CN105213154B - 交互式上肢康复机器人及控制方法 - Google Patents

交互式上肢康复机器人及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了交互式上肢康复机器人及控制方法，交互式上肢康复机器人包括：摆臂机构，包括第一摆臂和第二摆臂，第一摆臂的一端与固定桌面转动连接，另一端和第二摆臂一端转动连接；把手，设置在第二摆臂的另外一端；力传感器，用于采集把手处相互垂直的第一分力和第二分力；位置传感器、用于采集第一摆臂和第二摆臂的转角位置；调节结构，用于对患者患肢提供助力或阻力；控制器，与力传感器、位置传感器和调节机构连接。本发明具有如下优点：通过对机器人与患者之间作用力的感知，调整机器人提供的力矩，适应患者患肢的康复训练状态，提高康复机器人的适应能力，使得机器人具有了柔性，可以有效避免二次伤害，提高了康复机器人的使用安全性。

Description

交互式上肢康复机器人及控制方法
技术领域
本发明涉及上肢康复领域，具体涉及一种交互式上肢康复机器人及控制方法。
背景技术
当今社会，脑卒中是严重威胁人们身体健康的疾病，发病率呈逐年上升的趋势。上肢运动功能损伤是脑卒中常见的后遗症，运动功能损伤极大地影响了患者日常生活的能力。科学研究表明，神经损伤后具有一定的可塑性。在患病初期及后期辅以合适的康复训练，可以使患者患侧的运动功能得到一定的恢复，其中运动再学习方法是常用的一种康复训练手段。
传统的康复训练方式采用一对一的训练模式，即一个康复医师对一个患者，这种方式康复医师工作量大，并且对于患者的康复训练状态无法实时监控。因此，具有高强度，高精确度以及自动化测量功能的康复机器人吸引了康复研究人员的注意。
目前已应用的针对脑卒中偏瘫患者的上肢康复机器人多具有两种康复训练模式：康复训练初期的完全被动模式以及康复训练后期的主动训练模式。完全被动模式是指患者康复训练初期，能力尚差，患者的康复训练运动完全由机器人带动完成；主动训练模式是指患者在康复训练后期具有了主动控制能力，完全由患者患肢力量完成康复训练过程。
在针对不同患者的康复训练过程中，由于各个患者的功能损伤情况不同，而已应用的上肢康复机器人设备不具有与患者之间的信息交互，导致机器人对于患者康复训练状态无法适应，容易因康复训练不当，而造成二次伤害。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种交互式上肢康复机器人。
本发明的第二个目的在于提出一种交互式上肢康复机器人的控制方法。
为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种交互式上肢康复机器人，包括：摆臂机构，所述摆臂结构包括第一摆臂和第二摆臂，所述第一摆臂的一端与固定桌面转动连接，另一端和所述第二摆臂一端转动连接；把手，所述把手设置在所述第二摆臂的另外一端；力传感器，所述力传感器与所述把手相连，所述力传感器用于采集所述把手处相互垂直的第一分力和第二分力；位置传感器、用于采集所述第一摆臂和所述第二摆臂的转角位置；调节结构，用于对患者患肢提供助力或阻力；以及控制器，所述控制器分别与所述力传感器、所述位置传感器和所述调节机构连接。
根据本发明实施例的交互式上肢康复机器人，通过对机器人与患者之间作用力的感知，调整机器人提供的力矩，适应患者患肢的康复训练状态，提高康复机器人的适应能力，使得机器人具有了柔性，可以有效避免二次伤害，提高了康复机器人的使用安全性。
另外，根据本发明上述实施例的交互式上肢康复机器人，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述第一摆臂一端与所述固定桌面通过第一转动轴驱动连接，所述调节机构包括第一伺服电机，所述第一伺服电机与所述第一转动轴驱动连接用于对所述第一摆臂的摆动方向上提供动力。
进一步地，所述第二摆臂通过第二转动轴与所述第一摆臂另一端连接，所述调节结构包括第二伺服电机，所述第二伺服电机与所述第二转动轴驱动连接用于对所述第二摆臂的摆动方向上提供动力。
进一步地，所述第二摆臂上、靠近所述把手处设置有支撑部件。
为了实现上述目的，本发明的第二方面的实施例公开了一种交互式上肢康复机器人的控制方法，包括权利要求上述的上肢康复机器人，所述方法包括以下步骤：设定所述摆臂机构末端的运动轨迹；通过位置传感器采集所述摆臂机构的当前位置；判断所述摆臂机构的当前位置和设定的所述摆臂机构的运动轨迹的相应位置的偏离是否超过预设范围；以及如果所述摆臂机构的当前位置和设定的所述摆臂机构的运动轨迹的相应位置的偏离超过预设范围，对所述第一摆臂和/或所述第二摆臂提供动力。
