理器模块通过USB通信线接收上位机发来的康复训练命令，然后通过串行接口将命令发出，经由光电耦合器一进行信号隔离，发送到电机控制微处理器模块。电机控制微处理器模块根据接收到的康复训练命令，控制上下肢康复训练机器人上的电机分级地运转。同时，电机控制微处理器模块利用AD转换电路模块采集上下肢康复训练机器人上电机的电源电压值，并将该电压值通过串行接口发出，信号经过光电耦合器二进行信号隔离后，经由USB通信微处理器模块后发往上位机。上位机将该电压值与参考训练模型运算，计算出主被动自适应控制所需要的偏差值，然后对上下肢康复训练机器人进行主被动自适应控制。

Description

上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法

技术领域

    本发明涉及一种上下肢康复训练机器人的控制方法，属于与康复训练机器人相关的信号采集与处理、电机控制、通信等技术领域。

背景技术

目前，我国和世界许多国家一样，在逐步步入老龄化社会，在老龄人群中有大量的脑血管病或神经系统疾病患者，这类患者多数有偏瘫症状。同时，因交通事故而造成神经损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。这两类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，科学的康复训练对于肢体损伤治疗的后期运动功能恢复起到非常重要的作用。随着这两类病人数目的迅速增长，为节省治疗时间，康复训练机器人应运而生，它的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，如行走训练、手臂运动训练等。近些年来，虽然国内不断有康复训练机器人出现，但是这些康复训练机器人都需要人工设定康复训练模式为主动或者被动，而能够根据病人的康复状况能够实时地自动切换康复训练模式的康复训练机器人却没有出现。

基于此，本文严格遵循上、下肢康复训练机器人的设计要求，设计了一种上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法。

发明内容  

本发明提出了一种无需任何外部人工干预的上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

步骤1   由建立有参考训练模型的上位机发出康复训练命令，康复训练命令经由USB通信模块传输后，发送到电机控制模块；

步骤2   电机控制微处理器模块根据接收到的康复训练命令，控制上下肢康复训练机器人上的电机分级地运转，并由电机带动上下肢康复训练机器人运动；

步骤3   电机控制微处理器模块利用内设的AD转换电路模块采集上下肢康复训练机器人上电机的电源电压值，并将该电压值发出，经由USB通信模块传输后，发送回上位机；

步骤4   上位机接收电机电源电压值，与参考训练模型对比后计算出偏差值，并根据偏差值对上下肢康复训练机器人进行入选主被动自适应控制：

如果偏差值为0-5，则进行被动训练模式；如果偏差值为5-10，则进行主动训练模式；如果偏差值大于10，则进行积极主动训练模式，此时，上位机发出了新的康复训练命令，经由 USB通信模块传输后，发送到电机控制微处理器模块；

步骤5   电机控制微处理器模块接收新的康复训练命令，控制电机运转，并由电机带动上下肢康复训练机器人运动，返回步骤2。

一种实现上述上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法的装置，包括上位机、USB通信微处理器模块、光电耦合器一、光电耦合器二、电机控制微处理器模块、AD转换电路模块和上下肢康复训练机器人电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）目前，康复训练机器人都需要医师根据患者状态人工设定康复训练模式为主动或者被动，一则占用大量人力资源，二则不能很好地实时适应患者的康复训练状态。而本发明通过这种主被动自适应控制方法，可以在没有医师监护的情况下根据患者运动状态实时切换康复训练模式。该控制方法具有良好的人机交互功能，可靠性高。（2）不同于以往测量电机转速来判断患者的主被动运动状态，上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法通过测量上下肢康复训练机器人上电机的电源电压值，在上位机上来产生主被动自适应控制所需要的控制偏差，并通过这种偏差来判断患者的运动状态，这种偏差产生方法具有很强的可靠性。（3）上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法的自适应控制在上位机上完成，运算稳定可靠。

附图说明

图1是本发明方法的工作流程图。

图2是本发明的原理框图。

图3是本发明的电机控制部分原理图。

具体实施方式  

上下肢康复训练机器人可提供患者进行主动训练和被动训练。主动训练是指患者利用自身的力量克服阻力旋转曲柄进行的训练；被动训练是指患者不借助自身的力量，随着由电机带动的曲柄进行旋转的训练。上下肢康复训练机器人具有主被动自适应的控制方法：在被动训练状态，当患者向运动方向施加主动力时即自动转为主动训练；在主动训练状态，当患者停止施加主动力时即自动转为被动训练。

