CN112603763A - 一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统，通过主控制器单元直接控制集成关节执行器，结合嵌入式控制器作为辅助控制步进电机的主从式控制。通过示教再现方式进行上肢康复训练。康复训练中通过对表面肌电信号、心率信号进行检测，配合编码器反馈的位置信号进行多模态信息融合处理后导入运动强度感知模型，可依据实时的运动状态优化各关节的运动角度和速度，达到实时调节运动强度的要求；并通过编码器的反馈信号监测执行模块的运行情况，防止堵转危险情况发生，提高系统使用安全性；并配合编码器反馈的位置信号，进行信息融合处理后进行动态调整训练强度，提高患者训练舒适性和康复训练效果，使控制系统智能化。

Description

一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统
技术领域
本发明涉及康复机器人及上肢外骨骼控制技术领域，具体地说，涉及一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统。
背景技术
近年来，机器人技术、先进控制技术、计算机技术、传感技术、生物医学以及人工智能技术的发展，康复机器人及肢体外骨骼控制技术技术也获得了很大发展，成为机器人及康复医学领域的研究热点。当前主要医疗手段是陪护和康复动作训练。现阶段外骨骼康复机械臂在协助偏瘫患者进行康复运动训练过程中起到重要作用，而其控制系统直接影响康复训练效果和训练安全。因此，康复上肢外骨骼控制系统的设计显得尤为重要。
发明专利CN109330819A公开了“一种主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统”，该康复训练过程通过映射健肢运动来带动患肢进行康复运动。在发明专利CN106236503B提出了“一种肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统及控制方法”，通过主控板和肌电信号处理模块分别对采集的肌电信号进行处理和再处理，之后将得到的控制信号直接发送至主控板进行驱动上肢外骨骼设备。发明专利CN108304068A涉及了“一种基于脑机接口的上肢康复训练机器人控制系统和方法”，其控制系统主要分为使用稳态视觉诱发电位控制上肢外骨骼启动和停止的视觉刺激模块和使用运动想象控制上肢外骨骼上臂旋转和肘部屈伸的脑电分析处理模块两部分。现有公开文献中所提及的在一定程度上简化了控制系统的复杂度，有利于系统的开发设计，但缺少相应的运动强度反馈处理机制。随着患者康复训练的恢复，为提高康复训练效果，控制系统需要调整控制模式进行更为详细的针对性康复训练。针对存在的问题和康复训练要求，提出一种控制方式多样、运行状态平稳和训练强度可调的康复上肢外骨骼控制系统及设计方法，提高康复训练效果和舒适性。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统；该控制系统具有控制方式多样、运行状态平稳和训练强度可调的康复上肢外骨骼控制方式，提高康复训练效果和舒适性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括主控制器单元、嵌入式控制器、关节驱动器、人机交互模块和关节执行机构，其特征在于所述主控制器单元是由PC主机及其内部模块和与之相连的数据采集装置组成；数据采集装置包括检测表面肌电信号的电极贴和检测心率信号的光电检测指套，心率信号和表面肌电信号用于提供康复训练强度所用的参数，通过主机控制器将参数在康复运动训练中发送至人机交互界面进行实时展示；主机CPU将采集到的多个传感器信号进行数据处理并导入运动强度感知模型，实时更新运动强度，同时主控单元的控制器负责与嵌入式辅助控制单元进行串口通信；
所述嵌入式控制器对步进电机驱动器提供输出使能信号、方向控制信号和脉冲控制信号；将电机的编码器与嵌入式控制器的引脚相连，采集电机编码器的反馈信号，并与主控制单元通过串口连接，用于实时交换数据并实现多个关节驱动器的同步控制；
所述关节驱动器是由步进电机、减速器、编码器和驱动器组成，驱动器由电源供能和嵌入式控制器的多路PWM信号控制两相的电压值改变电机的运行状态；在步进电机末端放置编码器，通过检测当前运动位置并反馈信息防止电机堵转；
所述人机交互模块是由人机交互界面和运动强度反馈机制组成，人机交互界面依托主控制器通过运行框的命令行实现，在设备运行初始化时设置初始值为中等运动强度，通过患者训练实际情况可进行手动设置运动强度，在训练过程中实时监测运动状态并进行优化处理。
