CN106602969B - 一种外骨骼机器人用电机的自检校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种外骨骼机器人用电机的自检校正系统及方法，该电机包括驱动外骨骼机器人本体的驱动模块，该驱动模块包括伺服电机，以及电机自检校正模块；该自检校正方法如下：每天康复使用者使用该外骨骼机器人进行康复训练前启动所述自检校准模块；采用霍尔传感器记录每天的自检误差补偿值；此外还可以针对该补偿值形成每个康复训练模式下的补偿值；对于在康复训练模式下临时加入的新训练步骤和随后的各训练步骤的电机校正，也可以给出相应的电机补偿值。本发明的电机自检校正步骤简单，且满足了在外骨骼机器人对于康复训练精度的高要求。

Description

一种外骨骼机器人用电机的自检校正系统及方法

技术领域

本发明属于外骨骼机器人领域，特别是外骨骼机器人所用的电机的校正。

背景技术

外骨骼机器人在康复医疗领域有重要的应用，外骨骼机器人在帮助人们康复的时候，可以根据预先设定电机转动程序，这些程序包括电机的转动速度，转动加速度，转动方向，转动的时间等，由电机带动连杆机械臂带动外骨骼本体的移动，这些外骨骼本体的移动一方面起到了减轻负重的作用。另一方面这些动作因为遵循一定的康复训练规范，所以起到了科学恢复的作用。正是因为与病人康复息息相关，因此除要求外骨骼本体的可靠以外，电机是否能正确执行指令，执行指令时是否能达到规定的位置，对电机的可靠性都是一个严格的要求。因此对电机的自检校正显得尤为重要。现有的对电机自检校正都没有针对外骨骼机器人的特别要求，在电机装备外骨骼机器人之前就完成了电机的校正，不能够做到使用过程中的实时校正，更没有做到对康复训练模式的特别校正，因此发明一种针对外骨骼机器人康复训练的电机校正系统显得尤为重要。

发明内容

在外骨骼机器人的辅助康复训练中，对外骨骼机器人本体中关节，辅助移动件的转动和移动精确度都有较高的要求。若是关节和辅助移动件的转动、移动精度不够，会影响到使用者的训练康复效果，严重的会造成相反的有害影响。

本发明提出一种外骨骼机器人用电机的自检校正系统及方法，该电机包括驱动外骨骼机器人本体的驱动模块，该驱动模块包括伺服电机，以及电机自检校正模块；该自检校正方法包括如下步骤：1)每天康复使用者使用该外骨骼机器人进行康复训练前启动所述自检校准模块；2)所述自检校正模块中包括一霍尔传感器，该霍尔传感器检测电机的转动位置，开始自检时，电机先顺时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录顺时针总转动角度θ₁；3)在伺服电机停止转动后再逆时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录逆时针总转动角度θ₂；上述逆时针转动和顺时针转动的角速度ω相同，并且均为匀速转动；4)用顺时针转动的总角度θ₁减去逆时针转动总角度θ₂其差值Δθ＝θ₁-θ₂作为该天的自检误差补偿值δ，δ＝Δθ，上述电机是外骨骼机器人中的任意一个或几个；5)完成电机当天的自检校正，外骨骼机器人开机工作；6)每天重复上述电机自检误差校正过程，直到整个训练计划完成。

本发明的一种优选方案：将所述的每天的电机误差补偿值进行记录，所述自检校正模块内有一存储器，记录每天的所述Δθ和所述电机误差补偿值δ，从而形成康复训练模式的误差补偿数据库，当再次进行该康复训练模式时，读取该误差值补偿数据库中的每天的电机误差补偿值δ对电机进行校正，代替所述步骤2)-4)。当其他使用者或该使用者再次使用该训练模式，只需调用该存储器中的补偿数据库，在每天进行康复训练前读取该补偿数据库中该天对应的误差补偿值，即可完成校正。

