CN108970014B - 一种适用于多个关节的进阶式康复机器人及其康复训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多个关节的进阶式康复机器人及其康复训练方法，该装置包括上部机架、下部机架、中间连杆、可拆卸护具和两个气动肌肉，所述中间连杆下端通过中心转轴与下部机架中部铰接相连，上端与上部机架中部相连；两个气动肌肉顶部与上部机架通过均主动平移机构相连，底部与下部机架通过被动平移机构相连，可拆卸护具固定安装在下部机架上，通过两个气动肌肉的收缩带动可拆卸护具绕着中心转轴转动进行康复训练，通过主动平移机构调整两个气动肌肉之间的相对距离，从而调整进阶式康复机器人运动能力半径。本发明结构简单，能针对患者康复效果进行实时调整，大大提高患者主动参与康复训练的意愿及其康复效果。

Description

一种适用于多个关节的进阶式康复机器人及其康复训练方法

技术领域

本发明属于康复医疗器械领域，涉及一种康复训练机器人，具体涉及一种适用于多个关节的进阶式康复机器人及其康复训练方法。

背景技术

随着我国进入人口老龄化社会，与骨关节损伤相关的患病人群正在逐渐增加，患者术后恢复周期长且往往恢复效果不佳。现代康复医学理论认为，对于关节运动能力受损的患者，在经过前期的手术与药物治疗之后，通过适量、科学的术后辅助康复训练能够有效提高患者运动机能的恢复效果。在患者的术后辅助康复方面，人工辅助康复训练需要耗费大量的人力物力资源，且无法提供客观的量化评价。而在康复机器人的辅助下，康复策略与训练任务可以根据不同患者在不同康复阶段的需求进行调整；此外，借助先进传感技术，康复机器人能对患者的康复训练效果进行实时定量的评价。因此，康复机器人能有效地解决传统人工辅助训练中存在的问题，从而提高患者的康复训练效果。

液压缸、电机等传统刚性机器人驱动方式易导致患者在康复训练中受到二次伤害。而气动肌肉作为一种柔性驱动器，能够提供柔顺的辅助力，在机器人关节驱动方面表现出优越性。现有的柔性康复机器人多为针对单一关节损伤部位而设计的医疗器具，适用范围有限、结构复杂导致资源利用率不高。中国专利200720088558.5提出的肩关节康复训练装置，使用四根气动肌肉驱动器提供肩关节两个活动自由度，一方面系统冗余度高，另一方面需要将康复训练装置佩戴在患者背上，增加了患者的负担。中国专利201310476999.2提出的一种气动肌肉驱动的穿戴式肘关节康复训练装置仅适用于单自由度肘关节康复训练，所述装置组件过多，在选择康复部位以及康复运动自由度方面均存在局限性。针对肩关节、肘关节、膝关节等单关节康复训练的机器人关节驱动原理相似，设计一种结构简单且能同时应用于多个不同关节的康复机器人，提高设备利用率的同时也能有效降低目前昂贵的康复设备给患者带来的经济压力。中国专利201620133907.X中提出的一种拮抗式气动肌肉驱动的变转轴大转角仿生膝关节，采用拮抗肌肉对的驱动形式。该机构虽然具有仿生柔性特性，但其装置为固定结构无法调节机构参数与辅助输出大小，难以满足不同患者的康复需求。中国专利201210415541.1提出的机构参数可调的通用型气动肌肉仿生关节机构，其气动肌肉配置可进行人工调节以改变关节运动范围输出，但存在操作繁琐、调节精度低、调节范围小等问题。针对肩、肘、膝等不同关节运动范围和辅助需求的差异性，需要设计一种新型的自动化调节装置有效提高机构参数调节的便捷性与精确性。此外，根据人体关节康复相关的医学文献可知，患者的系统康复一般分为急性期（初期）、亚急性期（中期）、功能期（后期）三个阶段。在康复初期，患者不能做任何随意运动，只能依靠康复辅助设备进行持续被动训练，此时所需的关节运动范围小，关节辅助力矩大；在康复中期，患者已经恢复一定的主动运动能力，除了基础的被动康复训练，还应增加患者参与的主动训练，此时所需的关节运动范围较初期要大，并且由于患者可以主动参与，辅助力矩可以相应减小；在康复后期，患者已经恢复大部分运动功能，主要是患者的主动训练，应尽可能增大关节的运动范围，并进一步减小辅助力矩。可以看出，对应于不同康复阶段，患者所需的关节运动范围以及辅助力矩大小存在渐进式变化趋势。现有的大多数康复机器人所能提供的关节运动区间以及辅助输出力矩范围固定，多仅能满足患者在某一阶段的康复训练需求，并未考虑患者在整个康复进程中的渐进式康复状态与康复需求变化，不能实现机器人辅助的进阶式康复训练。中国专利201410041058.0提出了一种踝关节康复机器人及其主被动复合训练策略，该装置结构较为复杂笨重并且其所提供的输出力矩与运动范围具有局限性，无法满足关节损伤较为严重的患者在前期被动训练时辅助需求，不具备分阶段康复训练特性。因此，设计一种能够针对患者所处的不同康复阶段的辅助需求和运动能力，实时调整机器人机构参数以提供合适的关节运动范围及辅助输出力矩，并根据患者运动状态反馈进行实时辅助输出调节的进阶式康复机器人控制系统，对于提高患者的关节康复效率与推广智能康复设备的市场应用至关重要。

