CN108888477B - 用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法,通过设定不同患者及不同康复阶段的各个关节的康复力矩曲线，根据患者关节力矩反馈，在康复训练过程中，柔软适配不同患者及不同康复阶段的训练需求，不会生硬拖拽患者下肢，与患者下肢进行柔性作用，提升患者康复体验且避免了外骨骼对患者可能造成的训练损伤；主动训练模式时，无需额外装置，将患者关节力矩按照设定的各个关节不同的主动训练力矩曲线进行训练，与能够灵活方便的实现对患者不同姿态下主动训练力矩的适配，提升了训练的灵活性及康复效果；被动康复训练时，对患者可能出现的痉挛进行保护，同时允许患者主动出力时超前于外骨骼运动，满足了训练的安全性同时避免触发误保护。

Description

用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法

技术领域

本发明属于医疗康复外骨骼技术领域，具体涉及用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法。

背景技术

在中国以及全球范围内，人口老龄化已经成为社会发展的必然趋势。2015年，我国60岁以上老年人口达到2.16亿，约占总人口的16.7％，年均净增老年人口800多万。在老年人群中，脑血管和神经系统疾病的患者众多，其中以脑卒中患者尤为突出。临床医学表明，由于大脑具有可塑造性，准确、及时的重复康复训练能促进神经组织功能进行代偿或者重组，弥补受到损伤的神经细胞所缺失的功能，从而使得患者提高运动控制能力，促进各个关节肌群的协调运动，最终恢复步行功能。

传统康复治疗方法是康复师或护工根据指导反复牵引病人患肢进行康复训练，劳动强度巨大但效率低下，而且康复效果跟护工或家人的专业和熟练程度有关，很难保证康复训练动作的标准性与一致性。

采用下肢康复外骨骼代替康复医师对患者进行康复训练，可提高康复训练的效率以及康复治疗的效果。

由于康复外骨骼直接对患者的肢体进行操作，并且相对健康人肢体来说，患者患肢更容易受到损伤，软瘫期衰弱无力容易脱臼，痉挛期容易拉伤，所以医疗康复外骨骼在保障患肢安全方面要求很高，另外在患者康复训练到能够部分出力的阶段时需要进行主动式康复训练。

传统技术的缺点：

1、传统康复机械按照预设定曲线控制外骨骼运动进行康复训练，缺少柔软度，患者体验不好且易受到二次损伤；

2、传统康复机械在患者具有部分主动出力能力的情况下，无法方便有效的对患者进行主动式康复训练；

造成原因对应以上描述为：

1、传统康复机械在康复训练的过程中缺少容差性，即严格带动患者下肢按照预设步态曲线活动，当患者下肢无法跟随外骨骼运动时，强硬拖拽下肢，影响患者康复体验且易造成损伤；

2、传统康复机械进行患者主动康复训练时对患者施加持续恒定的阻力，不利于患者在不同姿态时对不同训练力矩的需求，或者需要额外肌电接口，不方便使用，增加系统复杂度。

为了解决以上问题我方研发出了一种用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法，医疗康复外骨骼通过电机驱动，柔性控制方法包括：

(一)被动训练模式

被动训练模式的控制方法包括如下步骤：

(1)上位控制系统设定康复步态曲线，该曲线横坐标为时间t，纵坐标为医疗康复外骨骼各个关节的角度设定值θ_set；上位控制系统设定医疗康复外骨骼各个关节的康复力矩曲线，该曲线横坐标为关节角度θ，纵坐标为与关节角度对应的康复力矩设定值T_set，进入下一步骤；

