CN111759672A - 一种基于下肢康复机器人的下肢康复镜像训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于下肢康复机器人的下肢康复镜像训练方法，其步骤包括：1初始化下肢康复机器人的各关节角度；2采集的患者坐在初始状态下的康复机器人上时的初始位姿；3下肢康复机器人控制电机转动至初始位姿，4当患者进行康复训练时，采集实时动态数据；5工控机对实时动态数据进行处理，得到各关节转动所需的实际力矩；6调整各个关节的电机转角，同时对电机位置进行实时检测，得到各个关节的当前位置信息，并反馈给所述工控机进行检验；直至达到患者健侧的镜像位置。本发明能够控制下肢康复机器人按照患者健侧的运动轨迹，带动患者患侧完成镜像运动，为患者下肢康复训练提供可靠性。

Description

一种基于下肢康复机器人的下肢康复镜像训练方法
技术领域
本发明涉及医疗康复领域，特别是一种用于下肢康复的镜像训练方法。
背景技术
脑卒中具有发病率高、死亡率高和致残率高的特点，对于由其引起的肢体残障患者来说，其生存质量很大程度上取决于肢体运动功能恢复情况。科学合理的康复训练是十分重要和关键的医疗手段。在传统的康复治疗手段中,患者的运动训练主要依靠理疗师的手动辅助,存在自动化水平低，效率差等突出问题。康复机器人在恢复患者的肢体功能方面，有着显著的效果。下肢康复机器人的主要作用是通过模拟正常的生理步态模式，根据康复策略采用不同的训练方式，对患者的下肢进行康复训练，加快患者的康复速度。目前，所研制的机器人存在对力矩控制不精确，无法排出由于人机交互产生的影响，使得机器人的运动姿态与期望姿态存在一定的偏差，最终导致机器人无法达到准确位置。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于下肢康复机器人的下肢康复镜像训练方法，以期能能够控制下肢康复机器人按照患者健侧的运动轨迹，带动患者患侧完成镜像运动，从而能改善镜像位置不精确的问题，为患者下肢康复训练提供可靠性。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于下肢康复机器人的下肢康复镜像训练方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、初始化下肢康复机器人的各关节角度，包括：所述下肢康复机器人的大腿与地面平行，小腿与大腿之间按顺时针方向呈九十度角，小腿和足部之间按逆时针方向呈九十度角；
步骤2、当患者坐在初始状态下的康复机器人上时，在患者健侧下肢上固定好三个姿态传感器，并将当前时刻采集的健侧位置设置为初始位姿，包括：
在患者健侧大腿处的第一姿态传感器所采集到的偏航角，并作为髋关节外展/内收运动数据；
在患者健侧大腿处的第一姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为髋关节屈曲运动数据；
在患者健侧小腿处的第二姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为膝关节屈曲运动数据；
在患者健侧足处的第三姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为踝关节背屈/跖屈运动数据；
步骤3、所述姿态传感器将当前时刻采集的初始位姿利用蓝牙模块发送至工控机，所述工控机将初始位姿转换成电机角度，并驱动所述肢康复机器人控制电机转动至所述初始位姿，使得所述肢康复机器人下肢达到患者健侧下肢的镜像位置；
步骤4、当患者进行康复训练时，患者健侧开始运动，三个姿态传感器采集实时动态数据，包括：各关节运动的角速度以及角加速度，将通过蓝牙模块实时发送至所述工控机；
步骤5、所述工控机根据所接收到的实时动态数据进行处理，得到去干扰后的各关节转动所需的实际力矩并发送给所述肢康复机器人；
步骤6、所述肢康复机器人通过can通讯的方式传输到各个关节的驱动器，从而调整各个关节的电机转角，同时在所述肢康复机器人下肢运动过程中，所述肢康复机器人上的编码器对电机位置进行实时检测，并通过脉冲值与角度之间的换算关系得到各个关节的当前位置信息，并反馈给所述工控机进行检验；
步骤7、所述工控机根据反馈的当前位置信息判断是否达到患者健侧的镜像位置，若达到，则所工控机将停止指令发送给所述肢康复机器人，从而使得控制电机停止转动；否则，返回步骤5。
本发明所述的下肢康复镜像训练方法的特点也在于，所述步骤5是按如下过程进行：
步骤5.1、利用式(1)建立所述肢康复机器人的运动过程中机器人位置与力矩之间的关系式：
Figure BDA0002609929530000021
式(1)中，q、
Figure BDA0002609929530000022
和
Figure BDA0002609929530000023
分别表示任一关节的向量位置、速度和加速度；M(q)代表惯性矩阵；
Figure BDA0002609929530000024
表示科式矩阵；G(q)代表重力力矩矩阵；
Figure BDA0002609929530000025
表示所述肢康复机器人的摩擦力矩；τrob表示任一关节处电机的实际力矩；τact表示通过力矩传感器测得人机交互力矩；