所述关节执行机构包括两个集成式盘式关节执行器、三个闭环步进电机和与之连接的机械构件；其中，肩关节盘式电机和肘关节盘式电机分别安装在肩部和肘关节部位，肩关节盘式电机通过带动大臂执行构件动作，实现肩关节前伸、后屈运动，肘关节盘式电机通过带动前臂执行构件运动，用于实现肘关节屈、伸运动，步进电机带动肩关节执行器、电机带动肘部执行构件分别实现肩关节的外展、内收和大臂的内旋、外旋运动，通过控制闭环前臂电机带动腕部旋转构件、舵机带动腕关节弯曲构件实现小臂的内旋、外旋运动和手腕部分的旋转运动；其中，集成式盘式关节执行器需CAN总线协议通讯，通讯内容包含接受控制信号和反馈位置信号，两个盘式关节执行器都连接至CAN总线端，CAN总线端通过CAN转USB直接与PC主控制器连接，由主控制器直接发送位置控制信号。
有益效果
本发明提出的一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统，通过主控制器单元直接控制集成关节执行器，结合嵌入式控制器作为辅助控制步进电机的主从式控制方案。通过示教再现方式进行上肢康复训练。并在康复训练过程中通过检测人体表面肌电信号、心率信号，并配合编码器反馈的位置信号，进行多模态信息融合处理后进行动态调整训练强度，提高康复训练效果，使控制系统智能化。
康复上肢外骨骼控制系统通过示教功能采集专业的组合康复运动轨迹引导康复运动，能够在医护人员设定下进行相应轨迹运动，方便快捷实现各部位精确训练，并为运动训练强度调节提供初始训练轨迹。康复训练中通过对表面肌电信号、心率信号进行检测，再配合编码器反馈的位置信号进行多模态信息融合处理后导入运动强度感知模型可以依据实时的运动状态优化各关节的运动角度和速度，达到实时调节运动强度的要求，提高患者训练舒适性和康复训练效果。提供人机交互系统，方便使用者对外骨骼康复训练设备的了解和控制，简化操作难度。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统作进一步详细说明。
图1为本发明多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统流程图。
图2为本发明控制系统中外骨骼机械臂运动强度感知模型示意图。
图3为本发明控制系统中步进电机及盘式电机安装位置示意图。
图4为本发明控制系统中外骨骼机械臂主控制器流程图。
图5为本发明控制系统中外骨骼机械臂嵌入式控制器系统流程图。
图6为本发明控制系统中外骨骼系统的软件控制算法程序示意图。
图中
1.编码器 2.步进电机 3.肩关节执行器 4.肩关节盘式电机 5.大臂执行构件 6.电机 7.肘关节执行器 8.肘关节盘式电机 9.前臂执行构件 10.前臂电机 11.腕关节旋转构件 12.舵机 13.腕关节弯曲构件
具体实施方式
本实施例是一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统。
本实施例多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统，采用集中式控制和分布式控制并行的主从式控制，即以PC主机及配套数据采集装置作为主控制器直接控制集成关节执行器，结合嵌入式控制器作为辅助控制步进电机的控制系统方案。集中式控制每个运动轴的位置环都处于总控制器中组成闭环的控制系统。单个控制周期内，总控制器通过控制网络依次接收各个轴的位置反馈，计算运动轴的位置给定值，再通过控制网络发送给各电机驱动器。在分布式控制结构中，电机运动控制位置环运算在各伺服控制器中进行，不构成整体控制网络的闭环，各运动轴的位置环都位于伺服控制器内。各运动控制模块独立进行数据处理工作并完成对电机轴的驱动工作。
参阅图1～图6，本实施例用于多自由度康复上肢外骨骼结构的训练控制系统由主控制器单元、嵌入式控制器、关节驱动器、人机交互模块和关节执行机构组成；其中，主控制器单元是由PC主机及其内部模块和与之相连的数据采集装置组成。数据采集装置包括检测表面肌电信号的电极贴和检测心率信号的光电检测指套，其中心率信号和表面肌电信号主要用于提供选定康复运动中康复训练强度所用的参数，并通过主机控制器将参数在康复运动训练中发送至人机交互界面进行实时展示。主机CPU将采集到的多个传感器信号进行数据处理并导入运动强度感知模型，实时更新运动强度，保证不同训练阶段和训练强度相适应，避免因训练强度和患者实际情况不匹配降低康复训练效果，防止造成训练损伤。同时主控单元的控制器负责与嵌入式辅助控制器进行串口通信。通过从信号采集装置采集的心率信号、表面肌电信号及编码器反馈的运动学信号经过特征提取方法后，再由数据标准化处理得到多模融合向量，并把该向量作为输入层导入运动强度感知模型进行模糊化、解模糊化等回归操作，可依据实时的运动状态优化各关节的运动角度和速度，实时调节运动强度。将患者当前训练强度与身体状态相匹配，不仅能提高患者训练舒适度，更进一步提高康复训练效果。
