CN106074073A - 一种下肢康复机器人的控制系统及康复训练策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下肢康复机器人的控制系统及康复训练策略，属于机器人技术和医疗器械技术领域。所述的控制系统包括控制器A、控制器B、控制器C、数据采集卡、无线收发模块、控制主机和惯性测量单元；所述的三个控制器具有相同的结构，分别控制三个弹性驱动器的工作；所述的数据采集卡和无线收发模块采用插装的方式安装在控制主机上；所述的惯性测量单元以绑缚方式穿戴在患者的大腿上的测量点处，用于测量人体髋关节的实际姿态信息，将实际姿态信息传送给控制主机。本发明能适应不同康复训练阶段，实现对髋关节的屈/伸、内旋/外旋、内收/外展等三个自由度运动的单一和组合式的康复训练。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术和康复医疗技术领域，具体涉及一种针对下肢髋关节康复机器人的控制系统及康复训练策略。
背景技术
中国社会老龄化的加剧及日益高发的各类事故，导致脑卒中、脊髓损伤、髋膝踝关节损伤等患者数量逐年增加。脑卒中、脊髓损伤患者由于中枢神经组织受损，通常导致下肢丧失行走运动能力，而髋膝踝关节损伤患者则因为肢体受损而无法正常行走。这给患者带来极大痛苦，同时给患者家属和社会造成了很大负担。下肢外骨骼康复机器人是通过康复训练使这些患者重新获得行走能力的机器人，它在康复训练中可对康复过程进行参数化监测与记录，辅助患者获得良好的康复训练，更大程度地保证康复训练的规范性与针对性。
机器人辅助康复训练可以分为被动训练和主动训练两种训练模式。被动训练针对病情较重、自身肌力很弱的患者，由机器人带动患侧肢体沿着预定轨迹运动；对于康复中后期可以主动施力的患者，机器人根据患者的运动意图，提供必要的辅助。由于主动训练中患者主动参与程度更高，所以临床康复效果比被动训练要好。在主动康复训练过程中，以生物力学、运动学、神经学、行为学等为基础，在强调病人主动参与的前提下，根据“按需辅助”(AAN,Assist as Needed)的原则，以任务或功能为导向，按照科学的运动技能获得方法对患者进行再教育以恢复其运动功能。根据按需辅助的原则，机器人允许患者在正常的可变运动范围内运动，机器人不进行干预，机器人仅在患者的运动与正常运动相差非常大的时候才进行必要的干预。
采用按需辅助的原则，参考文献[1](Banala S K,Kim S H,Agrawal S K,etal.Robot assisted gait training with active leg exoskeleton(ALEX)[J].IEEETrans Neural Syst Rehabil Eng,2009,17(1):2-8.)设计了一种力场控制策略(FFC，Force Field Control)。在人体下肢矢状面的常规的步态训练轨迹(近似椭圆的形状轨迹)的基础上设计了虚拟墙，在虚拟墙内形成一个“力场”，根据患者实际运动的轨迹与标准步态训练轨迹的误差，机器人施加干预力的作用。患者偏离标准步态训练轨迹越大，所受到的干预力越大，从而实现患者在运动过程中学习正常的运动模式。
考虑人体解剖学，人体的髋关节可以看作是一个球副，人体大腿的骨骼可以绕髋关节中心进行屈或伸、内收或外展、内旋或外旋等三自由度的转动。人体下肢的主要功能就是行走运动，而行走过程中髋关节具有三个自由度的运动。力场的缺陷是仅能对人体髋关节矢状面屈或伸运动进行康复训练，极大的限制了康复运动和任务的形式。为实现病人在不同阶段进行多种形式康复运动的需求，康复训练策略具有多自由度切换和多功能等特性是非常必要的。
发明内容
为了解决现有技术中对下肢康复机器人的进一步需求，本发明设计了一种用于人体外骨骼下肢髋关节康复机器人的控制系统及其控制方法和康复训练策略，所述的控制系统可根据不同康复需求采用针对性的康复训练策略，完成相应的康复训练动作，得到更好的康复训练效果。
