CN114099227A - 一种脊柱康复机器人及其系统、形状感知和运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生连续型脊柱康复机器人，包括多个金属圆盘、多个弹簧钢片、多条绳索、多个传感器和控制模块，多个金属圆盘中每相邻的两个金属圆盘分别通过一个弹簧钢片连接，每个金属圆盘上分别设有绳孔，多条绳索分别穿过多个金属圆盘，控制模块连接多条绳索以通过多条绳索控制由多个金属圆盘和多个弹簧钢片组成的胸椎结构和腰椎结构；多个传感器分别安装在金属圆盘和/或弹簧钢片上，多个传感器连接控制模块以将传感器信息传输给控制模块。本发明还公开了仿生连续型脊柱康复机器人的系统及形状感知和运动控制方法。本发明的康复系统体积小，方便携带，成本低，且具有灵活柔顺安全的优势。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种仿生连续型脊柱康复机器人及其系统、形状感知和运动控制方法。
背景技术
人体脊柱由腰椎、胸椎、颈椎等脊椎构成，有负重、减震、保护和运动等功能；然而，当前脊椎疾病呈上升趋势，已困扰多类人群，严重影响生活质量。
随着我国人口老龄化加剧，预计到本世纪中叶我国老龄人口将达到4.87亿人左右，如图1所示；未来针对老年人群体的健康服务机器人存在巨大需求，腰椎疾病作为困扰许多老年人的疾病，迫切需要针对脊柱问题进行辅助治疗及康复的医疗康复机器人。
另一方面，白领和学生群体长期伏案工作，久坐少动，脊柱长期保持不良姿势，导致软组织过度拉伸，关节过度磨损进而过早衰老，并引发椎间盘髓核变形，诱发脊椎问题。脊椎问题日益成为困扰年轻人健康的重大问题之一。
脊椎疾病通常反复发作难以完全治愈，并且迁延病情会加重病化，严重影响工作和生活质量。然而仅靠手术治疗成效一般，且需承担昂贵的检查和治疗费用以及手术风险。对于中轻度脊椎疾病，目前推荐措施主要是物理治疗。
物理治疗师罗宾·麦肯基认为脊柱长期姿势性紧张，会造成脊椎的机械性损伤，导致腰痛等疾患。基于此理论，麦肯基创立了脊椎力学诊断理论和治疗技术。历经半个多世纪的临床实践，麦肯基疗法疗效良好，获得了国际康复治疗界的广泛认同。鉴于物理治疗方法帮助脊椎病患者康复的优势，众多学者设计了多种脊柱康复机器人。
目前主流的脊柱康复系统都是基于医床、座椅等大型平台研发设计，下面以天愈TENIYO脊柱康复机器人系统为例进行说明。天愈TENIYO脊柱康复机器人系统是一款智能型脊柱牵引康复机器人综合系统，主要用于腰椎和颈椎的单维多角度精准牵引康复治疗。如图2所示，脊柱牵引康复机器人系统主要包括可变动床体101、颈椎角度调节装置102、腰椎角度调节装置103、手臂角度调节装置104、头部角度调节装置105、控制机箱106，控制机箱106包括柔和牵引装置1061和计算机控制与采集系统1062。当患者需要进行腰椎牵引时，其仰卧于所述机器人上，并且头部朝向床尾，腰部位于所述第二床板上方，使用绑带将腰部固定在第二床板上，腰部两侧的绑带上分别有一个牵引带，将牵引绳索从控制机箱中拉出，并通过牵引挂钩与两个牵引带连接，这样当牵引绳索拉动时，可以拉动牵引带，牵引带受力拉动绑带，从而带动腰部进行腰椎牵引。医生通过计算机控制与采集系统设定腰椎牵引角度和腰椎基础牵引力，腰椎牵引角度为第二床板与水平方向的夹角；由计算机控制与采集系统控制第二电动推杆，推动第二床板抬起，由于腰椎角度调节装置的结构是事先确定的，因此计算机控制与采集系统可以通过第二电动推杆的位移计算出当前的腰椎牵引角度，从而可以控制腰椎牵引角度；并且计算机控制与采集系统同样通过上述拉压力传感器反馈的信号，获得当前腰椎的牵引力，并控制第一电机逐步增大牵引力。但是该类型脊柱康复机器人系统主要存在以下缺点：1)康复系统体积大，质量重，不易携带，不易在家中或工作时使用，使用场所受限；2)没有很好的考虑人体工程学，限制了灵活性和舒适性；3)设备难以根据患者个人情况进行定制；4)无法帮助患者直立运动时维持脊柱直立和稳定腰骶脊柱；5)设备成本高。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种仿生连续型脊柱康复机器人及其系统、形状感知和运动控制方法，康复系统体积小，方便携带，成本低，且具有灵活柔顺安全的优势。
