CN109700627A - 一种膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法，该系统包括大腿杆、小腿杆、电机及传动系统；所述传动系统包括负载滑块、导向螺母和丝杠；所述电机及丝杠固连在大腿杆，所述负载滑块固连在小腿杆；电机通过丝杠带动导向螺母水平移动，所述导向螺母再通过负载滑块带动小腿杆运动。该控制方法包括：位置控制，用于摆动期随动控制和预紧阶段前期；直接力控制，用于预紧阶段后期和屈曲助力阶段；导纳控制，用于伸展助力阶段。本发明具有结构简单、使用方便、控制效果好等优点。

Description

一种膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法

技术领域

本发明主要涉及到机器人技术领域，特指一种膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法。

背景技术

我国正面临着日益严重的老龄化问题和数量庞大的残疾人群，康复机器人与智能辅助系统的研究开发和应用有望为解决养老、失能辅助和康复问题提供有力的技术手段。康复机器人是为了应对传统康复训练方法的不足而产生并发展起来的,它是将先进的机器人技术和临床康复医学相结合的一种自动化康复训练设备,能够发挥机器人擅长执行重复性繁重劳动的优势,并可实现精确化、自动化、智能化的康复训练，进一步提升康复医学水平,增加患者接受康复治疗的机会,提高患者的生活质量,促进社会和谐。虽然经过多年的发展，康复机器人的技术研究在很多方面取得了很多成果，但总体来讲现有的康复机器人的研究和临床应用还非常不足,仍然存在许多问题有待进一步研究，尤其是现存的人机柔顺交互控制问题。

传统的控制技术存在以下不足：

1、由于康复机器人是人机高度耦合系统，具有人在内环特性，因此涉及到人机交互控制。同时在膝关节的康复训练过程中，其工作模态可划分为摆动期、预紧期、屈曲助力阶段、伸展助力阶段。不同的阶段需要不同的人机交互控制方法，这给控制器的设计带来了很大的挑战。

2、目前大多数康复机器人技术，在直接助力阶段其控制方法通常采用的是预定义控制，纯粹的力/位跟踪控制等。实施这类控制算法后的助力效果不够柔顺，不柔顺的作用力容易对人体造成损伤(如因作用力突然增大造成人体组织挤伤)。

3、除了实现安全柔顺的助力外，康复机器人应能够感应病人的主动康复(运动)意图，考虑到病人主动康复意图的人机交互控制方法无疑能够最大化康复效果。目前的康复机器人技术中，对于人的运动意图判断，通常采用的是肌电传感器采集病人肌肉信号来实现的。但肌电传感器对安装位置要求很高，校准比较麻烦，在使用过程中容易受汗液、传感器位置滑动等的影响，这些缺点阻碍了肌电传感器在实际应用中的广泛使用。

4、在大多数下肢康复机器人产品中，助力大小将随着关节实际位置(关节角度)向关节期望位置(关节角度)而线性衰减，让穿戴者产生一种：“刚开始助力明显，站起来的时候助力有点弱”的感觉，并且同时也会影响康复训练效果。

5、在康复训练过程中，由于康复机器人涉及到多个工作模态，不同的工作模态应用的控制方法完全不一样。因此控制方法的切换将引起控制量的突变，从而容易引起系统震颤。另一个在位置跟随控制中，过零点附近也容易引起系统震颤。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供结构简单、使用方便、控制效果好的膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种膝关节康复机器人系统，它包括大腿杆、小腿杆、电机及传动系统；所述传动系统包括负载滑块、导向螺母和丝杠；所述电机及丝杠固连在大腿杆，所述负载滑块固连在小腿杆；电机通过丝杠带动导向螺母水平移动，所述导向螺母再通过负载滑块带动小腿杆运动。

作为本发明系统的进一步改进：所述导向螺母往一个方向运动时，给负载滑块助力；所述导向螺母往另一个方向运动时，不阻碍负载滑块运动或实现较小助力。

作为本发明系统的进一步改进：所述负载滑块向一个方向运动时，通过传动机构带动小腿杆使得膝关节为伸展运动；当膝关节为屈曲运动时，小腿杆也通过传动机构带动负载滑块向另外一个方向运动。

一种基于上述膝关节康复机器人系统的人机柔顺交互控制方法，其包括：

位置控制，用于摆动期随动控制和预紧阶段前期；

直接力控制，用于预紧阶段后期和屈曲助力阶段；

导纳控制，用于伸展助力阶段。

作为本发明方法的进一步改进：所述位置控制采用比例位置控制方式，随动控制时导向螺母不应阻碍滑块的运动，控制目标为两者之间距离Δx>0。

作为本发明方法的进一步改进：所述直接力控制采用非线性力控，用于期望力较小的场合。

作为本发明方法的进一步改进：所述导纳控制为基于位置内环的导纳控制，即将人机交互力大小引入到反馈回路中，调节期望位置大小从而使控制量得到缓冲。

作为本发明方法的进一步改进：当负载滑块的实际位置和期望位置有偏差时，导纳控制器形成两者之间的虚拟弹簧，实际位置和期望位置偏差越大，外骨骼机器人的助力也就越大；反过来，外骨骼机器人对人的助力越大，那么此时的位置偏差也应越大。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明为一种综合直接力/位/导纳控制的综合控制方案，这样摆动期随动控制可用位置控制实现，屈曲助力阶段可用非线性直接力控制实现，伸展助力阶段可以基于位置内环的导纳控制实现。