上述发明技术方案的发明点包括但不限于：对电机采用顺时针转动后再进行逆时针转动，记录正反转后的电机转动偏移量。通过引入该校正方法用于外骨骼机器人每天的训练计划之前，可以使电机带动外骨骼本体运动执行训练步骤更加精准。

本发明的上述技术方案的优选实施方式，所述的训练模式至少有两个，每一训练模式对于一个补偿数据库。

上述发明技术方案的发明点包括但不限于：创造性地提出一个针对电机的补偿数据库。通过该补偿数据库，能够在电机的精准补偿与校正时间达到很好的平衡，在每天校正时间相比可以缩短的情况下还保证了电机补偿精度。

本发明的上述技术方案的优选实施方式，对于每种训练模式都可以在每天临时加入训练步骤，所述自检校正模块对对临时加入的该训练步骤的电机补偿进行自检校正补偿。

所述自检校正模块在补偿数据库中查找该训练模式下相同训练步骤的补偿值，若未找到该补偿值，则查找相似度高的训练步骤的补偿值，若未找到补偿值，则将该临时加入训练步骤电机校准补偿值设定为该模式的平均补偿值。

上述发明技术方案的发明点包括但不限于：提出可以在完全训练模式下允许对每一训练模式都可以临时的加入训练步骤，并且可以针对这一训练步骤进行有效的电机补偿。这样有助于提高训练的灵活，并且针对这一临时加入的训练步骤也可以做到有效的电机补偿。

本技术方案中相似度高的训练计划是指身体同一部位肢体骨折康复的训练计划。

本技术方案中。所述模式的平均补偿值计算公式为：其中是该模式下的平均补偿值；δ_i是指第i天的电机校准补偿值，i＝1,2,3,……n；n为该模式下训练总天数。

当所述临时加入训练步骤加入后，后续的每天的电机补偿值为：δ’＝δ+aδ＝Δθ+aΔθ；其中δ’是加入临时训练步骤后每天电机补偿值，a为补偿因子，该a因该康复训练模式不同而不同。对于下肢长期卧床后恢复行走类康复训练模式，设定a为0.05；对于需要减少体重的保持健康类康复训练模式，设定a为0.08。

上述发明技术方案的发明点包括但不限于：能够对引入临时训练步骤后的训练计划中的后续步骤也能进行有效步骤。针对不同类型的训练计划，引入不同的补偿因子，其中对于下肢长期卧床后恢复行走类康复训练模式，设定a为0.05；对于需要减少体重的保持健康类康复训练模式，设定a为0.08。这一补偿因子的设定是通过大量的实验结果总结得出的结果，是申请人创造性劳动智慧的结晶，并非普通实验手段能够得到的。

本发明还包括实现上述技术方案的系统。

该电机的自检校正系统包括一驱动外骨骼机器人本体的驱动模块，该驱动模块包括伺服电机，以及电机自检校正模块；所述自检校正模块中包括一霍尔传感器，该霍尔传感器检测电机的转动位置，开始自检时，电机先顺时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录顺时针总转动角度θ1；在伺服电机停止转动后带动再逆时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录逆时针总转动角度θ2；上述逆时针转动和顺时针转动的角速度ω相同，并且均为匀速转动；在电机自检校正模块中存在一计算单元，该计算单元计算顺时针转动的总角度θ₁减去逆时针转动总角度θ₂，其差值Δθ＝θ₁-θ₂作为该天的自检误差补偿值δ，δ＝Δθ；上述电机是外骨骼机器人中的任意一个或几个；该电机自检校正模块每天重复上述电机自检误差校正过程，直到整个训练计划完成。

所述自检校正模块内有一存储器，记录每天的电机误差补偿值δ，从而形成康复训练模式的误差值补偿数据库；当其他使用者或该使用者再次使用该训练模式，只需调用该存储器中的补偿数据库，在每天进行康复训练前读取该补偿数据库中该天对应的误差补偿值，即可完成校正。

对于临时加入的该训练步骤的电机补偿，所述自检校正模块在补偿数据库中查找该训练模式下相同训练步骤的补偿值，若未找到该补偿值，则查找相似度高的训练步骤的补偿值，若未找到补偿值，则将该临时加入训练步骤电机校准补偿值设定为该模式的平均补偿值。

