CN106726341A - 基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人及其控制方法，变刚度肘关节康复机器人带动患者肘关节在矢状面进行屈伸康复训练，通过力传感器和光电角度编码器获取小臂的力信息和位置信息，选取变刚度肘关节康复机器人的最优刚度参数后，计算出变刚度肘关节康复机器人的输出力和输出位移，进而控制变刚度肘关节康复机器人带动患者肢体运动来进行康复训练的装置。本发明可以使患者避免刚性冲击和痉挛产生的二次伤害，减小康复装置对于患者的负载，增加人机交互的柔顺性和舒适性，满足不同康复时期对于不同驱动力矩的要求，加快患者的康复进程，变刚度肘关节康复机器人为患者创造一个安全、舒适、自然并具备主动柔顺性的训练环境。

Description

基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人及其控制 方法

【技术领域】

本发明属于康复医疗器械与机器人技术领域，涉及一种基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人及其控制方法。

【背景技术】

康复训练机器人是通过带动患者肢体进行康复训练的一种新型的人机合作机器人，旨在利用机器人原理，把智能控制与人体运动相结合，以代替人工进行康复训练。康复机器人通过标准化重复运动，达到促进神经功能重塑、恢复患者运动及控制能力的目的。康复机器人的优点如下：承受的工作强度高，性能稳定；提高康复训练的效率，降低人力成本；实时监测与记录患者康复状态的参数变化，便于制定康复方案。

相比较传统机器人只要求实现精确的位置控制，康复机器人不仅要求位置控制，还要求控制康复训练中的人机间交互力大小，防止人机间的碰撞及患者在康复训练过程中的痉挛现象导致人机交互力过大，对患者造成二次损伤。目前研究的变刚度机器人因其变刚度特性可以调节人机间交互力的大小，可以增强人机间的柔顺性、舒适性。但变刚度机器人的实现形式多种多样，如何有效地结合在康复训练中是一个问题。

随着康复训练的进行，患者处于四种不同的康复模式：被动模式、助力模式、主动模式和阻力模式。当患者运动能力不断提高时，康复机器人提供的驱动力就要越来越小，这要求康复机器人具有变刚度的特性，但在不同的康复模式中如何选取不同的刚度系数还没有一个指导准则。

【发明内容】

本发明的目的是为了解决以上技术问题，提供一种基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人及其控制方法，该装置能够对患者进行符合人机交互的柔顺性、自然性的康复训练，还满足不同康复时期对于不同驱动力的要求，有利于加快患者的康复进程。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人，包括驱动机构和执行机构；驱动机构固定于升降柱上，执行机构采用能够与患者手臂配合工作的外骨骼护臂；外骨骼护臂通过传动机构与驱动机构相连。

本发明进一步的改进在于：

驱动机构采用两个固定在升降柱上的伺服电机，升降柱固定在地上。

传动机构包括分别安装于两个伺服电机输出轴上的齿轮组，齿轮组的轴通过涨紧套固定安装第一带轮，外骨骼护臂的小臂部分焊接有第二带轮，第一带轮和第二带轮通过缠绕在其上的钢丝绳连接。

外骨骼护臂包括铝合金外壳，以及设置于铝合金外壳内侧的树脂内层，树脂内层与人体上肢大臂和小臂接触。

人体上肢小臂部分和树脂内层之间固定有力传感器，第二带轮的中间固定有光电角度编码器。

一种基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人的控制方法，包括以下步骤：

人机阻抗匹配模型由人体上肢阻抗系数辨识和人机阻抗参数耦合模型两部分构成，利用质量-弹簧-阻尼模型表示人体上肢小臂的动力学特性：

其中，F_int为变刚度肘关节康复机器人与人体上肢小臂的相互作用力，M_e为人体上肢小臂的惯性参数，B_e为人体上肢小臂的阻尼参数，K_e为人体上肢小臂的刚度参数，X为人体上肢小臂的位移参数，为人体上肢小臂的速度参数，为人体上肢小臂的加速度参数，F_int、M_e和X均能够利用传感器测量，与分别通过一阶求导和二阶求导求出，再利用最小二乘法求解出B_e与K_e的估计值与

