专利名称：坐卧式下肢康复机器人及相应的被动训练控制方法
技术领域：
本发明涉及康复医疗器械技术领域，具体涉及一种坐卧式下肢康复机器人及相应的被动训练控制方法。
背景技术：
脊髓损伤和中风是导致神经系统损伤并进而导致瘫痪的两大主要原因，神经系统损伤之后适当的康复训练可以减轻或避免残疾。根据神经系统可塑性原理，目前临床上常用的治疗方法包括物理疗法、作业疗法、运动疗法等，然而，国内绝大多数康复医院仍然借助于人工或简单的被动康复医疗设备进行以上治疗，借助于人工的方式进行康复训练时， 虽然康复形式较为灵活，但是由于劳动强度非常大，限制了患者的单次训练时间，且无法模拟生理步态进行训练；目前康复医院所使用的简单被动康复医疗设备如脚踏车只能帮助患者进行单一的踏车训练，训练轨迹无法调节，因此也限制了其康复效果。
发明内容
本发明的目的在于为脊髓损伤或中风患者提供一种坐卧式下肢康复机器人，以及一种相应的被动训练控制方法，以适应不同的患者或不同的康复阶段，从而提高患者的积极性，并改善其康复进程。根据本发明的一个方面，本发明提出了一种坐卧式下肢康复机器人，其特征在于，该机器人包括座椅7、两条机械臂3、人机交互界面I和主工控箱2，其中，每条机械臂3有三个关节，分别对应人体下肢的髋、膝、踝三个关节；所述人机交互界面I用于供用户输入、选择运动轨迹并设定相关参数、对康复训练进行智能监控和数据管理；所述主工控箱2用以控制机器人各关节的运动、采集机器人相关的传感信息；所述主工控箱2包括上位机PC104、通过数据总线与上位机PC104进行通信的左运动控制卡和右运动控制卡、与所述左运动控制卡通过相应的接口连接的左髋关节驱动器、左膝关节驱动器、左踝关节驱动器、与所述右运动控制卡通过相应的接口连接的右髋关节驱动器、右膝关节驱动器、右踝关节驱动器、与所述左髋关节驱动器连接的左髋电机/编码器、与所述左膝关节驱动器连接的左膝电机/编码器、与所述左踝关节驱动器连接的左踝电机/编码器、与所述右髋关节驱动器连接的右髋电机/编码器、与所述右膝关节驱动器连接的右膝电机/编码器、与所述右踝关节驱动器连接的右踝电机/编码器、通过USB接口总线与上位机PC104进行通信的数字信号输入输出DIDO数字信号采集卡、与所述DIDO数字信号采集卡连接的光耦隔离电平转换电路板、与所述光耦隔离电平转换电路板连接的安装在机器人各关节位置的多个绝对位置编码器。根据本发明的另一个方面，本发明还提出了一种利用所述康复机器人辅助患者进行被动康复训练的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤1，患者斜躺在康复机器人的座椅上，将患者的双侧下肢分别与康复机器人的两条机械臂进行固定；步骤2，针对患者所处康复的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，用户通过人机交互界面选择适合患者的末端运动轨迹，并设定选择的末端运动轨迹的相关参数；步骤3，上位机PC104根据所设定的末端运动轨迹的相关参数计算出机器人的机械臂的各关节的期望初始位置，通过DIDO数字信号采集卡读取绝对位置编码器采集到的机械臂各关节的当前实际位置，并根据期望初始位置与当前实际位置的位置偏差产生速度指令和位置指令信号，并将速度指令和位置指令信号发送至相应的运动控制卡；步骤4，运动控制卡根据接收到的速度指令和位置指令信号输出特定频率的脉冲和方向信号到相应的关节驱动器，关节驱动器根据接收到的脉冲和方向信号产生驱动电流，驱动相应的电机/编码器中的电机进行相应的运动，使机械臂各关节运动到所述期望初始位置，同时，相应的电机/编码器中的编码器通过相应的关节驱动器、运动控制卡实时向上位机反馈各关节电机的角度信息；步骤5，机械臂各关节运动到所述期望初始位置之后，PC104根据选择的末端运动 轨迹计算出各关节的期望轨迹；步骤6，PC104根据所述各关节的期望轨迹和机械臂各关节当前的初始位置产生速度指令和位置指令信号，并通过相应的运动控制卡、关节驱动器、电机/编码器控制机器人带动患者的下肢进行反复的周期运动，直到设定的训练时间结束。本发明所涉及的坐卧式下肢康复机器人及相应的被动训练控制方法，有机地结合了作业疗法和运动疗法的特点，能极大程度地提高患者主动参与的积极性，并改善其康复进程。
