一种消除肢体运动轨迹偏差的方法及控制系统与流程

本发明涉及一种肢体康复训练的轨迹还原运动，更具体地说一种消除肢体运动轨迹偏差的方法及控制系统。

背景技术：

由于脑血管病、脑外伤等病因导致患者肢体失去活动能力，肌肉萎缩，往往需要借助外力被动运动进行康复训练，从而帮助患者恢复肢体力量。肢体康复设备用于肢体运动功能障碍患者进行治疗和康复训练，可通过记录医师在康复设备的肢体运动轨迹，让患者在康复设备上还原医师的设定的肢体运动轨迹，使患者得到准确而有效的康复训练。

目前现有肢体康复设备还原运动轨迹的方法如下：

脉冲还原法：轨迹记录是通过编码器记录肢体运动在每个微小单位时间内的脉冲量，轨迹还原是通过控制器在每个微小单位时间内驱动电机转动已记录的脉冲量。其优点是还原轨迹精确，但由于电机使用位置控制模式，在每个微小单位时间内电机均需要经历停止状态，电机转速不连贯，导致机器臂抖动，进而影响患者治疗效果。

角度还原法：轨迹记录是通过角度传感器记录肢体运动在每个微小单位时间内的角度值，轨迹还原是通过控制器在每个微小单位时间内驱动电机转动已记录的角度值。这种方法存在明显缺陷，由于角度传感器精度不足，导致每个单位时间内角度还原都存在一定的轨迹偏差，继而轨迹偏差累积，多次轨迹还原后，轨迹偏差明显，容易导致机器臂碰撞限位部件，进而影响患者治疗效果，甚至发生危险。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种消除肢体运动轨迹偏差的方法及控制系统通过每一次轨迹还原之后，判断是否有轨迹偏差，若存在偏差，则及时消除，避免了偏差的累计，使肢体康复训练更加精确，提高了康复训练的效果。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种消除肢体运动轨迹偏差的方法，所述方法包括以下步骤：