根据人体上肢小臂的阻尼比系数λ、人体上肢小臂运动轨迹与正常运动轨迹重合比例和平均周期作用力得到患者的康复状态：

其中，为平均周期作用力，T为采样时间，N为采样点，将患者的阻抗参数和患者的康复状态指标输入至人机阻抗参数耦合模型，在人机能量传递效率最高的原则下，输出变刚度肘关节康复机器人的刚度参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

变刚度肘关节康复机器人采用钢丝绳传动，可使驱动机构和执行机构分开，减小康复装置的驱动机构对于患者的负载，采用双电机和钢丝绳15(不要标数字)的组合来实现变刚度特性，简单易行，升降柱可以满足肘关节在任意高度进行康复训练，变刚度肘关节康复机器人的变刚度特性可以使患者避免刚性冲击伤害，增加人机交互的柔顺性和舒适性，通过人机阻抗匹配模型实时求解适合于患者康复的最优康复机器人刚度参数，可满足不同康复时期对于不同驱动力矩的要求，达到“人进机退”的效果，加快被试者的康复进程，变刚度肘关节康复机器人为患者创造一个安全、舒适、自然并且具备主动柔顺性的训练环境。

【附图说明】

图1是本发明的变刚度肘关节康复机器人结构示意图；

图2是本发明的控制方法原理图；

图3是本发明的人机阻抗匹配模型示意图。

其中，1-变刚度肘关节康复机器人；11-第一带轮；12-伺服电机；14-齿轮组；15-钢丝绳；16-第二带轮；17-外骨骼护臂铝合金外壳；18-外骨骼护臂树脂内层；19-外骨骼护臂；2-力传感器；3-光电角度编码器；4-上位机；5-控制卡。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人，其特征在于，包括驱动机构和执行机构；驱动机构固定于升降柱上，执行机构采用能够与患者手臂配合工作的外骨骼护臂19；外骨骼护臂19通过钢丝绳将传动机构与驱动机构相连。驱动机构采用两个固定在升降柱上的伺服电机12，升降柱固定在地上。传动机构包括分别安装于两个伺服电机12输出轴上的齿轮组14，齿轮组14的轴通过涨紧套固定安装第一带轮11，外骨骼护臂19的小臂部分焊接有第二带轮16，第一带轮11和第二带轮16通过缠绕在其上的钢丝绳15连接。外骨骼护臂19包括铝合金外壳17，以及设置于铝合金外壳17内侧的树脂内层18，树脂内层18与人体上肢大臂和小臂接触。人体上肢小臂部分和树脂内层18之间固定有力传感器，第二带轮16的中间固定有光电角度编码器。

本发明的原理：

本发明是通过人机阻抗匹配模型来选取变刚度肘关节康复机器人的最优刚度参数后，通过阻抗控制计算出变刚度肘关节康复机器人的输出力和输出位移，输入至控制卡中，进而控制变刚度肘关节康复机器人带动患者上肢运动来进行康复训练的装置，人机阻抗匹配模型是由小臂阻抗系数辨识和人机阻抗参数耦合模型两部分构成；人机间通过力来交互，按照人机能量传递效率最高的原则进行参数匹配，变刚度肘关节康复机器人是由驱动机构、传动机构、执行机构和辅助机构组成的；驱动机构由两个伺服电机构成；传动机构由钢丝绳15、齿轮组14和带轮构成；辅助机构由升降柱组成；伺服电机通过螺栓连接固定在升降柱上，升降柱固定在地上。伺服电机转动时，通过齿轮组14使第一带轮11转动，通过钢丝绳15传动使第二带轮16转动，从而使变刚度肘关节康复机器人的小臂部分相对其大臂转动，带动小臂进行肘关节的屈伸康复训练。

如图3所示，人机阻抗匹配模型由人体上肢阻抗系数辨识和人机阻抗参数耦合模型两部分构成，具体来说，利用质量-弹簧-阻尼模型表示小臂的动力学特性：

其中，F_int指变刚度肘关节康复机器人与人体上肢小臂的相互作用力，M_e指人体上肢小臂的惯性参数，B_e指人体上肢小臂的阻尼参数，K_e指人体上肢小臂的刚度参数，X指人体上肢小臂的位移参数，指人体上肢小臂的速度参数，指人体上肢小臂的加速度参数，F_int、M_e和X均可利用传感器测量，与可分别通过一阶求导和二阶求导求出，再利用最小二乘法可求解出B_e与K_e的估计值与