如权利要求8所述的外骨骼机器人用电机的自检校正系统，对于每种康复训练模式，若某天临时加入训练步骤，对于临时加入的该训练步骤的电机补偿，所述自检校正模块对该临时加入的训练步骤的电机进行自检校正补偿。对于所述临时加入的训练步骤，驱动模块中的一控制器首先查找该模式下相同训练步骤的补偿值，如果没有该模式下相同的训练步骤，则查找相似度高的训练步骤的补偿值；如果没有相似度高的训练步骤的补偿值，则将补偿值设定为该模式的平均补偿值。

上述的外骨骼机器人用电机的自检校正系统中，当所述临时加入训练步骤加入后，后续的每天的电机补偿值为：δ’＝δ+aδ＝Δθ+aΔθ；其中δ’是加入临时训练步骤后每天电机补偿值，a为补偿因子，该a因该康复训练模式不同而不同。

附图说明

图1本发明电机自检校正实施例1流程图。

图2本发明电机自检校正实施例2流程图。

图3本发明电机自检校正实施例3流程图。

具体实施方式

结合附图详细描述实施例，实施例1:

一种外骨骼机器人的电机自检校正方法及系统，其流程如下：所述电机自检校正模块在每天启动所述外骨骼机器人工作前自动启动自检校正；所述自检校正模块中包括有霍尔传感器，该霍尔传感器检测电机的转动情况位置，开始自检时，电机先进行顺时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录顺时针总转动角度θ₁，待该伺服电机停止转动后再逆时针转动，时间为t，通过所述霍尔传感器记录逆时针总转动角度θ₂，记录所述两个角度的差值Δθ＝θ₁-θ₂，上述顺时针和逆时针转动角速度ω相同，都预先设定为电机匀速时的转速，将该差值Δθ作为电机的该动作补偿值δ＝Δθ；第1天该差值为Δθ1，补偿值为δ1；第二天该差值为Δθ2，补偿值为δ2；第n天该差值为Δθn，补偿值为δn；其中顺时针转动的时间可以设置为30秒、60秒或90秒；上述电机可以是外骨骼机器人中的任意电机中的一个或几个。当得到补偿值后，对电机当天工作前该按补偿值进行校正，所采用的校正方法采用本领域中现有的常规校正方法，使电机转动的初始位置θ₀+δ作为最新的初始位置。

上述技术方案中，因为康复训练者每天的训练动作都不一样，因此在第二天的康复训练前都进行电机的自检校正，可以最大程度地对电机机械转动的误差进行准确校正，从而可以最大程度的保证第二天训练的电机在执行康复动作的准确性，这一点对于医疗用途的康复训练显得尤其重要；若是训练动作例如电机带动外骨骼机器人本体臂部转动的角度不合适，不仅不能达到恢复训练的目的，反而会对使用者的身体造成大的二次伤害。而现有的外骨骼机器人的电机校正大都是在出厂前完成，在使用过程中并无该自检校正程度，这样会在使用一段时间后出现误差，而且这一误差随着电机使用的频率增多，误差会越来越大，并且难以被查觉，从而会对康复训练者的使用精度造成影响，从而影响康复训练的完成。而上述技术方案中在外骨骼机器人的每次使用前都进行自检校正，从而有效的防止了电机转动误差越来越大的问题，保证了康复训练的效果。

以某训练模式下每天外骨骼机器人本体某一下肢辅助件在电机带动下摆动位置误差在没有经过电机校正补偿和经过电机校正补偿后的结果比较：为了简单起见，下表只列出了在X-Y-Z三维坐标系下，X轴方向移动位移总量的比较。

从上表可以看出：在没有进行电机自检校正的情况下，某下肢辅助件位移总量与标准的位移总量相比，最大误差为第六天的误差值达到1.25cm；且每天的误差并没有规律。而使用了本发明的电机自检校正系统及其方法后，最大误差发生在第五天，其误差值为0.03cm。该误差因电机每天进行了自检校正补偿而大大的减小。

