專利名稱：下肢康復(fù)機器人運動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種下肢康復(fù)機器人的運動控制方法。主要用于脊髓損傷、腦卒中等 神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的有下肢運動功能障礙患者的步行康復(fù)訓(xùn)練。
背景技術(shù)：
近年來，脊椎損傷、腦卒中等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的下肢運動功能障礙患者呈 急劇增加的趨勢，嚴(yán)重危害著人類的健康。減重步行訓(xùn)練是針對該類疾病患者步行康復(fù)治 療的重要手段之一，已有大量的臨床研究證實了其有效性。傳統(tǒng)的人工手動的減重步行訓(xùn) 練狀態(tài)通常如附圖1所示，患者被減重裝置懸掛在活動踏板上，使患者步行時下肢的負(fù)重 減少同時維護身體平衡，并需要兩名或以上治療師或康復(fù)師站在患者周圍，通過各種手法 引導(dǎo)患者下肢做類似人體步態(tài)的步行運動。這種手動輔助減重訓(xùn)練，訓(xùn)練時間短，訓(xùn)練效率 低，工作強度大；訓(xùn)練效果與治療師或康復(fù)師的技術(shù)和經(jīng)驗密切相關(guān)，難以精確地保持康復(fù) 訓(xùn)練動作的一致性；忽略了被治療者的主動運動意圖，缺乏治療信息的反饋，導(dǎo)致患者參與 治療的主動性不夠。為此，將機器人技術(shù)與康復(fù)醫(yī)學(xué)結(jié)合，研制自動化的下肢康復(fù)機器人代替治療師 完成偏癱患者的減重步行訓(xùn)練。目前國內(nèi)外許多研究人員在開展康復(fù)機器人的研究工作， 但這些康復(fù)機器人，訓(xùn)練動作種類比較少，動作范圍具有局限性，運動幅度較小，多數(shù)忽略 了患者下肢的主動運動意圖，缺乏治療信息的實時反饋，不利于激發(fā)患者的主動意識，提高 患者參與康復(fù)訓(xùn)練的興趣，很難達(dá)到理想的康復(fù)訓(xùn)練要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對步行障礙患者進行人工減重步行訓(xùn)練時存在的問題和不 足，提供一種能夠提高患者參與康復(fù)訓(xùn)練的主動性，增強患者的康復(fù)信心和運動興趣，適合 患者不同康復(fù)階段的下肢康復(fù)機器人運動控制方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是針對患者的不同康復(fù)階段，實施被動訓(xùn)練和主 動訓(xùn)練兩種工作模式被動訓(xùn)練模式下，控制機器人帶動患者完成特定的運動或以正確的 生理學(xué)步態(tài)軌跡運動，患者產(chǎn)生的異常運動被完全抑制，被動跟隨機器人做步行康復(fù)訓(xùn)練； 主動訓(xùn)練模式下，機器人抑制患者有限的異常運動，通過實時檢測運動過程中患者作用于 機器人所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)驅(qū)動力，進而采用逆動力學(xué)模型提取人機交互作用力矩來判斷患者下 肢的主動運動意圖，并利用阻抗控制器將交互力矩轉(zhuǎn)化為步態(tài)軌跡的修正量，直接修正或 通過自適應(yīng)控制器產(chǎn)生患者期望的步態(tài)訓(xùn)練軌跡，間接實現(xiàn)機器人提供康復(fù)訓(xùn)練輔助力、 阻抗力的目的，增強患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度。本發(fā)明采用下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工減重康復(fù)訓(xùn)練。在康復(fù)訓(xùn)練早 期，患者下肢肌肉缺乏自主運動的力量和負(fù)重的能力，患者在外骨骼式機器人完全帶動下， 在跑步機上以標(biāo)準(zhǔn)的生理學(xué)步態(tài)軌跡行走或完成特定的運，此時采用基于PD反饋的位置 伺服控制策略，有效實現(xiàn)步態(tài)軌跡的跟蹤控制。隨著患者病情的改善，患者的主動意識增強，其主動參與訓(xùn)練更有利于中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后運動功能的恢復(fù)，因此可通過力傳感器 檢測并提取出人機交互作用力矩，建立人機交互作用力矩和偏離預(yù)定關(guān)節(jié)軌跡偏差的阻抗 控制模型，實現(xiàn)主動訓(xùn)練模式下的阻抗控制。