本发明提供的下肢康复机器人的控制系统包括控制器A、控制器B、控制器C、数据采集卡、无线收发模块、控制主机和惯性测量单元；所述的控制器A、控制器B、控制器C具有相同的结构，分别控制弹性驱动器A、弹性驱动器B和弹性驱动器C的工作；所述的数据采集卡和无线收发模块采用插装的方式安装在控制主机上；所述的控制器A、控制器B、控制器C和控制主机都安装在控制机柜中；所述的惯性测量单元以绑缚方式穿戴在患者的大腿上的测量点处，用于测量人体髋关节的实际姿态信息，所述的惯性测量单元通过无线信号传输的形式与所述的无线收发模块相连，将实际姿态信息传送给控制主机。
所述的控制器A内部集成有接口模块、电机驱动模块和通讯模块；所述的弹性驱动器A用于对支链A的驱动，包括编码器、驱动电机、减速器、弹性元件、驱动轴、联轴器和角度传感器；所述的通讯模块与集成在控制主机上的主机通讯模块通过线缆以CAN总线的形式连接，实现控制器A与控制主机之间的通讯；所述的编码器与驱动电机级联，检测驱动电机的运动信息，所述的编码器通过线缆与控制器A的接口模块连接，用于将驱动电机的运动信息反馈给控制器A；所述的电机驱动模块与驱动电机通过线缆连接，根据接口模块接收到的运动信息进行处理生成运动指令发给驱动电机，实现控制器A对驱动电机的运动控制；所述驱动电机的输出轴上连接有减速器，所述的弹性元件的两端分别连接减速器和驱动轴，所述的角度传感器与驱动轴通过联轴器连接，所述的角度传感器与数据采集卡通过信号线缆连接，角度传感器测量到的驱动轴的运动信息通过数据采集卡反馈给控制主机；所述的控制主机解算得到驱动电机的力矩信息，对驱动电机进行控制。
基于所述的控制系统，本发明提供一种控制方法和康复训练策略：对应患者不同恢复期阶段提供两种训练模式：单自由度运动训练模式和多自由度运动训练模式。单自由度运动训练模式，采用“按需辅助”原则主要对髋关节的屈/伸、内收/外展、内旋/外旋等三种运动进行训练。三自由度运动训练模式，采用“按需辅助”原则主要是对髋关节的屈/伸、内收/外展、内旋/外旋等三种运动形式进行组合式的训练。
在患者恢复的早、中期，包括软瘫期与痉挛期，应用单自由度运动训练模式，主要进行矢状面的屈伸运动训练。
在患者恢复的中、后期，包括痉挛期和改善期，应用单自由度和三自由度运动训练模式，主要进行冠状面内的内收/外展运动训练，绕自身垂直轴的旋转运动训练以及髋关节三自由度运动的组合训练。
本发明的优点在于：
本发明能适应人体平面和空间的运动控制，实现对髋关节的屈/伸、内旋/外旋、内收/外展等三个自由度运动的单一和组合式的控制。
附图说明
图1是下肢髋关节康复机器人机械结构示意图。
图2是驱动系统结构示意图。
图3是控制系统结构示意图。
图4是正常人体下肢步态周期内髋关节角度变化曲线。
图5是康复训练模式示意图。
图6是屈伸运动训练模式虚拟墙的示意图。
图7是屈伸运动训练模式控制原理图。
图8是整体行走训练模式虚拟墙的示意图。
图9是整体行走训练模式控制原理图。
图中：
1.定平台；2.绑带A；3.绑带B；4.支链A；5.支链B；
6.支链C；7.动平台；8.绑带C；9.弹性驱动器A；10.弹性驱动器B；
11.弹性驱动器C；12.控制器A；13.控制器B；14.控制器C；15.编码器；
16.驱动电机；17.减速器；18.弹性元件；19.驱动轴；20.联轴器；
21.角度传感器；22.数据采集卡；23.无线收发模块；24.控制主机；25.惯性测量单元；