实施例2：

在上述技术方案的基础上，提供一种更高效的电机自检校正技术方案，这一方法可以在实时校正的基础上，提高校正的效率。所述外骨骼机器人提供多种康复训练模式，所述康复训练模式是针对不同的康复训练者的康复或训练目的而定制的，例如长期卧床病人的下肢恢复训练，医生根据该类患者制定每天的恢复动作，这些每天的恢复动作包括帮助肢体转动的角度，转动的速度和转动的次数等形成训练疗程，作为康复训练模式I；该外骨骼机器人还可以作为健康人群的下肢力量训练机器，对于下肢力量训练需求，同样也可以制定每天的训练动作；而这些每天的训练动作形成训练计划，作为康复训练模式II。即上述的康复训练模式是由每天的训练者每天的训练动作指令组成的，这些指令包括了其中所有电机的随时间变化的转动参数；当训练者预先选定好训练模式之后，每天在开始训练前进行电机的自检校正，该自检校正由驱动模块自动完成，具体为：在所述驱动模块中的存储器存储有每一电机的第一康复训练模式下的每天的电机误差补偿值δ；从而形成康复训练模式的误差值补偿数据库；当其他使用者或该使用者再次使用该训练模式，只需调用该存储器中的补偿数据库，在每天进行康复训练前读取该补偿数据库中该天对应的误差补偿值，即可完成校正。如下表所示：训练模式I的训练时间一共有n天，训练模式II的训练时间一共有j天。每种训练模式下对外骨骼机器人的各关节等本体结构的将每一种训练模式的电机的转动要求都各不相同，因此补偿量在各模式下也各不相同。下表中为简单起见，只列出了训练模式I以及训练模式II，可以理解，该训练模式不只2个；另外每种训练模式下只列出一个电机，可以理解，实际的外骨骼机器人所用到的电机数量不只1个。下表中校正补偿量δ与对应的训练时间以数据库的形式存储于存储器中，以备在自检校正过程中使用。

这一校正模式是对上述技术方案中实时进行自检校正的进一步优化，这一优化简化了每天的校正步骤，每天康复训练前不需要进行实时自检校正，每种所述的康复训练模式下的电机误差－时间关系数据库是已经预先下载在驱动模块的存储器之中，每天康复训练前只需要加载所对应的误差即可，从而压缩了校正所用时间，同时又最大程度的保留了校正的精度。所述数据库的形成也可以不在使用者的首次使用后建立；也可以在电机调试安装在外骨骼机器人内的过程中形成，即针对每种所述康复训练模式，预先对每天的自检误差值存储在存储器中，形成每种康复训练模式的电机自检校正数据库。这一改进的技术方案在保证精确校正的同时，也节约了每位使用者使用的宝贵时间。

与实施例1相同，也测定了某训练模式下，经过调用存储器中的补偿数据库后进行补偿所得到的误差统计表，为了简单起见，下表只列出了在X-Y-Z三维坐标系下，X轴方向移动位移总量的比较(Y轴、Z轴结论类似，不再赘述)。

从上表可以看出：在没有进行电机自检校正的情况下，某下肢辅助件位移总量与标准的位移总量相比，最大误差为第六天的误差值达到1.22cm；且每天的误差并没有规律。而使用了本发明的电机补偿数据库自检校正系统及其方法后，最大误差发生在第十天，其误差值为0.11cm。该误差因电机每天进行了自检校正补偿大大的减小，并且节省了每天自检校正的时间。

