CN106137683A - 基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统 - Google Patents

基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，包括用户‑外骨骼结构模块、肌电信号采集模块、肌电信号处理模块、轨迹生成模块、位置速度反馈模块、阻抗控制模块以及位置控制模块；所述肌电信号采集模块输入端连接所述户‑外骨骼结构模块，输出端连接所述肌电信号处理模块的输入端；所述阻抗控制模块的输入端连接肌电信号处理模块的输出端，输出端连接到轨迹生成模块的输入端；所述位置控制模块采集位置速度反馈模块和轨迹生成模块的输出信号；所述位置控制模块的输出端连接所述用户‑外骨骼结构模块。本发明使用人体电生理肌电信号来估计自主力矩，肌电信号相比于机械扭矩传感器反馈的信号，其时间延迟更小，信噪比更高。

Description

基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统
技术领域
本发明涉及下肢康复外骨骼康复系统，具体地，涉及一种基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统。
背景技术
下肢机器外骨骼作为一种新兴的康复技术，广泛地应用于下肢瘫痪病人康复训练中。其控制也有传统的位置控制器演变到目前较普遍的阻抗控制。而对于自由度较多的外骨骼系统，传统的阻抗控制器维数过高，控制器设计很复杂，不利于实际应用；且很容易由于参数选取不合适，而造成各关节的不协调运动，从而对用户造成伤害。本发明基于此，设计了一种基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统。
经文献检索发现，有一个现存的专利与本发明相似，中国专利公开号CN201510079091.7，专利名称为：基于阻抗控制的康复训练方法，申请日为2015年02月13日。该发明先预设定训练运动轨迹，同时检测肢体的异常肌肉活动，根据此活动确定最终的运动轨迹。该专利与本发明主要有以下几点不同：1、未纳入CPG模型，使得对于多自由度系统，其阻抗控制器较复杂；2、只是简单的检测肌电信号，并未估计关节力矩；3、不能保证各关节运动的协调性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，能够实现对外骨骼系统的协调阻抗控制。
根据本发明提供的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，包括用户-外骨骼结构模块、肌电信号采集模块、肌电信号处理模块、轨迹生成模块、位置速度反馈模块、阻抗控制模块以及位置控制模块；
所述肌电信号采集模块的输入端连接所述户-外骨骼结构模块，输出端连接所述肌电信号处理模块的输入端；所述阻抗控制模块的输入端连接肌电信号处理模块的输出端，输出端连接到轨迹生成模块的输入端；所述位置控制模块采集位置速度反馈模块和轨迹生成模块的输出信号；所述位置控制模块的输出端连接所述用户-外骨骼结构模块。
优选地，所述肌电信号采集模块包括相连接的肌电电极子模块和肌电带通滤波子模块；
所述肌电电极子模块，用于对肌电信号的采集；所述肌电带通滤波子模块用于对肌电信号的带通滤波。
优选地，所述肌电信号处理模块包括相连接的整流子模块和低通滤波子模块；
所述肌电信号处理模块，用于对肌电信号进行整流、低通滤波。
优选地，所述阻抗控制模块包括相连的力矩估计子模块与阻抗控制子模块，用于从所述肌电信号处理模块输出的肌电信号中获取关节力矩信息，并将关节力矩信息转换为CPG的相关状态变量。
优选地，轨迹生成模块包括依次相连的自由度设定子模块、状态变量设定子模块和CPG子模块；
所述轨迹生成模块用于根据CPG的相关状态变量生成外骨骼各主动关节的参考轨迹曲线。
优选地，位置速度反馈模块包括相连的编码器脉冲计数子模块和数值差分子模块；
子编码器脉冲计数子模块用于反馈位置信息，数值差分子模块用于反馈速度信息。
优选地，所述位置控制模块包括PID控制子模块，用于根据参考轨迹曲线、外骨骼的位置和速度信息模块完成对外骨骼的轨迹追踪。
优选地，所述肌电电极子模块采用两个个商用生物测定学电极片；
所述肌电带通滤波子模块的频带范围为20～500Hz。
优选地，所述整流子模块用于取肌电信号的绝对值；低通滤波子模块的截止频率设定为10Hz。
优选地，所述位置控制模块采用PID控制器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明使用人体电生理肌电信号来估计自主力矩，肌电信号相比于机械扭矩传感器反馈的信号，其时间延迟更小，信噪比更高；而且由于肌电信号只产生在受试者自主收缩肌肉的情况下，所能更好地体现受试者的自主运动意图；