而阻抗控制始終基于一個固定的參考軌跡，只 能在這一軌跡基礎(chǔ)上產(chǎn)生偏差，很難適應(yīng)不同個體步態(tài)軌跡的調(diào)整；且在康復(fù)階段的中后 期，由于患者下肢肌痙攣、肌肉緊張等引起的肌肉力量的不協(xié)調(diào)性，將使得人機交互作用力 矩的變化過大或過小，經(jīng)阻抗控制模型計算的軌跡偏差亦偏大或偏小，修正后的步態(tài)軌跡 將不完全符合生理學(xué)規(guī)律，勢必影響康復(fù)訓(xùn)練的效果，因此提出步態(tài)軌跡自適應(yīng)控制算法， 從總體效果上考慮患者主動參與訓(xùn)練的意圖。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種下肢康復(fù)機器人運動控制方法，其特征在于針對患者不同的康復(fù)階段分別實施被 動和主動訓(xùn)練模式被動訓(xùn)練模式下，控制機器人帶動患者以正確的生理學(xué)步態(tài)軌跡運動， 患者產(chǎn)生的異常運動被完全抑制，被動跟隨機器人做步行康復(fù)訓(xùn)練；主動訓(xùn)練模式下，機器 人抑制患者有關(guān)的異常運動，通過實時檢測運動過程中患者作用于機器人所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)驅(qū) 動力，進而采用逆動力學(xué)模型提取人機交互作用力矩來判斷患者下肢的主動運動意圖，并 利用阻抗控制器將交互力矩轉(zhuǎn)化為步態(tài)軌跡的修正量，直接修正或通過自適應(yīng)控制器產(chǎn)生 患者期望的步態(tài)訓(xùn)練軌跡，間接實現(xiàn)機器人提供康復(fù)訓(xùn)練的輔助力、阻抗力。對患者康復(fù)階段的早、中期，包括軟癱期和痙攣期，采用所述被動康復(fù)訓(xùn)練模式， 患者在外骨骼式機械腿的完全帶動下，在跑步機上以標(biāo)準(zhǔn)的生理學(xué)步態(tài)軌跡行走或完成設(shè) 定的運動，刺激患者對正確運動的感覺，抑制患者的肌痙攣和異常運動，并實時檢測康復(fù)訓(xùn) 練中各關(guān)節(jié)的角度、角速度作為反饋信號，采用基于PD反饋的位置伺服控制方法，驅(qū)動機 械腿帶動患者實現(xiàn)步行康復(fù)訓(xùn)練。對患者康復(fù)階段的中、后期，包括痙攣期和改善期，采用所述主動康復(fù)訓(xùn)練模式， 在康復(fù)訓(xùn)練過程中，利用關(guān)節(jié)驅(qū)動器后安裝的拉壓力傳感器實時采集在患肢主動作用力下 所產(chǎn)生的各關(guān)節(jié)驅(qū)動力，進而結(jié)合機器人的逆動力學(xué)模型計算提取出各關(guān)節(jié)人機交互作用 力矩，從而獲得患者的下肢運動意圖；利用阻抗控制器將各關(guān)節(jié)人機交互力矩轉(zhuǎn)化為相應(yīng) 的步態(tài)軌跡的位置、速度和加速度修正量，產(chǎn)生患者期望的步態(tài)軌跡；或采用前η項傅里葉 級數(shù)展開式擬合計算各關(guān)節(jié)正確的生理學(xué)步態(tài)軌跡，確定其初始表達(dá)式，再將各關(guān)節(jié)步態(tài) 軌跡參數(shù)化，每個關(guān)節(jié)采用3個軌跡參數(shù)分別表示關(guān)節(jié)角度幅值的縮放因子，實現(xiàn)訓(xùn)練步 幅的調(diào)節(jié)；步態(tài)周期的調(diào)節(jié)因子；關(guān)節(jié)角度的偏移量，可改變髖關(guān)節(jié)的彎曲和伸展量、膝關(guān) 節(jié)的彎曲量、踝關(guān)節(jié)的跖屈和彎曲。然后通過各關(guān)節(jié)軌跡偏差的歐幾里得范數(shù)的最佳平方 逼近方法建立目標(biāo)函數(shù)，以相應(yīng)的軌跡參數(shù)初值對目標(biāo)函數(shù)在每個步態(tài)周期范圍內(nèi)利用梯 度法迭代求解關(guān)節(jié)角度軌跡參數(shù)，從總體效果上擬合計算參數(shù)化的步態(tài)軌跡，進而生成患 者期望的軌跡，并輸入到機器人關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)位置控制器中，控制各關(guān)節(jié)的伺服電機實現(xiàn)期望 的軌跡輸出，從而驅(qū)動機器人根據(jù)患者的主動運動意圖不斷地調(diào)整步行訓(xùn)練軌跡，間接實 現(xiàn)機器人提供康復(fù)訓(xùn)練輔助力、阻抗力的目的，增強患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度。所述主動康復(fù)訓(xùn)練模式為一個典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，內(nèi)環(huán)為基于PD反饋 的位置控制環(huán)，外環(huán)為基于位置的阻抗控制力環(huán)。