CN106510985A - 一种基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人，包括轮椅、外骨骼、中心控制器及电池组，其中所述轮椅包括轮椅框架、操作面板、轮椅电机驱动器和轮椅电机；所述外骨骼包括外骨骼骨架、外骨骼电机驱动器、外骨骼电机，以及传感器系统；所述中心控制器能够接受来自所述操作面板的功能控制信号和来自所述传感器系统的反馈信号，设定所述机器人的移动与康复工作模式，并向轮椅和外骨骼输出控制信号，使所述外骨骼的运动与所述轮椅的移动能够协调控制。本发明充分考虑使用者主观运动意图，功能性好、控制简单、安全可靠，且康复效果显著。

Description

一种基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种控制康复与代步外骨骼机器人的方法，尤其是涉及了一种基于主从控制模式的康复与代步外骨骼机器人的控制方法。

背景技术

近年来，脊椎损伤、脑卒中风等中枢神经系统疾病引起的下肢运动功能障碍患者呈急剧增加的趋势，严重危害着人类的健康。随着社会的发展和人民医疗、生活水平的提高，残疾人的健康引起了全社会的关注。减重步行训练是针对该类疾病患者步行康复治疗的重要手段之一，已有大量的临床研究证实了其有效性。传统的康复治疗方法主要是由护理师协助患者进行康复训练，其康复训练效果取决于护理师的技术水平及爱心，同时，护理师数量严重不足，训练效率低，工作强度大，所以难以迅速提高患者的康复训练效率。

近年来，机器人技术突飞猛进，医疗康复类机器人也得到充分发展，而轮椅是中风偏瘫患者和老人不可或缺的代步工具，因此与轮椅结合的康复机器人系统的控制方法设计成为研究的热点同时也是提升机器人康复效果的关键。日本Yasunobu Handa公司研发的Profhand很好的利用代步的同时进行康复训练,可以使患者很好的参与到康复训练过程中，提升了康复训练的意愿。但是该设备没有助力系统，不适宜于病情严重的患者；同时对肢体没有很好的保护，腿脚麻木的患者在康复训练过程中有折断的风险。已有的康复机器人，多数忽略了患者下肢的主动运动意图，不利于激发患者的主动意识及参与康复训练的兴趣，很难达到理想的康复训练要求；同时，目前基本没有集康复与代步功能于一体、利用主从式方式控制的康复机器人。

申请号为201010543205.6的中国专利文献公开了一种脑血栓患者下肢康复训练器，通过下肢康复机构中的电机驱动带动患者腿部训练，训练模式分有主动、被动模式，以满足不同患者下肢康复训练的要求；该装置的控制方法没能充分利用助力帮助使用者行走，且智能型不足，无法根据使用者的情况进行自主调节，训练过程较为单调。

申请号为201410599202.2的中国专利公开了一种具有力反馈的主从式控制系统，通过用户通过旋转手柄，带动直流电机的电机轴发生旋转运动，并通过编码器记录，主控制器通过读取计数器板卡上的脉冲信号，来确定用户操作手动触觉设备的输入位移量，并计算出虚拟机械臂模型运动的位移量，最终将驱动电流值输送给直流电机，实现电机轴旋转，并带动旋转手柄实现与操作者反方向的旋转运动，使得操作者感觉到虚拟作用力。主从式控制在康复系统中可以使主动与被动部件不直接机械相连，在安全性上有较强的优势，但是目前投入使用的还很少。

发明内容

针对背景技术所指出的下肢康复机器人康复运动控制存在的问题，本发明的目的在于提供一种充分考虑使用者主观参与性来合理训练使用者的下肢同时实现轮椅代步功能的康复机器人控制方法。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人，包括轮椅、外骨骼，以及中心控制器，其中