(2)上位控制系统每个控制周期t_c内读取当前各个关节角度位置值θ_fb(k)及当前各个关节力矩反馈值T_fb(k)，进入下一步骤；

(3)然后根据各个关节对应的康复力矩曲线查找对应当前关节角度位置值θ_fb(k)的康复力矩设定值T_set(k)，进入下一步骤；

(4)将关节力矩反馈值T_fb(k)与康复力矩设定值T_set(k)进行比较，进入步骤(5)或(6)；

(5)关节力矩反馈值T_fb(k)在康复力矩设定值范围内时，电机按照康复步态曲线设定的关节角度设定值θ_set(k)进行位置伺服控制，进入步骤(7)；

(6)关节力矩反馈值T_fb(k)超出康复力矩设定值范围时，电机按照康复力矩设定值T_set(k)进行恒转矩控制，进入步骤(7)；

(7)根据康复步态曲线更新下一控制周期的关节角度设定值θ_set(k)，k＝k+1；进入步骤(2)，并以控制周期t_c循环；

(二)主动训练模式

主动训练模式的控制方法包括如下步骤：

(a)设定主动训练灵敏度N毫秒及各个关节的主动训练力矩曲线，该曲线横坐标为关节角度θ，纵坐标为与关节角度对应的主动训练力矩设定值T_train，进入下一步骤；

(b)伺服驱动器每隔N毫秒读取当前各个关节力矩反馈值T_fb(k)及当前各个关节角度位置值θ_fb(k)，进入下一步骤；

(c)将当前各个关节角度位置值θ_fb(k)作为各关节当前的目标关节角度设定值θ_set(k)，进入下一步骤；

(d)根据各个关节对应的主动训练力矩曲线查找对应当前的目标关节角度设定值θ_set(k)的主动训练力矩设定值T_train(k)，进入下一步骤；

(e)将当前关节力矩反馈值T_fb(k)与主动训练力矩设定值T_train(k)进行比较，进入步骤(f)或(g)；

(f)当前关节力矩反馈值T_fb(k)在主动训练力矩设定值T_train(k)范围内时，电机按照当前的目标关节角度设定值θ_set(k)进行位置伺服控制，进入步骤(b)；

(g)当前关节力矩反馈值T_fb(k)超出主动训练力矩设定值T_train(k)范围时，电机按照主动训练力矩设定值T_train(k)进行恒转矩控制，进入步骤(b)，并以灵敏度N毫秒循环一次。

具体地，柔性控制方法还包括防痉挛保护方法：

在被动训练时，设定保护灵敏度θ_safe，实时采集关节角度值θ_fb，当前康复训练角度设定值为θ_set，当前关节转动速度

当|θ_fb-θ_set|＞θ_safe并且

时则判断患者发生痉挛，无法跟随外骨骼运动，上位控制系统保护停机。

本发明的有益效果在于：

本发明的用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法：

1、通过设定不同患者及不同康复阶段的各个关节的康复力矩曲线，根据患者关节力矩反馈，在康复训练过程中，柔软适配不同患者及不同康复阶段的训练需求，不会生硬拖拽患者下肢，避免由于外骨骼的生硬拉拽而可能引起的二次损伤，与患者下肢进行柔性作用，提升患者康复体验且避免了外骨骼对患者可能造成的训练损伤；

2、主动训练模式时，无需额外装置，将患者关节力矩按照设定的各个关节不同的主动训练力矩曲线进行训练，与能够灵活方便的实现对患者不同姿态下主动训练力矩的适配，提升了训练的灵活性及康复效果；

3、被动康复训练时，对患者可能出现的痉挛进行保护，同时允许患者主动出力时超前于外骨骼运动，满足了训练的安全性同时避免触发误保护。

附图说明

图1为本发明中医疗康复外骨骼的结构示意图；

图2为本发明中上位控制系统设定患者康复步态曲线，曲线横坐标为时间t，纵坐标为各个关节的角度设定值θ_set；

图3为本发明中上位控制系统设定患者对应关节的康复力矩曲线，曲线横坐标为关节角度θ，纵坐标为与关节角度对应的力矩设定值T_set；

图4为本发明中被动训练模式的控制流程图；

图5为本发明中主动训练模式的控制流程图；

图6为实施例中左髋关节步态康复曲线图；

图7为实施例中左髋关节康复力矩曲线图；

图8为实施例中左髋关节的主动训练力矩曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法，医疗康复外骨骼通过电机驱动，测量各关节角度θ_fb和关节力矩T_fb，柔性控制方法包括：

(一)被动训练模式(如图4所示)

进行被动康复训练时，外骨骼按照步态曲线带动患者下肢进行运动，对患者提供助力，被动训练模式控制方法如下步骤：

(1)上位控制系统设定患者康复步态曲线(如图2所示)，曲线横坐标为时间t，纵坐标为各个关节的角度设定值θ_set；上位控制系统设定患者对应关节的康复力矩曲线，曲线横坐标为关节角度θ，纵坐标为与关节角度对应的力矩设定值T_set，进入下一步骤；