2、本发明的膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法，在膝关节伸展助力阶段，在导向螺母和负载滑块之间设置了一个虚拟弹簧(即导纳控制)，从而可实现主动柔顺助力。

3、本发明的膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法，设置了基于位置内环的导纳控制，病人的主动运动意图(病人的用力大小)将影响反馈的力大小，反馈力通过导纳控制器(也即虚拟弹簧)后给出内环位置控制的参考轨迹，最终位置控制器跟踪参考轨迹，从而实现了主动感应人体运动意图的人机交互控制。

4、本发明的膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法，在内环位置反馈中引入了具有饱和特性的非线性反馈，这样既能使整体助力效果提升，又能在到达期望助力位置时助力迅速减小。

5、本发明的膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法，通过在导纳控制引入一阶惯性环节，在位置控制中引入死区+限幅方法的消除震颤方法。

6、本发明的膝关节康复机器人系统及其人机柔顺交互控制方法，在基于位置内环的导纳控制中，通过在实际位置和期望位置之间设置虚拟弹簧，从而可实现柔顺控制。并且，人体的运动意图包含在外环的反馈力中，反馈力再通过导纳控制器给内环位置控制提供参考轨迹，从而可实现主动感应人体运动意图的人机交互控制。并且在内环位置反馈中，将位置进行具有饱和特性的非线性变换后，可使得助力效果持续最大化。最后，在导纳控制引入的一阶惯性环节，在位置控制中引入的死区+限幅方法能够实现消除震颤。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中的局部结构原理示意图。

图3是本发明在具体应用实例中比例位置控制的原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中非线性力控的原理示意图。

图5是本发明在具体应用实例中基于位置内环的导纳控制的原理示意图。

图6是本发明在具体应用实例中虚拟弹簧的原理示意图。

图例说明：

1、大腿杆；2、小腿杆；3、负载滑块；4、导向螺母；6、丝杠；7、电机。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的一种膝关节康复机器人系统，人体穿戴后通过合适的绑缚即可进行康复训练。它包括大腿杆1、小腿杆2、电机7及传动系统；所述传动系统包括负载滑块3、导向螺母4和丝杠6；所述电机7及丝杠6固连在大腿杆1，所述负载滑块3固连在小腿杆2；电机7通过丝杠6带动导向螺母4水平移动，所述导向螺母4再通过负载滑块3带动小腿杆2运动。因为负载滑块3的移动方向与膝关节的伸屈具有对应关系，为便于说明，说明都用负载滑块3的运动来代替说明膝关节的运动。电机7通过传动机构带动丝杠6转动，从而使得导向螺母4水平向移动，如向左运动给负载滑块3助力，或向右运动不阻碍负载滑块3运动或实现较小助力；负载滑块3则通过传动机构带动小腿杆2运动，具体为：负载滑块3向左运动时，通过传动机构带动小腿杆2使得膝关节为伸展运动；当膝关节为屈曲运动时，小腿杆2也将通过传动机构带动负载滑块3向右运动。注：上述的向左向右方向仅针对图2来说的。

基于上述的膝关节康复机器人系统，本发明进一步提出了一种膝关节康复机器人系统的人机柔顺交互控制方法，为一种综合了直接力/位/导纳控制的混合控制方案，其包括：

位置控制，用于摆动期随动控制和预紧阶段前期；

直接力控制，用于预紧阶段后期和屈曲助力阶段；

导纳控制，用于伸展助力阶段。

在具体应用实例中，位置控制采用比例位置控制方式，主要用于摆动期随动控制和预紧阶段前期。随动过程中康复机器人不应阻碍或影响人的运动，即随动控制时导向螺母4不应阻碍滑块的运动，要尽量避免两者之间的碰撞。因此采用位置控制方法，控制目标为两者之间距离Δx>0。为避免期望位置附近震颤，在比例位置控制中引入局部控制死区。控制框图见图3所示。

控制律为：

其中，u为控制量，P_d为滑块和导向螺母4之间期望位置间隔，P为实际位置间隔，k_p为比例控制参数。

在具体应用实例中，直接力控制采用非线性力控，用于期望助力较小的场合，即预紧阶段后期和屈曲助力阶段。非线性力控框图如图4所示。

控制律为：

其中，Sgn为符号函数，u为控制量，F_d为期望力，F为实际力，k_p为比例控制参数。

在具体应用实例中，基于位置内环的导纳控制用于伸展助力阶段。康复机器人直接作用于人体，其机械阻抗较大，缓冲较弱，如果采用纯位置跟踪控制或纯力跟踪控制容易对人产生损伤。本发明采用基于位置内环的导纳控制，将人机交互力大小引入到反馈回路中，调节期望位置大小从而使控制量得到缓冲。基于位置内环的导纳控制框图如图5所示。