所述轮椅包括操作面板、轮椅电机驱动器和轮椅电机；在所述轮椅电机驱动器的控制下，所述轮椅电机能够驱动所述轮椅进行移动；

所述外骨骼包括外骨骼电机驱动器、外骨骼电机，以及传感器系统；在所述外骨骼电机驱动器的控制下，所述外骨骼电机能够驱动所述外骨骼带动使用者下肢进行运动；

所述中心控制器能够接受来自所述操作面板的功能控制信号和来自所述传感器系统的反馈信号，设定所述机器人的康复运动模式，并向轮椅和外骨骼输出控制信号，使所述外骨骼运动与所述轮椅的移动能够协调控制。

优选地，所述操作面板包括摇杆、急停开关、主动康复模式开关、系统总开关、外骨骼动力电开关、主被动融合康复模式开关、被动康复模式开关、自动调节康复模式开关，以及轮椅速度自动调节开关。

优选地，所述传感器系统包括腿部表面肌电传感器。

优选地，所述传感器系统包括足部力传感器。

优选地，所述轮椅的移动速度用如下公式确定：

V=K₁·ΔF+ΔS

其中K₁为设定的比例系数，ΔF为足部力传感器检测到的力的大小，ΔS为使用者通过操作所述的操作面板对轮椅速度的控制信息。

优选地，所述外骨骼康复运动模式的判定过程通过康复比例系数K值来表示：

其中F₀为脚蹬车运动需要的力大小，ΔF_u为使用者脚蹬车时力的变化量；

如果康复者腿部没有力量，此时通过控制，判定K=0，则通过控制电机，带动人腿完成康复训练，此时为完全被动康复训练；

如果人体下肢力量足够，判定K≥1，则当K=1时外骨骼只辅助人腿运动而不提供助力，当K>1时通过电机反转提供部分阻力供使用者锻炼，此时为完全主动训练状态；

当使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成脚蹬车运动时，判定0<K<1，此时可为患者提供部分助力，此时为主被动融合的康复模式。

一种使用根据以上任一项技术方案所述的基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人进行康复训练的方法，包括以下步骤：

（1）使用者坐上轮椅后，脚放在脚踏板上，系好绑带使外骨骼与使用者下肢固定在一起，准备康复锻炼；

（2）康复锻炼模式及轮椅速度选择与校准；在使用者放松的情况下及开始按照自我意识开始蹬脚踏板，记录这两种情况下脚底力传感器的力的变化情况，并确定康复训练模式；同时按照康复者意愿选择轮椅速度；

（3）开始康复训练；脚蹬脚踏板，根据步骤（2）中的选择的康复模式和轮椅速度，开始康复锻炼并且轮椅开始行进，通过操作杆控制轮椅的前进后退转弯运动；

（4）停止康复训练与轮椅行进；当使用者想停止康复训练时，则停止脚蹬运动或者通过操作面板操作强行停止康复电机的转动从而停止外骨骼的运动；康复运动停止情况下，使用者通过停止对操作杆的操作即能够停止轮椅的运动；康复运动进行过程中，使用者通过在操作面板对按键的操作完成停止轮椅运动的控制。

优选地，所述其中康复训练模式包括以下方面：

（1）被动训练模式：使用者下肢运动完全由外骨骼带动；

（2）主动康复训练模式：使用者自己完成康复锻炼，外骨骼电机不提供主动力；

（3）主被动融合助力训练模式：使用者及康复电机各自分别提供部分力量完成康复训练；

（4）智能模式：该模式下根据实时监测的使用者生理信号和人机交互力的大小实现机器人在主动康复训练模式和主被动融合助力康复训练模式的自动切换；在智能模式下，若所施加力的大小可以维持主观意识强度的康复训练，则保持或切换至主动康复训练模式；若施加力的大小不能够维持康复训练，则保持或切换至主被动融合训练模式；

（5）非训练模式：该模式下外骨骼电机抱闸停止外骨骼运动，使用者通过操作面板控制轮椅的移动；

（6）状态检测模式：该模式下控制轮椅电机为抱闸状态，即整体机器人不进行移动。使用者穿戴好外骨骼和传感器后用力蹬踏使外骨骼转动。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

1.本发明可通过轮椅与外骨骼的高效有机结合，可同时完成代步与运动康复功能。

2.通过外骨骼康复运动和轮椅移动的协调控制，能够充分调动使用者参与康复训练的主动性和积极性，消除了其对医疗器械的恐惧心理，在实现轮椅代步的情况下，实现了对使用者下肢的康复性锻炼。

