CN116966057A - 一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法及系统，涉及康复机器人技术领域，该方法包括在关节活动范围内，采用角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动；当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，将反馈交互力与期望交互力进行比较；若两者不相等则控制康复机器人输出期望交互力，同时引导康复机器人向两者平衡的方向牵引关节运动，且当两者相等时控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并根据关节功能牵引作用结束后记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整；若两者大小相等则控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用。本发明能够保证关节功能牵引的效果。

Description

一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法及系统

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域，特别是涉及一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法及系统。

背景技术

关节功能牵引法是一种比较适合的治疗方法，它能在需要扩大关节活动范围(ROM，Range ofMotion)的关节运动方向上提供持续一定时间的稳定的关节功能牵引作用力，并有效缓解关节挛缩和粘连。

目前康复机器人中也有类似的关节功能牵引法。通常康复机器人是在关节ROM内牵引关节进行持续被动运动(CPM，Continue Passive Motion)，并在关节ROM所对应的关节极限位置处停止运动，再配合关节远端抓握康复机器人末端或在绑带作用下与康复机器人末端的限位，以及近端肢体在绑带作用下的限位，从而促使关节与康复机器人在关节极限位置处产生一个较大的交互力，并以此交互力作为关节功能牵引作用力，且保持一定时间，从而实现仿医师手工进行关节功能牵引(以下简称关节功能牵引)的效果，如现有技术，腕关节锻炼运动器中的极限位置停滞功能。该方法的实现效果对于初设的关节ROM的准确性有较高要求，若初设的关节ROM不准确，则可能导致康复机器人牵引关节运动至关节ROM所对应的关节极限位置处，关节依旧有自由活动余量，从而降低关节功能牵引的效果；在关节ROM所对应的关节极限位置处，受绑带或皮肤变形影响，患者易发生肢体代偿或肢体松动，从而影响关节功能牵引的效果。此外，关节功能牵引作用力的大小难以调整，从而难以满足不同患者的个性化康复训练需求。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，包括：

从零位开始，在关节活动范围内，采用角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动；

当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，将反馈交互力与期望交互力进行比较；

若反馈交互力与期望交互力大小不相等，则控制康复机器人输出期望交互力，同时引导康复机器人向反馈交互力与期望交互力平衡的方向牵引关节运动，且当反馈交互力与期望交互力大小相等时，控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并在关节功能牵引作用结束后，记录角度位置数据；

若反馈交互力与期望交互力大小相等，则控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用；

根据记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整。

本发明还提供了一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练系统，包括：

常规关节活动范围内持续被动运动训练模块，用于从零位开始，在关节活动范围内，采用角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动；

带有关节功能牵引的持续被动运动训练模块，用于当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，将反馈交互力与期望交互力进行比较；若反馈交互力与期望交互力大小不相等，则控制康复机器人输出期望交互力，同时引导康复机器人向反馈交互力与期望交互力平衡的方向牵引关节运动，且当反馈交互力与期望交互力大小相等时，控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并在关节功能牵引作用结束后，记录角度位置数据；若反馈交互力与期望交互力大小相等，则控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用；

关节活动范围自适应调整模块，用于根据记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用在运动方向上存在的恒定关节功能牵引作用力(即为期望交互力)动态牵引关节运动，直至反馈交互力满足期望交互力，从而使关节功能牵引的效果得到保证，解决了因肢体代偿或肢体松动或初设关节ROM不准确导致关节在关节极限位置附近发生微小位移而影响关节功能牵引效果的问题；同时，当因关节持续被动运动或关节功能牵引而使得关节ROM发生明显变化后，可实现对关节ROM的自适应修正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的常规关节活动范围内持续被动运动轨迹图；

图3为本发明实施例提供的带有关节功能牵引的持续被动运动控制模型示意图；

图4为本发明实施例提供的带有关节功能牵引的持续被动运动轨迹图；

图5为本发明实施例提供的腕关节在极限位置附近发生微小位移示意图；

图6为本发明实施例提供的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法的实例流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，包括：

