专利名称：下肢康复机器人运动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种下肢康复机器人的运动控制方法。主要用于脊髓损伤、脑卒中等 神经系统疾病导致的有下肢运动功能障碍患者的步行康复训练。
背景技术：
近年来，脊椎损伤、脑卒中等中枢神经系统疾病引起的下肢运动功能障碍患者呈 急剧增加的趋势，严重危害着人类的健康。减重步行训练是针对该类疾病患者步行康复治 疗的重要手段之一，已有大量的临床研究证实了其有效性。传统的人工手动的减重步行训 练状态通常如附图1所示，患者被减重装置悬挂在活动踏板上，使患者步行时下肢的负重 减少同时维护身体平衡，并需要两名或以上治疗师或康复师站在患者周围，通过各种手法 引导患者下肢做类似人体步态的步行运动。这种手动辅助减重训练，训练时间短，训练效率 低，工作强度大；训练效果与治疗师或康复师的技术和经验密切相关，难以精确地保持康复 训练动作的一致性；忽略了被治疗者的主动运动意图，缺乏治疗信息的反馈，导致患者参与 治疗的主动性不够。为此，将机器人技术与康复医学结合，研制自动化的下肢康复机器人代替治疗师 完成偏瘫患者的减重步行训练。目前国内外许多研究人员在开展康复机器人的研究工作， 但这些康复机器人，训练动作种类比较少，动作范围具有局限性，运动幅度较小，多数忽略 了患者下肢的主动运动意图，缺乏治疗信息的实时反馈，不利于激发患者的主动意识，提高 患者参与康复训练的兴趣，很难达到理想的康复训练要求。
发明内容
本发明的目的在于针对步行障碍患者进行人工减重步行训练时存在的问题和不 足，提供一种能够提高患者参与康复训练的主动性，增强患者的康复信心和运动兴趣，适合 患者不同康复阶段的下肢康复机器人运动控制方法。为达到上述目的，本发明的构思是针对患者的不同康复阶段，实施被动训练和主 动训练两种工作模式被动训练模式下，控制机器人带动患者完成特定的运动或以正确的 生理学步态轨迹运动，患者产生的异常运动被完全抑制，被动跟随机器人做步行康复训练； 主动训练模式下，机器人抑制患者有限的异常运动，通过实时检测运动过程中患者作用于 机器人所产生的关节驱动力，进而采用逆动力学模型提取人机交互作用力矩来判断患者下 肢的主动运动意图，并利用阻抗控制器将交互力矩转化为步态轨迹的修正量，直接修正或 通过自适应控制器产生患者期望的步态训练轨迹，间接实现机器人提供康复训练辅助力、 阻抗力的目的，增强患者主动参与康复训练的程度。本发明采用下肢康复训练机器人代替传统的人工减重康复训练。在康复训练早 期，患者下肢肌肉缺乏自主运动的力量和负重的能力，患者在外骨骼式机器人完全带动下， 在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成特定的运，此时采用基于PD反馈的位置 伺服控制策略，有效实现步态轨迹的跟踪控制。随着患者病情的改善，患者的主动意识增强，其主动参与训练更有利于中枢神经系统损伤后运动功能的恢复，因此可通过力传感器 检测并提取出人机交互作用力矩，建立人机交互作用力矩和偏离预定关节轨迹偏差的阻抗 控制模型，实现主动训练模式下的阻抗控制。而阻抗控制始终基于一个固定的参考轨迹，只 能在这一轨迹基础上产生偏差，很难适应不同个体步态轨迹的调整；且在康复阶段的中后 期，由于患者下肢肌痉挛、肌肉紧张等引起的肌肉力量的不协调性，将使得人机交互作用力 矩的变化过大或过小，经阻抗控制模型计算的轨迹偏差亦偏大或偏小，修正后的步态轨迹 将不完全符合生理学规律，势必影响康复训练的效果，因此提出步态轨迹自适应控制算法， 从总体效果上考虑患者主动参与训练的意图。根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案
