一种康复训练外骨骼方法及系统与流程

1.本技术涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种康复训练外骨骼方法及系统。


背景技术：

2.机器人辅助康复治疗是一项帮助脑卒中患者康复的新技术。上肢康复机器人能够辅助上肢偏瘫患者完成康复训练，目前已应用于国内外医院与康复机构。由于上肢康复机器人能够替代一事完成繁重的工作，并在实际应用中产生了良好的疗效，许多公司相继推出了商用化产品，如瑞士hocoma公司的aaaaaa aaaaa，美国haaaan i c b i an i cs公司的haaaany shr以及我国广州一康公司的a6康复机器人。康复外骨骼在辅助患者训练是需要体现出柔顺性，因此其通常使用阻抗控制。传统阻抗控制的控制效果与机器人动力学模型的精度和关节力矩输出力矩密切相关。因而，针对基于阻抗控制器实现上肢康复训练的过程中如何提高外骨骼系统的响应速度与柔顺度成为一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种康复训练外骨骼方法及系统，以至少通过本发明解决了上肢康复训练的过程中，关节力矩控制精密度低、外骨骼系统的响应速度慢以及柔顺度低等问题。
4.本发明提供了一种康复训练外骨骼方法，包括：
5.康复运动轨迹获取步骤：示教部分根据患者的康复运动轨迹，选用相应的示教模式对外骨骼机器人进行示教后,将所述康复运动轨迹发送到阻抗控制部分与力矩控制部分；
6.速度信号获取步骤:位置速度反馈部分根据所述康复运动轨迹，反馈外骨骼机器人关节的减速器侧与电机侧的位置信号后，将所述位置信号转换成速度信号，并将所述速度信号与所述位置信号发送到所述阻抗控制部分与所述力矩控制部分；
7.实际力矩获取步骤：力矩反馈部分计算所述外骨骼机器人关节的所述减速器侧的实际力矩后，对所述实际力矩进行处理获得最终实际力矩，并将所述最终实际力矩发送到所述力矩控制部分；
8.控制步骤：所述力矩控制部分根据所述康复运动轨迹、所述速度信号、前馈项数学模型、交互补偿力矩以及所述最终实际力矩计算获得第二控制律后，使用所述第二控制律完成所述外骨骼机器人关节的闭环力矩控制；
9.连接步骤：外骨骼系统部分与患者上肢连接后，根据所述康复运动轨迹辅助所述患者完成康复训练。
10.上述的康复训练外骨骼方法中，所述康复运动轨迹获取步骤包括：
11.所述示教部分包括拖动示教模式与直接示教模式；
12.所述拖动示教模式包括，根据患者身体状况，医师为所述患者制定所述康复运动轨迹后，所述医师根据所述康复运动轨迹，手动拖动所述外骨骼机器人对所述外骨骼机器
进行示教后，所述位置速度反馈部分记录所述第一康复运动轨迹。
13.上述的康复训练外骨骼方法中，所述康复运动轨迹获取步骤还包括：
14.所述直接示教模式包括，根据所述患者身体状况，所述医师为患者制定所述康复运动轨迹后，所述医师根据所述康复运动轨迹，通过示教器对所述外骨骼机器人进行示教后，所述位置速度反馈部分记录第二康复运动轨迹；
15.所述示教部分将所述第一康复运动轨迹或所述第二康复运动轨迹发送到所述阻抗控制部分与所述力矩控制部分。
16.上述的康复训练外骨骼方法中，所述速度信号获取步骤包括：
17.所述位置速度反馈部分包括绝对式编码器计数子部分、增量式编码器计数子部分以及数值差分子部分；
18.所述绝对式编码器计数子部分与所述增量式编码器计数子部分根据所述康复运动轨迹，反馈所述骨骼机器人关节的所述减速器侧与所述电机侧的所述位置信号；
19.所述数值差分子部分将所述位置信号转换成所述速度信号；
20.所述位置速度反馈部分将所述速度信号发送到所述阻抗控制部分与所述力矩控制部分。
21.上述的康复训练外骨骼方法中，所述交互补偿力获取步骤包括：
22.所述阻抗控制部分根据所述速度信号与所述康复运动轨迹，计算所述外骨骼机器人关节的交互补偿力矩；