综上所述，设计一种能够实现肩关节、肘关节、膝关节等多个关节康复功能并具有自动化调节机构的康复训练装置，并提出一种能适用于患者不同康复阶段的进阶式康复机器人控制策略，进而形成一套完整的个性化康复训练系统对于患者康复治疗具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述背景技术中存在的不足，提出一种结构简单、操作便捷且适用于多个关节康复训练的康复机器人及其控制系统。该机器人运动角度、力矩等辅助输出能完全满足人体多个关节自然运动所需，并且适用于肘关节、肩关节、腕关节、膝关节等部位在不同阶段的康复训练，针对形体参数与运动能力不同的患者可实现快速的个性化机构调整与适应性控制。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种适用于多个关节的进阶式康复机器人，其特征在于：包括上部机架、下部机架、中间连杆、可拆卸护具和两个气动肌肉，所述中间连杆下端通过中心转轴与下部机架中部铰接相连，上端与上部机架中部相连，一起组成工字型结构；两个气动肌肉分别设于中间连杆两侧的上部机架和下部机架之间，且气动肌肉与上部机架通过主动平移机构相连，气动肌肉下端与下部机架通过被动平移机构相连，所述可拆卸护具固定安装在下部机架上，通过两个气动肌肉的收缩带动可拆卸护具绕着中心转轴转动进行康复训练，通过主动平移机构调整两个气动肌肉之间的相对距离，从而调整进阶式康复机器人运动能力半径。

作为改进，所述主动平移机构包括滑轨和滑块，滑轨固定安装在上部机架两侧，气动肌肉顶部与相应侧的滑块通过关节轴承相连，两个滑块通过直线运动驱动装置驱动沿着滑轨运动，通过调整两个滑块之间的相对距离，从而调整两个气动肌肉之间的相对距离。

作为改进，所述被动平移机构包括设于下部机架两侧的滑槽和设于滑槽内可自由滑动的U形轮，气动肌肉底部通过关节轴承与相应侧的U形轮相连，U形轮上设有可将其在滑槽内位置固定的锁紧螺栓。

作为改进，所述直线运动驱动装置为分别驱动上部机架两侧的两个滑块运动的同步带装置，所述同步带装置包括主传动轴、从传动轴及分别设于主传动轴和从传动轴上的同步带轮，主传动轴和从传动轴分别安装于上部机架单侧滑轨两端，主传动轴和从传动轴分上的同步带轮之间通过同步带相连，同步带与滑块固定相连，两个同步带装置的主传动轴通过齿轮啮合传动，其中一个主传动轴通过步进电机驱动。

作为改进，所述中间连杆为可调长度连杆，具体分为上部连杆和下部连杆，上部连杆内设有竖直方向的U形槽，下部连杆通过锁紧螺栓安装在U形槽内，上部连杆和下部连杆的相对位置调整好后，通过拧紧锁紧螺栓进行锁定。

作为改进，还包括控制系统，所述控制系统包括上位机、气压比例阀、位移传感器、角度传感器以及力传感器，所述位移传感器有两个，分别测量两个气动肌肉的位移，所述角度传感器设于下部机架中部的中心转轴处，用于测量下部机架旋转角度，所述力传感器设于下部机架与可拆卸护具连接处，用于测量进阶式康复机器人输出力矩，所述气压比例阀用于控制两个气动肌肉的伸缩，上位机通过气压比例阀、位移传感器、角度传感器以及力传感器采集数据，传输至上位机，通过上位机综合评估患者的实时运动状态和康复水平。

作为改进，所述上部机架通过可旋转粗短轴安装在横梁上，通过可旋转粗短轴可调整整个进阶式康复机器人的悬垂状态。

作为改进，所述横梁安装在调整支架上，所述调整支架包括Y轴导轨、Z轴导轨和X轴导轨，所述Y轴导轨固定在底面或基座上，Z轴导轨顶部通过滑块安装在Y轴导轨上，X轴导轨顶部通过滑块安装在Z轴导轨上，横梁通过滑块安装在X轴导轨上，通过调整支架可调整进阶式康复机器人在控制范围内任意位置。

一种适用于多个关节的进阶式康复机器人的康复训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据目标康复部位初步选择对应的进阶式辅助康复模式，基于患者前期已有的运动能力相关的医师评估结果，设定康复进程的起始康复训练任务及机器人辅助输出，调节机构运动能力半径至所需初始值；

步骤二、康复训练中实时采集位移、角度、力矩等数据反馈患者的运动状态并评估患者康复水平，基于上述状态反馈与康复评估结果，控制系统将实时调节机器人运动能力半径以设定合理的康复训练模式与任务难度；

步骤三、在评估后所确立的康复期间内，处于康复初期的患者可按照所设定的机器人期望运动轨迹进行被动训练；

步骤四、经过一段时间训练后，返回步骤二重新进入康复评估阶段，患者恢复一定运动机能后可参与机器人辅助的主动训练，根据患者当前运动能力和康复水平评估结果，实时调整机器人的运动范围和辅助输出力矩，促进患者的进一步主动参与；