2、本发明能够保证外骨骼各关节运动的协调性，确保用户安全，由于CPG模块的加入，使得外骨骼各关节运动一直处于协调自然状态，有利于保证用于的安全和舒适性；
3、本发明测量单关节处的交互力矩，阻抗控制器简单，用于将CPG模型嵌入到了阻抗控制器中，使得对于N个自由度的系统，只需一维的阻抗控制器，因此只需要测量系统中某个关节的交互力信息，这也使得控制器参数设定非常简单。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的模块示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，本发明提供发基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，包括用户-外骨骼结构模块0、肌电信号采集模块1、肌电信号处理模块2、轨迹生成模块3、位置速度反馈模块4、阻抗控制模块5以及位置控制模块6；
所述肌电信号采集模块1的输入端连接所述户-外骨骼结构模块0，输出端连接所述肌电信号处理模块2的输入端；所述阻抗控制模块5的输入端连接肌电信号处理模块2的输出端，输出端连接到轨迹生成模块3的输入端；所述位置控制模块6采集位置速度反馈模块4和轨迹生成模块3的输出信号；所述位置控制模块6的输出端连接所述用户-外骨骼结构模块0。
所述肌电信号采集模块1包括相连接的肌电电极子模块11和肌电带通滤波子模块12；
所述肌电电极子模块11，用于对肌电信号的采集；所述肌电带通滤波子模块12用于对肌电信号的带通滤波。
肌电信号处理模块2包括相连接的整流子模块21和低通滤波子模块22；
所述肌电信号处理模块2，用于对肌电信号进行整流、低通滤波；
所述阻抗控制模块5包括相连的力矩估计子模块51与阻抗控制子模块52，用于从所述肌电信号处理模块2输出的肌电信号中获取关节力矩信息，并将关节力矩信息转换为CPG的相关状态变量；
轨迹生成模块3包括依次相连的自由度设定子模块31、状态变量设定子模块32和CPG子模块33；
所述轨迹生成模块3用于根据CPG的相关状态变量生成外骨骼各主动关节的参考轨迹曲线；
位置速度反馈模块4包括相连的编码器脉冲计数子模块41和数值差分子模块42，用于反馈外骨骼的位置和速度信息模块；子编码器脉冲计数子模块41用于反馈位置信息，数值差分子模块42用于反馈速度信息。
所述位置控制模块6包括PID控制子模块61，用于根据参考轨迹曲线、外骨骼的位置和速度信息模块完成对外骨骼的轨迹追踪。
所述肌电电极子模块11采用两个个商用生物测定学电极片。
两个电极片用于贴在与膝关节力矩相关的两块肌肉表面并采集肌电信号；其中，这两块肌肉分别为股直肌和股四头肌，这些肌肉显著反应膝关节的力矩，并且方便贴放电极片；
所述肌电带通滤波子模块12的频带范围为20～500Hz，从而既可以消除运动尾迹对肌电信号的影响，也能更真实的反应人体的信号。
所述整流子模块21用于取肌电信号的绝对值；低通滤波子模块22的截止频率设定为10Hz；从而能够保证处理后的肌电信号与关节力矩有较强的线性关系，方便估计关节力矩值。
所述轨迹生成模块3生成四个关节的轨迹信息,这四个关节分别为左右下肢的膝关节与髋关节；所述模块3可保证各关节参考轨迹的平滑连续性，并保持各关节运动的协调性，确保用户安全。
所述力矩估计子模块51的输入是最终处理的肌电信号，其用于在线估计受试者的关节自主力矩；所述阻抗模型子模块52输入是估计的关节自主力矩值，输出是CPG的状态变量，两者间的传递函数是稳态二阶系统，其有助于保证系统的稳定性；所述CPG子模块33根据调整后的CPG的状态变量，修改预定的关节轨迹，将其传给位置控制模块6，完成最终的位置控制任务。
所述力矩估计子模块51包括对膝关节力矩的估计，估计的信号源是与膝关节运动相关的两块肌肉，且认为与肌电信号的关系是线性关系；肌电信号的信噪比更高，延迟更小，通过力矩估计子模块51的估计力矩效果更好。
所述用户-外骨骼结构模块0包括左右下肢的的外骨骼机械结构部分，每侧均有膝关节与髋关节两个主动关节以及一个被动的踝关节；外骨骼与人腿通过丝杆螺母机构对其；外骨骼结构模块为整个系统的实现提供了机械硬件与控制平台。
所述膝关节力矩与其相应肌电信号的关系认为是线性的。所述位置控制模块6采用经典的PID控制器。
本发明使用过程如下：
步骤S1：将外骨骼结构模块0穿到受试者身上，通过魔术贴与低温热塑板制成的外壳，将受试者下肢与外骨骼结构模块绑紧；并通过丝杆螺母机构完成外骨骼结构模块与人体的下肢各关节的对齐，保证用户的舒适性与姿势的自然性。
