CN106974801A - 一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，其步骤：采用包括扭矩传感器、角度传感器、数据采集单元、智能控制单元、电机、脚板、座椅和传动元件的下肢痉挛智能康复装置，在康复过程中与患者固定在一起的脚板具有一个跖屈‑背屈方向的自由度；根据患者的小腿长度和脚的高度调整康复装置中各部分结构的尺寸；采用零力矩控制方法对脚板进行极限角度测量，得到最大背屈位置和最大跖屈位置；将测得的最大背屈和最大跖屈角度传输至智能控制单元生成理想轨迹，并根据该理想轨迹进行基于PSMC的控制，实现对下肢痉挛拉伸康复的安全性控制。本发明能提高下肢痉挛康复装置性能，增强利用下肢痉挛智能康复装置进行CPM疗法时的疗效及安全性。

Description

一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法

技术领域

本发明涉及一种康复安全性控制方法，特别是关于一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法。

背景技术

根据《2016年脑卒中流行病学报告》，截止2016年，我国脑卒中患者的数量有7000万人，不同地区的脑卒中年龄标准化患病率约260-719/10万人，每年新发脑卒中200万人。脑卒中发病后极易留下偏瘫、痉挛、挛缩等后遗症，严重影响运动功能，继而影响生活质量。合理、适当、及时的康复理疗，能够有效帮助患者复建，缓解病痛，恢复运动功能。但现今设置康复科的医院很少，理疗师的数量也很少。大量的脑卒中患者的康复需要，与医院中康复科设置的缺失以及临床经验丰富的康复理疗师的匮乏，形成了突出矛盾。因此，发展针对脑卒中患者的病后康复的康复机器人具有很大的必要性。而在脑卒中患者发病后，脚踝是伤害几率最高的部位之一，并且脚踝是人体运动尤其是下肢运动的关键部位，对于恢复行走等运动功能至关重要，因此尤其需要针对脚踝的下肢痉挛康复装置。

Continuous passive motion(CPM),即连续被动牵伸，是一种已被证实对缓解痉挛、挛缩有效的脚踝物理康复疗法，并且适合于通过机器设备来实施。CPM疗法的主要内容，是测量了患者脚踝的活动范围Range of Motion(ROM)之后，在测得范围内沿背屈和跖屈方向连续反复牵拉患者的脚踝。用智能康复设备代替理疗师对患者进行康复治疗，可以减轻康复师的工作量，使更多的患者能有接受康复治疗的机会，还可以弥补理疗师经验的不足，实现精准恰当的牵拉，同时记录为疗效评估所必需的患者的机能参数。

虽然下肢痉挛智能康复装置已经得到了一定发展，但康复较之于治疗还没有引起足够的重视，对康复过程安全性的关注则更少。利用机器设备进行CPM疗法的过程，还存在许多包括安全问题在内的隐患。首先，ROM的测量还多为理疗师用传统角度尺手工测量，费时耗力并且存在较大测量误差，使牵拉不够充分，继而影响牵拉效果。其次，目前国际上的下肢痉挛智能康复装置进行脚踝牵拉时多基于位置跟踪，并多使用PID控制器。为了提高控制精度，必须增大控制增益，但大的控制增益意味着系统的稳定性降低，在遇到突发情况如电源、传感器、CPU等故障时容易导致超调、震荡等危及患者人身安全的现象。此外，由于PID带来的稳定性问题，通常ROM也都会设置得偏小，同样影响牵拉效果。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，该方法能提高下肢痉挛康复装置性能，增强利用下肢痉挛智能康复装置进行CPM疗法时的疗效及安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)采用针对脑卒中患者的下肢痉挛智能康复装置，其包括扭矩传感器、角度传感器、数据采集单元、智能控制单元、电机、脚板、座椅和传动元件；扭矩传感器安装在电机减速器输出端与脚板之间，角度传感器安装在脚板背面，，在康复过程中与患者固定在一起的脚板具有一个跖屈-背屈方向的自由度；2)牵拉准备：根据患者的小腿长度和脚的高度调整康复装置中座椅高度、座椅与脚板间距以及脚板支撑模块的高度，以保证患者的踝关节转动与脚板转动同轴，并且坐下时小腿与水平面呈30度夹角；3)采用零力矩控制方法对脚板进行极限角度测量，并利用控制器切换固定脚板，得到最大背屈位置；4)使脚板向下即向跖屈方向转动，然后重复3)记录最大跖屈位置；5)将步骤3)、步骤4)中分别测得的最大背屈和最大跖屈角度传输至智能控制单元生成理想轨迹，并根据该理想轨迹进行基于PSMC的控制，实现对下肢痉挛拉伸康复的安全性控制。