步骤100：从零位开始，在关节活动范围内，采用角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动。

步骤200：当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，将反馈交互力与期望交互力进行比较。

步骤300：若反馈交互力与期望交互力大小不相等，则控制康复机器人输出期望交互力，同时引导康复机器人向反馈交互力与期望交互力平衡的方向牵引关节运动，且当反馈交互力与期望交互力大小相等时，控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并在关节功能牵引作用结束后，记录角度位置数据。

步骤400：若反馈交互力与期望交互力大小相等，则控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用。

步骤500：根据记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整。

在本实施例中，在执行步骤100之前，需要设置正向关节极限位置处的关节角度、负向关节极限位置处的关节角度、期望交互力以及设定时间。

在本实施例中，在康复机器人辅助训练过程中，康复机器人的综合运动轨迹为：

式中，θ_r为在康复机器人辅助训练过程中康复机器人运动时的关节角度，A_up为正向关节极限位置处的关节角度，A_down为负向关节极限位置处的关节角度；t为当前运动时间；t_s为关节功能牵引作用力的作用时间(即为设定时间)；T为轨迹运动周期；k为第k个轨迹运动周期，k＝0,1,2,3,…；A'_up＝A_up+C(F-F_up)，A'_down＝A_down+C(F-F_down)，C为人体关节刚度相关系数，F为期望交互力，F_up为康复机器人牵引关节至正向关节极限位置处的交互力，F_down为康复机器人牵引关节至反向关节极限位置处的交互力；A_up1为新的正向关节极限位置处的关节角度，A_down1为新的反向关节极限位置处的关节角度。

其中，在关节活动范围内，康复机器人的运动轨迹为：

其中，θ_r1为在关节活动范围内康复机器人运动时的关节角度。

在到达关节极限位置后，康复机器人的运动轨迹为：

其中，θ_r2为在到达关节极限位置后康复机器人运动时的关节角度。

在本实施例中，步骤500具体包括：

当角度位置数据包括多个正向关节极限位置处的关节角度时，对多个正向关节极限位置处的关节角度进行加权处理，得到处理后的正向关节极限位置处的关节角度，并将关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度与处理后的正向关节极限位置处的关节角度进行比较，若处理后的正向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度的差值小于或者等于第一设定阈值则保持原来的关节活动范围不变，若处理后的正向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度的差值大于第一设定阈值则将关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度更新为处理后的正向关节极限位置处的关节角度。

当角度位置数据包括多个反向关节极限位置处的关节角度时，对多个反向关节极限位置处的关节角度进行加权处理，得到处理后的反向关节极限位置处的关节角度，并将关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度与处理后的反向关节极限位置处的关节角度进行比较，若处理后的反向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度的差值小于或者等于第一设定阈值则保持原来的关节活动范围不变，若处理后的反向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度的差值大于第一设定阈值则将关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度更新为处理后的反向关节极限位置处的关节角度。

其中，处理后的正向关节极限位置处的关节角度A'_up的计算公式为：

处理后的反向关节极限位置处的关节角度A'_down的计算公式为：

其中，A_upi和A_dowmi分别为第i次关节功能牵引作用后所记录的正向关节极限位置处的关节角度和反向关节极限位置处的关节角度，n为牵引次数。

实施例二

本实施例提供了一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练系统，包括：

常规关节活动范围内持续被动运动训练模块，用于从零位开始，在关节活动范围内，采用角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动。

带有关节功能牵引的持续被动运动训练模块，用于当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，将反馈交互力与期望交互力进行比较；若反馈交互力与期望交互力大小不相等，则控制康复机器人输出期望交互力，同时引导康复机器人向反馈交互力与期望交互力平衡的方向牵引关节运动，且当反馈交互力与期望交互力大小相等时，控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并在关节功能牵引作用结束后，记录角度位置数据；若反馈交互力与期望交互力大小相等，则控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用。