23.所述阻抗控制部分将所述交互补偿力矩发送到所述力矩控制部分。
24.上述的康复训练外骨骼方法中，所述实际力矩获取步骤包括：
25.所述力矩反馈部分包括力矩传感器子部分与滤波子部分；
26.通过所述力矩传感器子部分计算所述外骨骼机器人关节的所述减速器侧的所述实际力矩后，通过所述滤波子部分过滤所述实际力矩中的测量噪声获得所述最终实际力矩；
27.所述最终实际力矩发送到所述力矩控制部分。
28.上述的康复训练外骨骼方法中，所述控制步骤包括：
29.所述力矩控制部分包括前馈与阻抗混合控制子部分；
30.对所述外骨骼机器人关节进行动力学辨识获得所述前馈项数学模型。
31.上述的康复训练外骨骼方法中，所述控制步骤还包括：
32.所述前馈与阻抗混合控制子部分根据所述康复运动轨迹、所述速度信号、所述前馈项数学模型以及所述交互补偿力矩，计算获得第一控制律。
33.上述的康复训练外骨骼方法中，所述控制步骤还包括：
34.所述力矩控制部分根据所述第一控制律与所述最终实际力矩计算获得所述第二控制律后，使用所述第二控制律完成所述外骨骼机器人关节的闭环力矩控制。
35.本发明还提供康复训练外骨骼系统，其中，适用于上述所述的康复训练外骨骼方法，所述康复训练外骨骼系统包括：
36.康复运动轨迹获取单元：示教模块根据患者的康复运动轨迹，选用相应的示教模式对外骨骼机器人进行示教后,将所述康复运动轨迹发送到阻抗控制模块与力矩控制模块；
37.速度信号获取单元:位置速度反馈模块根据所述康复运动轨迹，反馈外骨骼机器人关节的减速器侧与电机侧的位置信号后，将所述位置信号转换成速度信号，并将所述速度信号与所述位置信号发送到所述阻抗控制模块与所述力矩控制模块；
38.实际力矩获取单元：力矩反馈模块计算所述外骨骼机器人关节的所述减速器侧的实际力矩后，对所述实际力矩进行处理获得最终实际力矩，并将所述最终实际力矩发送到所述力矩控制模块；
39.控制单元：所述力矩控制模块根据所述康复运动轨迹、所述速度信号、前馈项数学模型、交互补偿力矩以及所述最终实际力矩计算获得第二控制律后，使用所述第二控制律完成所述外骨骼机器人关节的闭环力矩控制；
40.连接单元：外骨骼系统模块与患者上肢连接后，根据所述康复运动轨迹辅助所述患者完成康复训练。
41.相比于相关技术，本发明提出的一种康复训练外骨骼方法及系统，通过拖动示教子模块与示教器子模块实现两种示教方式并制定适合患者的康复运动轨迹，上述两种示教方式可以针对不同的使用情况，如研究人员在进行复杂的轨迹规划时通过直接示教模式采用示教器编程，便于验证算法与科研使用，医师也可以直接通过拖动示教模式快速制定康复动作，省去了编程的学习成本，减少debug时间；由于外骨骼关节继承了中空转轴以及力矩传感模块，均具有柔性，因此通过在力矩控制模块电机两侧均布置编码器，可以检测出电机两侧的形变量，进而计算关节力矩，可以作为力矩闭环反馈的一部分；通过力矩反馈模块中布置力矩传感器与滤波器组合，有效补偿零点漂移，同时有效减少了环境噪声，其中通过关节力矩传感器实现了关节力矩闭环；相比于传统的开环力矩控制与电流力矩估计方法，通过力矩闭环控制律，降低电机转子表征惯量，提高外骨骼轻盈度与柔顺度，实现了更精密的关节力矩控制，并且提高了外骨骼系统的响应速度与柔顺度。
42.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
43.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
44.图1是根据本技术实施例的康复训练外骨骼方法流程图；
45.图2是根据本技术实施例的康复训练外骨骼方法及系统流程框架图；
46.图3为本发明的康复训练外骨骼系统的结构示意图。
47.其中，附图标记为：
48.运动轨迹获取单元：51；
49.速度信号获取单元：52；
50.实际力矩获取单元：53；
51.控制单元：54；
52.连接单元：55。
具体实施方式