26.接口模块；27.电机驱动模块；28.通讯模块；29.主机通讯模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提供一种下肢康复机器人的控制系统及康复训练策略，所述的下肢康复机器人结构参见参考文献[2](申请号2015101334841，一种用于下肢康复机器人的3UPS并联变胞机构)，具体结构示意如图1所示，所述的下肢康复机器人具有相对于定平台左右对称的两个单侧机构，定平台1通过绑带A2和绑带B3穿戴在腰部。两个单侧机构的动平台7分别通过绑带C8穿戴在患者的两条大腿处，定平台1和动平台7之间通过三条并联的支链A4、支链B5和支链C6连接，所述的支链A4、支链B5和支链C6上分别固定有弹性驱动器A9、弹性驱动器B10和弹性驱动器C11，所述的弹性驱动器A9、弹性驱动器B10和弹性驱动器C11具有相同的结构和连接方式，分别实现对支链A4、支链B5和支链C6的驱动。单侧机构与人体髋关节一起，实现以髋关节为旋转中心的三自由度转动。该下肢康复机器人(以下均简称为机器人)从临床角度出发为患者提供了髋关节的三维空间的运动。
针对所述的下肢髋关节康复机器人，本发明提供的下肢康复机器人的控制系统如图2和图3所示，包括控制器A12、控制器B13、控制器C14、数据采集卡22、无线收发模块23、控制主机24和惯性测量单元25。所述的控制器A12、控制器B13、控制器C14具有相同的结构，分别控制弹性驱动器A9、弹性驱动器B10和弹性驱动器C11的工作。
所述的控制主机24存储控制程序和算法，对收到的信息调用相应的算法进行处理，实现对机器人的运动控制。所述的数据采集卡22和无线收发模块23采用插装的方式安装在控制主机24上。所述的算法包括平面运动轨迹生成算法、平面阻抗运动控制算法、人体平面运动解算算法、平面阻抗控制解算算法、电机控制算法、空间运动轨迹生成算法、空间阻抗运动控制算法和人体空间运动解算算法。
所述的控制器A12、控制器B13、控制器C14和控制主机24都安装在控制机柜中，所述的控制机柜可以独立与机器人本体之外的一定传输距离之内，也可以随身携带在患者身上。所述的惯性测量单元25以绑缚方式穿戴在患者的大腿上的测量点处，用于测量人体髋关节的实际姿态信息，所述的惯性测量单元25通过无线信号传输的形式与所述的无线收发模块23相连，将实际姿态信息传送给控制主机24。
以其中的控制器A12、弹性驱动器A9为例说明其具体结构组成。
所述的控制器A12内部集成有接口模块26、电机驱动模块27和通讯模块28。所述的弹性驱动器A9用于对支链A4的驱动，包括编码器15、驱动电机16、减速器17、弹性元件18、驱动轴19、联轴器20和角度传感器21。所述的通讯模块28与集成在控制主机24上的主机通讯模块29通过线缆以CAN总线的形式连接，实现控制器A12与控制主机24之间的通讯。所述的编码器15与驱动电机16级联，检测驱动电机16的运动信息，所述的编码器15通过线缆与控制器A12的接口模块26连接，用于将驱动电机16的运动信息反馈给控制器A12。所述的电机驱动模块27与驱动电机16通过线缆连接，根据接口模块26接收到的运动信息进行处理生成运动指令发给驱动电机16，实现控制器A12对驱动电机16的运动控制。所述驱动电机16的输出轴上连接有减速器17，所述的弹性元件18的两端分别连接减速器17和驱动轴19，所述的角度传感器21与驱动轴19通过联轴器20连接，所述的角度传感器21与数据采集卡22通过信号线缆连接，角度传感器21测量到的驱动轴19的运动信息(运动角度数据)通过数据采集卡22反馈给控制主机24。
根据胡克定律，编码器15和角度传感器21测得的角度值的差值，与驱动电机16的输出力矩成正比，所述的控制主机24根据这一关系设计关节力矩解算算法得到驱动电机16的力矩信息。根据机器人的运动学、动力学设计电机控制算法，所述的控制主机根据电机控制算法生成运动控制指令，通过主机通讯模块29和通讯模块28之间的通讯，控制主机24将所述的运动控制指令发送给控制器A12，控制器A12中的电机驱动模块27根据控制指令控制驱动电机16的工作。
上述控制系统中，编码器15由于与驱动电机16级联，可以获得驱动电机16的初始理论运动信息(角度数据)；角度传感器21连接在驱动电机16的驱动轴19上，因此可以检测到驱动电机16的输出实际运动信息；所述的惯性测量单元25采集患者的实际姿态信息，上述的驱动电机16的理论运动信息和实际运动信息可以解算得到驱动电机16的力矩控制信息，结合所述的实际姿态信息，可以用于在康复训练过程中的反馈控制。
