专利名称：上肢运动训练机器人的控制装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种上肢运动训练机器人控制系统及控制方法，属于机器人控制技术领域。
背景技术：
上肢运动训练机器人系统主要用于运动员上肢运动训练、也可作为非专业运动员的家用健身器材，或用于针对上肢偏瘫的临床运动训练治疗。传统上肢运动训练方法多是由专业指导员来辅助训练对象进行的，这种人工操作方式导致专业指导员工作强度高，而且训练的效果难免受到专业指导员的工作技能和工作心情等因素影响，且训练的成本较高。为此科研工作者研究了上肢运动训练机器人来代替专业指导员辅助训练对象完成运动 训练。但传统的上肢运动训练机器人存在训练模式单一、缺乏客观的训练效果评价指标等不足。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种上肢运动训练机器人控制系统及控制方法，该控制系统及控制方法能实现上肢运动训练机器人辅助训练对象完成被动运动训练和主动运动训练，并且能够为专业指导员和训练对象保存并提供运动训练过程中的一些数据，以作为训练效果评价的参考指标，也作为调节训练参数的依据之一。为实现上述目的，本发明采取如下技术方案
一种上肢运动训练机器人控制系统，包括上肢运动训练机器人、信号检测设备、数据采集设备、主控计算机、运动控制设备、力矩控制设备、驱动设备和交互界面，其特征在于所述信号检测设备和驱动设备连接上肢运动训练机器人，信号检测设备的输出经数据采集设备连接到主控计算机，主控计算机的输出经运动控制设备、力矩控制设备和驱动设备连接到上肢运动训练机器人，上肢运动训练机器人与训练对象的上肢通过绑带连接；交互界面通过VGA接口连接主控计算机；信号检测设备检测到的位置信号和力信号经数据采集设备后传输到主控计算机，主控计算机通过分析检测到的信号与设定信号的偏差并通过计算得出控制量，控制量通过运动控制设备和力矩控制设备的处理后作用于驱动设备，使驱动设备按指定的规律运动，驱动上肢运动训练机器人按规划的轨迹运动或跟随训练对象的运动意识运动，从而带动训练对象进行运动训练；训练过程中主控计算机随时存储相关数据并通过交互界面将数据结果展示给专业指导员和训练对象，专业指导员可通过数据结果了解运动训练的情况并根据与训练对象的交流结果对相关训练参数进行调整，此外主控计算机保存下来的数据还可以作为后续训练效果、训练方法评估的客观的参考指标；将交互界面从数据显示界面切换至场景显示界面时，为训练对象提供虚拟的训练的场景显示，以增强训练对象训练的兴趣，提高训练效果。所述的上肢运动训练机器人控制系统，其特征在于所述上肢运动训练机器人为一款四自由度上肢运动训练机器人；所述信号检测设备包括编码器和力传感器，其中编码器选用欧姆龙E6J-CWZ1EA2型编码器，力传感器为能检测三个正交方向上的力和一个力矩的四维力传感器；数据采集设备和运动控制设备分别选用阿尔泰的板卡PCI2394和PCI8640 ;驱动设备和力矩控制设备分别选用东方马达TM203C-MSE型力矩电机和配套的力矩控制器；主控计算机和交互界面选用研华IPC-610MB工控机和配套的液晶显示器。一种上肢运动训练机器人控制方法，采用权利要求1所述的上肢运动训练机器人控制系统进行控制，其特征在于所述控制方法包括①沿预定轨迹的被动控制、②自由运动的主动控制和③沿预定轨迹的主动控制三种控制训练方式
①运动训练的初期选用被动控制训练，上肢运动训练机器人按预定的轨迹运动，带动训练对象的上肢运动，此阶段上肢不用提供力，完全由上肢运动训练机器人带动。此时操作步骤如下
1) 按有助于提高训练效果的运动路径规划运 动轨迹；
2).根据规划轨迹通过运动学和动力学计算求解出各个关节的目标位姿；
3).通过信号检测设备检测实时检测各个关节的当前位姿，并通过数据采集设备传送给主控计算机；
4)主控计算机根据当前位姿和目标位姿的偏差通过特定的算法计算控制量，并将控制量经运动控制设备和力矩控制设备处理后传给驱动设备，控制驱动设备的按预期运转，实现预期的运动目标。②运动训练后期，上肢自主运动的能力明显增强，可以采用自由运动的主动控制，训练对象根据运动意识随意在安全范围内运动上肢，上肢运动训练机器人跟踪上肢运动并为上肢的运动提供辅助力，辅助力的大小可以根据上肢运动水平予以调整，可以调整为负值。此时操作步骤如下