步骤5.2、利用式(2)建立患者健侧运动过程中的实时动态数据、各个关节反馈的实时位置信息，以及人机交互力矩τact的关系式：
Figure BDA0002609929530000026
式(2)中，Md、Bd和Kd分别表示惯量、阻尼和刚度对角矩阵；qd、
Figure BDA0002609929530000027
和
Figure BDA0002609929530000028
分别表示姿态传感器采集的实时动态数据，即所述肢康复机器人的期望角度、角速度和角加速度,；
步骤5.3、利用式(3)得到去干扰后的任一关节转动所需的实际力矩τrob：
Figure BDA0002609929530000029
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明方法通过姿态传感器采集患者健侧数据来获取期望轨迹，工位机对健侧的运动信息处理并通过CAN通讯发送至各关节驱动器，控制各关节电机转动至健侧镜像位置，达到了对患者健侧轨迹复现的目的，从而完成了康复训练。
2、本发明采用了人机交互的控制方式，根据由位姿传感器得到的患者健侧的运动信息、驱动器读取的患侧的运动信息和力矩传感器测得的力矩信息，得到运动过程中的实际加速度，并通过总力矩与位置之间的关系求得患者对机器人产生的额外力矩，避免了人机交互对镜像运动位置精度的影响。
附图说明
图1为本发明的下肢康复镜像训练方法流程图；
图2为本发明的健侧下肢运动信息无线采集模块示意图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于下肢康复机器人的下肢康复镜像训练方法是在患者健侧运动时，下肢康复机器人通过对患侧运动信息的处理，排除让患者对机器产生的额外力矩，驱动各关节电机转动以达到镜像运动的目的。具体的说，该方法是应用由健侧下肢运动信息无线采集模块，下肢康复机器人，运动控制模块，工控机等部件所组成的系统中；其中，下肢康复机器人如CN201910406304.0所示，用于带动患者患侧下肢进行运动；运动控制装置包括安装在下肢康复机器人四个关节上的电机及电机驱动器，用于控制机器人下肢关节转动以及对各关节位置信息的检测；如图2所示，下肢运动信息无线采集模块的三个子模块配置相同，包括姿态传感器MPU9250、单片机STM32、蓝牙模块BC417和电源模块；工控机用于对患者健侧数据的采集和处理以及康复机器人下肢位置信息的采集，通过对下肢康复机器人髋关节运动数据、膝关节运动数据及踝关节运动数据进行卡尔曼滤波；将滤波后得到的运动数据形成平滑的动作曲线；并将处理后的运动数据通过CAN通讯发送到各关节电机驱动器，通过电机驱动器控制康复机器人四个关节电机转动，带动患者患侧下肢完成与健侧相同的动作；如图1所示，基于此系统的下肢康复镜像训练方法是按如下步骤进行：
步骤1、启动下肢康复机器人，通过工控机对下肢康复机器人的各关节角度进行初始化，包括：下肢康复机器人的大腿与地面平行，小腿与大腿之间按顺时针方向呈九十度角，小腿和足部之间按逆时针方向呈九十度角；
步骤2、当患者坐在初始状态下的康复机器人上时，在患者健侧下的大腿，小腿以及脚背，固定好三个姿态传感器，并将当前时刻采集的健侧位置设置为初始位姿，包括：
在患者健侧大腿处的第一姿态传感器所采集到的偏航角，并作为髋关节外展/内收运动数据；
在患者健侧大腿处的第一姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为髋关节屈曲运动数据；
在患者健侧小腿处的第二姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为膝关节屈曲运动数据；
在患者健侧足处的第三姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为踝关节背屈/跖屈运动数据；
步骤3、姿态传感器将当前时刻采集的初始位姿利用蓝牙模块发送至工控机，工控机将初始位姿转换成电机角度，并驱动肢康复机器人控制电机转动至初始位姿，使得肢康复机器人下肢达到患者健侧下肢的镜像位置；
步骤4、当患者进行康复训练时，患者健侧开始运动，三个姿态传感器采集实时动态数据，包括：各关节运动的角速度以及角加速度，将通过蓝牙模块实时发送至工控机；
步骤5、考虑到患者患侧对机器人产生的力矩影响，利用人机交互的控制方式，工控机根据所接收到的实时动态数据进行处理，得到去干扰后的各关节转动所需的实际力矩并发送给肢康复机器人；
步骤5.1、在康复机器人实际使用过程中，患者患侧放置于康复机器人上，会产生额外的力矩τact，所以利用式(1)建立肢康复机器人的运动过程中机器人位置与力矩之间的关系式：
Figure BDA0002609929530000041
式(1)中，q、
Figure BDA0002609929530000042
和
Figure BDA0002609929530000043
分别表示任一关节的向量位置、速度和加速度；M(q)代表惯性矩阵；
Figure BDA0002609929530000044
表示科式矩阵；G(q)代表重力力矩矩阵；
Figure BDA0002609929530000045
表示肢康复机器人的摩擦力矩；τrob表示任一关节处电机的实际力矩；τact表示通过力矩传感器测得人机交互力矩；