3.通过实时监测反馈使用者的运动意图对机器人进行主从式控制，提前预估了使用者主观需求的康复训练强度，提升了使用者在进行康复训练中的参与感，有助于增强康复训练的效果。

4.轮椅与外骨骼的运动二者之前没有机械连接，通过主从式控制的方式实现代步与运动康复功能，保证了患者的安全。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明

图1是本发明的机器人示意图及主要部件。

图2是本发明操作面板示意图。

图3是本发明的控制系统框图。

图4是轮椅框架示意图。

图5是外骨骼骨架示意图。

1 轮椅电机驱动器，2 力传感器，3 外骨骼电机，4 外骨骼电机驱动器，5 轮椅电机，6 STM32主控制器，7 操作面板，8 轮椅框架，9 外骨骼骨架，10 摇杆，11 急停开关，12主动康复模式开关，13 系统总开关，14 外骨骼动力电开关，15 主被动融合康复模式开关，16 被动康复模式开关，17 自动调节康复模式开关，18 轮椅速度自动调节开关。

具体实施方式

图1所示的是本发明的基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人，所述机器人通过代步功能的轮椅与康复性外骨骼高效组合，实现代步功能的同时，对使用者下肢进行有效的康复训练运动。该机器人由轮椅框架8、外骨骼骨架9、力传感器2及操作面板7等部分组成，其中轮椅框架8中的动力部件为轮椅电机5及轮椅电机驱动器1，外骨骼中的动力部件为外骨骼电机3及外骨骼电机驱动器4。

轮椅电机驱动器1安装在轮椅框架8中，并与轮椅电机5通过电线相连接，用于控制轮椅电机5的启停和运转。

力传感器2安装在脚踏板上，通过导线与安装在轮椅框架8上的STM32主控制器6相连，其检测到的使用者的腿部力量变化大小通过STM32主控制器6转化为电信号控制机器人中所述外骨骼电机3及轮椅电机5的运动，从而控制机器人的启停、运动速度的快慢及主动、被动、主被动融合的康复训练模式。

外骨骼电机3是外骨骼的动力部件，其与外骨骼的运动部件机械连接，从而驱动外骨骼产生运动，带动使用者的下肢运动。

外骨骼电机驱动器4固定在轮椅框架8上，通过导线与外骨骼电机3及STM32主控制器6相连，通过接收STM32主控制器6的控制信号，控制外骨骼电机3的运动；同时将外骨骼电机3的运动的反馈信息，反馈给STM32主控制器6。

轮椅电机5及轮椅电机驱动器1固定在轮椅框架8上，是轮椅框架的动力部件，通过双电机控制轮椅框架的前进、后退、转弯等运动。

STM32主控制器6固定在轮椅框架8上，通过导线与力传感器2、外骨骼电机驱动器4、轮椅电机驱动器1连接及操作面板7连接。其接收力传感器2的力信号及操作面板7输入的使用者操作信号，从而输出信号控制外骨骼电机驱动器4与轮椅电机驱动器1的转动；同时接收外骨骼电机驱动器4与轮椅电机驱动器1的反馈信号，调节运动控制，从而实现反馈控制。

图2所示的是本发明的操作面板，包括摇杆10、急停开关11、主动康复模式开关12、系统总开关13、外骨骼动力电开关14、主被动融合康复模式开关15、被动康复模式开关16、自动调节康复模式开关17、轮椅速度自动调节开关18。

操作面板7安装在轮椅框架上，通过导线与外骨骼电机驱动器4、轮椅电机驱动器1及STM32主控制器6相连接，用于向轮椅电机驱动器1输入控制信息及向外骨骼电机驱动器输4入外骨骼康复信息。