1).信号检测设备检测上肢运动训练机器人和训练对象之间的相互作用力；
2).力信号经数据采集设备传输到主控计算机，主控计算机由此可根据特定方法判断训练对象上肢的运动趋势，并相应计算出控制量，经运动控制设备和力矩控制设备处理后传给驱动设备，控制驱动设备的运转情况，实现上肢运动训练机器人跟随训练对象的运动意识，提供辅助力来辅助训练对象完成运动训练。辅助力的大小可以根据上肢运动能力的水平予以调整，运动能力越强，辅助力越小。辅助力调整为负值时是提供一定阻力来阻碍训练对象的上肢运动，起到巩固前期训练效果、锻炼上肢的作用。③运动训练的中期上肢有部分自主运动能力时进行沿预定轨迹的主动训练，训练对象有意识地将上肢沿预定轨迹运动，此阶段上肢运动训练机器人只提供部分力辅助上肢运动，上肢需要提供部分力。此时的操作过程是将上述两种情况过程的结合。整个训练过程中依照训练前期、中期、后期的顺序逐步实现上肢运动能力的训练。上述沿预定轨迹的被动控制是基于位置的阻抗控制，由预期的轨迹经过逆运动学求解计算出各个关节的角位移的理论值，并据此驱动各个关节，在驱动过程中实时检测各关节的实际角位移，根据检测的实际角位移和角位移的理论值的偏差进行模糊PID控制，使得上肢运动训练机器人带动上肢较为准确地沿预定轨迹运动。沿预定轨迹的主动控制是基于力位混合控制的阻抗控制，自由运动的主动控制是基于力的阻抗控制，可以实现上肢运动训练机器人跟踪上肢的运动并提供一定的辅助力辅助上肢运动，且辅助力的大小可以根据训练需要予以调整。训练过程中保持监测位置信息，控制一切运动训练活动都在安全范围内进行。
本发明的上肢运动训练机器人控制系统及控制方法与现有技术相比，具有如下突出实质性特点和显著优点
I)、可以实现辅助训练对象完成主动和被动的运动训练，并且训练过程中参数可根据需要调节，调节方便；2)、该装置能为后续的训练效果评价保留并提供充分的数据；3)、良好的交互界面结合虚拟现实技术能提高训练对象训练的积极性。
图1为本发明的控制系统的结构图。图2为本发明的驱动设备、信号检测设备安装图。 图3为本发明的位置数据检测调试的交互界面。图4为本发明的应用的初始交互界面。图5为本发明的运动训练的流程图。图6为本发明的控制算法框图。图7为本发明的控制程序流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明。实施例一
参见图1-图7，本上肢运动训练机器人控制系统，包括上肢运动训练机器人1、信号检测设备2、数据采集设备3、主控计算机4、运动控制设备5、力矩控制设备6、驱动设备7和交互界面8，其中信号检测设备2和驱动设备7通过螺钉连接和键连接安装在上肢运动训练机器人I相应位置上，信号检测设备2的输出线连接到数据采集设备3的相应端口，数据采集设备3和运动控制设备5安装在主控计算机4的PCI插槽中，运动控制设备5的相应输出端口通过导线与力矩控制设备6的相应端子相连，力矩控制设备6的输出端口连接到驱动设备上，交互界面8显示器通过VGA接口连接在主控计算机4上。信号检测设备2检测到的位置信号和力信号经数据采集设备3后传输到主控计算机4，主控计算机4通过分析检测到的信号与设定信号的偏差并通过特定的算法计算出控制量，控制量通过运动控制设备5、力矩控制设备6等的处理后作用于驱动设备7，使驱动设备7按一定的规律运动，进而驱动上肢运动训练机器人I按规划的轨迹运动或跟随训练对象10的运动意识运动，从而带动训练对象10进行运动训练。训练过程中主控计算机4随时存储相关数据并通过交互界面8将数据结果展示给专业指导员9和训练对象10，专业指导员9可通过数据结果了解运动训练的情况并根据与训练对象10的交流结果对相关训练参数进行调整，此外主控计算机保存下来的数据还可以作为后续训练效果、训练方法评估的客观的参考指标。将交互界面8从数据显示界面切换至场景显示界面时，通过虚拟现实技术为训练对象10提供虚拟的训练的场景显示，以增强训练对象10训练的兴趣，提高训练效果。实施例二本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述的上肢运动训练机器人控制系统，其特征在于所述上肢运动训练机器人I为一款四自由度上肢运动训练机器人；所述信号检测设备2包括编码器和力传感器，其中编码器可选用欧姆龙E6J-CWZ1EA2型编码器，力传感器为能检测三个正交方向上的力和一个力矩的四维力传感器；数据采集设备3和运动控制设备5可分别选用阿尔泰的板卡PCI2394和PCI8640 ;驱动设备7和力矩控制设备6可分别选用东方马达TM203C-MSE型力矩电机和配套的力矩控制器；主控计算机4和交互界面8可选用研华IPC-610MB工控机和配套的液晶显示器。实施例三