如图4和图5，在机器人提供的各个运动中，分别采用对应患者不同恢复期的两种训练模式。根据临床步态数据库中的人体下肢步态周期内髋关节角度变化曲线，通过运动学解算，可以得到理想情况下行走过程中测量点的运动轨迹，作为预设运动轨迹并在此基础上建立虚拟墙，患者穿戴下肢康复机器人，根据预设运动轨迹运动，完成康复训练，从而实现对康复训练策略的设计。
根据参考文献[3](GB/T 17425-2004成年人人体惯性参数)，建立坐标系，x轴为冠状轴，正方向向左，y轴为失状轴，正方向向前，z轴为垂直轴，正方向向下。如图5，在康复初期，患者的运动能力较弱，只需完成的屈伸运动，根据临床步态数据库中的人体下肢步态周期内髋关节角度变化曲线，根据人体下肢运动学关系设计平面运动轨迹生成算法解算得到屈伸运动的曲线为YOZ平面的一条曲线，作为屈伸运动训练模式下的预设运动轨迹。如图6，采用AAN原则，允许患者相对于机器人的预设运动轨迹上有一定偏差，建立虚拟墙，虚拟墙是围绕预设运动轨迹的两条边界线，宽度均为d，在虚拟墙内部，当人体运动的测量点P的位置偏离预设运动轨迹时，设参考点P0为预设运动轨迹上离测量点P最近的一点，机器人需要对人体施加力F，力F可以分解为力Fn和力Ft，其中Fn沿着PP0方向，用来纠正人体的运动相对预定运动轨迹的偏移，Ft的方向与预设运动轨迹在P0点的切线方向并过测量点P，用来带动人体继续沿着预设运动轨迹运动。Fn是|PP0|的函数，且测量点偏离预设运动轨迹的偏离量的增大(即|PP0|越大)，Fn的值增大。以此为基础设计平面阻抗运动控制算法，在设定虚拟墙的宽度后，通过实时计算参考点P0和测量点P的位置的差值，可以得到机器人需要对人体施加力F。如图7，在康复训练过程中，选择屈伸运动训练模式，在采样时刻t，根据平面运动轨迹生成算法生成预设运动轨迹得到参考点P0的位置，，利用所述惯性测量单元25得到的实际姿态信息，通过以人体下肢运动学关系设计的人体平面运动解算算法解算得到测试点P的实际位置，通过平面阻抗控制解算算法得到机器人需要对人体施加力F，通过电机控制算法生成运动控制指令到所述的控制器A12、控制器B13和控制器C14，控制相应的驱动电机的工作。
如图5，在康复后期，需要人体整体行走训练，需要髋关节实现各个方向的运动，包括屈伸运动(位于YOZ平面)，内旋外旋运动(位于XOY平面)和内收外展运动(位于XOZ平面)，根据人体下肢运动学关系设计空间运动轨迹生成算法解算得到髋关节运动轨迹为三维空间内的一条曲线。如图8，在此基础上设计虚拟墙，此时虚拟墙表现为三维空间的管状结构，建立三维空间内的力场，促进患者学习正常的三自由度运动模式。虚拟墙是围绕运动的一个管状结构，所述管状结构的半径为r，在虚拟墙内部，当人体运动的测量点P的位置偏离预设运动轨迹时，设参考点P0为预设运动轨迹上离测量点P最近的一点，机器人需要对人体施加力F，力F可以分解为力Fn和力Ft，其中Fn沿着PP0方向，用来纠正人体的运动相对预定运动轨迹的偏移，Ft的方向与预设运动轨迹在P0点的切线方向并过测量点P，用来带动人体继续沿着预设运动轨迹运动。Fn是|PP0|的函数，且测量点偏离预设运动轨迹的偏离量的增大(即|PP0|越大)，Fn的值增大。以此为基础设计空间阻抗运动控制算法，在设定虚拟墙的半径后，通过实时计算参考点P0和测量点P的位置的差值，可以得到机器人需要对人体施加力F。如图9，在康复训练过程中，选择整体行走训练模式，在采样时刻t，根据空间运动轨迹生成算法生成预设运动轨迹得到参考点P0的位置，利用所述惯性测量单元25得到的实际姿态信息，通过以人体下肢运动学关系设计的人体空间运动解算算法解算得到测试点P的实际位置，通过空间阻抗控制算法得到机器人需要对人体施加力F，通过电机控制算法生成运动控制指令到所述的控制器A12、控制器B13和控制器C14，控制相应的驱动电机的工作。