图3所示的是本发明机器人的控制系统框图。其中展示了本发明机器人控制系统各部分之间的关系。

中心控制器接收来自控制面板的功能控制信号，以及来自传感器系统、外骨骼电机驱动器的反馈信号。基于使用者对操作面板的操作进行运行模式的选择，在实现外骨骼运动与轮椅移动之间的协调控制的同时，通过力传感器实时对使用者下肢的运动状态进行检测，充分考虑使用者的主观参与性，根据用户功能选择，规划各驱动器控制，通过阻抗控制及反馈完成不同康复训练模式，实现康复与代步外骨骼机器人人机系统的实时协同、柔顺控制。

控制面板由用户操作，包括手柄和功能按键，其向所述中心控制器输出功能控制信号，向轮椅电机控制器输出轮椅转向信号。

轮椅电机驱动器与左右两侧的轮椅电机电连接，根据从控制面板接收到的轮椅转向信号、从中心控制器接收到的轮椅转速信号，控制两侧的轮椅电机，从而调整轮椅的转速和转向。

外骨骼电机驱动器能够驱动外骨骼电机伺服运动，其从中心控制器接收控制信号，并向中心控制器发送反馈信号，包括速度、电流、阻抗的信号。

传感器系统能够向中心控制器发送反馈信号。其中，传感器系统可以包括腿部表面肌电信号传感器，能够测量腿部表面的肌电信号。传感器系统还可以包括足部力传感器，能够测量足部的力量。

图4是轮椅框架示意图。在一优选的实施例中，该轮椅框架包括轮椅支架、轮椅坐垫、轮椅靠背、轮椅左右扶手、转向轮、左轮椅后轮、右轮椅后轮。在优选的实施例中，该轮椅框架还可以包括轮椅坐垫位置调整机构，以用于根据使用者的身体情况对轮椅坐垫的高度位置和/或前后位置进行调整，从而使得使用者的能够感觉更加舒适。

图5是外骨骼骨架示意图。在一优选的实施例中，该外骨骼框架包括外骨骼固定件、左右大腿杆件、左右小腿杆件、左右髋关节连接轴、左右膝关节连接轴、左右踝关节连接轴，以及左右脚踏板。左右脚踏板的轴分别通过一连接杆基本对称地连接到一共同旋转轴上，该共同旋转轴安装在上述轮椅框架的转向轮上方。左右髋关节连接轴基本安装在上述轮椅框架的左右扶手位置。

根据本发明的机器人具有三种康复运动模式，包括主动训练模式、被动训练模式，以及主被动融合的康复训练模式。

在优选的实施例中，对于康复运动模式判定过程通过比例系数K值来表示。使用者坐上轮椅，脚蹬外骨骼踏板，通过脚底力传感器检测到的力的变化情况确定使用者康复前初始力量大小，从而判定K值的大小。假设脚蹬车运动需要的力大小为F₀，使用者脚蹬车时力的变化量为ΔF_u，则

如果患者腿部没有力量（K=0），则通过控制电机，带动人腿完成康复训练，此时为完全被动康复训练。

如果人体下肢力量足够（K≥1），则外骨骼只辅助人腿运动不提供助力（K=1），必要时还可以通过电机反转提供部分阻力供使用者锻炼（K>1），此时为完全主动训练状态。

当使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成脚蹬车运动时（0<K<1），此时可为患者提供部分助力，此时为主被动融合的康复模式。

在优选的实施例中，脚蹬车运动的速度与轮椅行进的速度之间包含正相关的反馈调节，即使用者脚蹬车越快，轮椅前进速度越快，反之亦然，使用者脚蹬车停止，轮椅停止运动，由此让使用者感觉到是自己蹬车前进的,可有效提升使用者参与感及康复锻炼意愿。该过程是通过康复过程中力的控制来实现的。可通过如下公式描述：

F_r=(1-K)·ΔF_m+KΔF_u (0≤K)

其中，F_r为康复运动过程所需力的大小，ΔF_m为康复电机提供的力的大小，ΔF_u为患者腿部提供的力的大小。由此可见，该康复运动过程是人机相互协调运动控制的结果。