打破传统刚性机器人结构束缚，更加符合人体脊柱运动特征，具有灵活柔顺安全的优势，为脊柱康复机器人系统设计提供了新的思路。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种仿生连续型脊柱康复机器人，包括多个金属圆盘、多个弹簧钢片、多条绳索、多个传感器和控制模块，多个所述金属圆盘中每相邻的两个所述金属圆盘分别通过一个弹簧钢片连接，每个所述金属圆盘上分别设有绳孔，所述多条绳索分别穿过多个所述金属圆盘，所述控制模块连接所述多条绳索以通过所述多条绳索控制由所述多个金属圆盘和所述多个弹簧钢片组成的胸椎结构和腰椎结构；多个所述传感器分别安装在所述金属圆盘和/或所述弹簧钢片上，多个所述传感器连接所述控制模块以将传感器信息传输给所述控制模块。
优选地，所述多条绳索分为两组绳索，所述多个金属圆盘中最底部的所述金属圆盘为基底，所述多个金属圆盘上方的部分所述金属圆盘和对应的多个所述弹簧钢片组成胸椎结构，所述基底和所述胸椎结构中间的部分所述金属圆盘和对应的多个所述弹簧钢片组成腰椎结构，所述两组绳索中的一组所述绳索的第一端固定在所述胸椎结构的最顶部的所述金属圆盘上，另一组所述绳索的第一端固定在所述腰椎结构的最顶部的所述金属圆盘上，所述两组绳索的第二端均连接在所述控制模块上。
优选地，所述控制模块包括上位机、伺服电机、驱动器和通信模块，所述伺服电机连接并用于驱动所述多条绳索，所述驱动器连接所述伺服电机以通过闭环控制所述伺服电机，所述通信模块用于实现所述驱动器和所述上位机之间的通信，所述上位机连接所述多个传感器以用于采集数据。
本发明还公开了一种仿生连续型脊柱康复机器人系统，其特征在于，包括上述的仿生连续型脊柱康复机器人和便携穿戴装置，所述便携穿戴装置上设有腰部张紧带，所述仿生连续型脊柱康复机器人固定连接在所述腰部张紧带上。
进一步地，所述便携穿戴装置还包括肩部张紧带和腰部固定带，所述肩部张紧带连接在所述腰部张紧带的上端，所述腰部固定带固定连接在所述腰部张紧带的下端。
更进一步地，所述仿生连续型脊柱康复机器人系统还包括仿捶背按摩电机和发热理疗垫，所述仿捶背按摩电机和所述发热理疗垫分别固定连接在所述腰部张紧带上。
本发明另外公开了一种上述的仿生连续型脊柱康复机器人的形状感知方法，包括以下步骤：
A1：基于所述传感器的姿态解算法，获取各个所述传感器的安装位置处的姿态；
A2：根据各个所述传感器的安装位置处的姿态，求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数；
A3：根据所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数，求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的实时形状。
优选地，步骤A2具体包括：将各个所述传感器的安装位置处的姿态代入到下述曲率模态线性方程组，以求解得到所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数：
式中，sk为第k阶的沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，
为第k阶曲率模态，α(sk)为sk位置处的偏转角度，k＝0，…，m，m为曲率模态的总阶数。
优选地，步骤A3具体包括：将所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数代入到下述两式中，以求解得到所述仿生连续型脊柱康复机器人的实时形状：
式中，α(s，t)为位置s在时间t时的偏转角度，
为第k阶曲率模态，s为沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，m为曲率模态的总阶数，x(s，t)、y(s，t)、z(s，t)为位置s在时间t时的x、y、z坐标位置，L为所述仿生连续型脊柱康复机器人的长度。
本发明另外还公开了一种述的仿生连续型脊柱康复机器人的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