关节活动范围自适应调整模块，用于根据记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整。

具体说明如下：

1.常规关节活动范围内持续被动运动训练模块。

1)训练方法：从小角度开始，以平稳缓慢的轨迹，控制康复机器人将关节牵引至所设定的最大可承受角度。在该训练方法中，关节角度逐渐增加，完成反复拉伸牵引训练，有助于增加关节ROM，改善关节僵硬和挛缩。

2)常规关节活动范围内持续被动运动轨迹为实施例一所述的在关节活动范围内康复机器人的运动轨迹，具体如图2所示。

2.带有关节功能牵引的持续被动运动训练模块。

1)如图3所示，本实施例所述的带有关节功能牵引的持续被动运动训练模块对应的模型，是在常规角位置跟踪控制模型上增加了一个牵引力控制模块，在关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置处，可实时将力传感器反馈回来的交互力F_m与期望交互力F进行比较，得到力F_b；当力F_b为0时控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用；当力F_b不为0时，引导康复机器人向两者交互力平衡的方向牵引关节运动，直至反馈回来的交互力与期望交互力大小相同，当反馈交互力与期望交互力大小相等时，控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并在关节功能牵引作用结束后，记录角度位置数据，从而实现关节功能牵引的效果。

其中，当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，牵引力控制模块工作，牵引力控制模块根据力F_b输出牵引力角度θ_r2，并根据牵引力角度θ_r2和角位置传感器采集的θ_m控制位置控制器输出相应的指令，从而控制康复机器人做相应的运动；当在关节活动范围时，牵引力控制模块不工作，只需根据上述计算的θ_r1和角位置传感器采集的θ_m控制位置控制器输出相应的指令，从而控制康复机器人做相应的运动。

2)训练方法：在关节极限位置处，将康复机器人运动轨迹切换至实施例一所述的在关节极限位置处康复机器人的运动轨迹，通过将力传感器反馈回来的交互力与期望交互力进行比较，引导康复机器人向两者交互力平衡的方向牵引关节运动，直至反馈回来的交互力与期望交互力大小相同，并保持一段时间的牵引作用。

3)带有关节功能牵引的持续被动运动轨迹为实施例一所述的在关节极限位置处康复机器人的运动轨迹，具体如图4所示。

在图4中，当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置处且力传感器反馈回来的交互力与期望交互力不相等时，康复机器人运动轨迹切换至实施例一所述的在关节极限位置处康复机器人的运动轨迹，牵引关节从原ROM对应的极限位置运动至新的极限位置处，牵引所花费的时间表示为t_m。另外，当关节功能牵引作用结束后，康复机器人也将按照预设轨迹牵引关节从新的极限位置处运动至原ROM对应的极限位置处，之后按照实施例一所述的在关节活动范围内康复机器人的运动轨迹继续运动。该预设轨迹为在从原ROM对应的极限位置运动至新的极限位置过程中，康复机器人记录下的轨迹位置点所形成的轨迹。

在图4中，当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置处且力传感器反馈回来的交互力与期望交互力相等时，康复机器人按照设定时间t_s进行关节功能牵引作用，当关节功能牵引作用结束后，按照实施例一所述的在关节活动范围内康复机器人的运动轨迹继续运动。

3.关节活动范围自适应调整模块。

在功能牵引持续作用时间结束后，康复机器人将自动记录当前的正、反向角位置数据，重复多次功能牵引后，记录下多次的正、反向角位置数据，并标记为A_up1，A_up2，A_up3...和A_down1，A_down2，A_down3...，然后对多次记录的数据进行加权处理，详细参见实施例一所述的公式，得到A'_up和A'_down。

将A'_up和A'_down分别与原关节极限位置处的关节角度A_up和A_down进行比较，若差值超过预设定的阈值，则判断为需对初定关节ROM进行调整，并调整为[A'_up,A'_down]；若差值不超过预设定的阈值，则判断为无需对初定关节ROM进行调整，ROM关节保持不变。