轮椅的速度是使用者的意愿与所述脚底传感器检测到的运动过程中力的变化大小共同决定的，该过程可用如下公式描述：

V=K₁·ΔF+ΔS

其中K₁为设定的比例系数，ΔF为检测到的传感器的力的大小，ΔS为使用者通过操作所述的操作面板对轮椅速度的控制信息，通过上述两者的协调运动，实现对轮椅速度的控制。

在优选的实施例中，轮椅的运动与外骨骼的康复运动在机构上是彼此独立的，通过主从式控制的方式将其高效结合实现代步与康复的功能，因此所述机器人可根据使用者意图完成下述功能：原地康复锻炼、只代步而不进行康复锻炼、代步与康复锻炼同时进行。

在优选的实施例中，3种模式可根据力传感器的反馈信息进行相互切换。在所述的主动康复模式下，若检测到使用者主观参与意识减弱时，机器人可自动切换至主被动融合康复模式运行。在主被动融合康复模式下，使用者可调节所需助力的大小以适应不同强度的康复训练；同时，若检测到使用者主动运动意识增强时，机器人可切换至主动康复模式；若检测到主动运动意识减弱，则自动切换到被动康复模式下。在被动康复模式下，若外骨骼检测到使用者主观的康复运动意识增强，则机器人可切换至主被动融合助力训练模式下运行。

在所述的主从式控制方法中，主动运动是指使用者的运动意图，通过脚底力传感器感知到；从动运动是轮椅与康复外骨骼的运动。通过所述的力传感器检测使用者的力量变化大小控制机器人的启停，运动速度的快慢及主动、被动、主被动融合的康复训练模式。所述的机器人上的操作面板可供使用者对轮椅部分进行前进、后退、转向的控制以及康复训练模式的选择和调节。

其具体实施过程包括：

（1）使用者坐上轮椅后，脚放在脚踏板上，系好绑带使外骨骼与使用者下肢固定在一起，准备康复锻炼。

（2）康复锻炼模式及轮椅速度选择与校准。在使用者放松的情况下及开始按照自我意识开始蹬脚踏板，记录这两种情况下脚底力传感器的力的变化情况，并确定康复训练模式即确定所述K值的大小；同时按照康复者意愿选择轮椅速度。

（3）开始康复训练。脚蹬脚踏板，根据（2）中的选择的康复模式和轮椅速度，开始康复锻炼并且轮椅开始行进，通过操作杆控制轮椅的前进后退转弯运动。

（4）停止康复训练与轮椅行进。当使用者想停止康复训练时，可停止脚蹬运动或者通过操作面板操作强行停止康复电机的转动从而停止外骨骼的运动。康复运动停止情况下，使用者只需要停止对操作杆的操作即可停止轮椅的运动；康复运动进行过程中，使用者可在操作面板对按键的操作完成停止轮椅运动的控制。

其中主从式控制康复模式包括以下方面：

（1）被动训练模式：使用者下肢运动完全由外骨骼带动。

（2）主动康复训练模式：使用者自己完成康复锻炼，外骨骼电机不提供主动力。

（3）主被动融合助力训练模式：使用者及康复电机各自分别提供部分力量完成康复训练。

（4）智能模式：该模式下根据实时监测的使用者生理信号和人机交互力的大小实现机器人在主动康复训练模式和主被动融合助力康复训练模式的自动切换。在智能模式下，若所施加力的大小可以维持主观意识强度的康复训练，则保持或切换至主动康复训练模式；若施加力的大小不能够维持康复训练，则保持或切换至主被动融合训练模式。

（5）非训练模式：该模式下外骨骼电机抱闸停止外骨骼运动，使用者通过操作面板控制轮椅的移动。

（6）状态检测模式：该模式下控制轮椅电机为抱闸状态，即整体机器人不进行移动。使用者穿戴好外骨骼和传感器后用力蹬踏使外骨骼转动。

Claims (8)