一种下肢康复机器人运动控制方法，其特征在于针对患者不同的康复阶段分别实施被 动和主动训练模式被动训练模式下，控制机器人带动患者以正确的生理学步态轨迹运动， 患者产生的异常运动被完全抑制，被动跟随机器人做步行康复训练；主动训练模式下，机器 人抑制患者有关的异常运动，通过实时检测运动过程中患者作用于机器人所产生的关节驱 动力，进而采用逆动力学模型提取人机交互作用力矩来判断患者下肢的主动运动意图，并 利用阻抗控制器将交互力矩转化为步态轨迹的修正量，直接修正或通过自适应控制器产生 患者期望的步态训练轨迹，间接实现机器人提供康复训练的辅助力、阻抗力。对患者康复阶段的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，采用所述被动康复训练模式， 患者在外骨骼式机械腿的完全带动下，在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成设 定的运动，刺激患者对正确运动的感觉，抑制患者的肌痉挛和异常运动，并实时检测康复训 练中各关节的角度、角速度作为反馈信号，采用基于PD反馈的位置伺服控制方法，驱动机 械腿带动患者实现步行康复训练。对患者康复阶段的中、后期，包括痉挛期和改善期，采用所述主动康复训练模式， 在康复训练过程中，利用关节驱动器后安装的拉压力传感器实时采集在患肢主动作用力下 所产生的各关节驱动力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提取出各关节人机交互作用 力矩，从而获得患者的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节人机交互力矩转化为相应 的步态轨迹的位置、速度和加速度修正量，产生患者期望的步态轨迹；或采用前η项傅里叶 级数展开式拟合计算各关节正确的生理学步态轨迹，确定其初始表达式，再将各关节步态 轨迹参数化，每个关节采用3个轨迹参数分别表示关节角度幅值的缩放因子，实现训练步 幅的调节；步态周期的调节因子；关节角度的偏移量，可改变髋关节的弯曲和伸展量、膝关 节的弯曲量、踝关节的跖屈和弯曲。然后通过各关节轨迹偏差的欧几里得范数的最佳平方 逼近方法建立目标函数，以相应的轨迹参数初值对目标函数在每个步态周期范围内利用梯 度法迭代求解关节角度轨迹参数，从总体效果上拟合计算参数化的步态轨迹，进而生成患 者期望的轨迹，并输入到机器人关节内环位置控制器中，控制各关节的伺服电机实现期望 的轨迹输出，从而驱动机器人根据患者的主动运动意图不断地调整步行训练轨迹，间接实 现机器人提供康复训练辅助力、阻抗力的目的，增强患者主动参与康复训练的程度。所述主动康复训练模式为一个典型的双闭环控制系统模型，内环为基于PD反馈 的位置控制环，外环为基于位置的阻抗控制力环。本发明下肢康复机器人运动控制方法，针对步行障碍患者不同的康复阶段，分别 采用被动和主动康复训练模式，通过特定的运动功能训练及获取康复训练过程中患者的主动运动意图，以此驱动机器人完全带动或辅助患者患肢实现单关节或步行康复运动。该控 制策略在较好的实现被动运动的基础上，引入患者主动运动意图，增强了患者的主动参与， 有利于刺激未完全损伤的中枢神经和激发中枢神经系统的功能重组和功能重建，对中枢神 经系统损伤后运动功能的恢复起到了很好的效果。下肢康复机器人系统由外骨骼步态矫形器、减重装置、跑步机和控制系统四部分 组成。其中核心部件外骨骼步态矫形器由两条外骨骼式机械腿构成，每条机械腿髋关节、膝 关节、踝关节各有一个自由度，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实现三自由 度的运动。在每个关节处安装有驱动矫形器的线性执行机构和测量关节旋转角度的编码 器，在线性驱动器的后方安装一维拉压力传感器，用于检测驱动器提供的驱动力。该下肢康 复机器人为步行障碍患者提供适合不同恢复阶段的康复训练运动，其囊括了下肢所有关节 的训练，包括髋、膝、踝关节的被动和主动训练模式下的单关节运动，以及步行康复运动。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点。