具体案例说明如下：

假定医师初定腕关节背屈/掌屈的关节ROM为[θ_up,θ_down]，如图5所示，其中，背屈运动关节极限位置的关节角度为θ_up，掌屈运动关节极限位置的关节角度为θ_down，点O₁代表腕关节背屈/掌屈运动轴心，直线O₁O₂代表腕关节运动零位。

如图6所示，以背屈运动为例，在角度位置到达背屈运动关节极限位置时，由于关节远端抓握机器人末端或在绑带作用下与机器人末端的限位，以及近端肢体在绑带作用下的限位，关节与康复机器人在关节极限位置处会产生一个较大的交互力，并以此交互力作为关节功能牵引作用力，且保持一定时间，从而实现关节功能牵引的效果。此时假定因绑带松动，或患者发生前臂后移等代偿行为，或初定的关节ROM不准确，腕关节向背屈方向继续转动了一定角度Δθ，导致力传感器检测到关节与康复机器人之间的交互力降低。根据闭环力跟踪特性，康复机器人将继续进行力跟踪控制，直至关节与康复机器人之间的交互力达到期望交互力，并根据在关节极限位置处康复机器人的运动轨迹要求，在此处持续输出期望交互力，持续作用时间t_s。通过这样的方法，即使因肢体代偿或肢体松动或初设关节ROM不准确导致关节在关节极限位置附近发生微小位移，在期望交互力下，可保证关节功能牵引的效果。

另外，假定在腕关节进行了10个周期的牵引训练，并在每次牵引时间结束后记录下10次的角度位置数据，若10次角度位置数据加权后的角度位置θ_up1与原关节ROM所对应的背屈运动关节极限位置θ_up的差值超过预设的5°，则对原关节ROM进行修正，修正后新的关节ROM所对应的背屈运动关节极限位置θ_up1＝θ_up+5；若差值未超过5°，则依旧保留原关节ROM所对应的背屈运动关节极限位置θ_up。掌屈方向的极限位置调整同理可得。

综上所述，本发明具有创新点如下：

(1)在关节极限位置处增加了牵引力控制模块，利用力跟踪控制的特性，有效解决了在关节极限位置处关节角度发生微小偏移后关节功能牵引效果无法保证的问题。

(2)在关节功能牵引多次后，关节ROM可能发生变化，基于此，本发明提出了对原关节ROM进行自适应的修正手段。

本发明在关节活动范围内仍采用常规角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动；在关节极限位置处添加牵引力控制模块，实现恒定关节功能牵引作用力跟踪控制，直至反馈交互力满足期望交互力，并保持作用一定时间，解决了因肢体代偿或肢体松动或初设关节ROM不准确导致关节在关节极限位置附近发生微小位移而影响关节功能牵引效果的问题，从而使关节功能牵引的效果得到保证。关节功能牵引结束后，再次切换为常规角度位置跟踪控制方式。当因关节持续被动运动或关节功能牵引而使得关节活动范围发生明显变化后，可自动实现对关节ROM的修正。此外，允许医师设定牵引力大小、关节刚度相关参数和牵引时间，实现个性化的康复治疗。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，其特征在于，包括：

从零位开始，在关节活动范围内，采用角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动；

当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，将反馈交互力与期望交互力进行比较；

若反馈交互力与期望交互力大小不相等，则控制康复机器人输出期望交互力，同时引导康复机器人向反馈交互力与期望交互力平衡的方向牵引关节运动，且当反馈交互力与期望交互力大小相等时，控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并在关节功能牵引作用结束后，记录角度位置数据；

若反馈交互力与期望交互力大小相等，则控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用；

根据记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整。

2.根据权利要求1所述的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，其特征在于，还包括：

设置正向关节极限位置处的关节角度、负向关节极限位置处的关节角度、期望交互力以及设定时间。

3.根据权利要求1所述的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，其特征在于，在康复机器人辅助训练过程中，康复机器人的运动轨迹为：