根据本发明实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法，通过对机器人与患者之间作用力的感知，调整机器人提供的力矩，适应患者患肢的康复训练状态，提高康复机器人的适应能力，使得机器人具有了柔性，可以有效避免二次伤害，提高了康复机器人的使用安全性。
另外，根据本发明上述实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，对所述第一摆臂和/或所述第二摆臂提供动力进一步包括：通过所述把手与所述力传感器连续采集所述把手处的所述第一分力和所述第二分力；根据所述设定所述摆臂机构的运动轨迹、所述摆臂机构的当前位置以及两者之间的偏差得到标准第一分力和标准第二分力；以及根据所述标准第一分力、所述标准第二分力、所述力传感器测得的所述第一分力与所述第二分力、所述第一摆臂的力矩参数和所述第二摆臂的力矩参数得到所述第一伺服电机与所述第二伺服电机的动力力矩，其中，所述第一摆臂的力矩参数包括：所述第一摆臂的长度，所述第一摆臂的质量，所述第二摆臂的力矩参数包括：所述第二摆臂的长度、所述第二摆臂的质量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法的流程图；
图3是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法的系统控制流程图；
图4是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的受力分析图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的交互式上肢康复机器人。
图1是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的结构示意图。
请参考图1，一种交互式上肢康复机器人，包括：
摆臂机构，摆臂结构包括第一摆臂2和第二摆臂4，第一摆臂2一端和固定桌面转动连接，另一端和第二摆臂4转动连接。第一摆臂2与固定桌面通过第一转动轴1连接，第二摆臂4通过第二转动轴3与第一摆臂2连接。第一摆臂2可绕第一转动轴1水平摆动，第二摆臂4可绕第二转动轴3水平摆动。本实施例设置的第一摆臂2和第二摆臂4能够使交互式上肢康复机器人相比仅设置一个摆臂具有更多的运动轨迹，以满足对病人上肢康复运动的多种需求。需要注意的是，本领域人员根据需要可以设置多个摆臂，且多个摆臂之间可以不仅仅如图中所述的水平摆动，也可以进行竖直方向上的摆动。
把手51，设置在第二摆臂4的端部。
力传感器53，与把手51相连，用于采集把手处相互垂直的第一分力和第二分力。第一分力和第二分力用(Fx,Fy)表示。
在本发明的一个实施例中，在把手51处设置有支撑机构52以使患者手握把手51时更舒适，同时限制患者患肢的小臂运动，使握持更稳定。
位置传感器、用于采集第一摆臂2和第二摆臂4的位置。
调节结构，用于对第一摆臂2和/或第二摆臂4提供动力。
在本发明的一个实施例中，调节机构包括第一伺服电机和第二伺服电机，其中，第一伺服电机与第一转动轴1驱动连接，第二伺服电机与第二转动轴3驱动连接。
控制器，控制器分别与力传感器53、位置传感器和调节结构连接。用于控制第一摆臂2和第二摆臂4的运动轨迹。在实际使用本实施例的交互式上肢康复机器人时，首先通过控制器设定第一摆臂2和第二摆臂4的运动轨迹，具体的运动轨迹根据患者的状况由医生设定。接着，在患者手握把手51进行上肢康复训练时，会根据把手51处的力(Fx,Fy)及摆臂机构的当前位置调整第一伺服电机与第二伺服电机的力矩。当摆臂机构的运动轨迹与预先设定的运动轨迹相比在预设的范围内时，表示患者按照医生预设的方式进行康复训练，此时不对摆臂机构进行调节，摆臂机构做随动运动；当摆臂机构的运动轨迹与医生预先设定的运动轨迹相比超出预设的范围内，启动控制器控制第一伺服电机对第一转动轴1提供动力或阻力，以及控制第二伺服电机对第二转动轴3提供动力或阻力，从而使摆臂机构按照预设的运动轨迹进行运动，有效避免了对患者手臂二次伤害，提高了康复机器人的使用安全性。
以下结合附图描述根据本发明实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法。
一种交互式上肢康复机器人的控制方法，包括上述实施例的上肢康复机器人，控制方法包括以下步骤：
S1：设定摆臂机构末端的运动轨迹。