本發(fā)明下肢康復(fù)機器人運動控制方法，針對步行障礙患者不同的康復(fù)階段，分別 采用被動和主動康復(fù)訓(xùn)練模式，通過特定的運動功能訓(xùn)練及獲取康復(fù)訓(xùn)練過程中患者的主動運動意圖，以此驅(qū)動機器人完全帶動或輔助患者患肢實現(xiàn)單關(guān)節(jié)或步行康復(fù)運動。該控 制策略在較好的實現(xiàn)被動運動的基礎(chǔ)上，引入患者主動運動意圖，增強了患者的主動參與， 有利于刺激未完全損傷的中樞神經(jīng)和激發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能重組和功能重建，對中樞神 經(jīng)系統(tǒng)損傷后運動功能的恢復(fù)起到了很好的效果。下肢康復(fù)機器人系統(tǒng)由外骨骼步態(tài)矯形器、減重裝置、跑步機和控制系統(tǒng)四部分 組成。其中核心部件外骨骼步態(tài)矯形器由兩條外骨骼式機械腿構(gòu)成，每條機械腿髖關(guān)節(jié)、膝 關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各有一個自由度，可以模擬人在步行時矢狀面內(nèi)的三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)三自由 度的運動。在每個關(guān)節(jié)處安裝有驅(qū)動矯形器的線性執(zhí)行機構(gòu)和測量關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的編碼 器，在線性驅(qū)動器的后方安裝一維拉壓力傳感器，用于檢測驅(qū)動器提供的驅(qū)動力。該下肢康 復(fù)機器人為步行障礙患者提供適合不同恢復(fù)階段的康復(fù)訓(xùn)練運動，其囊括了下肢所有關(guān)節(jié) 的訓(xùn)練，包括髖、膝、踝關(guān)節(jié)的被動和主動訓(xùn)練模式下的單關(guān)節(jié)運動，以及步行康復(fù)運動。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點。
采用自動化的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工減重步行訓(xùn)練，提高了康復(fù)訓(xùn)練的效 率和康復(fù)效果；兩種康復(fù)訓(xùn)練模式，滿足患者不同康復(fù)階段的要求；康復(fù)訓(xùn)練的步態(tài)周期、 步幅、訓(xùn)練時間等均可手動或自動調(diào)節(jié)，提高了康復(fù)訓(xùn)練的自動化程度；可通過調(diào)節(jié)阻抗參 數(shù)，適應(yīng)患者不同的個體特征和康復(fù)需求；步態(tài)軌跡的參數(shù)化，易于實現(xiàn)主動訓(xùn)練模式下步 態(tài)軌跡的在線調(diào)整；控制策略引入了患者的主動運動意圖，并通過VC編程能實時顯示和記 錄康復(fù)訓(xùn)練的速度、時間、周期、關(guān)節(jié)軌跡、驅(qū)動力、人機交互作用力矩等信息，有助于患者 積極地參與康復(fù)訓(xùn)練，增強其康復(fù)治療的信心，便于理療師評估病人的康復(fù)狀況，做出最優(yōu) 康復(fù)計劃。


圖1是傳統(tǒng)的人工手動減重步行訓(xùn)練示意圖； 圖2是本發(fā)明的下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)示意圖； 圖3是外骨骼式機械腿結(jié)構(gòu)圖4是控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖； 圖5是本發(fā)明的人機界面示意圖； 圖6是本發(fā)明的康復(fù)訓(xùn)練控制原理框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合

如下參見圖2，本實施例下肢康復(fù)訓(xùn)練機器 人系統(tǒng)由減重裝置1、外骨骼步態(tài)矯形器2、跑步機3及控制柜組成。外骨骼步態(tài)矯形器設(shè) 計為兩條外骨骼式機械腿(參見圖3)，每條機械腿各具有髖關(guān)節(jié)彎曲/伸展、膝關(guān)節(jié)彎曲 /伸展、踝關(guān)節(jié)跖屈/背屈三個自由度，可以模擬人在步行時矢狀面內(nèi)的三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，實 現(xiàn)三自由度的運動，在每個關(guān)節(jié)處安裝有滾珠絲杠線性驅(qū)動器4用于驅(qū)動矯形器各關(guān)節(jié)運 動。