其中，θ_r为在康复机器人辅助训练过程中康复机器人运动时的关节角度，A_up为正向关节极限位置处的关节角度，A_down为负向关节极限位置处的关节角度；t为当前运动时间；t_s为关节功能牵引作用力的作用时间；T为轨迹运动周期；k为第k个轨迹运动周期，k＝0,1,2,3,…；A'_up＝A_up+C(F-F_up)，A'_down＝A_down+C(F-F_down)，C为人体关节刚度相关系数，F为期望交互力，F_up为康复机器人牵引关节至正向关节极限位置处的交互力，F_down为康复机器人牵引关节至反向关节极限位置处的交互力；A_up1为新的正向关节极限位置处的关节角度，A_down1为新的反向关节极限位置处的关节角度。

4.根据权利要求3所述的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，其特征在于，在关节活动范围内，康复机器人的运动轨迹为：

其中，θ_r1为在关节活动范围内康复机器人运动时的关节角度。

5.根据权利要求3所述的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，其特征在于，在到达关节极限位置后，康复机器人的运动轨迹为：

其中，θ_r2为在到达关节极限位置后康复机器人运动时的关节角度。

6.根据权利要求1所述的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，其特征在于，根据记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整，具体包括：

当角度位置数据包括多个正向关节极限位置处的关节角度时，对多个正向关节极限位置处的关节角度进行加权处理，得到处理后的正向关节极限位置处的关节角度，并将关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度与处理后的正向关节极限位置处的关节角度进行比较，若处理后的正向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度的差值小于或者等于第一设定阈值则保持原来的关节活动范围不变，若处理后的正向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度的差值大于第一设定阈值则将关节活动范围所对应的正向关节极限位置处的关节角度更新为处理后的正向关节极限位置处的关节角度；

当角度位置数据包括多个反向关节极限位置处的关节角度时，对多个反向关节极限位置处的关节角度进行加权处理，得到处理后的反向关节极限位置处的关节角度，并将关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度与处理后的反向关节极限位置处的关节角度进行比较，若处理后的反向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度的差值小于或者等于第一设定阈值则保持原来的关节活动范围不变，若处理后的反向关节极限位置处的关节角度与关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度的差值大于第一设定阈值则将关节活动范围所对应的反向关节极限位置处的关节角度更新为处理后的反向关节极限位置处的关节角度。

7.根据权利要求6所述的一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练方法，其特征在于，

处理后的正向关节极限位置处的关节角度A'_up的计算公式为：

处理后的反向关节极限位置处的关节角度A'_down的计算公式为：

其中，A_upi和A_dowmi分别为第i次关节功能牵引作用后所记录的正向关节极限位置处的关节角度和反向关节极限位置处的关节角度，n为牵引次数。

8.一种关节功能牵引的康复机器人辅助训练系统，其特征在于，包括：

常规关节活动范围内持续被动运动训练模块，用于从零位开始，在关节活动范围内，采用角度位置跟踪控制方式，控制康复机器人牵引关节进行持续被动运动；

带有关节功能牵引的持续被动运动训练模块，用于当关节到达关节活动范围所对应的关节极限位置时，将反馈交互力与期望交互力进行比较；若反馈交互力与期望交互力大小不相等，则控制康复机器人输出期望交互力，同时引导康复机器人向反馈交互力与期望交互力平衡的方向牵引关节运动，且当反馈交互力与期望交互力大小相等时，控制康复机器人按照设定时间开始进行关节功能牵引作用，并在关节功能牵引作用结束后，记录角度位置数据；若反馈交互力与期望交互力大小相等，则控制康复机器人按照设定时间进行关节功能牵引作用；

关节活动范围自适应调整模块，用于根据记录的角度位置数据对关节活动范围进行自适应调整。