(2)系统每个控制周期t_c内读取当前时刻各个关节角度位置值θ_fb(k)及当前关节力矩反馈值T_fb(k)，进入下一步骤；

(3)然后根据康复力矩设定曲线查找对应当前关节角度位置值θ_fb(k)的康复力矩设定值T_set(k)，进入下一步骤；

(4)将患者关节力矩反馈值T_fb(k)与康复力矩设定值T_set(k)进行比较，进入步骤(5)或(6)；

(5)在康复力矩设定范围内时，电机按照步态曲线设定的关节角度设定值θ_set(k)进行位置伺服控制，进入步骤(7)；

(6)关节反馈力矩超出设定范围时，电机按照设定的康复力矩设定值T_set(k)进行恒转矩控制，进入步骤(7)；

(7)根据步态曲线更新下一控制周期的关节角度设定值θ_set(k)，k＝k+1；进入步骤(2)，并以控制周期t_c循环；

(二)主动训练模式(如图5所示)

进行主动康复训练时，患者主动出力带动外骨骼运动，外骨骼按照设定的训练力矩对患者下肢施加阻力，主动训练模式控制方法如下步骤：

(a)设定主动训练灵敏度N毫秒及各个关节的主动训练力矩曲线T_train，曲线形式与康复力矩曲线T_set一致，进入下一步骤；

(b)伺服驱动器每隔N毫秒读取各关节的当前关节力矩反馈值T_fb(k)及角度位置值θ_fb(k)，进入下一步骤；

(c)将θ_fb(k)作为各关节当前的目标角度设定值θ_set(k)，进入下一步骤；

(d)根据主动训练力矩曲线查找对应关节角度设定值θ_set(k)的主动训练力矩值T_train(k)，进入下一步骤；

(e)将患者当前关节力矩反馈值T_fb(k)与主动训练力矩值T_train(k)进行比较，进入步骤(f)或(g)；

(f)在力矩设定范围内时，电机按照当前设定的关节角度设定值θ_set(k)进行位置伺服控制，进入步骤(b)；

(g)关节反馈力矩超出设定范围时，电机按照主动训练力矩值T_train(k)进行恒转矩控制，进入步骤(b)，并以灵敏度N毫秒循环一次。

柔性控制方法还包括防痉挛保护方法：

康复外骨骼带动患者下肢运动。当患者发生痉挛无法跟随外骨骼活动时，需要外骨骼及时保护，避免拉伤患者。当患者能够部分出力，超前于外骨骼运动时，属于正常训练，不触发保护，保持训练的连贯性。在被动训练时，设定保护灵敏度θ_safe，实时采集患者关节当前角度位置值θ_fb，当前康复训练角度设定值为θ_set，当前关节转动速度

当|θ_fb-θ_set|＞θ_safe并且

时则判断患者发生痉挛，无法跟随外骨骼运动，系统保护停机。

实施例：

康复外骨骼由两个髋关节电机和两个膝关节电机驱动，各个关节的角度及力矩可以测量得到。

以左髋关节的被动训练模式实现为例：

(1)在控制系统里设置左髋关节步态康复曲线θ_hip__set，如图6所示；在控制系统里设置左髋关节康复力矩曲线T_{hip_set}，如图7所示；

(2)控制周期t_c＝10ms内读取每一时刻左髋关节角度位置值θ_{hip_fb}(k)及关节力矩反馈值T_{hip_fb}(k)；

(3)然后根据康复力矩设定曲线查找对应当前关节角度θ_{hip_fb}(k)的康复力矩设定值T_{hip_set}(k)；

(4)将患者关节力矩反馈值T_{hip_fb}(k)与康复力矩设定值T_{hip_set}(k)进行比较；

(5)当T_{hip_fb}(k)＜T_{hip_set}(k)，进行左髋关节角度位置伺服控制；

(6)当T_{hip_fb}(k)≥T_{hip_set}(k)，进行左髋关节恒转矩控制；

(7)根据步态曲线θ_{hip_set}更新下一控制周期的关节设定角度θ_{hip_set}(k)，k＝k+1；进入步骤(2)，并以控制周期t_c循环。

左髋关节的主动训练模式实现举例：

(a)设定主动训练灵敏度为500ms及左髋关节的主动训练力矩曲线T_{hip_train}如图8所示，进入下一步骤；

(b)伺服驱动器每隔500ms读取左髋关节当前力矩反馈值T_{hip_fb}(k)及角度值θ_{hip_fb}(k)，进入下一步骤；

(c)将θ_{hip_fb}(k)作为左髋关节当前的目标角度θ_{hip_set}(k)，进入下一步骤；

(d)根据主动训练力矩曲线T_{hip_train}查找对应关节角度θ_{hip_set}(k)的主动训练力矩值T_{hip_train}(k)，进入下一步骤；

(e)将患者关节力矩反馈值T_{hip_fb}(k)与主动训练力矩值T_{hip_train}(k)进行比较，进入步骤(f)或(g)；

(f)当T_{hip_fb}(k)＜T_{hip_train}(k)时，电机按照当前设定的关节角度θ_set(k)进行位置伺服控制，进入步骤(b)；

(g)当T_{hip_fb}(k)≥T_{hip_train}(k)时，电机按照主动训练力矩值T_{hip_train}(k)进行恒转矩控制，进入步骤(b)，并以灵敏度500ms循环一次。