本上肢运动训练机器人控制方法，采用权利要求1所述的上肢运动训练机器人控制系统进行控制，其特征在于所述控制方法包括①沿预定轨迹的被动控制、②自由运动的主动控制和③沿预定轨迹的主动控制三种控制训练方式
①运动训练的初期选用被动控制训练，上肢运动训练机器人I按预定的轨迹运动，带动训练对象10的上肢运动，此阶段上肢不用提供力，完全由上肢运动训练机器人I带动。此时操作步骤如下
1).按有助于提高训练效果的运动路径规划运动轨迹；
2).根据规划轨迹通过运动学和动力学计算求解出各个关节的目标位姿；
3).通过信号检测设备2检测实时检测各个关节的当前位姿，并通过数据采集设备3传送给主控计算机4 ；
4)主控计算机4根据当前位姿和目标位姿的偏差通过特定的算法计算控制量，并将控制量经运动控制设备5和力矩控制设备6处理后传给驱动设备7，控制驱动设备的按预期运转，实现预期的运动目标。②运动训练后期，上肢自主运动的能力明显增强，可以采用自由运动的主动控制，训练对象10根据运动意识随意在安全范围内运动上肢，上肢运动训练机器人I跟踪上肢运动并为上肢的运动提供辅助力，辅助力的大小可以根据上肢运动水平予以调整，可以调整为负值。此时操作步骤如下
1).信号检测设备2检测上肢运动训练机器人I和训练对象10之间的相互作用力；
2).力信号经数据采集设备3传输到主控计算机4，主控计算机4由此可根据特定方法判断训练对象10上肢的运动趋势，并相应计算出控制量，经运动控制设备5和力矩控制设备6处理后传给驱动设备7，控制驱动设备的运转情况，实现上肢运动训练机器人I跟随训练对象10的运动意识,提供辅助力来辅助训练对象10完成运动训练。辅助力的大小可以根据上肢运动能力的水平予以调整，运动能力越强，辅助力越小。辅助力调整为负值时是提供一定阻力来阻碍训练对象的上肢运动，起到巩固前期训练效果、锻炼上肢的作用。③运动训练的中期上肢有部分自主运动能力时进行沿预定轨迹的主动训练，训练对象10有意识地将上肢沿预定轨迹运动，此阶段上肢运动训练机器人I只提供部分力辅助上肢运动，上肢需要提供部分力。此时的操作过程是将上述两种情况过程的结合。整个训练过程中依照训练前期、中期、后期的顺序逐步实现上肢运动能力的训练。参照图5-图7，上述沿预定轨迹的被动控制是基于位置的阻抗控制，由预期的轨迹经过逆运动学求解计算出各个关节的角位移的理论值，并据此驱动各个关节，在驱动过程中实时检测各关节的实际角位移，根据检测的实际角位移和角位移的理论值的偏差进行模糊PID控制，使得上肢运动训练机器人带动上肢较为准确地沿预定轨迹运动。沿预定轨迹的主动控制是基于力位混合控制的阻抗控制，自由运动的主动控制是基于力的阻抗控制，可以实现上肢运动训练机器人跟踪训练对象10的上肢的运动并提供一定的辅助力辅助上肢运动，且辅助力的大小可以根据训练需要予以调整。训练过程中控制系统保持监测位置信息，控制一切运动训练活动都在安全范围内进行。本发明不限于上述实施例，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置 换方式，都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种上肢运动训练机器人控制系统，包括上肢运动训练机器人(I)、信号检测设备(2)、数据采集设备(3)、主控计算机(4)、运动控制设备(5)、力矩控制设备(6)、驱动设备(7)和交互界面(8)，其特征在于所述信号检测设备(2)和驱动设备(7)连接上肢运动训练机器人(1)，信号检测设备(2)的输出经数据采集设备(3)连接到主控计算机(4)，主控计算机(4)的输出经运动控制设备(5)、力矩控制设备(6)和驱动设备(7)连接到上肢运动训练机器人(1)，上肢运动训练机器人(I)与训练对象(10)的上肢通过绑带连接；交互界面(8) 通过VGA接口连接主控计算机(4);信号检测设备(2)检测到的位置信号和力信号经数据采集设备(3)后传输到主控计算机(4)，主控计算机(4)通过分析检测到的信号与设定信号的偏差并通过计算得出控制量，控制量通过运动控制设备(5)和力矩控制设备(6)的处理后作用于驱动设备(7)，使驱动设备(7)按指定的规律运动，驱动上肢运动训练机器人(I)按规划的轨迹运动或跟随训练对象(10)的运动意识运动，从而带动训练对象(10)进行运动训练；训练过程中主控计算机(4)随时存储相关数据并通过交互界面(8)将数据结果展示给专业指导员(9)和训练对象(10)，专业指导员(9)可通过数据结果了解运动训练的情况并根据与训练对象(10)的交流结果对相关训练参数进行调整；将交互界面(8)从数据显示界面切换至场景显示界面时，为训练对象(10)提供虚拟的训练的场景显示。