本实施例中，嵌入式控制器作为辅助控制器,其核心任务是对步进电机执行器模块中的步进电机驱动器提供输出使能信号、方向控制信号和脉冲控制信号。并通过将步进电机的编码器与嵌入式控制器的引脚相连，采集步进电机编码器的反馈信号，为运动强度模型提供原始输入信号。并与主控制单元通过串口连接，用于实时交换数据实现多个驱动器的同步控制。
关节驱动器是由步进电机、减速器、编码器和驱动器组成，驱动器由电源供能和嵌入式控制器的多路PWM信号控制两相的电压值改变电机的运行状态；在步进电机末端放置编码器，通过检测当前运动位置并反馈信息防止电机堵转，提高设备使用安全性。
机交互模块是由人机交互界面和运动强度反馈机制组成，人机交互界面依托主控制器通过运行框的命令行实现，在设备运行初始化时设置初始值为中等运动强度，通过患者训练实际情况可进行手动设置运动强度，在训练过程中实时监测运动状态并进行优化处理。
本实施例中，关节执行机构包括二个集成式盘式关节执行器、三个闭环步进电机和与之连接的机械构件；其中肩关节盘式电机4和肘关节盘式电机8分别安装在肩部和肘关节部位。安装在肩关节的肩关节盘式电机4通过带动大臂执行构件5动作，用于实现肩关节前伸、后屈运动，安装在肘关节部位的肘关节盘式电机8通过带动前臂执行构件9运动，用于实现肘关节屈、伸运动。步进电机2带动肩关节执行器3、电机6带动肘部执行构件7分别实现肩关节的外展、内收和大臂的内旋、外旋运动。通过控制闭环前臂电机10带动腕部旋转构件11，舵机12腕关节弯曲构件13实现小臂的内旋、外旋运动和手腕部分的旋转运动；其中，集成式关节执行器是盘式电机和谐波减速器、驱动器及编码器的紧凑组合件，可在较小的空间内将电子器件高度集成。盘式关节执行器需CAN总线协议通讯，通讯内容包含接受控制信号和反馈位置信号，CAN通讯协议格式采用127Bits标准帧，包含设备地址数据段，数据长度数据段，指令符数据段和具体参数内容数据段。两个盘式关节执行器都连接至CAN总线端，CAN总线端通过CAN转USB直接与PC主控制器连接，由主控制器直接发送位置控制信号。
具体流程
步骤1、PC主控制器先对各接口进行初始化，等待信号输入。
开启上肢外骨骼设备，对控制器各个接口进行初始化，并通过交互界面打印各个接口状态，完成各项准备工作后等待用户命令输入。
步骤2、设定相应训练强度等级，输出运动轨迹信号。
用户完成各项准备工作后，待用户选定相应的运动模式及康复运动轨迹后，PC主控制器开始执行后续程序，首先会分配线程thread1去监听用户键盘输入，以防紧急中断或运动模式重新选取，之后完成读取运动轨迹并进行重采样后主线程程序进入运动轨迹输出循环。
步骤3、通过运动强度感知模型进行运动强度调节。
在执行运动轨迹输出循环时，主控制器首先会检查位置信号的范围，再向关节执行器和嵌入式控制器进行通讯传递当前轨迹文件指针指向的位置控制信号。其后，主控制器会依次接受传感器的回传信息，并且实时在人机界面中打印。主控制器会分配线程thread2去处理反馈信号，执行运动强度感知模型得到实时的运动强度并进行相应调节设置。运动强度在程序运行前，会设置初始值为中等运动强度。
其中在控制循环中，主控制器的主线程会依据运动强度优化运动轨迹。每次循环结束前，主控制都会对接口通讯进行异常检测以确保连接正常。依据预定的轨迹是否执行完成或者是否接收到终止变更命令，主控制器判定是否跳出循环进入保持力矩待机状态。
本实施例中，将嵌入式控制器与步进电机驱动器直接相连，通过嵌入式控制器将串口接受到的两个步进电机位置信号传递给驱动器的控制引脚。
嵌入式控制器的控制流程:
(1)嵌入式控制系统在通电启动后，开始对各个硬件口进行初始化操作，包括时钟初始化、串口初始化，随后根据具体接线对驱动器接口初始化。
(2)嵌入式控制器检测串口信号并发送打印一次步进电机当前状态数据，再对自身按键中断进行检测，正式进入轨迹输出循环。若无异常则进入步骤(3)，否则进入步骤(4)。