进一步，所述步骤3)中，采用零力矩控制方法对脚板进行极限角度测量步骤如下：3.1)扭矩传感器将测得的施加于脚板上的总力矩τ，与理想力矩零做差得到零力矩控制所需要施加的力矩-τ；3.2)根据零力矩控制所需要施加的力矩-τ以及电机的力矩系数K_T得到电机需施加的理想电流I_d；3.3)电机需施加的理想电流I_d经过包含实际电流反馈的电流闭环后，转化为脉冲宽度调制波形PWM波传送给电机，实现力矩控制；3.4)在步骤3.3)的力矩控制下，理疗师先用手扳动脚板，使脚板向上即向背屈方向转动，当理疗师感到脚板已经无法再向上转时，初定为已到极限位置，此时通过基于PSMC的控制使脚板固定在该极限位置，然后与患者沟通确定该位置是否为最佳位置，即既能保证充分牵拉，也不会伤害患者脚踝，然后由数据采集单元记录角度传感器的读值，作为最大背屈位置。

进一步，所述步骤3.2)中，电机需施加的理想电流I_d为：

进一步，所述步骤5)中，基于PSMC的控制过程包括以下步骤：5.1)根据理想轨迹得到理想角度θ_d和理想速度由角度传感器测得脚板当前实际角度θ和实际速度将理想角度θ_d、理想速度实际角度θ、实际速度输入PSMC控制器，由PSMC算法得到控制量τ_psmc；5.2)由脚板当前实际角度θ算得重力补偿τ_gc和静摩擦力补偿τ_fc，将控制量τ_psmc、重力补偿τ_gc和静摩擦力补偿τ_fc加在一起，即得当前电机应输出的理想力矩τ_d；5.3)当前电机应输出的理想力矩τ_d经过包含电流环的力矩控制器，得到此时应施加给脚板的力矩τ，并将该力矩τ作用至脚板。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将理疗师参与的零力矩控制和PSMC应用于下肢痉挛智能康复装置中，以提高CPM康复过程安全性方法。2、本发明通过更好的运动控制方式，减轻理疗师的工作量，提升疗法各阶段的安全性和最终的疗效。

附图说明

图1是本发明的零力矩控制框图；

图2是在理疗师参与下的ROM测量过程示意图；

图3是本发明基于PSMC的控制框图；

图4是本发明理想轨迹跟踪图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，主要是通过更好的运动控制方式，减轻理疗师的工作量，提升疗法各阶段的安全性和最终的疗效。本发明包括以下步骤：

1)采用针对脑卒中患者的下肢痉挛智能康复装置，其包括扭矩传感器、角度传感器、数据采集单元、智能控制单元、电机、脚板、座椅和传动元件等。其中，扭矩传感器安装在电机减速器输出端与脚板之间，角度传感器安装在脚板背面，数据采集单元和智能控制单元分别设置在外部电路板上，电机输出轴连接皮带传动等传动元件，驱动脚板转动。

在康复过程中与患者固定在一起的脚板具有一个跖屈-背屈方向的自由度，便于实现CPM(连续被动牵伸)疗法，以及采集并记录康复过程中的各项生物物理信息。

2)牵拉准备：根据患者的小腿长度和脚的高度(足底至踝关节转动点的距离)，调整康复装置中各部分结构的尺寸，例如座椅高度、座椅与脚板间距以及脚板支撑模块的高度等，以保证患者的踝关节转动与脚板转动同轴，并且坐下时小腿与水平面呈30度夹角；

3)采用零力矩控制方法对脚板进行极限角度测量，如图1所示，零力矩控制原理是使得脚板上施加的总力矩为零，具体过程包括以下步骤：

3.1)扭矩传感器将测得的施加于具有跖屈-背屈方向自由度的脚板上的总力矩τ，与理想力矩零做差得到零力矩控制所需要施加的力矩-τ；

3.2)根据零力矩控制所需要施加的力矩-τ以及电机的力矩系数K_T得到电机需施加的理想电流I_d：

3.3)电机需施加的理想电流I_d经过包含实际电流反馈的电流闭环后，转化为脉冲宽度调制波形PWM波传送给电机，实现力矩控制；

3.4)在步骤3.3)的力矩控制下，理疗师先用手扳动脚板，使脚板向上即向背屈方向转动，当理疗师感到脚板已经无法再向上转时，初定为已到极限位置，此时通过基于PSMC的控制(基于代理器的滑模控制)使脚板固定在该极限位置，然后与患者沟通确定该位置是否为最佳位置，即既能保证充分牵拉，也不会伤害患者脚踝，然后由数据采集单元记录角度传感器的读值，作为最大背屈位置，如图2所示；

4)使脚板向下即向跖屈方向转动，然后重复3)记录最大跖屈位置；

5)将步骤3)、步骤4)中分别测得的最大背屈和最大跖屈角度传输至智能控制单元，即可生成理想轨迹，并根据该理想轨迹进行基于PSMC的控制，实现对下肢痉挛拉伸康复的安全性控制；