s10、设定康复设备的运动轨迹；

s20、记录运动轨迹的起点位置、终点位置，以及起点位置、终点位置之间每个单位时间内的移动速度；

s30、控制康复设备带动肢体从运动轨迹的起点位置进行轨迹还原运动，其中，轨迹还原运动中每个单位时间内的移动速度与运动轨迹设定时移动速度相同；

s40、记录轨迹还原运动的停止位置；

s50、将停止位置与终点位置进行比较，若位置相同，则无轨迹偏差，若位置不同，则控制康复设备从停止位置移动到终点位置，以消除轨迹偏差。

其进一步技术方案为：所述步骤s20与步骤s30之间还包括康复设备从终点位置回归到起点位置。

其进一步技术方案为：步骤s10包括以下具体步骤：

设定康复设备为自学习状态；

肢体的各关节与康复设备的各关节机构一一对应；

肢体带动康复设备运动；

康复设备进行轨迹学习。

其进一步技术方案为：所述步骤s20中，单位时间内采样频率为100hz。

其进一步技术方案为：所述步骤s50中，康复设备从停止位置移动到终点位置的时间为0.8s-1.1s。

一种消除肢体运动轨迹偏差的控制系统，包括：

设定模块，用于设定康复设备的运动轨迹；

记录模块，用于记录运动轨迹中的数据信息；

控制模块，用于控制康复设备带动肢体进行轨迹还原运动；

驱动模块，用于驱动康复设备带动肢体各关节运动；

比较模块，用于停止位置与终点位置进行比较；

偏差消除模块，用于将康复设备从停止位置移动到终点位置，以消除轨迹偏差。

其进一步技术方案为：所述记录模块包括检测康复设备的起点位置和终点位置的位置传感器，用于检测起点位置、终点位置之间每个单位时间内的移动速度的速度传感器。

其进一步技术方案为：所述控制模块包括控制器，及于控制器电性联接的数据存储器。

其进一步技术方案为：所述驱动模块包括驱动电机，所述驱动电机与所述控制器的输出端电性联接。

其进一步技术方案为：所述康复设备为多维度的上肢康复机械臂，所述上肢康复机械臂包括悬梁臂，及设于悬梁臂下方的水平旋转臂，水平旋转臂另一端向下延伸设有竖向联接臂，所述竖向联接臂的下端设有肩部竖向活动臂，所述肩部竖向活动臂的外端联接有后臂，所述后臂固定联接有弯轨，所述弯轨的外侧设有前臂，所述前臂旋转联接有握力杆；所述弯轨包括前臂弯轨和后臂弯轨，所述前臂弯轨与所述前臂联接，所述后臂弯轨与所述后臂联接，所述前臂与所述后臂之间设有旋转联接部，以构成所述前臂、后臂旋转式联接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明一种消除肢体运动轨迹偏差的方法在轨迹还原运动中每个单位时间内的移动速度与运动轨迹设定时移动速度相同，保证了每一次轨迹还原的速度的连贯性，避免康复设备的训练时出现抖动的情况，使训练更加流畅；通过停止位置与终点位置进行比较，若位置不同，则控制康复设备从停止位置移动到终点位置，及时消除轨迹偏差，避免轨迹偏差的多次累计，提高了肢体康复运动的流畅性和精准性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明用于一种消除肢体运动轨迹偏差的方法具体实施例的流程图；

图2为本发明一种消除肢体运动轨迹偏差的方法具体实施例中步骤s10的子步骤流程图；

图3为本发明消除肢体运动轨迹偏差的控制系统具体实施例的控制系统流程图；

图4为本发明消除肢体运动轨迹偏差的控制系统具体实施例中控制模块和记录模块的流程图；

图5为本发明消除肢体运动轨迹偏差的控制系统具体实施例的结构示意图。

附图标记

1、上肢康复机械臂；11、悬梁臂；12、水平旋转臂；13、竖向联接臂；14、肩部竖向活动臂；15、后臂；16、后臂弯轨；17、前臂弯轨；18、前臂；19、握力杆；2、控制系统；21、设定模块；22、记录模块；221、速度传感器；222、位置传感器；23、控制模块；231、控制器；232、数据存储器；24、驱动模块；25、比较模块；26、偏差消除模块。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

请参阅图1所示的具体实施例，本发明提供了一种消除肢体运动轨迹偏差的方法，方法包括以下步骤：

s10、设定康复设备的运动轨迹；

s20、记录运动轨迹的起点位置、终点位置，以及起点位置、终点位置之间每个单位时间内的移动速度；

s30、控制康复设备带动肢体从运动轨迹的起点位置进行轨迹还原运动，其中，轨迹还原运动中每个单位时间内的移动速度与运动轨迹设定时移动速度相同；

s40、记录轨迹还原运动的停止位置；

s50、将停止位置与终点位置进行比较，若位置相同，则无轨迹偏差，若位置不同，则控制康复设备从停止位置移动到终点位置，以消除轨迹偏差。

其中，运动轨迹的设定中，医生可根据患者的肢体的肌力情况来针对性的设置运动轨迹，也可以是康复设备出厂预设的几种常规运动轨迹中的一种。若是采用医生根据患者的实际情况设定运动轨迹，则需要在设定运动轨迹之前，将康复设备复位。

在步骤s20中，将起点位置到终点位置这一段时间分成多个单位时间，单位时间为10ms，即是采样频率为100hz，在此频率下，单位时间内的移动速度是恒定的，因此单位时间内位移量等于单位时间乘以单位时间内的移动速度。以便于在进行轨迹还原运动时，控制电机的转速在单位时间内的移动速度与设定运动轨迹时的每个单位时间内的移动速度保持一致。保证了轨迹还原运动从起点位置到终点位置这段时间内运动速度是精确且连贯的，避免了康复设备的电机转速不连贯，出现抖动的情况。

步骤s50中，每次轨迹还原运动结束时，位置传感器将检测到的停止位置的信息发送至控制器，控制器将停止位置与设定轨迹运动时的终点位置进行比较，若是相同的，则没有出现轨迹偏差，若停止位置不同，则表明出现了轨迹偏差，这时，控制器会控制电机将康复设备从停止位置移动到终点位置，以消除轨迹偏差，这种方式有效的避免了轨迹偏差的累计，不会对下一次轨迹还原运动造成影响，从而提高了康复设备带动肢体运动的精确性。

