，用于对第一摆臂2和/或第二摆臂4提供动力。
[0038] 在本发明的一个实施例中，调节机构包括第一伺服电机和第二伺服电机，其中，第 一伺服电机与第一转动轴1驱动连接，第二伺服电机与第二转动轴3驱动连接。
[0039] 控制器，控制器分别与力传感器53、位置传感器和调节结构连接。用于控制第一 摆臂2和第二摆臂4的运动轨迹。在实际使用本实施例的交互式上肢康复机器人时，首先 通过控制器设定第一摆臂2和第二摆臂4的运动轨迹，具体的运动轨迹根据患者的状况由 医生设定。接着，在患者手握把手51进行上肢康复训练时，会根据把手51处的力（Fx，巧） 及摆臂机构的当前位置调整第一伺服电机与第二伺服电机的力矩。当摆臂机构的运动轨迹 与预先设定的运动轨迹相比在预设的范围内时，表示患者按照医生预设的方式进行康复训 练，此时不对摆臂机构进行调节，摆臂机构做随动运动；当摆臂机构的运动轨迹与医生预先 设定的运动轨迹相比超出预设的范围内，启动控制器控制第一伺服电机对第一转动轴1提 供动力或阻力，W及控制第二伺服电机对第二转动轴3提供动力或阻力，从而使摆臂机构 按照预设的运动轨迹进行运动，有效避免了对患者手臂二次伤害，提高了康复机器人的使 用安全性。
[0040]W下结合附图描述根据本发明实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法。
[0041] 一种交互式上肢康复机器人的控制方法，包括上述实施例的上肢康复机器人，控 制方法包括W下步骤：
[0042] S1:设定摆臂机构末端的运动轨迹。
[0043] 具体地，医生根据患者情况通过控制器预先设定摆臂机构末端的运动轨迹，计算 出第一摆臂2的运动轨迹和第二摆臂4的运动轨迹。
[0044]S2 :通过位置传感器获取第一摆臂2和第二摆臂4的当前位置，计算出摆臂机构末 端的当前位置。
[0045] S3:判断摆臂机构的当前位置和设定的摆臂机构的运动轨迹上相应位置的偏离方 向是否超过预设范围。
[0046]S4:如果摆臂机构的当前位置和设定的摆臂机构的运动轨迹的相应位置的偏离方 向超过预设范围，对第一摆臂2和/或第二摆臂4提供助力或阻力。
[0047] 在本发明的一个实施例中，步骤S4进一步包括：
[0048] S401 :通过与力传感器53连续采集把手51处的第一分力和第二分力；
[0049]S402:根据设定摆臂机构的运动轨迹、当前摆臂机构的位置W及两者之间的偏差 得到标准第一分力和标准第二分力。
[0050]S403:根据标准第一分力、标准第二分力、所述力传感器测得的所述第一分力与所 述第二分力、所述第一摆臂的力矩参数和所述第二摆臂的力矩参数得到所述第一伺服电机 与所述第二伺服电机的驱动力矩。其中，所述第一摆臂2的力矩参数包括：所述第一摆臂2 的长度，所述第一摆臂2的质量。所述第二摆臂4的力矩参数包括：所述第二摆臂4的长 度、所述第二摆臂4的质量。
[0051] 在本发明的一个实施例中，第一转动轴1和第二转动轴3所受合力，即S402中的 标准第一分力标准第二分力的合力的大小与机械臂偏离目标轨迹的距离W及机械臂的运 动速度关系可W用弹黃阻尼模型描述：Fwt=BAV+KAX，其中AX是指机械臂末端的实际 轨迹与目标训练轨迹之间的偏差，AV是指机械臂实际的运动速度与预设目标运动速度的 偏差，K是末端的刚度系数，B是其阻尼系数。
[0052] 图3是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的控制方法的系统控制流程 图。图4是本发明一个实施例的交互式上肢康复机器人的受力分析图。
[0053] 请参考图4,根据运动学与动力学公式，由机械臂末端需要提供的力F，求得电机 力矩T，完成电机驱动。
[0054] 请参考图4,进行动力学分析，
W60] 其中，Ti为第一伺服电机的输出扭矩，T2为第二伺服电机输出的扭矩，mi为第一摆 臂2的质量，m2为第二摆臂4的质量，1 1为第一摆臂2的长度，1 2为第二摆臂4的长度，F, 为标准第一分力与所述力传感器53测得的第一分力的差值，Fy为标准第二分力与所述力传 感器53测得的第二分力的差值，0 1为第一摆臂2与水平方向X轴的夹角，0 2为第二摆臂 4与水平方向X轴的夹角，沒'表示对0进行一阶求导，即角速度，沪表示对0进行二阶求 导，即角加速度。
[0061] 通过上述公式得知第一转动轴1处与第二转动轴3处的力矩，根据转矩系数，计算 电机的电流，采用电流模型进行控制，完成力矩与相应的角度之间的关系。
[0062] 另外，本发明实施例的交互式上肢康复机器人及控制方法的其它构成W及作用对 于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做寶述。