B1：输入所述仿生连续型脊柱康复机器人的需实现的预设形状，并根据所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设形状求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息；
B2：根据上述的形状感知方法得到的所述仿生连续型脊柱康复机器人的实时形状，获取所述仿生连续型脊柱康复机器人的反馈姿态信息；
B3：将所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息和反馈姿态信息机型比较，得到对所述绳索的变化量，以对所述绳索驱动对应的姿态进行反馈补偿；
B4：基于所述绳索的变化量，所述控制模块对所述绳索驱动的速度进行控制。
优选地，步骤B1中采用下式求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息：
式中，α(s，t)为位置s在时间t时的偏转角度，
为第k阶曲率模态，s为沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，m为曲率模态的总阶数。
优选地，步骤B3中将所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息和反馈姿态信息机型比较，得到对所述绳索的变化量具体包括：将所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息和反馈姿态信息机型比较得到弯曲角度差值，并经下式计算得到所述绳索的变化量：Δx(s，t)＝d·α(s，t)，Δy(s，t)＝0；式中，d为所述绳索上的任一点与所述仿生连续型脊柱康复机器人中心曲线的垂直距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的仿生连续型脊柱康复机器人及其系统，采用连续型机器人结构作为脊柱康复系统的核心，康复系统体积小、质量轻、方便携带，不受场所限制；而且可以很好地考虑人体工程学，具有灵活性和舒适性，方便根据患者个人情况进行定制，而且可以帮助患者直立运动时维持脊柱直立和稳定腰骶脊柱；设备成本低；其中采用的连续型机器人结构，打破传统刚性机器人结构束缚，更加符合人体脊柱运动特征，具有灵活柔顺安全的优势，为脊柱康复机器人系统设计提供了新的思路，有助于推动便携脊柱康复机器人系统的发展，对改善国民脊柱健康有实际意义。另外，仿生连续型脊柱康复机器人采用模块化设计，方便根据治疗方案和患者病情定制，提升治疗效果。
在仿生连续型脊柱康复机器人系统中，采用仿生连续型脊柱康复机器人支撑脊柱，并结合振动按摩、热敷理疗功能，有效缓解腰背部疲劳，加强脊柱康复效果。其中将仿生连续型脊柱康复机器人固定设置在便携穿戴装置的腰部张紧带上，减少对患者运动、姿态的约束，方便患者使用。其所需器材种类少，并易于批量生产，有效降低生产维修成本。
进一步地，结合连续型机器人自动化、智能化理论基础、形状感知技术等，可实现人体脊柱形态监控与诊断功能；提出的连续型机器人闭环形状控制技术，可实现脊柱康复牵引功能。
附图说明
图1是中国60岁以上老人人口的变化图；
图2是现有的天愈TENIYO脊柱康复机器人系统的结构示意图；
图3a和图3b是本发明优选实施例的仿生连续型脊柱康复机器人的结构示意图；
图4是本发明优选实施例的仿生连续型脊柱康复机器人系统的结构示意图；
图5是连续型机器人的多项式曲率段的示意图；
图6是本发明优选实施例的基于多姿态解算的形状感知方法流程图；
图7是绳索与仿生连续型脊柱康复机器人的中心曲线关系图；
图8是本发明优选实施例的仿生连续型脊柱康复机器人的曲率模态空间闭环运动形状控制框图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图3a和图3b所示，本发明优选实施例公开了一种仿生连续型脊柱康复机器人1，包括多个金属圆盘11、多个弹簧钢片12、多条绳索13、多个传感器14和控制模块(图中未示)，多个金属圆盘11中每相邻的两个金属圆盘11分别通过一个弹簧钢片12连接，每个金属圆盘11上分别设有绳孔，多条绳索13分别穿过多个金属圆盘11，控制模块连接多条绳索以通过多条绳索控制由多个金属圆盘11和多个弹簧钢片12组成的胸椎结构和腰椎结构；多个传感器14分别安装在金属圆盘11和/或弹簧钢片12上，多个传感器14连接控制模块以将传感器信息传输给控制模块。