采用自动化的下肢康复训练装置代替传统的人工减重步行训练，提高了康复训练的效 率和康复效果；两种康复训练模式，满足患者不同康复阶段的要求；康复训练的步态周期、 步幅、训练时间等均可手动或自动调节，提高了康复训练的自动化程度；可通过调节阻抗参 数，适应患者不同的个体特征和康复需求；步态轨迹的参数化，易于实现主动训练模式下步 态轨迹的在线调整；控制策略引入了患者的主动运动意图，并通过VC编程能实时显示和记 录康复训练的速度、时间、周期、关节轨迹、驱动力、人机交互作用力矩等信息，有助于患者 积极地参与康复训练，增强其康复治疗的信心，便于理疗师评估病人的康复状况，做出最优 康复计划。
图1是传统的人工手动减重步行训练示意图； 图2是本发明的下肢康复训练机器人系统示意图； 图3是外骨骼式机械腿结构图4是控制系统硬件构成示意图； 图5是本发明的人机界面示意图； 图6是本发明的康复训练控制原理框图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下参见图2，本实施例下肢康复训练机器 人系统由减重装置1、外骨骼步态矫形器2、跑步机3及控制柜组成。外骨骼步态矫形器设 计为两条外骨骼式机械腿(参见图3)，每条机械腿各具有髋关节弯曲/伸展、膝关节弯曲 /伸展、踝关节跖屈/背屈三个自由度，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实 现三自由度的运动，在每个关节处安装有滚珠丝杠线性驱动器4用于驱动矫形器各关节运 动。该步行康复训练系统从康复医学角度出发为患者提供各关节的单关节运动和步行康复 运动。分别安装在髋、膝、踝关节处的6个角度传感器6用于测量运动过程中的关节角度， 在各线性驱动器的后方安装的6个拉压力传感器5用于检测驱动器4提供的驱动力，两种信息均用于检测康复训练的运动状态，并应用在不同的康复训练模式中。参见图4，本实施例在康复训练过程中，当工控机14根据通过VC编程实现的 控制程序发出指令信号，并经运动控制卡13输出电机控制量到驱动电路11中，伺服驱动器 10即可接收到指令，控制电机实现机械腿带动患者步行训练的功能；与此同时工控机通过 串口 8发送指令实现跑步机的同步协调运动；工控机14通过数据采集卡12实时采集关节 角度、驱动力、限位开关7等的信号，反馈到步态轨迹的控制器中，实现不同模式下的轨迹 控制，并将当前的步行速度、周期、训练时间、关节角度、人机交互作用力等信息显示在人机 界面15上，人机界面参见附图5。参见图6，本下肢康复机器人运动控制方法针对患者不同的康复阶段，分别采用 被动训练和主动训练两种工作模式。在患者康复阶段的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，采 用被动康复训练模式，患者在外骨骼式机械腿的完全带动下，在跑步机上以标准的生理学 步态轨迹行走或完成特定的运动，刺激患者对正确运动的感觉，抑制患者的肌痉挛和异常 运动，并实时检测康复训练中各关节的角度、角速度作为反馈信号，打开附图6中所示的阻 抗控制力外环，采用基于PD反馈的位置伺服控制方法，驱动机械腿带动患者实现步行康复 训练。在患者康复阶段的中、后期，包括痉挛期和改善期，采用主动康复训练模式，其为一个 典型的双闭环控制系统模型，内环为基于PD反馈的位置控制环，外环为基于位置的阻抗控 制力环。具体工作原理为在康复训练过程中，利用关节驱动器后安装的拉压力传感器实时 采集在患肢主动作用力下所产生的各关节驱动力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提 取出各关节人机交互作用力矩，从而获得患者的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节 人机交互力矩转化为相应的步态轨迹的位置、速度和加速度修正量，产生患者期望的步态 轨迹，此时忽略附图6中所示的阻抗控制力外环中的步态自适应算法；或在上述阻抗控制 器产生轨迹偏差的基础上，再通过自适应控制算法(参见附图6)从总体效果上拟合计算参 数化的步态轨迹，进而生成患者期望的轨迹，并输入到机器人关节内环位置控制器中，控制 各关节的线性驱动器实现期望的轨迹输出，从而驱动机器人根据患者的主动运动意图不断 地调整步行训练轨迹，间接实现机器人提供康复训练辅助力、阻抗力的目的，增强患者主动 参与康复训练的程度。