根据人体上肢小臂的阻尼比系数λ、人体上肢小臂运动轨迹与正常运动轨迹重合比例和平均周期作用力来综合评价患者的康复状态：

其中，指平均周期作用力，T指采样时间，N指采样点，将患者的阻抗参数和患者的康复状态指标输入至人机阻抗参数耦合模型，在人机能量传递效率最高的原则下，输出变刚度肘关节康复机器人的刚度参数。通过阻抗控制计算出变刚度肘关节康复机器人的输出力和输出位移，输入至控制卡中，控制变刚度肘关节康复机器人来带动患者进行康复训练。

本发明的工作过程：

患者端坐在座椅上，由升降柱根据患者要求调整好变刚度肘关节康复机器人的高度，由变刚度肘关节康复机器人来带动患者上肢进行肘关节在矢状面的屈伸康复训练，通过树脂内层与人体上肢小臂之间的力传感器和在第二带轮中间的光电角度编码器分别获取患者与变刚度肘关节康复机器人的相互作用力和人体上肢小臂的位移参数，输入至上位机中，通过上位机中的人机阻抗匹配模型实时求解出变刚度肘关节康复机器人的最优刚度参数通过阻抗控制计算出变刚度肘关节康复机器人的输出力和输出位移，输入至控制卡中，通过控制卡控制变刚度肘关节康复机器人来带动患者进行屈伸康复训练。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人，其特征在于，包括驱动机构和执行机构；驱动机构固定于升降柱上，执行机构采用能够与患者手臂配合工作的外骨骼护臂(19)；外骨骼护臂(19)通过传动机构与驱动机构相连。

2.根据权利要求1所述的基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人，其特征在于，驱动机构采用两个固定在升降柱上的伺服电机(12)，升降柱固定在地上。

3.根据权利要求2所述的基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人，其特征在于，传动机构包括分别安装于两个伺服电机(12)输出轴上的齿轮组(14)，齿轮组(14)的轴通过涨紧套固定安装第一带轮(11)，外骨骼护臂(19)的小臂部分焊接有第二带轮(16)，第一带轮(11)和第二带轮(16)通过缠绕在其上的钢丝绳(15)连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人，其特征在于，外骨骼护臂(19)包括铝合金外壳(17)，以及设置于铝合金外壳(17)内侧的树脂内层(18)，树脂内层(18)与人体上肢大臂和小臂接触。

5.根据权利要求4所述的基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人，其特征在于，人体上肢小臂部分和树脂内层(18)之间固定有力传感器，第二带轮(16)的中间固定有光电角度编码器。

6.一种基于人机阻抗匹配模型的变刚度肘关节康复机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

人机阻抗匹配模型由人体上肢阻抗系数辨识和人机阻抗参数耦合模型两部分构成，利用质量-弹簧-阻尼模型表示人体上肢小臂的动力学特性：

$F_{\mathrm{int}}=M_e\stackrel{\·\·}{X}+B_e\stackrel{\·}{X}+K_{e}X---\left(1\right)$

其中，F_int为变刚度肘关节康复机器人与人体上肢小臂的相互作用力，M_e为人体上肢小臂的惯性参数，B_e为人体上肢小臂的阻尼参数，K_e为人体上肢小臂的刚度参数，X为人体上肢小臂的位移参数，为人体上肢小臂的速度参数，为人体上肢小臂的加速度参数，F_int、M_e和X均能够利用传感器测量，与分别通过一阶求导和二阶求导求出，再利用最小二乘法求解出B_e与K_e的估计值与

根据人体上肢小臂的阻尼比系数λ、人体上肢小臂运动轨迹与正常运动轨迹重合比例和平均周期作用力得到患者的康复状态：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\hat{B}}_e}{2\sqrt{{\hat{K}}_e{M}_e}}---\left(2\right)$

$\stackrel{\‾}{F}=\frac{1}{T}\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{F}_{\mathrm{int}}---\left(3\right)$

其中，为平均周期作用力，T为采样时间，N为采样点，将患者的阻抗参数和患者的康复状态指标输入至人机阻抗参数耦合模型，在人机能量传递效率最高的原则下，输出变刚度肘关节康复机器人的刚度参数。