实施例3：

在上述技术方案的基础上，提供另一优选电机自检校正技术方案。康复训练因每位使用者的个人差异，康复恢复会有慢有快，因此如果只采用一种训练计划针对每一位训练人员，难免康复效果会大打折扣；因此在康复训练过程中会对计划进行更改。当训练计划更改后，会影响到上述技术方案中已经建立的误差－时间校准数据库；因此对于临时加入的训练步骤，驱动模块中的一控制器首先查找该模式下相同训练步骤的补偿值；如果没有该模式下相同的训练步骤，则查找相似度高的训练步骤的补偿值；如果没有相似度高的训练步骤的补偿值，则将补偿值设定为该模式的平均补偿值。上述提到的相似度高的训练步骤是指针对a)同类人：例如都是7-12岁儿童，b)同性别：例如都是男性或女性；c)同一身体部位的恢复：例如都是右下肢因长期卧床不起的康复行走；若a),b),c)三者条件满足其中的任意两个，则为相似度高的训练步骤；所述模式的平均补偿值计算公式为：其中是该模式下的平均补偿值；δ_i是指第i天的电机校准补偿值，i＝1,2,3,……n；n为该模式下训练天数。其中的临时的训练步骤，是指在该康复训练计划下的某天的训练步骤；也可以是在其他康复训练计划下的某天的训练步骤；本发明中所述的训练步骤是指具体的外骨骼机器人指导使用者康复的肢体活动的角度，速度，时机等。例如抬起左脚向右前方15度，保持10秒后回位等。还提供一更优选的实施例：由于临时加入了训练步骤，从而对后续的原训练计划产生影响，原定的每天电机补偿值并不能代表补偿真实发生的电机转动误差量。为此进行大量实验，发现：可以对不同类型的康复训练设定不同的补偿因子a，以抵消加入临时训练步骤后对后续的每天电机补偿值不准确的影响。该补偿因子a，具体补偿方式为：δ’＝δ+aδ，其中δ’是加入临时训练步骤后每天电机补偿值，δ是存储器中存储的每天的电机误差补偿值δ。对于下肢长期卧床后恢复行走类康复训练，虽然这类康复训练计划因年龄，性别等方面存在一定差异，但差异并不大，根据实验数据，统一设定为0.05；对于需要减少体重的保持健康类康复训练，虽然这类康复训练计划因年龄，性别等方面存在一定差异，但差异并不大，根据实验数据，统一设定为0.08。可参见下表进行计算：

与之前的实施例相同，也测定了某训练模式下，经过调用存储器中的补偿数据库后进行补偿所得到的误差统计表，为了简单起见，下表只列出了在X-Y-Z三维坐标系下，X轴方向移动位移总量的比较。

从上表可以看出：在没有进行电机自检校正的情况下，某下肢辅助件位移总量与标准的位移总量相比，最大误差为第六天的误差值达到1.22cm；且每天的误差并没有规律。而使用了本发明的电机补偿数据库自检校正系统及其方法后，最大误差发生在第十天，其误差值为0.12cm。该误差因电机每天进行了自检校正补偿大大的减小，并且节省了每天自检校正的时间。

Claims (10)

1.一种外骨骼机器人用电机的自检校正方法，其特征在于，该电机包括驱动外骨骼机器人本体的驱动模块，该驱动模块包括伺服电机，以及电机自检校正模块；该自检校正方法包括如下步骤：1)每天康复使用者使用该外骨骼机器人进行康复训练前启动所述自检校准模块；2)所述自检校正模块中包括一霍尔传感器，该霍尔传感器检测电机的转动位置，开始自检时，电机先顺时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录顺时针总转动角度θ₁；3)在伺服电机停止转动后再逆时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录逆时针总转动角度θ₂；上述逆时针转动和顺时针转动的角速度ω相同，并且均为匀速转动；4)用顺时针转动的总角度θ₁减去逆时针转动总角度θ₂其差值Δθ＝θ₁-θ₂作为该天的自检误差补偿值δ，设置δ＝Δθ；上述电机是外骨骼机器人中的任意一个或几个；5)完成电机当天的自检校正，外骨骼机器人开机工作；6)每天重复上述步骤1)-5)的电机自检校正方法，直到整个训练计划完成；其中，当得到补偿值后，对电机当天工作前按所述补偿值进行校正，使电机转动的初始位置θ₀+δ作为最新的初始位置。