(3)运行程序接受主控制器发出的步进电机位置控制信号，读取并转变为驱动器使能信号ENA引脚、脉冲PUL引脚、方向DIR引脚的对应信号。并输出至步进电机进行驱动，随后进入步骤(5)。
(4)检测到中断请求信号，使动信号脚置位，并输出至步进电机进行驱动，随后进入步骤(5)。
(5)读取增量式编码器的增量信号并导入累加器，检测是否有终止指令并等待下一个时间片开始新循环。
本实施例中，外骨骼系统控制算法设计中包含PC主控制器的算法程序和嵌入式控制器的算法程序，每个软件算法程序中包含了通讯程序和控制算法程序。通信程序负责PC主控制器和嵌入式控制器的通讯功能，以及控制器与执行器或者电机驱动器的通讯功能。PC主控制器通过串口发送电机位置的控制信号给嵌入式控制器，嵌入式控制器接收命令并执行，检测运动状态并反馈信息。其中通讯协议使用全双工通信的RS232标准。主程序主函数硬件控制方法流程图按照图4所示，具体操作如下:
(1)进行初始化，初始化步骤中依次调用初始化函数、电机启动函数、位置速度限位函数、电机模式选取函数。
(2)程序执行位置信号输出循环时，依照INNFOS电机的不同编号分别输出两个电机的关节位置，每次输出位置信号后主线程休眠40ms时间等待命令执行。
(3)人机交互主要通过运行框的命令行在PC主机上实现。
其中INNFOS电机集成的驱动器中带有PI控制器实现的电流环、速度环和位置环的闭环控制。驱动器控制接口分别与单片机、电机、电源连接。步进角度通过驱动器的拨码开关设置。
本实施例中，控制系统特点在于运用主从式控制方法将集成关节执行器和步进电机进行划分，进行分层控制，简化控制难度；并通过编码器的反馈信号监测执行模块的运行情况，防止堵转等危险情况发生，提高系统使用安全性；运用示教再现原理采集专业的组合康复运动轨迹进行引导康复运动，并辅助实时信号反馈调控系统进行轨迹优化，进行实时运动强度调节，提高患者使用舒适度，并进一步提高康复训练效果。提供人机交互系统，方便使用者对外骨骼设备的了解和控制，简化操作难度。

Claims (2)

1.一种多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统，包括主控制器单元、嵌入式控制器、关节驱动器、人机交互模块和关节执行机构，其特征在于:所述主控制器单元是由PC主机及其内部模块和与之相连的数据采集装置组成；数据采集装置包括检测表面肌电信号的电极贴和检测心率信号的光电检测指套，心率信号和表面肌电信号用于提供康复训练强度所用的参数，通过主机控制器将参数在康复运动训练中发送至人机交互界面进行实时展示；主机CPU将采集到的多个传感器信号进行数据处理并导入运动强度感知模型，实时更新运动强度，同时主控单元的控制器负责与嵌入式辅助控制单元进行串口通信；
所述嵌入式控制器对步进电机驱动器提供输出使能信号、方向控制信号和脉冲控制信号；将电机的编码器与嵌入式控制器的引脚相连，采集电机编码器的反馈信号，并与主控制单元通过串口连接，用于实时交换数据并实现多个关节驱动器的同步控制；所述关节驱动器是由步进电机、减速器、编码器和驱动器组成，驱动器由电源供能和嵌入式控制器的多路PWM信号控制两相的电压值改变电机的运行状态；在步进电机末端放置编码器，通过检测当前运动位置并反馈信息防止电机堵转；
所述人机交互模块是由人机交互界面和运动强度反馈机制组成，人机交互界面依托主控制器通过运行框的命令行实现，在设备运行初始化时设置初始值为中等运动强度，通过患者训练实际情况可进行手动设置运动强度，在训练过程中实时监测运动状态并进行优化处理。
2.根据权利要求1所述的多自由度康复上肢外骨骼训练控制系统，其特征在于:所述关节执行机构包括两个集成式盘式关节执行器、三个闭环步进电机和与之连接的机械构件；其中，肩关节盘式电机和肘关节盘式电机分别安装在肩部和肘关节部位，肩关节盘式电机通过带动大臂执行构件动作，实现肩关节前伸、后屈运动，肘关节盘式电机通过带动前臂执行构件运动，用于实现肘关节屈、伸运动，步进电机带动肩关节执行器、电机带动肘部执行构件分别实现肩关节的外展、内收和大臂的内旋、外旋运动，通过控制闭环前臂电机带动腕部旋转构件、舵机带动腕关节弯曲构件实现小臂的内旋、外旋运动和手腕部分的旋转运动；其中，集成式盘式关节执行器需CAN总线协议通讯，通讯内容包含接受控制信号和反馈位置信号，两个盘式关节执行器都连接至CAN总线端，CAN总线端通过CAN转USB直接与PC主控制器连接，由主控制器直接发送位置控制信号。
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