在本实施例中，多条绳索12分为两组绳索121、122，多个金属圆盘11中最底部的金属圆盘为基底20，多个金属圆盘11上方的部分金属圆盘11和对应的多个弹簧钢片12组成胸椎结构30，基底20和胸椎结构30中间的部分金属圆盘11和对应的多个弹簧钢片12组成腰椎结构40，两组绳索121、122中的一组绳索121的第一端固定在胸椎结构30的最顶部的金属圆盘11上，另一组绳索122的第一端固定在腰椎结构40的最顶部的金属圆盘11上，两组绳索121、122的第二端分别穿过多个金属圆盘11后连接在控制模块上以分别对胸椎结构30和腰椎结构40进行控制。本实施例中的仿生连续型脊柱康复机器人结构主要由金属圆盘和弹性金属片组成，结构简单，加工制作便捷低廉，维修保养方便，容错率高，并且便于个性化定制和改进。
其中，控制模块包括上位机、伺服电机、驱动器和通信模块，伺服电机连接并用于驱动多条绳索，驱动器连接伺服电机以通过闭环控制伺服电机，通信模块用于实现驱动器和上位机之间的通信，上位机连接多个传感器以用于采集数据。具体地，其中的上位机采用Ubuntu上位机，用于采集传感器数据和控制程序；驱动器采用直流驱动器，通信模块采用CAN分析仪；控制模块控制绳索的过程为：在驱动器的驱动信号作用下，伺服电机运动，进而通过绳索驱动仿生连续型脊柱康复机器人，其中上位机编入控制程序，将控制命令传至CAN分析仪，经CAN分析仪进一步处理后传递驱动器。
脊柱是人体的支柱，是人体骨骼结构中一段十分柔软且灵活的结构；它依靠其周围韧带相互联系，在肌肉的驱动下可以实现屈伸、侧屈、旋转和环转等运动，具有多自由度。脊柱的尾骨和骶骨部分可认为不发生移动，脊柱的上述运动主要发生在颈椎、胸椎和腰椎三部分。脊柱运动的特点是相邻椎骨间运动范围很小，相互约束，但是多个椎骨间的运动组合起来便可以进行较大幅度的运动。胸椎虽然由12块脊椎骨构成，但由于与肋骨相连，运动幅度很小；腰椎和颈椎各由5块、7块脊椎骨组成，脊椎椎间较为灵活，运动幅度较大。人体脊柱的运动方式包括侧屈、旋转和环转等，但脊椎康复训练主要包括平面伸展和弯曲运动。本发明优选实施例提出的仿生连续型脊柱康复机器人最大限度地满足了脊柱生理学运动特性，其中的腰椎部分和胸椎部分的骨架采用金属圆盘11来形成，弹簧钢片12负责连接各金属圆盘11，作为运动关节；金属圆盘11上具有绳孔，绳索13穿过绳孔，绳索13被伺服电机牵拉时，一方面由于绳索13的末端体积较大被金属圆盘11阻挡，绳索13的拉力会作用在该金属圆盘11上，另一方面金属圆盘11的绳孔和绳索13的摩擦力也会在金属圆盘11上施加作用力，进而驱动仿生连续型脊柱康复机器人运动；其中在本实施例中，胸椎结构30、胸椎结构40两部分分别通过绳索13进行驱动，骨架采用弹簧钢片12作为弹性支撑，从而满足仿生脊柱的连续运动特性。
如图4所示，本发明优选实施例公开了一种仿生连续型脊柱康复机器人系统，包括仿生连续型脊柱康复机器人1、便携穿戴装置2、仿捶背按摩电机3和发热理疗垫4，便携穿戴装置2上设有腰部张紧带21、肩部张紧带22和腰部固定带23，肩部张紧带22连接在腰部张紧带21的上端，腰部固定带23固定连接在腰部张紧带21的下端，仿生连续型脊柱康复机器人1、仿捶背按摩电机3和发热理疗垫4分别固定连接在腰部张紧带21上。具体地，其中的腰部张紧带21可以固定仿生连续型脊柱康复机器人1的基座20，并提供受力点；仿生连续型脊柱康复机器人1、仿捶背按摩电机3和发热理疗垫4通过螺栓螺母、魔术贴粘贴方式安装在在腰部张紧带21上，仿生连续型脊柱康复机器人1装配牢靠且便于安装拆卸，仿捶背按摩电机3可以振动按摩背部穴位、疏通经络；发热理疗垫4可以热敷理疗、活血化瘀。通过将仿生连续型脊柱康复机器人与便携穿戴装置进行集成，并通过控制器驱动绳索进行远程绳驱，使得用户佩戴设备后有效开展脊柱康复运动，从而执行预期的脊柱康复运动牵引。便携穿戴装置布局符合人体工程学，确保有效传递机器人的力矩和运动，从而在提供使用者舒适性的同时提供高效牵引力；在便携穿戴装置的特定位置装配仿捶背按摩电机3和发热理疗垫4，提供辅助康复功能，增强康复疗效。
连续型机器人作为一种新型特种机器人，有灵活柔顺安全的优点，但在脊椎康复应用方面缺乏研究。脊柱本质上就是一种连续型结构，仿脊柱连续型机器人可更好适应脊柱生理学运动特性。本发明优选实施例结合了传统脊柱康复机器人系统和连续型机器人各自优点，提出的仿生连续型脊柱康复机器人及其系统，能够带动人体脊柱进行康复运动，有效缓解腰背部疲劳，进而使腰椎等脊椎疾病逐渐康复。