該步行康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)從康復(fù)醫(yī)學(xué)角度出發(fā)為患者提供各關(guān)節(jié)的單關(guān)節(jié)運動和步行康復(fù) 運動。分別安裝在髖、膝、踝關(guān)節(jié)處的6個角度傳感器6用于測量運動過程中的關(guān)節(jié)角度， 在各線性驅(qū)動器的后方安裝的6個拉壓力傳感器5用于檢測驅(qū)動器4提供的驅(qū)動力，兩種信息均用于檢測康復(fù)訓(xùn)練的運動狀態(tài)，并應(yīng)用在不同的康復(fù)訓(xùn)練模式中。參見圖4，本實施例在康復(fù)訓(xùn)練過程中，當(dāng)工控機14根據(jù)通過VC編程實現(xiàn)的 控制程序發(fā)出指令信號，并經(jīng)運動控制卡13輸出電機控制量到驅(qū)動電路11中，伺服驅(qū)動器 10即可接收到指令，控制電機實現(xiàn)機械腿帶動患者步行訓(xùn)練的功能；與此同時工控機通過 串口 8發(fā)送指令實現(xiàn)跑步機的同步協(xié)調(diào)運動；工控機14通過數(shù)據(jù)采集卡12實時采集關(guān)節(jié) 角度、驅(qū)動力、限位開關(guān)7等的信號，反饋到步態(tài)軌跡的控制器中，實現(xiàn)不同模式下的軌跡 控制，并將當(dāng)前的步行速度、周期、訓(xùn)練時間、關(guān)節(jié)角度、人機交互作用力等信息顯示在人機 界面15上，人機界面參見附圖5。參見圖6，本下肢康復(fù)機器人運動控制方法針對患者不同的康復(fù)階段，分別采用 被動訓(xùn)練和主動訓(xùn)練兩種工作模式。在患者康復(fù)階段的早、中期，包括軟癱期和痙攣期，采 用被動康復(fù)訓(xùn)練模式，患者在外骨骼式機械腿的完全帶動下，在跑步機上以標(biāo)準(zhǔn)的生理學(xué) 步態(tài)軌跡行走或完成特定的運動，刺激患者對正確運動的感覺，抑制患者的肌痙攣和異常 運動，并實時檢測康復(fù)訓(xùn)練中各關(guān)節(jié)的角度、角速度作為反饋信號，打開附圖6中所示的阻 抗控制力外環(huán)，采用基于PD反饋的位置伺服控制方法，驅(qū)動機械腿帶動患者實現(xiàn)步行康復(fù) 訓(xùn)練。在患者康復(fù)階段的中、后期，包括痙攣期和改善期，采用主動康復(fù)訓(xùn)練模式，其為一個 典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，內(nèi)環(huán)為基于PD反饋的位置控制環(huán)，外環(huán)為基于位置的阻抗控 制力環(huán)。具體工作原理為在康復(fù)訓(xùn)練過程中，利用關(guān)節(jié)驅(qū)動器后安裝的拉壓力傳感器實時 采集在患肢主動作用力下所產(chǎn)生的各關(guān)節(jié)驅(qū)動力，進而結(jié)合機器人的逆動力學(xué)模型計算提 取出各關(guān)節(jié)人機交互作用力矩，從而獲得患者的下肢運動意圖；利用阻抗控制器將各關(guān)節(jié) 人機交互力矩轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的步態(tài)軌跡的位置、速度和加速度修正量，產(chǎn)生患者期望的步態(tài) 軌跡，此時忽略附圖6中所示的阻抗控制力外環(huán)中的步態(tài)自適應(yīng)算法；或在上述阻抗控制 器產(chǎn)生軌跡偏差的基礎(chǔ)上，再通過自適應(yīng)控制算法(參見附圖6)從總體效果上擬合計算參 數(shù)化的步態(tài)軌跡，進而生成患者期望的軌跡，并輸入到機器人關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)位置控制器中，控制 各關(guān)節(jié)的線性驅(qū)動器實現(xiàn)期望的軌跡輸出，從而驅(qū)動機器人根據(jù)患者的主動運動意圖不斷 地調(diào)整步行訓(xùn)練軌跡，間接實現(xiàn)機器人提供康復(fù)訓(xùn)練輔助力、阻抗力的目的，增強患者主動 參與康復(fù)訓(xùn)練的程度。
權(quán)利要求