图I是根据本发明实施例的坐卧式下肢康复机器人的结构图；图2是根据本发明实施例的电气控制系统总体结构框图；图3是本发明利用康复机器人辅助患者进行被动训练的控制方法流程图；图4是本发明实施例的踏车运动末端轨迹与各关节的轨迹关系图；图5是本发明实施例的蹬踏运动末端轨迹与各关节的轨迹关系图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图I是根据本发明实施例的坐卧式下肢康复机器人的结构图，如图I所示，本发明的坐卧式下肢康复机器人由机械本体和电气控制系统两部分组成，其中，机械本体包括座椅7和两条机械臂3，每条机械臂3有三个自由度(关节)，分别对应人体下肢的髋、膝、踝三个关节，所述机械臂的自由度也称为机器人的关节或是机械臂的关节；电气控制系统包括人机交互界面I和主工控箱2。所述人机交互界面I进一步为触摸屏，用于供用户输入、选择运动轨迹并设定相关参数以及对康复训练进行智能监控和数据管理；主工控箱2是机器人运动控制的核心，用以控制机器人各关节的运动、采集机器人相关的传感信息，比如机械臂的关节角度信号等；所述主工控箱2包括上位机PC104、通过数据总线与上位机PC104进行通信的左运动控制卡和右运动控制卡(如图2所示)、与所述左运动控制卡通过相应的接口连接的左髋关节驱动器、左膝关节驱动器、左踝关节驱动器、与所述右运动控制卡通过相应的接口连接的右髋关节驱动器、右膝关节驱动器、右踝关节驱动器、与所述左髋关节驱动器连接的左髋电机/编码器、与所述左膝关节驱动器连接的左膝电机/编码器、与所述左踝关节驱动器连接的左踝电机/编码器、与所述右髋关节驱动器连接的右髋电机/编码器、与所述右膝关节驱动器连接的右膝电机/编码器、与所述右踝关节驱动器连接的右踝电机/编码器、通过USB接口总线与上位机PC104进行通信的数字信号输入输出DIDO数字信号采集卡、与所述 DIDO数字信号采集卡连接的光耦隔离电平转换电路板、与所述光耦隔离电平转换电路板连接的安装在机器人各关节位置的多个绝对位置编码器，所述电机/编码器包括安装在一起的电机和编码器，所述编码器进一步为光电编码器。图2是根据本发明实施例的电气控制系统总体结构框图，如图2所示，本发明的电气控制系统以PC104为核心，并通过PC104数据总线分别与主工控箱2中的左、右运动控制卡进行通信，通过USB接口与主工控箱2中的DIDO数字信号采集卡进行通信，通过VGA接口与人机交互界面I进行通信，通过相应的接口分别与存储设备、复位电路、键盘鼠标连接，还可与以太网连接。所述髋、膝、踝关节驱动器用于接收上位机PC104通过相应运动控制卡发出的指令，并直接驱动相应的电机/编码器中的电机，而电机/编码器中的编码器产生的关于各关节电机的角度信息的光电编码器信号依次反馈到相应的关节驱动器和运动控制卡中，上位机可以从相应的运动控制卡中读取该光电编码器信号。安装在机器人各关节上的多个绝对位置编码器产生的信号经过光耦隔离电平转换板的光耦隔离电平转换之后传递到DIDO数字信号采集卡，再由PC104进行读取。利用本发明的机器人辅助患者进行被动康复训练时，患者斜躺在机器人座椅7上，将患者的双侧下肢分别与机器人的两条机械臂3进行固定，然后通过下文描述的被动训练控制方法实现被动康复训练。图3是本发明利用上述康复机器人辅助患者进行被动训练的控制方法流程图，如图3所示，本发明还可以利用上述康复机器人辅助患者进行被动训练，在被动训练过程中，由治疗师或患者通过人机交互界面设定运动轨迹，而后由机器人带动患者下肢进行训练。本发明利用上述康复机器人辅助患者进行被动训练的控制方法包括以下几个步骤步骤1，患者斜躺在康复机器人的座椅上，将患者的双侧下肢分别与康复机器人的两条机械臂进行固定；步骤2，针对患者所处康复的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，用户，比如临床治疗师或患者，通过人机交互界面选择适合患者的末端运动轨迹，如踏车运动、蹬踏运动、单关节运动等，并设定选择的末端运动轨迹的相关参数，所述踏车运动末端运动轨迹的相关参数包括速度、轨迹半径和训练时间，所述蹬踏运动末端运动轨迹的相关参数包括周期、直线距离和训练时间，所述单关节运动包括起始位置、终点位置、周期和训练时间；步骤3，上位机PC104根据所设定的末端运动轨迹的相关参数计算出机器人的机械臂的各关节的期望初始位置，通过DIDO数字信号采集卡读取绝对位置编码器采集到的机械臂各关节的当前实际位置，并根据期望初始位置与当前实际位置的位置偏差产生速度指令和位置指令信号，并将速度指令和位置指令信号发送至相应的运动控制卡进行复位，所述的位置指令大小为位置偏差，所述的速度指令一方面取决于位置偏差，另一方面取决于所设定的复位 