本发明实施例中发挥连续型机器人灵活柔顺安全的优势，利用仿生人体脊柱运动，结合便携穿戴结构牵引带动用户开展脊柱康复运动，从而达到脊柱康复目标。连续型机器人打破了传统刚性机器人的刚性结构束缚，对于脊柱康复机器人系统的开发提供了新的思路。连续型机器人通常由可变形材料构成，可实现连续变形，其形态可由空间中曲率连续变化的曲线进行描述，理论上具有无穷自由度。相比于传统的刚性机器人，连续型机器人更加灵活柔顺，能够适应多种复杂环境，更是未来人机安全交互的发展趋势。其主要特点如下：1)体型细长：区别于传统刚性机器人驱动方式，连续型机器人可采用绳驱、气驱等方式，将驱动器后置使得机体更加细长；2)超冗余自由度：由可变形材料构成，理论上拥有无限自由度，因此更加灵活；3)高柔顺性：与外界交互可发生变形，较刚性机器人更为安全。
连续型机器人形状运动学建模需建立能够刻画任意点处位置的运动学参数化表达。事实上，连续型机器人的灵活性来源于机体的连续变形；因此连续型机器人形状运动学建模是发挥连续型机器人灵活运动潜力的基础。本发明中机器人可简化为平面运动的曲线，可使用多项式曲率曲线对该形状进行刻画，如图5所示。
机器人总长度为常数L，假设连续型机器人共分为n段，如图5所示为第i分段的几何关系(i∈1，2，…，n)。分段长度为Li，沿臂长方向上任意点可通过归一化坐标s∈[0，1]参数化表示，其中s＝0表示根部，s＝1表示末端，根部到s位置处的曲线弧长为sLi。第i分段的偏转角度为
弯曲角度为αi(s，t)。由于该仿生连续型脊柱康复机器人是平面运动，故偏转角度
该平面连续型机器人曲率与位置s及时间t有关，设为q(s，t)。假设q(s，t)可通过s解析，并通过曲率多项式的m阶截断近似级数表达为：
其中，
为第k阶曲率模态。
通过对曲率q(s，t)关于s曲线积分，可得到平面连续型机器人在平面内任意位置的弯曲角度
式中，sm为第m阶的沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，
为第m阶曲率模态，α(sm)为sm位置处的偏转角度。
进一步，将弯曲角度投影到笛卡尔坐标系进行曲线积分，得到平面上任意位置的笛卡尔坐标：
式中，α(s，t)为位置s在时间t时的偏转角度，
为第k阶曲率模态，s为沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，m为曲率模态的总阶数，x(s，t)、y(s，t)、z(s，t)为位置s在时间t时的x、y、z坐标位置，L为仿生连续型脊柱康复机器人的长度。
通过上述多项式曲率运动学模型，可对连续型机器人形状进行实时精确刻画。多项式形状运动学模型中式(2)和(4)，刻画了连续型机器人沿臂长方向任意位置处姿态与位置存在的耦合关系。因此，本发明提出由沿臂长方向多个点处的姿态解算得到连续型机器人任意点处位姿，从而实现连续型机器人形状感知。该形状感知流程图，如图6所示，具体包括以下步骤：
首先，进行传感器的配置，在本实施例中，传感器选取分布式惯性传感单元(Inertial Measurement Unit，IMU)进行配置，具体采用小型化可穿戴方案，如ICM20948芯片。IMU传感器具有成熟的姿态解算方案，借助现有程序便于获取传感器安装位置处的姿态。然后，是基于实际应用场景将仿生连续型脊柱机器人分为多段，然后对每段分别建立模型，再根据分段情况配置传感器数量和决定曲率多项式(1)的m阶近似。在本实施例中，仿生连续型脊柱康复机器人分为2段，故最少需要3个IMU传感器，分别安装在胸椎结构30的最项部的金属圆盘11上、腰椎结构40的最底部的金属圆盘11、以及胸椎结构30和腰椎结构40之间的过渡位置。实时形状感知算法首先是基于惯性传感单元的姿态解算法，获取传感器安装位置处的姿态；进一步求解由式(3)组成的曲率模态线性方程组，即可求解得到各分段模态参数θ。再将模态参数代入式(2)、(4)即可求解笛卡尔坐标系下仿生连续型脊柱康复机器人的实时形状。
驱动绳索上任意点与仿生连续型脊柱康复机器人中心曲线的垂直距离为d，如图7所示。由图7可知绳索的长度l(s，t)为：