上下肢康复训练机器人上的电机转速由电机控制微处理器模块里微处理器的PWM寄存器控制，32位PWM从0x08到0x1F均分为8个等级，通过向PWM寄存器写入不同的数值，就可以控制电机运行在不同的转速下。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的一种上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法：

步骤1   由建立有参考训练模型的上位机发出康复训练命令，康复训练命令经由USB通信模块传输后，发送到电机控制模块；

步骤2   电机控制微处理器模块根据接收到的康复训练命令，控制上下肢康复训练机器人上的电机分级地运转，并由电机带动上下肢康复训练机器人运动；

步骤3   电机控制微处理器模块利用内设的AD转换电路模块采集上下肢康复训练机器人上电机的电源电压值，并将该电压值发出，经由USB通信模块传输后，发送回上位机；

步骤4   上位机接收电机电源电压值，与参考训练模型对比后计算出偏差值，并根据偏差值对上下肢康复训练机器人进行入选主被动自适应控制：

如果偏差值为0-5，则进行被动训练模式；如果偏差值为5-10，则进行主动训练模式；如果偏差值大于10，则进行积极主动训练模式，此时，上位机发出了新的康复训练命令，经由 USB通信模块传输后，发送到电机控制微处理器模块；

步骤5   电机控制微处理器模块接收新的康复训练命令，控制电机运转，并由电机带动上下肢康复训练机器人运动，返回步骤2。

如图2所示，本发明所述的一种上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法的装置：包括上位机1、USB通信微处理器模块2、光电耦合器一3、光电耦合器二4、电机控制微处理器模块5、AD转换电路模块6和上下肢康复训练机器人电机7。所述USB通信微处理器模块2通过USB通信线接收上位机1发来的康复训练命令，然后通过串行接口将命令发出，经由光电耦合器一3进行信号隔离，发送到电机控制微处理器模块5。电机控制微处理器模块5对上下肢康复训练机器人电机7进行相应的控制，并由电机带动上下肢康复训练机器人运动。同时，电机控制微处理器模块5不断控制AD转换电路模块6采集上下肢康复训练机器人电机7的电源电压，并将该电压值通过串行接口发出，信号经过光电耦合器二4进行信号隔离后，经由USB通信微处理器模块2后发往上位机1。上位机将该电压值与参考训练模型运算，计算出主被动自适应控制所需要的偏差值，然后对上下肢康复训练机器人进行主被动自适应控制。

如图3所示，电机控制微处理器模块以及内设的AD转换电路模块的电路部分主要包括微处理器（型号为SSU7301）、AD转换电路模块、电机驱动模块以及液晶显示模块。由电路原理图可知，该采样电压值的16.4倍为上下肢康复训练机器人上电机的电源电压值。本例中没有使用真实电源电压值作为有效数据，而是使用AD转换后得到的8位二进制数作为有效数据，在上位机上与参考训练模型运算后得到主被动自适应控制所需要的偏差值。

Claims (1)

1.一种上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法，其特征为：

步骤1  由建立有参考训练模型的上位机发出康复训练命令，康复训练命令经由USB通信模块传输后，发送到电机控制模块；

步骤2  电机控制微处理器模块根据接收到的康复训练命令，控制上下肢康复训练机器人上的电机分级地运转，并由电机带动上下肢康复训练机器人运动；

步骤3  电机控制微处理器模块利用内设的AD转换电路模块采集上下肢康复训练机器人上电机的电源电压值，并将该电压值发出，经由USB通信模块传输后，发送回上位机；

步骤4  上位机接收电机电源电压值，与参考训练模型对比后计算出偏差值，并根据偏差值对上下肢康复训练机器人进行入选主被动自适应控制：

如果偏差值为0-5，则进行被动训练模式；如果偏差值为5-10，则进行主动训练模式；如果偏差值大于10，则进行积极主动训练模式，此时，上位机发出了新的康复训练命令，经由 USB通信模块传输后，发送到电机控制微处理器模块；

步骤5  电机控制微处理器模块接收新的康复训练命令，控制电机运转，并由电机带动上下肢康复训练机器人运动，返回步骤2。

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