CN112057806A - 脚踏式下肢康复机器人控制系统及其方法 - Google Patents

脚踏式下肢康复机器人控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于机器人控制领域，尤其涉及一种脚踏式下肢康复机器人控制系统及其方法。其中，脚踏式下肢康复机器人控制系统包括DSP控制板、永磁同步电动机、机器人踏板和功率驱动板；DSP控制板与功率驱动板相连，功率驱动板与永磁同步电动机相连；DSP控制板内部预存有多种康复训练模式及每种模式相对应的电机控制参数，DSP控制板用于根据设定训练指令来查询相匹配的康复训练模式并将该康复训练模式对应的电机控制参数经功率驱动板发送至永磁同步电机，从而带动机器人踏板运转。利用永磁同步电机替换传统直流有刷电机，采用数字信号处理器替换可编程逻辑控制器，能够实现对永磁同步电机的速度和转矩控制，设计出多种康复训练模式，提高了患者的康复训练效果。

Description

脚踏式下肢康复机器人控制系统及其方法
技术领域
本发明属于机器人控制领域，尤其涉及一种脚踏式下肢康复机器人控制系统及其方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
发明人在研究中发现，目前，对于采用脚踏车式结构进行康复训练的下肢康复机器人，多针对机械结构和驱动装置两方面进行设计，然而做电机控制策略方面的很少；在下肢驱动电机的选择上，大多集中于直流有刷电机，它成本高，结构复杂，会产生电磁干扰，对环境有要求，起动转矩大，系统的重量大、效率低，而且电刷和滑环的存在，阻碍了其在高性能医疗器械中的进一步应用；且在控制策略上，出于保护脑卒中患者的安全，主要采用的是被动训练定速圆周运动的模式，设定踏板运行速度，使踏板以固定的旋转速度进行运动，而患者跟随曲柄踏板进行康复训练，现有的康复训练模式单一，功能简单，针对的是下肢没有任何主动力矩的重症患者，却忽视了康复后期脑卒中患者肌力恢复后主动康复的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种脚踏式下肢康复机器人控制系统，其利用永磁同步电机替换传统直流有刷电机，采用数字信号处理器替换可编程逻辑控制器，能够实现对永磁同步电机的速度和转矩控制，设计出多种康复训练模式，提高了患者的康复训练效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种脚踏式下肢康复机器人控制系统，包括DSP控制板、永磁同步电动机、机器人踏板和功率驱动板；
DSP控制板与功率驱动板相连，功率驱动板与永磁同步电动机相连；DSP控制板内部预存有多种康复训练模式及每种模式相对应的电机控制参数，DSP控制板用于根据设定训练指令来查询相匹配的康复训练模式并将该康复训练模式对应的电机控制参数经功率驱动板发送至永磁同步电机，从而带动机器人踏板运转。
为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种脚踏式下肢康复机器人控制系统的控制方法，其能够实现对永磁同步电机的速度和转矩控制，设计出多种康复训练模式，提高了患者的康复训练效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种脚踏式下肢康复机器人控制系统的控制方法，包括：
接收设定训练指令；
查询相匹配的康复训练模式；
将该康复训练模式对应的电机控制参数发送至永磁同步电机，从而带动机器人踏板运转。
本发明的有益效果是：
本发明利用永磁同步电机替换传统直流有刷电机，采用数字信号处理器替换可编程逻辑控制器，克服了现有技术中下肢康复机器人控制系统的康复模式单一且缺乏高性能电机控制的缺陷，能够实现对永磁同步电机的速度和转矩控制，设计出多种康复训练模式，提高了患者的康复训练效果。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的脚踏式下肢康复机器人控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的脚踏式下肢康复机器人控制系统中主被动训练模式的控制框图；
图3是本发明实施例的脚踏式下肢康复机器人控制系统中电机控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本实施例的脚踏式下肢康复机器人控制系统，包括DSP控制板、永磁同步电动机、机器人踏板和功率驱动板；
DSP控制板与功率驱动板相连，功率驱动板与永磁同步电动机相连；DSP控制板内部预存有多种康复训练模式及每种模式相对应的电机控制参数，DSP控制板用于根据设定训练指令来查询相匹配的康复训练模式并将该康复训练模式对应的电机控制参数经功率驱动板发送至永磁同步电机，从而带动机器人踏板运转。
所述DSP控制板上设置有SCI通信模块，SCI通信模块与LED显示屏相连，利用按键来发送控制指令。
在本实施例中，如图2所示，所述下肢康复机器人控制系统还可以包括安装在机器人脚踏板上的压力传感器，所述压力传感器用于将检测的蹬踏力信号传输至所述DSP控制板，以供所述DSP控制板后续根据检测的力数据进行分析和控制。
具体地，力传感器检测的力数据具有方向性，在实际训练中会将检测到的蹬踏力数据与所述蹬踏系统的曲柄相交的分力分解出来，并通过该分力与设定指令力之间的比较，通过设计的PI控制器，修改控制参数并传递给执行机构即所述永磁同步电机3，来带动被控对象即机器人踏板进行运动控制，具体的控制原理参见图3。
在具体实施中，所述DSP控制板上还设置有ADC采集接口。
ADC采集接口采集机器人踏板上压力信号得到期望的主动力矩值，控制永磁同步电机输出电磁制动阻力矩平衡患者的下肢主动运动。
其中，电机控制参数的控制策略为基于反电势观测的无传感控制策略，对应设计用于下肢康复机器人的永磁同步电机滑模观测器，提出了基于反电势估计的永磁同步电动机转子位置和速度估计的无传感器控制方法。
其中，所述康复训练模式包括主动训练模式和被动训练模式。主动训练模式实现电磁制动转矩输出；被动训练模式实现速度参考。