l(s，t)＝sL-d.α(s，t) (5)
根据(5)可知，多项式曲率绳索长度l(s，t)可直接由该位置弯曲角度α(s，t)进行计算。仿生连续型脊柱机器人由两条绳索驱动，由式(5)可得两条绳索的长度分别为：
其中较中心曲线变化量为d·α(s，t)，负号表示绳腱沿弯曲方向被压缩。式(6)进一步简化可求得绳索变化量与机器人弯曲角度之间的映射关系式：
由式(7)(8)可知，通过控制在m+1个不同位置绳腱变化量u＝[Δx(s0)，Δy(s0)，…，Δx(sm)，Δy(sm)]T就可得到期望的机器人弯曲形状。
连续型机器人理论上拥有无穷自由度，但实际应用中控制输入通常有限，故属于欠驱动系统；运动形状控制中，致动器可控位置s越多，对于形状的控制能力越强。基于连续型机器人实时形状感知，可实现闭环形状控制；闭环形状控制中通过实时形状感知引入了形状信息反馈，并通过设计外环形状控制器对反馈误差进行补偿修正。图8为曲率模态空间下的闭环运动形状控制框图，其中：参考输入xr为仿生连续型脊柱康复机器人的偏转角度和模态参数(本发明实施例中偏转角为0)，该参考输入xr所表示的即为仿生连续型脊柱康复机器人需实现的预设形状，再根据运动学(2)(即前述公式(2))积分得到机器人的m+1位置处的参考姿态信息y(包含弯曲信息)；仿生连续型脊柱机器人实际状态量为x，经由上述形状感知方法得到姿态反馈信号
(包含弯曲信息)；参考姿态信息y和通过形状感知估算得到的姿态反馈信号
进行比较，将弯曲角差值经由式(7)构成的PID外环控制器得到绳索变化量u，从而对绳索驱动对应的姿态进行反馈补偿；其中，内环控制器、致动器和编码器组成的内部控制用于实现伺服电机的闭环反馈控制，其中内环控制器同样采用PID控制器实现，基于绳腱变化量u对绳驱速度进行精准控制。本实施例中，外环控制器和内环控制器均编写入Ubuntu上位机，编码器和制动器均包含于驱动器。
本发明优选实施例结合连续型机器人自动化、智能化理论基础、形状感知技术等，可实现人体脊柱形态监控与诊断功能；提出的连续型机器人闭环形状控制技术，可实现脊柱康复牵引功能。
本发明优选实施例中不仅提供被动支撑，还具备主动牵引能力，可以辅助进行脊柱康复训练；采用仿生连续型脊柱康复机器人，支撑效果和牵引力矩更强，患者使用更加轻松，并能有效帮助严重病情患者；采用电机-绳索驱动方式，相比于气驱，运动控制更加准确，感知检测方便，成本低廉、便于保养维修。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种仿生连续型脊柱康复机器人，其特征在于，包括多个金属圆盘、多个弹簧钢片、多条绳索、多个传感器和控制模块，多个所述金属圆盘中每相邻的两个所述金属圆盘分别通过一个弹簧钢片连接，每个所述金属圆盘上分别设有绳孔，所述多条绳索分别穿过多个所述金属圆盘，所述控制模块连接所述多条绳索以通过所述多条绳索控制由所述多个金属圆盘和所述多个弹簧钢片组成的胸椎结构和腰椎结构；多个所述传感器分别安装在所述金属圆盘和/或所述弹簧钢片上，多个所述传感器连接所述控制模块以将传感器信息传输给所述控制模块。
2.根据权利要求1所述的仿生连续型脊柱康复机器人，其特征在于，所述多条绳索分为两组绳索，所述多个金属圆盘中最底部的所述金属圆盘为基底，所述多个金属圆盘上方的部分所述金属圆盘和对应的多个所述弹簧钢片组成胸椎结构，所述基底和所述胸椎结构中间的部分所述金属圆盘和对应的多个所述弹簧钢片组成腰椎结构，所述两组绳索中的一组所述绳索的第一端固定在所述胸椎结构的最顶部的所述金属圆盘上，另一组所述绳索的第一端固定在所述腰椎结构的最顶部的所述金属圆盘上，所述两组绳索的第二端均连接在所述控制模块上。
3.根据权利要求1所述的仿生连续型脊柱康复机器人，其特征在于，所述控制模块包括上位机、伺服电机、驱动器和通信模块，所述伺服电机连接并用于驱动所述多条绳索，所述驱动器连接所述伺服电机以通过闭环控制所述伺服电机，所述通信模块用于实现所述驱动器和所述上位机之间的通信，所述上位机连接所述多个传感器以用于采集数据。
4.一种仿生连续型脊柱康复机器人系统，其特征在于，包括权利要求1至3任一项所述的仿生连续型脊柱康复机器人和便携穿戴装置，所述便携穿戴装置上设有腰部张紧带，所述仿生连续型脊柱康复机器人固定连接在所述腰部张紧带上；进一步地，所述便携穿戴装置还包括肩部张紧带和腰部固定带，所述肩部张紧带连接在所述腰部张紧带的上端，所述腰部固定带固定连接在所述腰部张紧带的下端；更进一步地，所述仿生连续型脊柱康复机器人系统还包括仿捶背按摩电机和发热理疗垫，所述仿捶背按摩电机和所述发热理疗垫分别固定连接在所述腰部张紧带上。