被动训练模式下，左髋关节的防痉挛保护实现举例：

设定保护灵敏度θ_safe＝5°，实时采集患者关节当前角度位置θ_{hip_fb}，当前康复训练角度设定值为θ_{hip_set}，当前关节转动速度

当|θ_{hip_fb}-θ_{hip_set}|＞θ_safe并且

时即可判断患者发生痉挛，无法跟随外骨骼运动，系统保护停机。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (2)

1.用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法，医疗康复外骨骼通过电机驱动，其特征在于，柔性控制方法包括：

(一)被动训练模式

被动训练模式的控制方法包括如下步骤：

(1)上位控制系统设定康复步态曲线，该曲线横坐标为时间t，纵坐标为医疗康复外骨骼各个关节的角度设定值θ_set；上位控制系统设定医疗康复外骨骼各个关节的康复力矩曲线，该曲线横坐标为关节角度θ，纵坐标为与关节角度对应的康复力矩设定值T_set，进入下一步骤；

(2)上位控制系统每个控制周期t_c内读取当前各个关节角度位置值θ_fb(k)及当前各个关节力矩反馈值T_fb(k)，进入下一步骤；

(3)然后根据各个关节对应的康复力矩曲线查找对应当前关节角度位置值θ_fb(k)的康复力矩设定值T_set(k)，进入下一步骤；

(4)将关节力矩反馈值T_fb(k)与康复力矩设定值T_set(k)进行比较，进入步骤(5)或(6)；

(5)关节力矩反馈值T_fb(k)在康复力矩设定值范围内时，电机按照康复步态曲线设定的关节角度设定值θ_set(k)进行位置伺服控制，进入步骤(7)；

(6)关节力矩反馈值T_fb(k)超出康复力矩设定值范围时，电机按照康复力矩设定值T_set(k)进行恒转矩控制，进入步骤(7)；

(7)根据康复步态曲线更新下一控制周期的关节角度设定值θ_set(k)，k＝k+1；进入步骤(2)，并以控制周期t_c循环；

(二)主动训练模式

主动训练模式的控制方法包括如下步骤：

(a)设定主动训练灵敏度N毫秒及各个关节的主动训练力矩曲线，该曲线横坐标为关节角度θ，纵坐标为与关节角度对应的主动训练力矩设定值T_train，进入下一步骤；

(b)伺服驱动器每隔N毫秒读取当前各个关节力矩反馈值T_fb(k)及当前各个关节角度位置值θ_fb(k)，进入下一步骤；

(c)将当前各个关节角度位置值θ_fb(k)作为各关节当前的目标关节角度设定值θ_set(k)，进入下一步骤；

(d)根据各个关节对应的主动训练力矩曲线查找对应当前的目标关节角度设定值θ_set(k)的主动训练力矩设定值T_train(k)，进入下一步骤；

(e)将当前关节力矩反馈值T_fb(k)与主动训练力矩设定值T_train(k)进行比较，进入步骤(f)或(g)；

(f)当前关节力矩反馈值T_fb(k)在主动训练力矩设定值T_train(k)范围内时，电机按照当前的目标关节角度设定值θ_set(k)进行位置伺服控制，进入步骤(b)；

(g)当前关节力矩反馈值T_fb(k)超出主动训练力矩设定值T_train(k)范围时，电机按照主动训练力矩设定值T_train(k)进行恒转矩控制，进入步骤(b)，并以灵敏度N毫秒循环一次。

2.根据权利要求1所述的用于医疗康复外骨骼的柔性控制方法，其特征在于，柔性控制方法还包括防痉挛保护方法：

在被动训练时，设定保护灵敏度θ_safe，实时采集关节角度值θ_fb，当前康复训练角度设定值为θ_set，当前关节转动速度

当|θ_fb-θ_set|＞θ_safe并且

时则判断患者发生痉挛，无法跟随外骨骼运动，上位控制系统保护停机。

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