1.一种基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人，包括轮椅、外骨骼，以及中心控制器，其中

所述轮椅包括操作面板、轮椅电机驱动器和轮椅电机；在所述轮椅电机驱动器的控制下，所述轮椅电机能够驱动所述轮椅进行移动；

所述外骨骼包括外骨骼电机驱动器、外骨骼电机，以及传感器系统；在所述外骨骼电机驱动器的控制下，所述外骨骼电机能够驱动所述外骨骼带动使用者下肢进行运动；

所述中心控制器能够接受来自所述操作面板的功能控制信号和来自所述传感器系统的反馈信号，设定所述机器人的康复运动模式，并向轮椅和外骨骼输出控制信号，使所述外骨骼运动与所述轮椅的移动能够协调控制。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述操作面板包括摇杆、急停开关、主动康复模式开关、系统总开关、外骨骼动力电开关、主被动融合康复模式开关、被动康复模式开关、自动调节康复模式开关，以及轮椅速度自动调节开关。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述传感器系统包括腿部表面肌电传感器。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述传感器系统包括足部力传感器。

5.根据权利要求4所述的机器人，其特征在于，所述轮椅的移动速度用如下公式确定：

V＝K₁·△F+△S

其中K₁为设定的比例系数，△F为足部力传感器检测到的力的大小，△S为使用者通过操作所述的操作面板对轮椅速度的控制信息。

6.根据权利要求4所述的机器人，其特征在于，所述外骨骼康复运动模式的判定过程通过康复比例系数K值来表示：

$K=\frac{{\mathrm{\&Delta;F}}_u}{F_0}(K\&GreaterEqual;0)$

其中F₀为脚蹬车运动需要的力大小，△F_u为使用者脚蹬车时力的变化量；

如果康复者腿部没有力量，此时通过控制，判定K＝0，则通过控制电机，带动人腿完成康复训练，此时为完全被动康复训练；

如果人体下肢力量足够，判定K≥1，则当K＝1时外骨骼只辅助人腿运动而不提供助力，当K>1时通过电机反转提供部分阻力供使用者锻炼，此时为完全主动训练状态；

当使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成脚蹬车运动时，判定0<K<1，此时可为患者提供部分助力，此时为主被动融合的康复模式。

7.一种使用根据权利要求1-6中任一项所述的基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人进行康复训练的方法，包括以下步骤：

(1)使用者坐上轮椅后，脚放在脚踏板上，系好绑带使外骨骼与使用者下肢固定在一起，准备康复锻炼；

(2)康复锻炼模式及轮椅速度选择与校准；在使用者放松的情况下及开始按照自我意识开始蹬脚踏板，记录这两种情况下脚底力传感器的力的变化情况，并确定康复训练模式；同时按照康复者意愿选择轮椅速度；

(3)开始康复训练；脚蹬脚踏板，根据步骤(2)中的选择的康复模式和轮椅速度，开始康复锻炼并且轮椅开始行进，通过操作杆控制轮椅的前进后退转弯运动；

(4)停止康复训练与轮椅行进；当使用者想停止康复训练时，则停止脚蹬运动或者通过操作面板操作强行停止康复电机的转动从而停止外骨骼的运动；康复运动停止情况下，使用者通过停止对操作杆的操作即能够停止轮椅的运动；康复运动进行过程中，使用者通过在操作面板对按键的操作完成停止轮椅运动的控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述其中康复训练模式包括以下方面：

(1)被动训练模式：使用者下肢运动完全由外骨骼带动；

(2)主动康复训练模式：使用者自己完成康复锻炼，外骨骼电机不提供主动力；

(3)主被动融合助力训练模式：使用者及康复电机各自分别提供部分力量完成康复训练；

(4)智能模式：该模式下根据实时监测的使用者生理信号和人机交互力的大小实现机器人在主动康复训练模式和主被动融合助力康复训练模式的自动切换；在智能模式下，若所施加力的大小可以维持主观意识强度的康复训练，则保持或切换至主动康复训练模式；若施加力的大小不能够维持康复训练，则保持或切换至主被动融合训练模式；

(5)非训练模式：该模式下外骨骼电机抱闸停止外骨骼运动，使用者通过操作面板控制轮椅的移动；

(6)状态检测模式：该模式下控制轮椅电机为抱闸状态，即整体机器人不进行移动。使用者穿戴好外骨骼和传感器后用力蹬踏使外骨骼转动。