步骤五、结合上述步骤三和四所述的主被动训练模式，形成一种适用于多个关节的机器人辅助进阶式康复训练方法。

作为改进，被动训练按照针对机器人关节运动的自抗扰滑模控制策略进行，该自抗扰滑模控制策略为基于扩张观测器的非奇异终端滑模控制，具体流程如下：

建立关节的运动学方程，根据患者所处康复期及恢复程度规划期望角度运动轨迹，通过安装的角度传感器采集实际转动角度/>，将关节期望轨迹/>及实际轨迹/>代入该运动学方程，得出对应左右气动肌肉的期望运动轨迹/>和实际运动轨迹/>；

其中为气动肌肉在不充气状态下的初始长度，/>为气动肌肉前后安装部分的长度，/>为中间连杆的高度，/>为关节运动能力调节半径，具体为气动肌肉顶部到中间连杆之间的水平距离；

建立关节的动力学模型，得出其关节辅助输出力矩：

为气动肌肉作用力对应于中心转轴的力臂，其值可通过所建立的关节运动学模型换算得出：

为由气动肌肉的三元素动态模型所得的两侧气动肌肉末端所受的力：

其中为气动肌肉的运动位移（轴向收缩长度），/>分别是收缩项，非线性阻尼项，弹性项，它们都与气动肌肉的内部气压有关。/>为建模所得参数，/>为负载，/>为输入气压，由于实验系统存在摩擦、测量误差等因素，需要对所测得的模型参数增加误差补偿项/>。

根据所得气动肌肉的期望轨迹和实际运动轨迹/>作为输入信号，采用基于扩张观测器的非奇异终端滑模控制实现两侧气动肌肉的运动控制进而实现关节的运动控制，以非奇异终端滑模控制为基础推导得出系统控制方程，同时采用扩张观测器在线估计并补偿系统的不确定量，利用差分进化优化算法对滑模上位机的参数进行整定从而实现整体运动机构的高精度运动控制并保证柔顺性；

考虑将代入上式所得的三元素动态模型中

对此模型进行转换，令

得：

为期望运动轨迹，令/>，设计切换函数为

取指数趋近律所得控制律为：

式中，为可调参数，由于所得的控制律存在误差项/>，故采用扩张观测器将系统中的不确定量作为扩张状态进行在线估计，令/>，扩张状态变量为/>：

式中，取值为正实数参数，/>和/>为观测器状态，/>为观测误差。在通过扩张观测器得到扩张状态/>的估计值之后，最后所得的控制律为：

在进行实际控制时，需要设计合理的控制参数，采用差分优化算法寻找最优的控制参数。算法内部包括变异、交叉、选择这三步遗传操作。

首先借助群体中个体间的差分信息对个体进行变异，采用N个四维实参向量（目标调节参数）作为初始种群，从群体中随机选择3个个体/>，其中为当前最优，按照如下方式进行变异：

式中，为差分比例因子，/>为当前变异矢量。

然后采用基于概率机制执行交叉操作，选择变异矢量与父代矢量/>进行交叉，生成试验矢量/>，具体操作如下：

式中，为交叉概率，/>为[0,1]之间的随机小数。

最后算法通过贪婪选择机制更新种群。其中贪婪选择机制中的适应度函数设置为跟踪误差的均方值。将试验矢量的参数代入控制系统中，计算出对应的适应度函数的值，如果试验矢量所得的适应度函数值较小，则更新子代，否则不做改变。反复执行以上步骤，直至达到最大的迭代次数或者得到满意的适应度函数值，由此获得最优参数值。

通过差分进化算法寻找到最优控制参数值之后，再根据控制律计算所得的控制输出量/>作为气动肌肉的控制输入量进而实现关节的运动控制。

本发明有益效果是：

本发明通过上述结构安装说明以及相关控制方法，能够实现帮助存在肩关节、肘关节、膝关节等关节运动障碍的患者进行多个关节机器人辅助康复训练功能。本发明机构设计简单轻便、柔顺性强、安全度高，其关节运动辅助输出能完全满足上述人体目标康复关节自然运动所需；机构参数可快速调整、操作便捷，应用于不同形体参数与运动能力的患者，并满足患者在不同康复阶段的康复需求。本发明提出的进阶式辅助康复训练策略及其控制系统更符合现代康复医学理论对于患者关节损伤康复提出的建议，通过实时采集患者的输出力矩以及可运动范围等物理信息，评估患者所处康复阶段及其当前运动能力，基于评估结果主/被动控制系统自适应调节机器人辅助输出，大大提高患者主动参与康复训练的意愿及其康复效果。