时间，复位时间为机器人从当前位置运动到期望初始位置所用的时间；步骤4，运动控制卡根据接收到的速度指令和位置指令信号输出特定频率的脉冲和方向信号到相应的关节驱动器，关节驱动器根据接收到的脉冲和方向信号产生驱动电流，驱动相应的电机/编码器中的电机进行相应的运动，使机械臂各关节运动到所述期望初始位置，同时，相应的电机/编码器中的编码器通过相应的关节驱动器、运动控制卡实时向上位机反馈各关节电机的角度信息，以基于通用的闭环控制原理控制和调节驱动电流，使机器人各关节准确地按照规划位置和速度运动；所述角度信息信号还可以反馈到人机交互界面中，以实时地显示各关节的速度和位置信息；所述驱动电流的产生进一步为关节驱动器根据接收到的脉冲和方向信号，通过现有技术中通用的比例-积分-微分(PID)控制方法来产生驱动电流。步骤5，机械臂各关节运动到所述期望初始位置之后，PC104进行轨迹规划，根据选择的末端运动轨迹计算出各关节的期望轨迹；所述期望轨迹的计算方法可结合图4和图5进行，图4是本发明实施例的踏车运动末端轨迹与各关节的轨迹关系图，图5是本发明实施例的蹬踏运动末端轨迹与各关节的轨迹关系图。在计算各关节的期望轨迹时，首先需要建立机器人的正向运动学方程，如图4和图5所示，如果以髋关节转轴为圆心，建立直角坐标系，以踝关节的转轴为末端，则机器人的正向运动学方程可描述为
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I / — / j sill I (f· ,, } — f'2 >111 ( ^；；,ρ — f J \ ,其中，(x,y)为当髋关节和膝关节角度分别为θωρ和，大腿长度和小腿长度分别为I1和I2时，踝关节转轴在直角坐标系中的位置。对该方程进行逆向运动学求解，可求得如下逆向运动学方程
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其中，(X。，yc)表示踏车运动的圆心，r表示踏车运动的半径，w表示踏车运动的角频率，t表示当前时间。结合图5，机器人进行被动蹬踏运动时的末端轨迹为直线，其运动方程可表示为
权利要求
1.一种坐卧式下肢康复机器人，其特征在于，该机器人包括座椅(7)、两条机械臂(3)、人机交互界面(I)和主工控箱(2)，其中， 每条机械臂(3)有三个关节，分别对应人体下肢的髋、膝、踝三个关节； 所述人机交互界面(I)用于供用户输入、选择运动轨迹并设定相关参数、对康复训练进行智能监控和数据管理； 所述主工控箱(2)用以控制机器人各关节的运动、采集机器人相关的传感信息； 所述主工控箱(2)包括上位机PC104、通过数据总线 与上位机PC104进行通信的左运动控制卡和右运动控制卡、与所述左运动控制卡通过相应的接口连接的左髋关节驱动器、左膝关节驱动器、左踝关节驱动器、与所述右运动控制卡通过相应的接口连接的右髋关节驱动器、右膝关节驱动器、右踝关节驱动器、与所述左髋关节驱动器连接的左髋电机/编码器、与所述左膝关节驱动器连接的左膝电机/编码器、与所述左踝关节驱动器连接的左踝电机/编码器、与所述右髋关节驱动器连接的右髋电机/编码器、与所述右膝关节驱动器连接的右膝电机/编码器、与所述右踝关节驱动器连接的右踝电机/编码器、通过USB接口总线与上位机PC104进行通信的数字信号输入输出DIDO数字信号采集卡、与所述DIDO数字信号采集卡连接的光耦隔离电平转换电路板、与所述光耦隔离电平转换电路板连接的安装在机器人各关节位置的多个绝对位置编码器。
2.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述人机交互界面(I)为触摸屏。
3.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述电机/编码器包括安装在一起的电机和编码器。
4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，所述编码器进一步为光电编码器。