5.一种权利要求1至3任一项所述的仿生连续型脊柱康复机器人的形状感知方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1：基于所述传感器的姿态解算法，获取各个所述传感器的安装位置处的姿态；
A2：根据各个所述传感器的安装位置处的姿态，求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数；
A3：根据所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数，求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的实时形状。
6.根据权利要求5所述的形状感知方法，其特征在于，步骤A2具体包括：将各个所述传感器的安装位置处的姿态代入到下述曲率模态线性方程组，以求解得到所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数：
式中，sk为第k阶的沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，
为第k阶曲率模态，α(sk)为sk位置处的偏转角度，k＝0,…,m，m为曲率模态的总阶数。
7.根据权利要求5所述的形状感知方法，其特征在于，步骤A3具体包括：将所述仿生连续型脊柱康复机器人的模态参数代入到下述两式中，以求解得到所述仿生连续型脊柱康复机器人的实时形状：
式中，α(s,t)为位置s在时间t时的偏转角度，
为第k阶曲率模态，s为沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，m为曲率模态的总阶数，x(s,t)、y(s,t)、z(s,t)为位置s在时间t时的x、y、z坐标位置，L为所述仿生连续型脊柱康复机器人的长度。
8.一种权利要求1至3任一项所述的仿生连续型脊柱康复机器人的运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
B1：输入所述仿生连续型脊柱康复机器人的需实现的预设形状，并根据所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设形状求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息；
B2：根据权利要求5至7任一项所述的形状感知方法得到的所述仿生连续型脊柱康复机器人的实时形状，获取所述仿生连续型脊柱康复机器人的反馈姿态信息；
B3：将所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息和反馈姿态信息机型比较，得到对所述绳索的变化量，以对所述绳索驱动对应的姿态进行反馈补偿；
B4：基于所述绳索的变化量，所述控制模块对所述绳索驱动的速度进行控制。
9.根据权利要求8所述的运动控制方法，其特征在于，步骤B1中采用下式求解所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息：
式中，α(s,t)为位置s在时间t时的偏转角度，
为第k阶曲率模态，s为沿臂长方向上的归一化参数表示的位置，m为曲率模态的总阶数。
10.根据权利要求8所述的运动控制方法，其特征在于，步骤B3中将所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息和反馈姿态信息机型比较，得到对所述绳索的变化量具体包括：将所述仿生连续型脊柱康复机器人的预设姿态信息和反馈姿态信息机型比较得到弯曲角度差值，并经下式计算得到所述绳索的变化量：Δx(s,t)＝d·α(s,t)，Δy(s,t)＝0；式中，d为所述绳索上的任一点与所述仿生连续型脊柱康复机器人中心曲线的垂直距离。
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