权利要求
1.一种下肢康复机器人运动控制方法，其特征在于针对患者不同的康复阶段，实施被 动训练和主动训练两种工作模式被动训练模式下，控制机器人带动患者以正确的生理学 步态轨迹运动，患者产生的异常运动被完全抑制，被动跟随机器人做步行康复训练；主动训 练模式下，机器人抑制患者有关的异常运动，通过实时检测运动过程中患者作用于机器人 所产生的关节驱动力，进而采用逆动力学模型提取人机交互作用力矩来判断患者下肢的主 动运动意图，并利用阻抗控制器将交互力矩转化为步态轨迹的修正量，直接修正或通过自 适应控制器产生患者期望的步态训练轨迹，间接实现机器人提供康复训练的辅助力、阻抗 力。
2.根据权利要求1所述的下肢康复机器人运动控制方法，其特征在于对患者康复阶段 的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，采用所述被动康复训练模式，患者在外骨骼式机械腿的 完全带动下，在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成设定的运动，刺激患者对正 确运动的感觉，抑制患者的肌痉挛和异常运动，并实时检测康复训练中各关节的角度、角速 度作为反馈信号，采用基于PD反馈的位置伺服控制方法，驱动机械腿带动患者实现步行康 复训练。
3.根据权利要求1或2所述的下肢康复机器人运动控制方法，其特征在于对患者康复 阶段的中、后期，包括痉挛期和改善期，采用所述主动康复训练模式，在康复训练过程中，利 用关节驱动器后安装的拉压力传感器实时采集在患肢主动作用力下所产生的各关节驱动 力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提取出各关节人机交互作用力矩，从而获得患者 的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节人机交互力矩转化为相应的步态轨迹的位置、 速度和加速度修正量，产生患者期望的步态轨迹；或通过自适应控制算法从总体效果上拟 合计算参数化的步态轨迹，进而生成患者期望的轨迹；并输入到机器人关节内环位置控制 器中，控制各关节的线性驱动器实现期望的轨迹输出，从而驱动机器人根据患者的主动运 动意图不断地调整步行训练轨迹，间接实现机器人提供康复训练辅助力、阻抗力的目的，增 强患者主动参与康复训练的程度。
4.根据权利要求3所述的下肢康复机器人运动控制方法，其特征在于所述主动康复训 练模式为一个典型的双闭环控制系统模型，内环为基于PD反馈的位置控制环，外环为基于 位置的阻抗控制力环。
全文摘要
本发明涉及了一种下肢康复机器人运动控制方法。本方法针对患者不同的康复阶段，实施被动训练和主动训练两种工作模式被动训练模式下，控制机器人带动患者完成特定的运动或以正确的生理学步态轨迹运动，患者产生的异常运动被完全抑制，被动跟随机器人做步行康复训练；主动训练模式下，机器人抑制患者有限的异常运动，通过实时检测运动过程中患者作用于机器人所产生的关节驱动力，进而采用逆动力学模型提取人机交互作用力矩来判断患者下肢的主动运动意图，并利用阻抗控制器将交互力矩转化为步态轨迹的修正量，直接修正或通过自适应控制器产生患者期望的步态训练轨迹，间接实现机器人提供康复训练辅助力、阻抗力的目的。本发明能够为步行障碍患者提供一种适合不同恢复阶段的康复训练运动，提高患者主动参与康复训练的程度，建立其康复的信心和运动积极性，进而增强康复训练的效果。
文档编号A61H1/02GK102058464SQ201010561379
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月27日 优先权日2010年11月27日
发明者文忠, 沈林勇, 章亚男, 钱晋武 申请人:上海大学