另外，由于每次轨迹还原运动停止位置到终点位置之间的距离可能不一样，但为了提高康复设备的训练效率，可将康复设备从停止位置移动到终点位置的时间控制在0.8s-1.1s范围之内，控制的方式是通过控制器调节电机的运转速度，当距离较长时，将电机的运转速度提高，以便于快速移动到终点位置。

进一步的，若是采用医生根据患者的实际情况设定运动轨迹这种方式，则需要在运动轨迹设定好之后，控制器控制电机将康复设备从终点位置回归到起点位置。

请参阅图2，步骤s10包括以下具体步骤：

s101、设定康复设备为自学习状态；自学习状态下，电机处理电流控制模式，这时肢体可带动康复设备运动。

s102、肢体的各关节与康复设备的各关节机构一一对应；

s103、肢体带动康复设备运动；

s104、康复设备进行轨迹学习。

请参阅图3-4所示的具体实施例，本发明一种消除肢体运动轨迹偏差的控制系统是上述一种消除肢体运动轨迹偏差的方法中所采用的控制系统，控制系统2具体包括：设定模块21，用于设定康复设备的运动轨迹；记录模块22，用于记录运动轨迹中的数据信息；控制模块23，用于控制康复设备带动肢体进行轨迹还原运动；

驱动模块24，用于驱动康复设备带动肢体各关节运动；比较模块25，用于停止位置与终点位置进行比较；偏差消除模块26，用于将康复设备从停止位置移动到终点位置，以消除轨迹偏差。其中，记录模块22包括检测康复设备的起点位置和终点位置的位置传感器222，用于检测起点位置、终点位置之间每个单位时间内的移动速度的速度传感器221。具体的，控制模块23包括控制器231，及于控制器231电性联接的数据存储器232。具体的，驱动模块24包括驱动电机，驱动电机与控制器231的输出端电性联接。

具体的设定模块21包括两种模式，自学习模式和出厂预设模式，医生可根据患者的情况选择其中一种模式，若选择自学习模式，肢体可带动康复设备运动。记录模块22将位置传感器222检测到的起点位置和终点位置的数据以及速度传感器221检测到的每个单位时间内的移动速度的数据发送至控制模块23，并保存至数据存储器232。

如图5所示，本实施例中的康复设备为多维度的上肢康复机械臂1，上肢康复机械臂1包括悬梁臂11，及设于悬梁臂11下方的水平旋转臂12，水平旋转臂12另一端向下延伸设有竖向联接臂13，竖向联接臂13的下端设有肩部竖向活动臂14，肩部竖向活动臂14的外端联接有后臂15，后臂15固定联接有弯轨，弯轨的外侧设有前臂18，前臂18旋转联接有握力杆19；弯轨包括前臂弯轨17和后臂弯轨16，前臂弯轨17与前臂18联接，后臂弯轨16与后臂15联接，前臂18与后臂15之间设有旋转联接部，以构成前臂18、后臂15旋转式联接。

具体的，上肢康复机械臂1中的关节运动部件与另外一个关节的联接处均设有驱动电机，驱动电机受同一个控制器231控制。以满足各个关节运动的协调性。

比较模块25包括比较器，比较器将位置传感器222采集到轨迹还原运动中的停止位置与数据存储器232存储的终点位置进行比较，并将比较的结果发送至控制器231，若存在轨迹偏差，控制器231会控制驱动电机将上肢康复机械臂1从停止位置移动到终点位置，以进行轨迹偏差的消除。由于每次轨迹还原运动停止位置到终点位置之间的距离可能不一样，但为了提高康复设备的训练效率，控制器231通过分析计算将控制驱动电机的运转速度，当距离较长时，将电机的运转速度提高，以便于快速移动到终点位置，在偏差距离不同的情况下，仍然能保证消除轨迹偏差的时间大致一样。

综合上述：本发明一种消除肢体运动轨迹偏差的方法在轨迹还原运动中每个单位时间内的移动速度与运动轨迹设定时移动速度相同，保证了每一次轨迹还原的速度的连贯性，避免康复设备的训练时出现抖动的情况，使训练更加流畅；通过停止位置与终点位置进行比较，若位置不同，则控制康复设备从停止位置移动到终点位置，及时消除轨迹偏差，避免轨迹偏差的多次累计，提高了肢体康复运动的流畅性和精准性。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。