基于PSMC的控制过程包括以下步骤(如图3所示)：

5.1)根据理想轨迹可得到理想角度θ_d和理想速度由角度传感器测得脚板当前实际角度θ和实际速度将理想角度θ_d、理想速度实际角度θ、实际速度输入PSMC控制器，由PSMC算法即可算得控制量τ_psmc。

5.2)同时，由脚板当前实际角度θ可算得重力补偿τ_gc和静摩擦力补偿τ_fc，将控制量τ_psmc、重力补偿τ_gc和静摩擦力补偿τ_fc加在一起，即得当前电机应输出的理想力矩τ_d；

5.3)当前电机应输出的理想力矩τ_d经过包含电流环的力矩控制器，得到此时应施加给脚板的力矩τ，并将该力矩τ作用至脚板。使用时，康复装置在PSMC的控制下，会将脚板沿根据极限位置预设的如图4所示的理想轨迹往复牵拉，为使脚板到达极限位置后能保持稳定，在接近理想位置时将脚板速度变缓，因此曲线在接近最大背屈角度和最大跖屈角度时有两个拐点。

综上所述，本发明涉利用理疗师参与的零力矩控制和PSMC提高基于下肢痉挛智能康复装置的CPM康复安全性控制方法，理疗师参与的零力矩控制应用于脚踝极限角度的测量中，以保证测量过程的安全性，同时实现减轻理疗师的劳动力；PSMC控制应用于反复牵拉中，它可以在保证轨迹跟踪精准的同时，保证能够在在遇到突发情况如电源、传感器、CPU等故障时能够实现缓慢、平滑的恢复，避免PID等控制器等会造成大误差下超调、震荡等不稳定现象的问题。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用针对脑卒中患者的下肢痉挛智能康复装置，其包括扭矩传感器、角度传感器、数据采集单元、智能控制单元、电机、脚板、座椅和传动元件；扭矩传感器安装在电机减速器输出端与脚板之间，角度传感器安装在脚板背面，，在康复过程中与患者固定在一起的脚板具有一个跖屈-背屈方向的自由度；

2)牵拉准备：根据患者的小腿长度和脚的高度调整康复装置中座椅高度、座椅与脚板间距以及脚板支撑模块的高度，以保证患者的踝关节转动与脚板转动同轴，并且坐下时小腿与水平面呈30度夹角；

3)采用零力矩控制方法对脚板进行极限角度测量，并利用控制器切换固定脚板，得到最大背屈位置；

4)使脚板向下即向跖屈方向转动，然后重复3)记录最大跖屈位置；

5)将步骤3)、步骤4)中分别测得的最大背屈和最大跖屈角度传输至智能控制单元生成理想轨迹，并根据该理想轨迹进行基于PSMC的控制，实现对下肢痉挛拉伸康复的安全性控制。

2.如权利要求1所述的一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用零力矩控制方法对脚板进行极限角度测量步骤如下：

3.1)扭矩传感器将测得的施加于脚板上的总力矩τ，与理想力矩零做差得到零力矩控制所需要施加的力矩-τ；

3.2)根据零力矩控制所需要施加的力矩-τ以及电机的力矩系数K_T得到电机需施加的理想电流I_d；

3.3)电机需施加的理想电流I_d经过包含实际电流反馈的电流闭环后，转化为脉冲宽度调制波形PWM波传送给电机，实现力矩控制；

3.4)在步骤3.3)的力矩控制下，理疗师先用手扳动脚板，使脚板向上即向背屈方向转动，当理疗师感到脚板已经无法再向上转时，初定为已到极限位置，此时通过基于PSMC的控制使脚板固定在该极限位置，然后与患者沟通确定该位置是否为最佳位置，即既能保证充分牵拉，也不会伤害患者脚踝，然后由数据采集单元记录角度传感器的读值，作为最大背屈位置。

3.如权利要求2所述的一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，其特征在于：所述步骤3.2)中，电机需施加的理想电流I_d为：

$I_d=-\frac{\mathrm{\τ}}{K_T}.$

4.如权利要求1所述的一种下肢痉挛拉伸康复安全性控制方法，其特征在于：所述步骤5)中，基于PSMC的控制过程包括以下步骤：

5.1)根据理想轨迹得到理想角度θ_d和理想速度由角度传感器测得脚板当前实际角度θ和实际速度将理想角度θ_d、理想速度实际角度θ、实际速度输入PSMC控制器，由PSMC算法得到控制量τ_psmc；

5.2)由脚板当前实际角度θ算得重力补偿τ_gc和静摩擦力补偿τ_fc，将控制量τ_psmc、重力补偿τ_gc和静摩擦力补偿τ_fc加在一起，即得当前电机应输出的理想力矩τ_d；

5.3)当前电机应输出的理想力矩τ_d经过包含电流环的力矩控制器，得到此时应施加给脚板的力矩τ，并将该力矩τ作用至脚板。