[0063] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"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 一定指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W在任何 的一个或多个实施例或示例中W合适的方式结合。
[0064] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可W理解：在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可W对运些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同限定。
【主权项】
1. 一种交互式上肢康复机器人，其特征在于，包括： 摆臂机构，所述摆臂结构包括第一摆臂和第二摆臂，所述第一摆臂的一端与固定桌面 转动连接，另一端和所述第二摆臂一端转动连接； 把手，所述把手设置在所述第二摆臂的另外一端； 力传感器，所述力传感器与所述把手相连，所述力传感器用于采集所述把手处相互垂 直的第一分力和第二分力； 位置传感器、用于采集所述第一摆臂和所述第二摆臂的转角位置； 调节结构，用于对患者患肢提供助力或阻力；以及 控制器，所述控制器分别与所述力传感器、所述位置传感器和所述调节机构连接。2. 根据权利要求1所述的交互式上肢康复机器人，其特征在于，所述第一摆臂一端与 所述固定桌面通过第一转动轴驱动连接，所述调节机构包括第一伺服电机，所述第一伺服 电机与所述第一转动轴驱动连接用于对所述第一摆臂的摆动方向上提供动力。3. 根据权利要求1所述的交互式上肢康复机器人，其特征在于，所述第二摆臂通过第 二转动轴与所述第一摆臂另一端连接，所述调节结构包括第二伺服电机，所述第二伺服电 机与所述第二转动轴驱动连接用于对所述第二摆臂的摆动方向上提供动力。4. 根据权利要求1-3任一所述的交互式上肢康复机器人，其特征在于，所述第二摆臂 上、靠近所述把手处设置有支撑部件。5. -种交互式上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述 的上肢康复机器人，所述方法包括以下步骤： 设定所述摆臂机构末端的运动轨迹； 通过位置传感器采集所述摆臂机构的当前位置； 判断所述摆臂机构的当前位置和设定的所述摆臂机构的运动轨迹的相应位置的偏离 是否超过预设范围；以及 如果所述摆臂机构的当前位置和设定的所述摆臂机构的运动轨迹的相应位置的偏离 超过预设范围，对所述第一摆臂和/或所述第二摆臂提供动力。6. 根据权利要求5所述的交互式上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，对所述第 一摆臂和/或所述第二摆臂提供动力进一步包括： 通过所述把手与所述力传感器连续采集所述把手处的所述第一分力和所述第二分 力； 根据所述设定所述摆臂机构的运动轨迹、所述摆臂机构的当前位置以及两者之间的偏 差得到标准第一分力和标准第二分力；以及 根据所述标准第一分力、所述标准第二分力、所述力传感器测得的所述第一分力与所 述第二分力、所述第一摆臂的力矩参数和所述第二摆臂的力矩参数得到所述第一伺服电机 与所述第二伺服电机的动力力矩，其中，所述第一摆臂的力矩参数包括：所述第一摆臂的长 度，所述第一摆臂的质量，所述第二摆臂的力矩参数包括：所述第二摆臂的长度、所述第二 摆臂的质量。
【专利摘要】本发明公开了交互式上肢康复机器人及控制方法，交互式上肢康复机器人包括：摆臂机构，包括第一摆臂和第二摆臂，第一摆臂的一端与固定桌面转动连接，另一端和第二摆臂一端转动连接；把手，设置在第二摆臂的另外一端；力传感器，用于采集把手处相互垂直的第一分力和第二分力；位置传感器、用于采集第一摆臂和第二摆臂的转角位置；调节结构，用于对患者患肢提供助力或阻力；控制器，与力传感器、位置传感器和调节机构连接。本发明具有如下优点：通过对机器人与患者之间作用力的感知，调整机器人提供的力矩，适应患者患肢的康复训练状态，提高康复机器人的适应能力，使得机器人具有了柔性，可以有效避免二次伤害，提高了康复机器人的使用安全性。
【IPC分类】A61H1/02
【公开号】CN105213154
【申请号】CN201510702326
【发明人】季林红, 刘亚丽, 光辉
【申请人】清华大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年10月26日