附图说明

附图1为本发明多功能单关节进阶式辅助康复机器人的立体结构示意图；

附图2为本发明驱动装置上部机架的分解状态结构示意图；

附图3为本发明气动肌肉和中间连杆装接的装接状态结构示意图；

附图4为本发明驱动封装结构装接的结构示意图；

附图5为本发明调整支架的结构示意图；

图5中a为驱动装置在垂直状态示意图，b为驱动装置在水平状态示意图；

附图6为本发明康复护具支架安装的简单结构示意图；

附图7为本发明整体控制系统的流程示意图；

在图中，1、2-气动肌肉，1a-气动肌肉1的上端，1b-气动肌肉1的下端，2a-气动肌肉2的上端，2b-气动肌肉2的下端，3-上部机架，4-下部机架，5-中间连杆，5a-中间连杆5的上端，5b-中间连杆5的下端，6a、6b-位移传感器，7-调整支架，8可拆卸护具，9-步进电机，10a、10b-主传动轴，10c、10d-从传动轴，11a、11b渐开线圆柱直齿轮，12a、12b-滑块，13a、13b、13c、13d-同步带轮，14a、14b-滑轨，15-中心转轴，16-U形槽，17-锁紧螺栓，18a、18b、19a、19b-关节轴承，20a、20b-U形轮，21-连接轴承，22-转动杆，23-X轴导轨，24a、24b -Y轴导轨，25a、25b-Z轴导轨，26-可旋转粗短轴，27a、27b-横梁，28-连接块，29-下部托片，30-上部托片，31-固定金属片。

具体实施方式

为了使本发明的结构设计更加清晰明了，以下将结合附图对整体结构装接进行详细说明。

图1所示为适用于多个关节进阶式康复训练机器人整体机构图，包括气动肌肉1和2、上部机架3、下部机架4、中间连杆5、外部封装结构、调整支架7、可拆卸护具8等。采用一对拮抗式仿生柔性气动肌肉作为驱动器，通过控制气动肌肉输入气压可调节驱动装置转动角度以及输出力矩；气动肌肉1、2安装在中间连杆5的左右两侧；气动肌肉1、2上端与上部机架3装接，气动肌肉1、2下端与下部机架4装接；气动肌肉1、2的侧方安装有位移传感器6a、6b。通过上位机调节安装在上部机架3上的步进电机9的转动角度从而带动传送带转动，实气动肌肉1、2与中间连杆5之间距离的高精度调节，完成对关节运动范围及其运动能力半径的实时控制，以适应不同患者在不同康复阶段的康复训练需求；下部机架4安装可拆卸护具8，根据患者的康复部位选取对应的护具；上部机架3和下部机架4之间被外部封装结构整体封装，整体封装安装在调整支架7上，整体封装的高度及悬垂状态均可调节，处于水平状态时可进行肩关节、膝关节的康复训练，垂直状态时则可进行肘关节、腕关节的康复训练，实现多个关节康复需求的功能转换。

整体结构图分为完整的九个部分，在实际加工时，首先完成上部机架3以及下部机架4的部件装接；其次是气动肌肉1、2和中间连杆5与上部机架和下部机架的连接；初步驱动装置完成后，进行封装并安装在调整支架7上；最后在下部机架4上安装可拆卸护具。附图2-6是对这八大部分如何装接的详细说明。

图2所示为上部机架3的机构示意图。所述上部机架3采用步进电机9实现机构的高精度自动化调节。上部机架3两侧分别安装有滑轨14a、14b，上部机架3两侧的滑轨14a、14b上分别安装有滑块12a、12b，滑块12a、12b分别通过同步带装置驱动在滑轨14a、14b上来回滑动，所述同步带装置包括主传动轴10a、10b，从传动轴10c、10d及分别设于主传动轴和从传动轴上的同步带轮13a、13b、13c、13d，主传动轴10a和从传动轴10c安装于上部机架左侧滑轨两端，主传动轴10b和从传动轴10d安装于上部机架右侧滑轨两端，主传动轴和从传动轴分上的同步带轮之间通过同步带相连，同步带与相应滑块固定相连，主传动轴10a上安装有渐开线圆柱直齿轮11a，主传动轴10b上安装有渐开线圆柱直齿轮11b，主传动轴10a过步进电机9驱动。步进电机9作为驱动力，以同步带作为传动方式，带动与拮抗式气动肌肉相对一侧连接的主传动轴10a转动；右侧的主传动轴10b通过渐开线圆柱直齿轮11a、11b与左侧的主传动轴10a相啮合，可实现两主传动轴的同速反向转动。上部机架3两侧分别安装有滑轨14a、14b，两侧的从传动轴10c、10d分别安有同步带轮13c、13d，同步带轮13a和同步带轮13c之间以及同步带轮13b和同步带轮13d之间均通过同步带相连传动；滑块12a、12b通过直线轴承安装在相应的滑轨14a、14b上，开环同步带两端绕过相应同步带轮后固定在滑块左右两侧，步进电机9转动时，可驱动左右两滑块12a、12b同时同速反向运动。气动肌肉1、2上端通过关节轴承以轴孔配合的方式分别与滑块12a、12b相连，滑块12a、12b可在上部机架内的滑轨14a、14b上随同步带传动的同时进行左右滑动，从而实现气动肌肉1、2与中间连杆5距离的调整，即调整机构运动能力调节半径。