53.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
54.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本技术公开内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本技术揭露的技术内容基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本技术公开的内容不充分。
55.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
56.除非另作定义，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应当为本技术所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本技术所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本技术所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本技术所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
57.与本发明相似的现有技术与本发明有众多不同之处，一、本发明是使用外骨骼动力学模型进行前馈力矩补偿；二、本发明是通过关节力矩传感器实现关节力矩闭环；三、本发明通过控制律降低电机转子表征惯量，提高外骨骼轻盈度与柔顺度。相比于传统的开环力矩控制与电流力矩估计方法，本方法能实现更精密的关节力矩控制，提高外骨骼系统的响应速度与柔顺度。
58.本发明基于阻抗控制器提出了一种仅需获取部分动力学模型的实现力矩闭环，并提高康复训练质量的康复训练外骨骼机器人控制方法及系统。下面结合具体实施例对本发明进行说明。
59.实施例一
60.本实施例提供了康复训练外骨骼方法。请参照图1，图1是根据本技术实施例的康复训练外骨骼方法流程图，如图1所示，康复训练外骨骼方法包括如下步骤：
61.康复运动轨迹获取步骤s1：示教部分根据患者的康复运动轨迹，选用相应的示教模式对外骨骼机器人进行示教后,将康复运动轨迹发送到阻抗控制部分与力矩控制部分；
62.速度信号获取步骤s2:位置速度反馈部分根据所述康复运动轨迹，反馈外骨骼机器人关节的减速器侧与电机侧的位置信号后，将位置信号转换成速度信号，并将速度信号与位置信号发送到阻抗控制部分与力矩控制部分；
63.实际力矩获取步骤s3：力矩反馈部分计算外骨骼机器人关节的减速器侧的实际力矩后，对实际力矩进行处理获得最终实际力矩，并将最终实际力矩发送到力矩控制部分；
64.控制步骤s4：力矩控制部分根据康复运动轨迹、速度信号、前馈项数学模型、交互补偿力矩以及最终实际力矩计算获得第二控制律后，使用第二控制律完成外骨骼机器人关节的闭环力矩控制；
65.连接步骤s5：外骨骼系统部分与患者上肢连接后，根据康复运动轨迹辅助患者完成康复训练。
66.在实施例中，康复运动轨迹获取步骤s1包括：
67.示教部分包括拖动示教模式与直接示教模式；
68.拖动示教模式包括，根据患者身体状况，医师为患者制定康复运动轨迹后，医师根据康复运动轨迹，手动拖动所述外骨骼机器人对外骨骼机器进行示教后，位置速度反馈部分记录第一康复运动轨迹；
69.所述直接示教模式包括，根据患者身体状况，医师为患者制定康复运动轨迹后，医师根据康复运动轨迹，通过示教器对外骨骼机器人进行示教后，位置速度反馈部分记录第二康复运动轨迹；
70.示教部分将第一康复运动轨迹或第二康复运动轨迹发送到阻抗控制部分与力矩控制部分。
71.在实施例中，速度信号获取步骤s2包括：
72.位置速度反馈部分包括绝对式编码器计数子部分、增量式编码器计数子部分以及数值差分子部分；