1.一種下肢康復(fù)機器人運動控制方法，其特征在于針對患者不同的康復(fù)階段，實施被 動訓(xùn)練和主動訓(xùn)練兩種工作模式被動訓(xùn)練模式下，控制機器人帶動患者以正確的生理學(xué) 步態(tài)軌跡運動，患者產(chǎn)生的異常運動被完全抑制，被動跟隨機器人做步行康復(fù)訓(xùn)練；主動訓(xùn) 練模式下，機器人抑制患者有關(guān)的異常運動，通過實時檢測運動過程中患者作用于機器人 所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)驅(qū)動力，進而采用逆動力學(xué)模型提取人機交互作用力矩來判斷患者下肢的主 動運動意圖，并利用阻抗控制器將交互力矩轉(zhuǎn)化為步態(tài)軌跡的修正量，直接修正或通過自 適應(yīng)控制器產(chǎn)生患者期望的步態(tài)訓(xùn)練軌跡，間接實現(xiàn)機器人提供康復(fù)訓(xùn)練的輔助力、阻抗 力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢康復(fù)機器人運動控制方法，其特征在于對患者康復(fù)階段 的早、中期，包括軟癱期和痙攣期，采用所述被動康復(fù)訓(xùn)練模式，患者在外骨骼式機械腿的 完全帶動下，在跑步機上以標(biāo)準(zhǔn)的生理學(xué)步態(tài)軌跡行走或完成設(shè)定的運動，刺激患者對正 確運動的感覺，抑制患者的肌痙攣和異常運動，并實時檢測康復(fù)訓(xùn)練中各關(guān)節(jié)的角度、角速 度作為反饋信號，采用基于PD反饋的位置伺服控制方法，驅(qū)動機械腿帶動患者實現(xiàn)步行康 復(fù)訓(xùn)練。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的下肢康復(fù)機器人運動控制方法，其特征在于對患者康復(fù) 階段的中、后期，包括痙攣期和改善期，采用所述主動康復(fù)訓(xùn)練模式，在康復(fù)訓(xùn)練過程中，利 用關(guān)節(jié)驅(qū)動器后安裝的拉壓力傳感器實時采集在患肢主動作用力下所產(chǎn)生的各關(guān)節(jié)驅(qū)動 力，進而結(jié)合機器人的逆動力學(xué)模型計算提取出各關(guān)節(jié)人機交互作用力矩，從而獲得患者 的下肢運動意圖；利用阻抗控制器將各關(guān)節(jié)人機交互力矩轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的步態(tài)軌跡的位置、 速度和加速度修正量，產(chǎn)生患者期望的步態(tài)軌跡；或通過自適應(yīng)控制算法從總體效果上擬 合計算參數(shù)化的步態(tài)軌跡，進而生成患者期望的軌跡；并輸入到機器人關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)位置控制 器中，控制各關(guān)節(jié)的線性驅(qū)動器實現(xiàn)期望的軌跡輸出，從而驅(qū)動機器人根據(jù)患者的主動運 動意圖不斷地調(diào)整步行訓(xùn)練軌跡，間接實現(xiàn)機器人提供康復(fù)訓(xùn)練輔助力、阻抗力的目的，增 強患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的下肢康復(fù)機器人運動控制方法，其特征在于所述主動康復(fù)訓(xùn) 練模式為一個典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，內(nèi)環(huán)為基于PD反饋的位置控制環(huán)，外環(huán)為基于 位置的阻抗控制力環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種下肢康復(fù)機器人運動控制方法。本方法針對患者不同的康復(fù)階段，實施被動訓(xùn)練和主動訓(xùn)練兩種工作模式被動訓(xùn)練模式下，控制機器人帶動患者完成特定的運動或以正確的生理學(xué)步態(tài)軌跡運動，患者產(chǎn)生的異常運動被完全抑制，被動跟隨機器人做步行康復(fù)訓(xùn)練；主動訓(xùn)練模式下，機器人抑制患者有限的異常運動，通過實時檢測運動過程中患者作用于機器人所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)驅(qū)動力，進而采用逆動力學(xué)模型提取人機交互作用力矩來判斷患者下肢的主動運動意圖，并利用阻抗控制器將交互力矩轉(zhuǎn)化為步態(tài)軌跡的修正量，直接修正或通過自適應(yīng)控制器產(chǎn)生患者期望的步態(tài)訓(xùn)練軌跡，間接實現(xiàn)機器人提供康復(fù)訓(xùn)練輔助力、阻抗力的目的。本發(fā)明能夠為步行障礙患者提供一種適合不同恢復(fù)階段的康復(fù)訓(xùn)練運動，提高患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度，建立其康復(fù)的信心和運動積極性，進而增強康復(fù)訓(xùn)練的效果。
文檔編號A61H1/02GK102058464SQ201010561379
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月27日
發(fā)明者文忠, 沈林勇, 章亞男, 錢晉武 申請人:上海大學(xué)