图3所示机构中，中间连杆的下端5b与嵌装在下部机架4中心处的中心转轴15相连，中间连杆5与下部机架4可相对于中心转轴15转动，所述中间连杆5为可调长度连杆，具体分为上部连杆和下部连杆，上部连杆内设有竖直方向的U形槽16，下部连杆通过锁紧螺栓17安装在U形槽16内，上部连杆和下部连杆的相对位置调整好后，通过拧紧锁紧螺栓17进行锁定。中间连杆5的上端5a与上部机架3固定相连；由于气动肌肉单向运动（收缩）的特点，气动肌肉需要通过预充气收缩达到初始平衡状态；根据设定的康复训练运动范围，拟定气动肌肉所需初始收缩距离并充气使之收缩带动下部机架4上移，与下部机架4相连的中间连杆5长度调整至所需初始位置，拧紧紧锁紧螺栓17固定中间连杆5的长度以，完成驱动装置初始状态调节。

如图3所示，下部机架4两侧分别设有滑槽，滑槽内设有可自由滑动的U形轮20a、20b，气动肌肉1的下端1b和气动肌肉2的下端2b分别安装有关节轴承18b、19b，关节轴承18b、19b分别通过下部短轴与嵌装在下部机架滑槽内的两个U形轮20a、20b相连，U形轮20a、20b上设有可将其在滑槽内位置固定的锁紧螺栓，气动肌肉1的上端1a和气动肌肉2的上端2a分别安装有关节轴承18a、19a，关节轴承18a、19a通过短轴与上部机架中的滑块12a、12b相连；位移传感器6a、6b通过连接件与气动肌肉1、2上、下两端平行固定，同时可形成气动肌肉1、2与上部传动3、下部机架4之间的刚性连接，保证上部机架3进行气动肌肉之间距离调节时，下部机架4中的U形轮20a、20b随之滚动，实现上下同步调节，调节完毕后U形轮20a、20b两端可用螺母锁死。

图4所示为驱动封装结构装接的结构示意图，使用外壳封装该驱动装置，封装外壳上端通过螺母安装在上部机架3底部，采用六边形的结构使机构封装更加紧凑以避免对患者康复训练造成阻碍。与主传动轴10a装接的步进电机9安装在封装机构的左上方，节省空间，方便接线；连接轴承21通过螺栓固定在上部机架3的正上方，便于之后与调整支架的装接。

图5所示为龙门式调整支架的结构示意图，所述调整支架由水平平面内的一根X轴导轨23、两根Y轴导轨24a、24b以及竖直平面内的两根Z轴导轨25a、25b组成，所述Y轴导轨固定在底面或基座上，Z轴导轨顶部通过滑块安装在Y轴导轨上，X轴导轨顶部通过滑块安装在Z轴导轨上，横梁通过滑块安装在X轴导轨上，通过调整支架可调整进阶式康复机器人在控制范围内任意位置。三轴之间既可相对运动也可通过紧固件进行固定，实现驱动装置竖直高度以及水平位置的调节，以适应不同体型的康复患者。上部机架3通过可旋转粗短轴26与两根横梁27a、27b套接以调节驱动装置的悬垂状态，具体可通过螺栓使得两根横梁27a、27b夹紧可旋转粗短轴26，产生摩擦力，使得上部机架3保持某一个姿态，横梁27a、27b与X轴导轨23的滑块通过螺栓固定装接；驱动装置在垂直状态（图5中a）可实现肘关节、腕关节的康复训练，在水平状态（图5中b）可实现肩关节、膝关节的康复训练，由此实现多个关节康复需求的功能转换。

图6所示为多功能单自由度康复机器人的可调式护具部分。两块带有定位孔的薄金属托片上下排列组成，分别为上部托片30和下部托片29；上部托片30可相对于下部托片29进行平行滑动，并可通过定位销钉固定，下部托片29嵌套在一中空金属的连接块28内部，该下部托片29和带有定位孔的连接块28的相对位置可通过定位螺钉进行调节，从而实现护具整体长度调节，以适应不同体态的患者需求；下部托片29具有弧形托杆结构并内设可调节尼龙绑带，可对患者的康复部位起到固定和保护作用，同时可防止其他关节随意移动对目标关节康复训练的干扰；根据患者康复部位选择对应的穿戴护具，并通过护具固定稍钉将该护具固定在上部托片30以及下部托片29的弧形托杆上；嵌套有下部托片29的连接块28通过固定螺栓安装在下部机4架的转动杆22（图4所示）上，实现护具与驱动装置的装接。

所述一种适用于多个关节进阶式康复训练的机器人控制系统，包括RoboRIO控制器、气压比例阀、位移传感器、角度传感器、力传感器。与气动肌肉平行固定的位移传感器可测量气动肌肉运动位移，安装在下部机架中心转轴处上的角度传感器可测量关节旋转角度，安装在下部机架与护具连接处的力传感器可测量关节辅助输出力矩。控制器RoboRIO实时采集位移、角度、力矩传感器的实时数据并传输至上位机，可综合评估患者的实时运动状态和康复水平，控制系统基于该信息反馈调节气压比例阀的气压输出量，实现基于患者状态的实时调节按需辅助训练。