73.绝对式编码器计数子部分与增量式编码器计数子部分根据康复运动轨迹，反馈骨骼机器人关节的减速器侧与电机侧的位置信号；
74.数值差分子部分将位置信号转换成速度信号；
75.位置速度反馈部分将速度信号与位置信号发送到阻抗控制部分与力矩控制部分。
76.在实施例中，交互补偿力获取步骤s6包括：
77.阻抗控制部分根据速度信号、位置信号以及康复运动轨迹，计算外骨骼机器人关节的交互补偿力矩；
78.阻抗控制部分将交互补偿力矩发送到力矩控制部分。
79.在实施例中，实际力矩获取步骤s3包括：
80.力矩反馈部分包括力矩传感器子部分与滤波子部分；
81.通过力矩传感器子部分计算外骨骼机器人关节的减速器侧的实际力矩后，通过滤波子部分过滤实际力矩中的测量噪声获得最终实际力矩；
82.最终实际力矩发送到力矩控制部分。
83.在实施例中，控制步骤s4包括：
84.力矩控制部分包括前馈与阻抗混合控制子部分；
85.对外骨骼机器人关节进行动力学辨识获得前馈项数学模型；
86.前馈与阻抗混合控制子部分根据康复运动轨迹、速度信号、前馈项数学模型以及交互补偿力矩，计算获得第一控制律；
87.力矩控制部分根据第一控制律与最终实际力矩计算获得第二控制律后，使用第二控制律完成外骨骼机器人关节的闭环力矩控制。
88.实施例二
89.请参照图2，图2是根据本技术实施例的康复训练外骨骼方法及系统流程框架图。如图2所示，本发明的康复训练外骨骼方法及系统具体实施步骤如下：
90.步骤1：康复医师首先根据患者状况，制定康复训练方案。根据患者的康复运动轨迹，通过示教模块使用拖动示教模式或直接示教模式，对外骨骼机器人进行示教，使外骨骼机器人学习患者康复运动轨迹后，患者坐在座椅上，由医师辅助完成大臂与外骨骼系统的连接，同时患者手部握住外骨骼系统的远端手柄后，医师通过示教界面点击康复训练开始事项，示教模块将使用拖动示教模式学习到的第一康复运动轨迹或使用直接示教模式学习到的第二康复运动轨迹发送到阻抗控制模块与力矩控制模块；
91.步骤2：位置速度反馈模块收到示教模块发送的第一或第二康复运动轨迹后，位置速度反馈模块中的绝对式编码器计数子部分与增量式编码器计数子部分根据第一或第二康复运动轨迹，反馈骨骼机器人关节的减速器侧与电机侧的位置信号后，数值差分子部分将位置信号转换成所述速度信号，位置速度反馈模块将速度信号发送到阻抗控制模块与力矩控制模块；
92.步骤3：阻抗控制模块接收到位置反馈模块发送的速度信号以及示教模块发送的第一或第二康复运动后，阻抗控制模块根据速度信号与第一或第二康复运动轨迹，计算外骨骼机器人关节的交互补偿力矩；
93.阻抗控制模块将交互补偿力矩发送到力矩控制模块；
94.步骤4：力矩反馈模块通过力矩传感器子模块计算外骨骼机器人关节的减速器侧的实际力矩后，通过滤波子模块过滤实际力矩中的测量噪声获得最终实际力矩后，将最终实际力矩发送到力矩控制模块。
95.步骤5：首先对所述外骨骼机器人关节进行动力学辨识获得前馈项数学模型，前馈与阻抗混合控制子模块，根据第一或第二康复运动轨迹、速度信号、前馈项数学模型以及交互补偿力矩，计算获得第一控制律后，力矩控制模块根据第一控制律与最终实际力矩计算获得第二控制律，并使用第二控制律完成外骨骼机器人关节的闭环力矩控制为患者提供康复辅助，康复训练完成后，医师通过示教界面使外骨骼机器人结束对患者的辅助，其中，在康复训练过程中，需要暂停康复训练时，医师可以通过示教界面使外骨骼机器人暂停对患者的辅助，之后再通过示教界面使外骨骼机器人继续辅助患者完成康复训练。
96.实施例三
97.请参照图3，图3为本发明的康复训练外骨骼系统的结构示意图。如图3所示，发明的康复训练外骨骼系统，适用于上述的康复训练外骨骼方法，康复训练外骨骼系统包括：
98.康复运动轨迹获取单元51：示教模块根据患者的康复运动轨迹，选用相应的示教模式对外骨骼机器人进行示教后,将所述康复运动轨迹发送到阻抗控制模块与力矩控制模