结合本发明的导纳控制思想阐述如下：当负载滑块3的实际位置(对应膝关节的实际关节角)和期望位置(对应膝关节的期望关节角)有偏差时，设计好的导纳控制器就像是两者之间安装了一个虚拟弹簧(如图6所示)，实际位置和期望位置偏差越大，外骨骼机器人的助力也就越大。反过来，若想使得外骨骼机器人对人的助力越大，那么此时的位置偏差也应越大。反应到实际系统的伸展助力阶段即为：当膝关节越弯曲时，伸展助力就越大，当膝关节伸展到一定程度越接近设定的期望目标关节角时，伸展助力就越小。这种特性是符合人体的助力目标的。设计的虚拟弹簧模型(即导纳控制器)反映了人机交互力和位置跟踪之间的动态关系，可表示为如下数学关系：

其中k_{p_f}为虚拟弹性系数，F_d为期望助力，F为实际助力，Δ_x为位置偏差。

引入导纳控制器后的控制框图如下图5所示。其特点是位置控制作为内环，保证了实时位置跟踪，导纳控制作为外环，反应了人机交互力和位置偏差之间的动态关系，并通过导纳控制器为内环位置控制提供了参考轨迹。伸展助力阶段人的运动意图(即病人康复训练过程中自己主动用力的运动意图)可反应在人机交互力中，人机交互力再通过导纳控制器后给内环位置控制提供了参考轨迹，因此可实现具有反应人体运动意图的人机交互控制。

具体地，控制律为：

其中，k_p为位置内环比例控制参数，P_o为初始位置。

考虑到由位置控制切换到导纳控制时控制量的跳变问题，本发明在图5所示的控制方案中引入了一阶惯性环节：

此外，上述的虚拟弹簧为线性元件(或线性模型)，在实际位置P接近期望位置P_d的过程中，伸展助力F也将线性降低。实际临床康复应用中，在整个伸展助力阶段膝关节均需要合适助力。针对此特殊要求，本发明提供了一种舒适度较高的“非线性反馈的位置内环控制”方案。如图5所示，具体为，给内环的位置反馈信号P安排一个具有饱和特性的非线性变换函数(如Sigmoid函数或具有饱和特性的指数函数等)。

将位置反馈信号进行如下非线性变换：

其中k和b_o为常数。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种膝关节康复机器人系统，其特征在于，它包括大腿杆、小腿杆、电机及传动系统；所述传动系统包括负载滑块、导向螺母和丝杠；所述电机及丝杠固连在大腿杆，所述负载滑块固连在小腿杆；电机通过丝杠带动导向螺母水平移动，所述导向螺母再通过负载滑块带动小腿杆运动。

2.根据权利要求1所述的膝关节康复机器人系统，其特征在于，所述导向螺母往一个方向运动时，给负载滑块助力；所述导向螺母往另一个方向运动时，不阻碍负载滑块运动或实现较小助力。

3.根据权利要求1所述的膝关节康复机器人系统，其特征在于，所述负载滑块向一个方向运动时，通过负载滑块带动小腿杆使得膝关节为伸展运动；当膝关节为屈曲运动时，小腿杆也带动负载滑块向另外一个方向运动。

4.一种基于上述权利要求1-3中任意一项膝关节康复机器人系统的人机柔顺交互控制方法，其特征在于，包括：

位置控制，用于摆动期随动控制和预紧阶段前期；

直接力控制，用于预紧阶段后期和屈曲助力阶段；

导纳控制，用于伸展助力阶段。

5.根据权利要求4所述的人机柔顺交互控制方法，其特征在于，所述位置控制采用比例位置控制方式，随动控制时导向螺母不应阻碍滑块的运动，控制目标为两者之间距离Δx>0。

6.根据权利要求4所述的人机柔顺交互控制方法，其特征在于，所述直接力控制采用非线性力控，用于期望力较小的场合。

7.根据权利要求4所述的人机柔顺交互控制方法，其特征在于，所述导纳控制为基于位置内环的导纳控制，即将人机交互力大小引入到反馈回路中，调节期望位置大小从而使控制量得到缓冲。

8.根据权利要求7所述的人机柔顺交互控制方法，其特征在于，当负载滑块的实际位置和期望位置有偏差时，导纳控制器形成两者之间的虚拟弹簧，实际位置和期望位置偏差越大，外骨骼机器人的助力也就越大；反过来，外骨骼机器人对人的助力越大，那么此时的位置偏差也应越大。

9.根据权利要求8所述的人机柔顺交互控制方法，其特征在于，采用非线性反馈的位置内环控制方式，给内环的位置反馈信号P安排一个具有饱和特性的非线性变换函数。