在主动模式下，机器人就像一辆常规的运动自行车，通过踏板压力传感器可以捕捉并记录下肢蹬踏力信号，由DSP控制板上的ADC采集接口采集信号得到期望的主动力矩值，控制永磁同步电机输出电磁制动阻力矩平衡患者的下肢主动运动意图。在被动模式下，机器人操作在一个用户选择的速度(节奏)，由设计的滑模观测器跟踪设定的速度，以实现稳定循环速度和观测器性能方面的有效性。
患者可以通过按键操作发出选择主动训练模式的设定指令。
当康复训练模式为主动训练模式时，所述DSP控制板用于计算实时蹬踏力数据与设定目标阻力之间的差值来调节永磁同步电机的控制参数。
其中，DSP控制板还与PI控制器相连，PI控制器用于接收蹬踏力数据与设定目标阻力之间的差值，输出永磁同步电机的控制参数。
当康复训练模式为被动训练模式时，所述DSP控制板用于控制永磁同步电机按照设定速度运动，以带动机器人踏板定速循环运转，同时利用滑模观测器跟踪设定的速度。
被动模式，即定速训练模式，适用于肌张力缺损严重阶段的患者，当使用者完全丧失肌肉力量无法自行运动时，此康复机器人可以通过电机带动使用者下肢的循环运动，从而避免或减轻缺乏运动带来的不良影响，如关节僵硬、肌肉萎缩、血液循环不畅等。
在具体实施中，所述脚踏式下肢康复机器人控制系统，还包括电源模块，所述电源模块与DSP控制板和功率驱动板分别相连。
在本实施中，脚踏式下肢康复机器人控制系统的控制方法，包括：
接收设定训练指令；
查询相匹配的康复训练模式；
将该康复训练模式对应的电机控制参数发送至永磁同步电机，从而带动机器人踏板运转。
例如：开机后，机器人默认“被动模式”，按“+”或“—”键调节踏板旋转速度，康复机器人运动速度8档可调，每次开机默认最低速度为20r/min，可按“+”或“—”键进行循环调节，速度调节范围20r/min～100r/min，档位间距10r/min。当使用者刚开始训练应选择低速训练，适应后逐步增加速度。调至合适的速度后，按“开始”键就可以进入被动运动的训练了。
主动模式适用于肌张力恢复后期阶段的患者，当使用者完全依靠自身力量主动进行康复训练时，此康复机器人可以通过ADC采集接口采集踏板压力传感器的电压信号，由压力传感器的标定曲线查到对应的蹬踏力矩，再控制永磁同步电机输出电磁制动阻力。
开机后，按“Mode”按键，康复机器人进入“主动模式”，按“+”或“—”键调节阻力大小，康复机器人主动运动阻力十档可调，默认阻力10N·m，阻力调节范围0～80N·m，档位间距10N·m。调至合适的阻力后，按“开始”键就可以进入主动运动的训练了。
下面以DSP控制板采用DSP28335为例来详细说明下肢康复机器人控制系统的运行步骤：
步骤101、通电，检测蹬踏力是否为0，若是，则执行步骤102，若否，则执行步骤103；
步骤102、速度为0，待机；
步骤103、设定参考转速20r/min的轨迹循环转动；
步骤104、比较蹬踏力与设定的静平衡力差值是否为0，若是，则执行步骤105，若否，则执行步骤106；
步骤105、模式设定指令为1，对应康复训练模式为主动训练，将对应的电机控制参数发送至永磁同步电机；
步骤106、模式设定指令为0，对应康复训练模式为被动训练，将对应的电机控制参数发送至永磁同步电机；
步骤107、永磁同步电机根据接收到的电机控制参数带动器人踏板运转。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，包括DSP控制板、永磁同步电动机、机器人踏板和功率驱动板；
DSP控制板与功率驱动板相连，功率驱动板与永磁同步电动机相连；DSP控制板内部预存有多种康复训练模式及每种模式相对应的电机控制参数，DSP控制板用于根据设定训练指令来查询相匹配的康复训练模式并将该康复训练模式对应的电机控制参数经功率驱动板发送至永磁同步电机，从而带动机器人踏板运转。
2.如权利要求1所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，所述DSP控制板上还设置有ADC采集接口。
3.如权利要求1所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，所述机器人踏板上还设置有压力传感器，所述压力传感器用于将检测的蹬踏力信号传输至所述DSP控制板。
4.如权利要求1所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，所述康复训练模式包括主动训练模式和被动训练模式。
5.如权利要求4所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，当康复训练模式为主动训练模式时，所述DSP控制板用于计算实时蹬踏力数据与设定目标阻力之间的差值来调节永磁同步电机的控制参数。
6.如权利要求5所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，所述DSP控制板还与PI控制器相连，所述PI控制器用于接收蹬踏力数据与设定目标阻力之间的差值，并输出永磁同步电机的控制参数。
7.如权利要求4所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，当康复训练模式为被动训练模式时，所述DSP控制板用于控制永磁同步电机按照设定速度运动，以带动机器人踏板定速循环运转，同时利用滑模观测器跟踪设定的速度。
8.如权利要求1所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，所述DSP控制板上设置有SCI通信模块。
9.如权利要求1所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统，其特征在于，所述脚踏式下肢康复机器人控制系统，还包括电源模块，所述电源模块与DSP控制板和功率驱动板分别相连。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的脚踏式下肢康复机器人控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
接收设定训练指令；
查询相匹配的康复训练模式；
将该康复训练模式对应的电机控制参数发送至永磁同步电机，从而带动机器人踏板运转。
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