所述一种适用于多个关节进阶式康复训练的机器人控制系统，可针对患者的不同康复部位和运动能力恢复水平实现一种个性化进阶式辅助康复训练模式。根据患者进行康复训练时反馈的位移、角度、力矩等物理信息评估患者的康复水平，判断患者不同的康复期所需的关节运动范围和辅助输出力矩；通过调节机构运动能力半径可实现驱动装置关节运动范围和辅助输出力矩的改变，实现对患者在整个康复进程中的进阶式的康复训练。

拟采用的进阶式康复训练模式包括如下步骤：

（1）根据目标康复部位初步选择对应的进阶式辅助康复模式，基于患者前期已有的运动能力相关的医师评估结果，设定康复进程的起始康复训练任务及机器人辅助输出，调节机构运动能力半径至所需初始值。

（2）康复训练中实时采集位移、角度、力矩等数据反馈患者的运动状态并评估患者康复水平。基于上述状态反馈与康复评估结果，控制系统将实时调节机器人运动能力半径以设定合理的康复训练模式与任务难度。

（3）在评估后所确立的康复期间内，处于康复初期的患者可按照所设定的机器人期望运动轨迹进行被动训练；为了保证机器人辅助患者运动的精确性、平滑性与安全性，提出一种针对机器人关节运动的自适应滑模控制策略。

（4）经过一段时间训练后，返回步骤（2）重新进入康复评估阶段，患者恢复一定运动机能后可参与机器人辅助的主动训练，根据患者当前运动能力和康复水平评估结果，提出一种按需辅助控制策略可实时调整机器人的运动范围和辅助输出力矩，促进患者的进一步主动参与。

（5）结合上述步骤（3）和（4）所述的主被动训练模式，形成一种适用于多个关节的机器人辅助进阶式康复控制系统。

其中，在步骤（3）所述的患者进行被动训练的过程中，被动训练按照针对机器人关节运动的自抗扰滑模控制策略进行，该自抗扰滑模控制策略为基于扩张观测器的非奇异终端滑模控制，具体流程如下：

建立关节的运动学方程，根据患者所处康复期及恢复程度规划期望角度运动轨迹，通过安装的角度传感器采集实际转动角度/>，将关节期望轨迹/>及实际轨迹/>代入该运动学方程，得出对应左右气动肌肉的期望运动轨迹/>和实际运动轨迹/>；

其中为气动肌肉在不充气状态下的初始长度，/>为气动肌肉前后安装部分的长度，/>为中间连杆的高度，/>为关节运动能力调节半径，具体为气动肌肉顶部到中间连杆之间的水平距离；

建立关节的动力学模型，得出其关节辅助输出力矩：

为气动肌肉作用力对应于中心转轴的力臂，其值可通过所建立的关节运动学模型换算得出：

为由气动肌肉的三元素动态模型所得的两侧气动肌肉末端所受的力：

其中为气动肌肉的运动位移（轴向收缩长度），/>分别是收缩项，非线性阻尼项，弹性项，它们都与气动肌肉的内部气压有关。/>为建模所得参数，/>为负载，/>为输入气压，由于实验系统存在摩擦、测量误差等因素，需要对所测得的模型参数增加误差补偿项/>。

根据所得气动肌肉的期望轨迹和实际运动轨迹/>作为输入信号，采用基于扩张观测器的非奇异终端滑模控制实现两侧气动肌肉的运动控制进而实现关节的运动控制，以非奇异终端滑模控制为基础推导得出系统控制方程，同时采用扩张观测器在线估计并补偿系统的不确定量，利用差分进化优化算法对滑模上位机的参数进行整定从而实现整体运动机构的高精度运动控制并保证柔顺性；

考虑将代入上式所得的三元素动态模型中

/>

对此模型进行转换，令

得：

为期望运动轨迹，令/>，设计切换函数为

取指数趋近律所得控制律为：

式中，为可调参数，由于所得的控制律存在误差项/>，故采用扩张观测器将系统中的不确定量作为扩张状态进行在线估计，令/>，扩张状态变量为/>：

式中，取值为正实数参数，/>和/>为观测器状态，/>为观测误差。在通过扩张观测器得到扩张状态/>的估计值之后，最后所得的控制律为：

在进行实际控制时，需要设计合理的控制参数，采用差分优化算法寻找最优的控制参数。算法内部包括变异、交叉、选择这三步遗传操作。

首先借助群体中个体间的差分信息对个体进行变异，采用N个四维实参向量（目标调节参数）作为初始种群，从群体中随机选择3个个体/>，其中为当前最优，按照如下方式进行变异：

式中，为差分比例因子，/>为当前变异矢量。

然后采用基于概率机制执行交叉操作，选择变异矢量与父代矢量/>进行交叉，生成试验矢量/>，具体操作如下：

式中，为交叉概率，/>为[0,1]之间的随机小数。

最后算法通过贪婪选择机制更新种群。其中贪婪选择机制中的适应度函数设置为跟踪误差的均方值。将试验矢量的参数代入控制系统中，计算出对应的适应度函数的值，如果试验矢量所得的适应度函数值较小，则更新子代，否则不做改变。反复执行以上步骤，直至达到最大的迭代次数或者得到满意的适应度函数值，由此获得最优参数值。