块；
99.速度信号获取单元52:位置速度反馈模块根据所述康复运动轨迹，反馈外骨骼机器人关节的减速器侧与电机侧的位置信号后，将所述位置信号转换成速度信号，并将所述速度信号与所述位置信号发送到所述阻抗控制模块与所述力矩控制模块；
100.实际力矩获取单元53：力矩反馈模块计算所述外骨骼机器人关节的所述减速器侧的实际力矩后，对所述实际力矩进行处理获得最终实际力矩，并将所述最终实际力矩发送到所述力矩控制模块；
101.控制单元54：所述力矩控制模块根据所述康复运动轨迹、所述速度信号、前馈项数学模型、交互补偿力矩以及所述最终实际力矩计算获得第二控制律后，使用所述第二控制律完成所述外骨骼机器人关节的闭环力矩控制；
102.连接单元55：外骨骼系统模块与患者上肢连接后，根据所述康复运动轨迹辅助所述患者完成康复训练。
103.在具体实施中，示教模块包括拖动示教子模块和示教器子模块。上肢康复训练外骨骼系统具有两种示教模式，分别为拖动示教与直接示教。在拖动示教模式下，根据患者情况制定康复动作，详细实施步骤为通过拖动外骨骼系统完成轨迹制定后，由速度位置反馈模块记录，并发送给力矩控制模块；在直接示教模式下，医师通过示教器上的示教界面控制外骨骼系统运动制定轨迹后，由速度位置反馈模块记录，并发送给力矩控制模块；其中，制定后的康复动作轨迹包含位置、速度、加速度信息。
104.在具体实施中，速度位置反馈模块包含绝对式编码器计数子模块、增量式编码器计数子模块、数值差分子模块。绝对式编码器计数子模块与增量式编码器计数子模块用于反馈各关节减速器侧与电机侧的位置信号。数值差分子模块用于将位置信号转换为速度信号。
105.在具体实施中，所述阻抗控制模块包含阻抗控制律子模块，根据示教模块生成的轨迹与位置速度反馈信号，计算外骨骼机器人关节的交互补偿力矩。
106.在具体实施中，力矩反馈模块包含力矩传感器子模块与滤波子模块。力矩传感器子模块基于弹性体在扭转载荷下会发生形变的原理，通过应变片采集应变信号，计算外骨骼机器人各关节减速器侧的实际力矩。滤波子模块包含低通滤波器，用于过滤力矩传感器子模块的测量噪声，截止频率为150hz。
107.在具体实施中，力矩控制模块包含前馈与阻抗混合控制子模块；计算前馈与阻抗混合控制子模块的控制律需要提前通过动力学参数辨识，获取g(θ)和的数学模型即前馈项数学模型，之后将其作为前馈控制律的输入，其中，前馈与阻抗混合控制子模块的控制律通过位置误差信息，调节外骨骼关节力矩，通过调节位置与力矩的动态关系，使外骨骼体现出柔顺性，由于前馈与阻抗混合控制子模块的控制律是力矩闭环控制律的一部分，因此控制律的计算需要计算kb，kc，d
θ
参数，这些参数需要通过具体实验，根据实验结果调节。其中，阻抗与前馈混合控制子模块控制律如下：
[0108][0109]
其中，kc(θ-θd)、为阻抗控制项，g(θ)、为前馈控制项。式中，kc，d
θ
为斜对角正定矩阵。控制律中摩擦力模型选用stribeck模型，其形式为：
[0110][0111]
其中f0，fy，fs，vc均为stribeck模型系数。
[0112]
力矩控制模块的控制律如下：
[0113]
τ
motor
＝kbu+(i-kb)τ
mea
[0114]
式中，kb为斜对角正定矩阵。通过降低惯性增益kb，可以降低外骨骼关节转子的表征惯量。
[0115]
在具体实施中，外骨骼系统模块包含平行四边形肩带机构、大臂连接机构、手柄连接机构、平行四边形手腕回转机构、可变长度机械臂机构。外骨骼系统模块用于和患者上肢连接，辅助患者完成康复动作。
[0116]
综上所述，相比于传统的开环力矩控制与电流力矩估计方法，本发明为患者提供康复训练辅助，同时体现出了高度柔顺性，提高了安全性和患者在康复过程中的舒适度与参与度。
[0117]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求的保护范围为准。