2.如权利要求1所述的外骨骼机器人用电机的自检校正方法，其特征在于，将所述的每天的电机误差补偿值进行记录，所述自检校正模块内有一存储器，记录每天的所述Δθ和所述电机误差补偿值δ，从而形成康复训练模式的误差补偿数据库，当再次进行该康复训练模式时，读取该误差值补偿数据库中的每天的电机误差补偿值δ对电机进行校正，代替所述步骤2)-4)。

3.如权利要求1-2任一项所述的外骨骼机器人用电机的自检校正方法，其特征在于，所述的康复训练模式至少有两个，每一康复训练模式对应一个补偿数据库。

4.如权利要求3所述的外骨骼机器人用电机的自检校正方法，其特征在于，对于每种康复训练模式，若某天临时加入训练步骤，对于该临时加入训练步骤的电机补偿，所述自检校正模块对该临时加入训练步骤的电机进行自检校正补偿。

5.如权利要求4所述的外骨骼机器人用电机的自检校正方法，其特征在于，当所述临时加入训练步骤加入后，后续的每天的电机补偿值为：δ’＝δ+aδ＝Δθ+aΔθ；其中δ’是加入临时训练步骤后每天电机补偿值，a为补偿因子，该a因该康复训练模式不同而不同。

6.如权利要求5所述的外骨骼机器人用电机的自检校正方法，其特征在于，下肢长期卧床后恢复行走类康复训练模式，设定a为0.05；对于需要减少体重的保持健康类康复训练模式，设定a为0.08。

7.一种外骨骼机器人用电机的自检校正系统，其特征在于，包括一驱动外骨骼机器人本体的驱动模块，该驱动模块包括伺服电机，以及电机自检校正模块；所述自检校正模块中包括一霍尔传感器，该霍尔传感器检测电机的转动位置，开始自检时，电机先顺时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录顺时针总转动角度θ1；在伺服电机停止转动后带动再逆时针转动，时间为t，通过该霍尔传感器记录逆时针总转动角度θ2；上述逆时针转动和顺时针转动的角速度ω相同，并且均为匀速转动；在电机自检校正模块中存在一计算单元，该计算单元计算顺时针转动的总角度θ1减去逆时针转动总角度θ2，其差值Δθ＝θ1-θ2作为该天的自检误差补偿值δ，设置δ＝Δθ；上述电机是外骨骼机器人中的任意一个或几个；该电机自检校正模块每天重复上述电机自检误差校正过程，直到整个训练计划完成；其中，当得到补偿值后，对电机当天工作前按所述补偿值进行校正，使电机转动的初始位置θ₀+δ作为最新的初始位置。

8.如权利要求7所述的外骨骼机器人用电机的自检校正系统，其特征在于，将所述的每天的电机误差补偿值进行记录，所述自检校正模块内有一存储器，记录每天的所述Δθ和所述电机误差补偿值δ，从而形成康复训练模式的误差补偿数据库，当再次进行该康复训练模式时，读取该误差值补偿数据库中的每天的电机误差补偿值δ对电机进行校正；所述的康复训练模式至少有两个，每一康复训练模式对应一个补偿数据库。

9.如权利要求8所述的外骨骼机器人用电机的自检校正系统，其特征在于，对于每种康复训练模式，若某天临时加入训练步骤，对于临时加入的该训练步骤的电机补偿，所述自检校正模块对该临时加入的训练步骤的电机进行自检校正补偿；对于所述临时加入的训练步骤，驱动模块中的控制器首先查找该模式下相同训练步骤的补偿值，如果没有该模式下相同的训练步骤，则查找相似度高的训练步骤的补偿值；如果没有相似度高的训练步骤的补偿值，则将补偿值设定为该模式的平均补偿值。

10.如权利要求9所述的外骨骼机器人用电机的自检校正系统，其特征在于，当所述临时加入训练步骤加入后，后续的每天的电机补偿值为：δ’＝δ+aδ＝Δθ+aΔθ；其中δ′是加入临时训练步骤后每天电机补偿值，a为补偿因子，该a因该康复训练模式不同而不同。