通过差分进化算法寻找到最优控制参数值之后，再根据控制律计算所得的控制输出量/>作为气动肌肉的控制输入量进而实现关节的运动控制。

在步骤（4）所述的康复中后期，为了激发患者主动参与康复训练的意愿，设计一种由患者主导的机器人按需辅助控制系统，由外环自适应阻抗上位机和上述内环位置上位机组成。 根据患者的运动能力设定合理的康复训练任务，机器人的辅助输出会根据患者当前的运动偏移与交互力反馈进行自适应调整，允许患者保持一定的自由度与顺应性的主动运动；当患者运动能力逐步提高时，基于交互力与位置之间的动态关系自适应调整阻抗控制参数以改变机器人的主动柔顺性，逐步平稳减小机器人的辅助输出，形成渐进式机器人辅助康复训练系统，有效促进患者的主动训练意愿与康复效率。

本发明基于拮抗肌肉对形式的关节转动结构，考虑到关节机构参数调节精确性和便捷性，在上部机架中结合步进电机实现机构的高精度自动化调节，通过步进电机带动传送带转动从而调节气动肌肉与中间连杆之间的距离。整体关节驱动装置与可旋式机架装接，机架的高度及水平位置均可调节，驱动装置在水平状态可实现肩关节、膝关节的康复训练，在垂直状态可实现肘关节、腕关节、踝关节的康复训练。在关节驱动装置的下部机架上可安装可拆卸式护具，护具的长度可调以适应不同的患者。本发明在以上所设计的适用于多个关节辅助康复机器人的基础上实现一种进阶式辅助康复训练模式，通过位移、角度、力矩等数据反馈患者的运动状态并评估患者康复水平。基于上述状态反馈与康复评估结果，控制系统将实时调节机器人运动能力半径以实现康复训练模式与任务难度的调整。基于评估结果的渐进式主/被动控制系统自适应调节机器人辅助输出，大大提高患者主动参与康复训练的意愿及其康复效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于多个关节的进阶式康复机器人，其特征在于：包括上部机架、下部机架、中间连杆、可拆卸护具和两个气动肌肉，所述中间连杆下端通过中心转轴与下部机架中部铰接相连，上端与上部机架中部相连，一起组成工字型结构；两个气动肌肉分别设于中间连杆两侧的上部机架和下部机架之间，且气动肌肉与上部机架通过主动平移机构相连，气动肌肉下端与下部机架通过被动平移机构相连，所述可拆卸护具固定安装在下部机架上，通过两个气动肌肉的收缩带动可拆卸护具绕着中心转轴转动进行康复训练，通过主动平移机构调整两个气动肌肉之间的相对距离，从而调整进阶式康复机器人运动能力半径；

所述主动平移机构包括滑轨和滑块，滑轨固定安装在上部机架两侧，气动肌肉顶部与相应侧的滑块通过关节轴承相连，两个滑块通过直线运动驱动装置驱动沿着滑轨运动，通过调整两个滑块之间的相对距离，从而调整两个气动肌肉之间的相对距离；

所述直线运动驱动装置为分别驱动上部机架两侧的两个滑块运动的同步带装置，所述同步带装置包括主传动轴、从传动轴及分别设于主传动轴和从传动轴上的同步带轮，主传动轴和从传动轴分别安装于上部机架单侧滑轨两端，主传动轴和从传动轴上的同步带轮之间通过同步带相连，同步带与滑块固定相连，两个同步带装置的主传动轴通过齿轮啮合传动，其中一个主传动轴通过步进电机驱动；

所述中间连杆为可调长度连杆，具体分为上部连杆和下部连杆，上部连杆内设有竖直方向的U形槽，下部连杆通过锁紧螺栓安装在U形槽内，上部连杆和下部连杆的相对位置调整好后，通过拧紧锁紧螺栓进行锁定；

进阶式康复机器人的控制系统包括控制器、气压比例阀、位移传感器、角度传感器以及力传感器，所述位移传感器有两个，分别测量两个气动肌肉的位移，所述角度传感器设于下部机架中部的中心转轴处，用于测量下部机架旋转角度，所述力传感器设于下部机架与可拆卸护具连接处，用于测量进阶式康复机器人输出力矩，所述气压比例阀用于控制两个气动肌肉的伸缩，控制器实时采集位移、角度、力矩传感器的实时数据并传输至上位机，可综合评估患者的实时运动状态和康复水平，控制系统基于该信息反馈调节气压比例阀的气压输出量，实现基于患者状态的实时调节按需辅助训练。

2.如权利要求1所述的进阶式康复机器人，其特征在于：所述被动平移机构包括设于下部机架两侧的滑槽和设于滑槽内可自由滑动的U形轮，气动肌肉底部通过关节轴承与相应侧的U形轮相连，U形轮上设有可将其在滑槽内位置固定的锁紧螺栓。