2.权利要求1所述的上肢运动训练机器人控制系统，其特征在于所述上肢运动训练机器人(I)为一款四自由度上肢运动训练机器人；所述信号检测设备(2)包括编码器和力传感器，其中编码器选用欧姆龙E6J-CWZ1EA2型编码器，力传感器为能检测三个正交方向上的力和一个力矩的四维力传感器；数据采集设备(3)和运动控制设备(5)分别选用阿尔泰的板卡PCI2394和PCI8640 ;驱动设备(7)和力矩控制设备(6)分别选用东方马达 TM203C-MSE型力矩电机和配套的力矩控制器；主控计算机(4)和交互界面(8)选用研华 IPC-610MB工控机和配套的液晶显示器。
3.—种上肢运动训练机器人控制方法，采用权利要求1所述的上肢运动训练机器人控制系统进行控制，其特征在于所述控制方法包括①沿预定轨迹的被动控制、②自由运动的主动控制和③沿预定轨迹的主动控制三种控制训练方式①运动训练的初期选用被动控制训练，上肢运动训练机器人(I)按预定的轨迹运动，带动训练对象(10)的上肢运动，此阶段上肢不用提供力，完全由上肢运动训练机器人(I)带动。此时操作步骤如下1).按有助于提高训练效果的运动路径规划运动轨迹；2).根据规划轨迹通过运动学和动力学计算求解出各个关节的目标位姿；3 ).通过信号检测设备(2 )检测实时检测各个关节的当前位姿，并通过数据采集设备(3)传送给主控计算机(4)；4)主控计算机(4)根据当前位姿和目标位姿的偏差通过给定的算法计算控制量，并将控制量经运动控制设备(5)和力矩控制设备(6)处理后传给驱动设备(7)，控制驱动设备的按预期运转，实现预期的运动目标；②运动训练后期，上肢自主运动的能力明显增强，可以采用自由运动的主动控制，训练对象(10)根据运动意识随意在安全范围内运动上肢，上肢运动训练机器人(I)跟踪上肢运动并为上肢的运动提供辅助力，辅助力的大小可以根据上肢运动水平予以调整，可以调整为负值；此时操作步骤如下1)·信号检测设备(2)检测上肢运动训练机器人(I)和训练对象(10)之间的相互作用力；2).力信号经数据采集设备(3)传输到主控计算机(4)，主控计算机(4)由此可根据给定方法判断训练对象(10)上肢的运动趋势，并相应计算出控制量，经运动控制设备(5)和力矩控制设备(6)处理后传给驱动设备(7)，控制驱动设备的运转情况，实现上肢运动训练机器人(I)跟随训练对象(10)的运动意识；③运动训练的中期上肢有部分自主运动能力时进行沿预定轨迹的主动训练，训练对象 (10)有意识地将上肢沿预定轨迹运动，此阶段上肢运动训练机器人(I)只提供部分力辅助上肢运动，上肢需要提供部分力；此时的操作过程是将上述两种情况过程的结合。
4.根据权利要求3所述的上肢运动训练机器人控制方法，其特征在于所述沿预定轨迹的被动控制是位置的阻抗控制，沿预定轨迹的主动控制是基于力位混合控制的阻抗控制；自由运动的主动控制也是基于力的阻抗控制，训练过程中保持监测位置信息，控制在安全范围内进行训练。
全文摘要
本发明公开了一种上肢运动训练机器人控制系统及控制方法，本控制系统主要由上肢运动训练机器人、信号检测设备、数据采集设备、主控计算机、运动控制设备、力矩控制设备、驱动设备和交互界面组成。此上肢运动训练机器人控制系统及控制方法能够实现上肢运动训练机器人辅助训练对象的上肢进行沿预定轨迹的被动训练、沿预定轨迹的主动训练和自由运动的主动训练，可以根据训练对象的上肢状况选择训练模式和设置相关参数来辅助上肢进行运动训练。
文档编号A63B23/12GK103006415SQ201210567268
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者余刚, 沈林勇, 钱晋武, 章亚男, 李国军 申请人:上海大学