具体地，医生根据患者情况通过控制器预先设定摆臂机构末端的运动轨迹，计算出第一摆臂2的运动轨迹和第二摆臂4的运动轨迹。
S2：通过位置传感器获取第一摆臂2和第二摆臂4的当前位置，计算出摆臂机构末端的当前位置。
S3：判断摆臂机构的当前位置和设定的摆臂机构的运动轨迹上相应位置的偏离方向是否超过预设范围。
S4：如果摆臂机构的当前位置和设定的摆臂机构的运动轨迹的相应位置的偏离方向超过预设范围，对第一摆臂2和/或第二摆臂4提供助力或阻力。
在本发明的一个实施例中，步骤S4进一步包括：
S401：通过与力传感器53连续采集把手51处的第一分力和第二分力；
S402：根据设定摆臂机构的运动轨迹、当前摆臂机构的位置以及两者之间的偏差得到标准第一分力和标准第二分力。
S403：根据标准第一分力、标准第二分力、所述力传感器测得的所述第一分力与所述第二分力、所述第一摆臂的力矩参数和所述第二摆臂的力矩参数得到所述第一伺服电机与所述第二伺服电机的驱动力矩。其中，所述第一摆臂2的力矩参数包括：所述第一摆臂2的长度，所述第一摆臂2的质量。所述第二摆臂4的力矩参数包括：所述第二摆臂4的长度、所述第二摆臂4的质量。
在本发明的一个实施例中，第一转动轴1和第二转动轴3所受合力，即S402中的标准第一分力标准第二分力的合力的大小与机械臂偏离目标轨迹的距离以及机械臂的运动速度关系可以用弹簧阻尼模型描述：Fset＝BΔV+KΔX，其中ΔX是指机械臂末端的实际轨迹与目标训练轨迹之间的偏差，ΔV是指机械臂实际的运动速度与预设目标运动速度的偏差，K是末端的刚度系数，B是其阻尼系数。
图3是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法的系统控制流程图。图4是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的受力分析图。
请参考图4，根据运动学与动力学公式，由机械臂末端需要提供的力F，求得电机力矩T，完成电机驱动。
请参考图4，进行动力学分析，
计算得到：
其中，T1为第一伺服电机的输出扭矩，T2为第二伺服电机输出的扭矩，m1为第一摆臂2的质量，m2为第二摆臂4的质量，l1为第一摆臂2的长度，l2为第二摆臂4的长度，Fx为标准第一分力与所述力传感器53测得的第一分力的差值，Fy为标准第二分力与所述力传感器53测得的第二分力的差值，θ1为第一摆臂2与水平方向x轴的夹角，θ2为第二摆臂4与水平方向x轴的夹角，表示对θ进行一阶求导，即角速度，表示对θ进行二阶求导，即角加速度。
通过上述公式得知第一转动轴1处与第二转动轴3处的力矩，根据转矩系数，计算电机的电流，采用电流模型进行控制，完成力矩与相应的角度之间的关系。
另外，本发明实施例的交互式上肢康复机器人及控制方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种交互式上肢康复机器人，其特征在于，包括：
摆臂机构，所述摆臂机构包括第一摆臂和第二摆臂，所述第一摆臂的一端与固定桌面转动连接，另外一端和所述第二摆臂的一端转动连接；
把手，所述把手设置在所述第二摆臂的另外一端；
力传感器，所述力传感器与所述把手相连，所述力传感器用于采集所述把手处相互垂直的第一分力和第二分力；
位置传感器、用于采集所述第一摆臂和所述第二摆臂的转角位置；
调节机构，用于对患者患肢提供助力或阻力；以及
控制器，所述控制器分别与所述力传感器、所述位置传感器和所述调节机构连接，所述控制器用于通过所述力传感器采集所述第一分力和所述第二分力，所述控制器还用于通过所述调节机构对患者患肢提供助力或阻力，以控制所述第一摆臂和所述第二摆臂的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的交互式上肢康复机器人，其特征在于，所述第一摆臂的一端与所述固定桌面通过第一转动轴驱动连接，所述调节机构包括第一伺服电机，所述第一伺服电机与所述第一转动轴驱动连接用于对所述第一摆臂的摆动方向上提供动力。
3.根据权利要求1所述的交互式上肢康复机器人，其特征在于，所述第二摆臂通过第二转动轴与所述第一摆臂的另外一端连接，所述调节机构包括第二伺服电机，所述第二伺服电机与所述第二转动轴驱动连接用于对所述第二摆臂的摆动方向上提供动力。
4.根据权利要求1-3任一所述的交互式上肢康复机器人，其特征在于，所述第二摆臂上、靠近所述把手处设置有支撑部件。
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