3.如权利要求1或2所述的进阶式康复机器人，其特征在于：所述上部机架通过可旋转粗短轴安装在横梁上，通过可旋转粗短轴可调整整个进阶式康复机器人的悬垂状态。

4.如权利要求3所述的进阶式康复机器人，其特征在于：所述横梁安装在调整支架上，所述调整支架包括Y轴导轨、Z轴导轨和X轴导轨，所述Y轴导轨固定在底面或基座上，Z轴导轨顶部通过滑块安装在Y轴导轨上，X轴导轨顶部通过滑块安装在Z轴导轨上，横梁通过滑块安装在X轴导轨上，通过调整支架可调整进阶式康复机器人在控制范围内任意位置。

5.一种权利要求1-4任意一项所述适用于多个关节的进阶式康复机器人的康复训练方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据目标康复部位初步选择对应的进阶式辅助康复模式，基于患者前期已有的运动能力相关的医师评估结果，设定康复进程的起始康复训练任务及机器人辅助输出，调节机构运动能力半径至所需初始值；

步骤二、康复训练中实时采集位移、角度、力矩数据反馈患者的运动状态并评估患者康复水平，基于上述状态反馈与康复评估结果，控制系统将实时调节机器人运动能力半径以设定合理的康复训练模式与任务难度；

步骤三、在评估后所确立的康复期间内，处于康复初期的患者可按照所设定的机器人期望运动轨迹进行被动训练；

步骤四、经过一段时间训练后，返回步骤二重新进入康复评估阶段，患者恢复一定运动机能后可参与机器人辅助的主动训练，根据患者当前运动能力和康复水平评估结果，实时调整机器人的运动范围和辅助输出力矩，促进患者的进一步主动参与；

步骤五、结合上述步骤三和四所述的主被动训练模式，形成一种适用于多个关节的机器人辅助进阶式康复训练方法。

6.如权利要求5所述的进阶式康复机器人的康复训练方法，其特征在于：步骤三中，被动训练按照针对机器人关节运动的自抗扰滑模控制策略进行，该自抗扰滑模控制策略为基于扩张观测器的非奇异终端滑模控制，具体流程如下：

建立关节的运动学方程，根据患者所处康复期及恢复程度规划期望角度运动轨迹，通过安装的角度传感器采集实际转动角度/>，将关节期望轨迹/>及实际轨迹/>代入该运动学方程，得出对应左右气动肌肉的期望运动轨迹/>和实际运动轨迹/>；

其中为气动肌肉在不充气状态下的初始长度，/>为气动肌肉前后安装部分的长度，为中间连杆的高度，/>为关节运动能力调节半径，具体为气动肌肉顶部到中间连杆之间的水平距离；

建立关节的动力学模型，得出其关节辅助输出力矩：

为气动肌肉作用力对应于中心转轴的力臂，其值可通过所建立的关节运动学模型换算得出：

为由气动肌肉的三元素动态模型所得的两侧气动肌肉末端所受的力：

其中为气动肌肉的运动位移，/>分别是收缩项，非线性阻尼项，弹性项，它们都与气动肌肉的内部气压有关；/>为建模所得参数，/>为负载，/>为输入气压，/>为模型参数的误差补偿项；

根据所得气动肌肉的期望轨迹和实际运动轨迹/>作为输入信号，采用基于扩张观测器的非奇异终端滑模控制实现两侧气动肌肉的运动控制进而实现关节的运动控制，以非奇异终端滑模控制为基础推导得出系统控制方程，同时采用扩张观测器在线估计并补偿系统的不确定量，利用差分进化优化算法对滑模上位机的参数进行整定从而实现整体运动机构的高精度运动控制并保证柔顺性；

考虑将代入上式所得的三元素动态模型中

对此模型进行转换，令

得：

为期望运动轨迹，令/>，设计切换函数为

取指数趋近律所得控制律为：

式中，为可调参数，由于所得的控制律存在误差项/>，故采用扩张观测器将系统中的不确定量作为扩张状态进行在线估计，令/>，扩张状态变量为/>：

式中，取值为正实数参数，/>和/>为观测器状态，/>为观测误差，在通过扩张观测器得到扩张状态/>的估计值之后，最后所得的控制律为：

在进行实际控制时，需要设计合理的控制参数，采用差分优化算法寻找最优的控制参数，算法内部包括变异、交叉、选择这三步遗传操作；

首先借助群体中个体间的差分信息对个体进行变异，采用N个四维实参向量即目标调节参数，作为初始种群，从群体中随机选择3个个体/>，其中/>为当前最优，按照如下方式进行变异：

式中，为差分比例因子，/>为当前变异矢量；

然后采用基于概率机制执行交叉操作，选择变异矢量与父代矢量/>进行交叉，生成试验矢量/>，具体操作如下：

式中，为交叉概率，/>为[0,1]之间的随机小数；

最后算法通过贪婪选择机制更新种群，其中贪婪选择机制中的适应度函数设置为跟踪误差的均方值，将试验矢量的参数代入控制系统中，计算出对应的适应度函数的值，如果试验矢量所得的适应度函数值较小，则更新子代，否则不做改变，反复执行以上步骤，直至达到最大的迭代次数或者得到满意的适应度函数值，由此获得最优参数值；

通过差分进化算法寻找到最优控制参数值之后，再根据控制律计算所得的控制输出量/>作为气动肌肉的控制输入量进而实现关节的运动控制。