5.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述上位机通过VGA接口与人机交互界面(I)进行通信，通过相应的接口分别与存储设备、复位电路、键盘鼠标连接，还能够与以太网连接。
6.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述髋、膝、踝关节驱动器用于接收上位机PC104通过相应运动控制卡发出的指令，并直接驱动相应的电机/编码器中的电机，而电机/编码器产生的光电编码器信号同时反馈到相应的关节驱动器和运动控制卡上，上位机可以从相应的运动控制卡中读取该光电编码器信号； 所述多个绝对位置编码器产生的信号经过光耦隔离电平转换之后传递到DIDO数字信号采集卡，再由上位机PC104进行读取。
7.一种利用权利要求I中所述的康复机器人辅助患者进行被动康复训练的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤1，患者斜躺在康复机器人的座椅上，将患者的双侧下肢分别与康复机器人的两条机械臂进行固定； 步骤2，针对患者所处康复的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，用户通过人机交互界面选择适合患者的末端运动轨迹，并设定选择的末端运动轨迹的相关参数； 步骤3，上位机PC104根据所设定的末端运动轨迹的相关参数计算出机器人的机械臂的各关节的期望初始位置，通过DIDO数字信号采集卡读取绝对位置编码器采集到的机械臂各关节的当前实际位置，并根据期望初始位置与当前实际位置的位置偏差产生速度指令和位置指令信号，并将速度指令和位置指令信号发送至相应的运动控制卡；步骤4，运动控制卡根据接收到的速度指令和位置指令信号输出特定频率的脉冲和方向信号到相应的关节驱动器，关节驱动器根据接收到的脉冲和方向信号产生驱动电流，驱动相应的电机/编码器中的电机进行相应的运动，使机械臂各关节运动到所述期望初始位置，同时，相应的电机/编码器中的编码器通过相应的关节驱动器、运动控制卡实时向上位机反馈各关节电机的角度信息； 步骤5，机械臂各关节运动到所述期望初始位置之后，PC104根据选择的末端运动轨迹计算出各关节的期望轨迹； 步骤6，PC104根据所述各关节的期望轨迹和机械臂各关节当前的初始位置产生速度指令和位置指令信号，并通过相应的运动控制卡、关节驱动器、电机/编码器控制机器人带动患者的下肢进行反复的周期运动，直到设定的训练时间结束。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述末端运动轨迹包括踏车运动、蹬踏运动、单关节运动，所述踏车运动末端运动轨迹的相关参数包括速度、轨迹半径和训练时间， 所述蹬踏运动末端运动轨迹的相关参数包括周期、直线距离和训练时间，所述单关节运动包括起始位置、终点位置、周期和训练时间。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的位置指令大小为位置偏差，所述速度指令取决于位置偏差和所设定的复位时间，所述复位时间为机器人从当前位置运动到期望初始位置所用的时间。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤4中的所述角度信息还反馈到人机交互界面中，以实时地显示各关节的速度和位置信息。
全文摘要
本发明公开了一种坐卧式下肢康复机器人及相应的被动训练控制方法。所述机器人包括座椅、机械臂、人机交互界面和主工控箱。在利用所述康复机器人辅助患者进行被动训练时，患者斜躺在座椅上，患者的双侧下肢分别与机械臂进行固定，根据用户设定的运动轨迹，主工控箱中的上位机根据机械臂的当前位置和期望的运动轨迹产生速度指令和位置指令信号，通过相应的运动控制卡、关节驱动器以及电机/编码器，控制机械臂带动患者的双侧下肢进行康复训练。本发明将传统的作业疗法和运动疗法进行有机的结合，能够有效地改善患者的康复效果。
文档编号A61H1/02GK102716002SQ20121022608
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者侯增广, 张峰, 张新超, 李鹏峰, 王卫群, 王洪波, 程龙, 胡国清, 胡进, 谭民, 陈翼雄 申请人:中国科学院自动化研究所