Claims (3)
1.一种下肢康复机器人的控制系统，其特征在于：包括控制器A、控制器B、控制器C、数据采集卡、无线收发模块、控制主机和惯性测量单元；所述的控制器A、控制器B、控制器C具有相同的结构，分别控制弹性驱动器A、弹性驱动器B和弹性驱动器C的工作；所述的数据采集卡和无线收发模块采用插装的方式安装在控制主机上；所述的控制器A、控制器B、控制器C和控制主机都安装在控制机柜中；所述的惯性测量单元以绑缚方式穿戴在患者的大腿上的测量点处，用于测量人体髋关节的实际姿态信息，所述的惯性测量单元通过无线信号传输的形式与所述的无线收发模块相连，将实际姿态信息传送给控制主机。
2.根据权利要求1所述的一种下肢康复机器人的控制系统，其特征在于：所述的控制器A内部集成有接口模块、电机驱动模块和通讯模块；所述的弹性驱动器A用于对支链A的驱动，包括编码器、驱动电机、减速器、弹性元件、驱动轴、联轴器和角度传感器；所述的通讯模块与集成在控制主机上的主机通讯模块通过线缆以CAN总线的形式连接，实现控制器A与控制主机之间的通讯；所述的编码器与驱动电机级联，检测驱动电机的运动信息，所述的编码器通过线缆与控制器A的接口模块连接，用于将驱动电机的运动信息反馈给控制器A；所述的电机驱动模块与驱动电机通过线缆连接，根据接口模块接收到的运动信息进行处理生成运动指令发给驱动电机，实现控制器A对驱动电机的运动控制；所述驱动电机的输出轴上连接有减速器，所述的弹性元件的两端分别连接减速器和驱动轴，所述的角度传感器与驱动轴通过联轴器连接，所述的角度传感器与数据采集卡通过信号线缆连接，角度传感器测量到的驱动轴的运动信息通过数据采集卡反馈给控制主机；所述的控制主机解算得到驱动电机的力矩信息，对驱动电机进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种下肢康复机器人的控制系统的控制方法，其特征在于：首先建立坐标系OXYZ，x轴为冠状轴，正方向向左，y轴为失状轴，正方向向前，z轴为垂直轴，正方向向下；
如果人体屈伸运动的曲线为YOZ平面的一条曲线，将这条平面曲线作为屈伸运动的预设运动轨迹；当人体运动的测量点P的位置偏离预设运动轨迹时，设参考点P0为预设运动轨迹上离测量点P最近的一点，机器人需要对人体施加力F，力F分解为力Fn和力Ft，其中Fn沿着PP0方向，用来纠正人体的运动相对预定运动轨迹的偏移，Ft的方向与预设运动轨迹在P0点的切线方向并过测量点P，用来带动人体继续沿着预设运动轨迹运动；Fn是|PP0|的函数，且测量点偏离预设运动轨迹的偏离量的增大，Fn的值增大；通过实时计算参考点P0和测量点P的位置的差值，得到机器人需要对人体施加力F；在康复训练过程中，选择屈伸运动训练模式，在采样时刻t，根据平面运动轨迹生成算法生成预设运动轨迹得到参考点P0的位置，利用所述惯性测量单元得到的实际姿态信息，解算得到测试点P的实际位置和机器人需要对人体施加力F，控制主机生成运动控制指令到所述的控制器A、控制器B和控制器C，控制相应的驱动电机的工作；
如果人体运动包括位于YOZ平面的屈伸运动、位于XOY平面的内旋外旋运动和位于XOZ平面内收外展运动，髋关节运动轨迹为三维空间内的一条曲线；当人体运动的测量点P的位置偏离预设运动轨迹时，设参考点P0为预设运动轨迹上离测量点P最近的一点，机器人需要对人体施加力F，力F分解为力Fn和力Ft，其中Fn沿着PP0方向，用来纠正人体的运动相对预定运动轨迹的偏移，Ft的方向与预设运动轨迹在P0点的切线方向并过测量点P，用来带动人体继续沿着预设运动轨迹运动；通过实时计算参考点P0和测量点P的位置的差值，得到机器人需要对人体施加力F，控制主机生成运动控制指令到所述的控制器A、控制器B和控制器C，控制相应的驱动电机的工作。
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