步骤S2：在右侧大腿上找到两块目标肌肉的大致位置，贴上肌电电极子模块11，设定好肌电带通滤波子模块12的相关参数；注意电极片要尽量远离外骨骼的固定装置，以免对肌电信号产生影响。
步骤S3：设定整流子模块21与低通滤波子模块22的相关参数，开启肌电信号处理模块2。
步骤S4：将肌电采集模块1的输出导入到肌电信号处理模块2中进行处理，并将处理的结果导入到阻抗控制模块5中。
步骤S5：设定力矩估计子模块51与阻抗模型子模块52的相关参数。
步骤S6：根据自由度设定子模块31，根据康复任务设定状态变量子模块32，开启CPG子模块33，生成参考轨迹信息；将轨迹生成模块3的输出导入到位置控制模块6中。
步骤S7：设定位置速度反馈模块4中编码器脉冲计数子模块41与数值差分子模块42的相关参数，将位置速度反馈模块4的信息反馈到位置控制模块6中。
步骤S8：设定PID控制子模块61内部的相关参数；此后，该控制器即可正常工作。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，包括用户-外骨骼结构模块(0)、肌电信号采集模块(1)、肌电信号处理模块(2)、轨迹生成模块(3)、位置速度反馈模块(4)、阻抗控制模块(5)以及位置控制模块(6)；
所述肌电信号采集模块(1)的输入端连接所述户-外骨骼结构模块(0)，输出端连接所述肌电信号处理模块(2)的输入端；所述阻抗控制模块(5)的输入端连接肌电信号处理模块(2)的输出端，输出端连接到轨迹生成模块(3)的输入端；所述位置控制模块(6)采集位置速度反馈模块(4)和轨迹生成模块(3)的输出信号；所述位置控制模块(6)的输出端连接所述用户-外骨骼结构模块(0)。
2.根据权利要求1所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，所述肌电信号采集模块(1)包括相连接的肌电电极子模块(11)和肌电带通滤波子模块(12)；
所述肌电电极子模块(11)，用于对肌电信号的采集；所述肌电带通滤波子模块(12)用于对肌电信号的带通滤波。
3.根据权利要求2所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，所述肌电信号处理模块(2)包括相连接的整流子模块(21)和低通滤波子模块(22)；
所述肌电信号处理模块(2)，用于对肌电信号进行整流、低通滤波。
4.根据权利要求3所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，所述阻抗控制模块(5)包括相连的力矩估计子模块(51)与阻抗控制子模块(52)，用于从所述肌电信号处理模块(2)输出的肌电信号中获取关节力矩信息，并将关节力矩信息转换为CPG的相关状态变量。
5.根据权利要求4所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，轨迹生成模块(3)包括依次相连的自由度设定子模块(31)、状态变量设定子模块(32)和CPG子模块(33)；
所述轨迹生成模块(3)用于根据CPG的相关状态变量生成外骨骼各主动关节的参考轨迹曲线。
6.根据权利要求1所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，位置速度反馈模块(4)包括相连的编码器脉冲计数子模块(41)和数值差分子模块(42)；
子编码器脉冲计数子模块(41)用于反馈位置信息，数值差分子模块(42)用于反馈速度信息。
7.根据权利要求5所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，所述位置控制模块(6)包括PID控制子模块(61)，用于根据参考轨迹曲线、外骨骼的位置和速度信息模块完成对外骨骼的轨迹追踪。
8.根据权利要求2所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，所述肌电电极子模块(11)采用两个个商用生物测定学电极片；
所述肌电带通滤波子模块(12)的频带范围为20～500Hz。
9.根据权利要求3所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，所述整流子模块(21)用于取肌电信号的绝对值；低通滤波子模块(22)的截止频率设定为10Hz。
10.根据权利要求1所述的基于协调阻抗控制的下肢外骨骼康复系统，其特征在于，所述位置控制模块(6)采用PID控制器。
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