步骤5.2、利用式(2)建立患者健侧运动过程中的实时动态数据、各个关节反馈的实时位置信息，以及人机交互力矩τact的关系式：
Figure BDA0002609929530000046
式(2)中，Md、Bd和Kd分别表示惯量、阻尼和刚度对角矩阵；qd、
Figure BDA0002609929530000047
和
Figure BDA0002609929530000048
分别表示姿态传感器采集的实时动态数据，即肢康复机器人的期望角度、角速度和角加速度,；
步骤5.3、根据式(1)、式(2)的结合，可以得到排除人机交互力矩之后，机器人所需力矩与位置之间的关系，并利用式(3)得到去干扰后的任一关节转动所需的实际力矩τrob：
Figure BDA0002609929530000051
步骤6、肢康复机器人通过can通讯的方式传输到各个关节的驱动器，并转化为驱动器可读的电流值，通过对电流大小改变，从而调整各个关节的电机转角，同时在肢康复机器人下肢运动过程中，肢康复机器人上的编码器对电机位置进行实时检测，并通过脉冲值与角度之间的换算关系得到各个关节的当前位置信息，并反馈给工控机进行检验；
步骤7、工控机根据反馈的当前位置信息判断是否达到患者健侧的镜像位置，若达到，则所工控机将停止指令发送给肢康复机器人，从而使得控制电机停止转动；否则，返回步骤5，工控机会将健侧位置信息持续发送给驱动器，用于控制电机继续转动。

Claims (2)

1.一种基于下肢康复机器人的下肢康复镜像训练方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、初始化下肢康复机器人的各关节角度，包括：所述下肢康复机器人的大腿与地面平行，小腿与大腿之间按顺时针方向呈九十度角，小腿和足部之间按逆时针方向呈九十度角；
步骤2、当患者坐在初始状态下的康复机器人上时，在患者健侧下肢上固定好三个姿态传感器，并将当前时刻采集的健侧位置设置为初始位姿，包括：
在患者健侧大腿处的第一姿态传感器所采集到的偏航角，并作为髋关节外展/内收运动数据；
在患者健侧大腿处的第一姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为髋关节屈曲运动数据；
在患者健侧小腿处的第二姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为膝关节屈曲运动数据；
在患者健侧足处的第三姿态传感器所采集到的俯仰角，并作为踝关节背屈/跖屈运动数据；
步骤3、所述姿态传感器将当前时刻采集的初始位姿利用蓝牙模块发送至工控机，所述工控机将初始位姿转换成电机角度，并驱动所述肢康复机器人控制电机转动至所述初始位姿，使得所述肢康复机器人下肢达到患者健侧下肢的镜像位置；
步骤4、当患者进行康复训练时，患者健侧开始运动，三个姿态传感器采集实时动态数据，包括：各关节运动的角速度以及角加速度，将通过蓝牙模块实时发送至所述工控机；
步骤5、所述工控机根据所接收到的实时动态数据进行处理，得到去干扰后的各关节转动所需的实际力矩并发送给所述肢康复机器人；
步骤6、所述肢康复机器人通过can通讯的方式传输到各个关节的驱动器，从而调整各个关节的电机转角，同时在所述肢康复机器人下肢运动过程中，所述肢康复机器人上的编码器对电机位置进行实时检测，并通过脉冲值与角度之间的换算关系得到各个关节的当前位置信息，并反馈给所述工控机进行检验；
步骤7、所述工控机根据反馈的当前位置信息判断是否达到患者健侧的镜像位置，若达到，则所工控机将停止指令发送给所述肢康复机器人，从而使得控制电机停止转动；否则，返回步骤5。
2.根据权利要求1所述的下肢康复镜像训练方法，其特征是，所述步骤5是按如下过程进行：
步骤5.1、利用式(1)建立所述肢康复机器人的运动过程中机器人位置与力矩之间的关系式：
Figure FDA0002609929520000021
式(1)中，q、
Figure FDA0002609929520000022
和
Figure FDA0002609929520000023
分别表示任一关节的向量位置、速度和加速度；M(q)代表惯性矩阵；
Figure FDA0002609929520000024
表示科式矩阵；G(q)代表重力力矩矩阵；
Figure FDA0002609929520000025
表示所述肢康复机器人的摩擦力矩；τrob表示任一关节处电机的实际力矩；τact表示通过力矩传感器测得人机交互力矩；
步骤5.2、利用式(2)建立患者健侧运动过程中的实时动态数据、各个关节反馈的实时位置信息，以及人机交互力矩τact的关系式：
Figure FDA0002609929520000026
式(2)中，Md、Bd和Kd分别表示惯量、阻尼和刚度对角矩阵；qd、
Figure FDA0002609929520000027
和
Figure FDA0002609929520000028
分别表示姿态传感器采集的实时动态数据，即所述肢康复机器人的期望角度、角速度和角加速度,；
步骤5.3、利用式(3)得到去干扰后的任一关节转动所需的实际力矩τrob：
Figure FDA0002609929520000029
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