任务导向式主动训练控制方法及相应的康复机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种任务导向式主动训练控制方法，应用于康复机器人中，所述康复机器人具有传感装置、控制系统和驱动机构，控制系统用于接收传感装置采集的信号生成控制指令，并将控制指令发送给驱动机构，驱动机构可佩带于患者的身体部分，接收所述控制指令，根据控制指示施加并调节对患者身体部分的作用力，以对患者的康复训练进行控制，所述控制方法包括如下步骤：S1、检测患者身体部分的主动运动信号；S2、根据患者身体部分的主动运动信号，调节康复机器人的驱动机构对患者身体部分的作用力。
【专利说明】任务导向式主动训练控制方法及相应的康复机器人
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种任务导向式主动训练控制方法及相应的康复机器人，属于康复器 械【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 中风和脊髓损伤是导致下肢运动功能障碍的两大主要原因。中风又称脑卒中，是 一种急性的脑血管疾病，其发病突然且难以预测，能够造成永久性的大脑神经损伤，致残率 一直居高不下，幸存的患者常常会遭受后遗症的折磨，偏瘫就是其中最为常见的一种。脊髓 损伤通常是由严重的脊柱外伤造成，各种意外事故都有可能导致脊髓损伤的发生。和中风 一样，脊髓损伤有着很高的致残率，可能导致截瘫、四肢瘫等病症，严重妨碍患者的日常生 活运动。由于脑血管疾病的高发病率和频繁发生的各种意外事故，中国的瘫痪患者数量与 日俱增。针对瘫痪患者，在经过诸如外科手术等急性期的临床处理后，康复成为主要的一种 辅助治疗手段。依据神经系统的可塑性原理，它能够在一定程度上帮助患者恢复受损的肢 体运动功能，重新学习日常生活活动，从而尽最大可能地帮助患者回归正常生活。
[0003] 虽然运动训练对神经系统的可塑性有促进作用，可以帮助瘫痪患者在一定程度上 恢复受损的肢体运动功能，但是康复通常都是一个相当长期的持续过程，有时甚至可能贯 穿患者一生的时间。
[0004] 在传统的康复治疗手段中，患者的运动训练主要依靠理疗师一对一有时甚至是多 对一的手动辅助，一般比较损耗时间和医疗资源，成本也因此相对较高；此外，由于主动训 练难以手动实现，所以患者身体部分的运动基本上都是被动的，训练策略比较单一，罔顾具 体情况而采用千篇一律的被动训练模式不利于患者的康复。由于运动过程主要由理疗师手 动控制，因此康复训练极易受到理疗师的经验、情绪和体力等主观因素的影响，患者身体部 分的运动轨迹，施加在患者身体部分上的力度以及患者-理疗师之间的交互往往难以保持 良好的一致性，这种主观性和不一致性往往会导致康复效果的不可重复。
[0005] 康复机器人是与运动功能受损的患者身体部分相互作用，而病人是具备自主运动 意识的对象，目前的康复机器人以被动训练方式为主，难以实现机器人和患者之间的交互 控制，如果患者身体部分因痉挛，颤抖等异常的肌肉活动而与机器人产生对抗，患者身体部 分可能会遭受二次损伤，加重伤情；而且被动训练难以获取患者的主动运动意图，导致患者 参与积极性大大降低，影响康复训练效果。
【发明内容】
[0006] (一）要解决的技术问题
[0007] 本发明的目的是针对现有康复设备采用被动训练控制方法的缺陷，提出了一种任 务导向式主动训练控制方法，以提供安全、舒适、自然并且具备主动柔顺性的训练环境，提 尚患者的训练积极性，提尚康复的效率。
[0008] (二）技术方案
[0009] 本发明提出一种任务导向式主动训练控制方法，应用于康复机器人中，所述康复 机器人具有传感装置、控制系统和驱动机构，控制系统用于接收传感装置采集的信号生成 控制指令，并将控制指令发送给驱动机构，驱动机构可佩带于患者的身体部分，接收所述控 制指令，根据控制指示施加并调节对患者身体部分的作用力，以对患者的康复训练进行控 制，所述控制方法包括如下步骤：
[0010] Sl、检测患者身体部分的主动运动信号；
[0011] S2、根据患者身体部分的主动运动信号，调节康复机器人的驱动机构对患者身体 部分的作用力。
[0012] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述主动运动信号是患者的主动关节力矩，所 述步骤S2包括：
[0013] S21、建立与患者的运动任务相对应的有向路径，根据患者所述身体部分的关节位 置和该有向路径上距离它的最近点，在指定路径周围建立一个虚拟隧道作为参考位置；
[0014] S22、将主动关节力矩转换成相应的实际运动，根据虚拟遂道的位置计算位置、速 度和加速度调整量，得到位置、速度和加速度的控制指令，并将其作为控制信号控制驱动机 构；
[0015] S23、将患者身体部分的主动关节力矩沿正切向和正法向进行分解，根据主动力矩 的两个分量以及位置偏移量，采用模糊逻辑的方法调节阻抗参数。
[0016] 根据本发明的一种【具体实施方式】，所述步骤S21包括：
[0017] 步骤S211 :指定有向路径由以下公式所示的关节空间内的一个二维序列Qs来表 示：
[0018] Qs: {q i= [q iaqij2]T| i = I, . . . , L}
[0019] 其中，qi表示Q s的第i个元素 ，q i, j表示q i的第j个元素，L是Q冲元素的个数；
[0020] 步骤S212 :将中间变量在其定义域内等间隔地均匀离散化，通过参数化方程求出 末端位置序列，利用逆向运动学方程将末端序列转换到关节空间；
[0021] 步骤S213 :找到位置序列中距离当前位置最近的点t:
[0022] Γ= argmin 1 = 1,...,ηΙ Icml I，其中P表示最近点的序列号；
[0023] 步骤S214 :使用最近点t和序列中的下一个点决定一条直线，该直线近似地 当作指定路径上最近点处的切线：
[0024]
【权利要求】
1. 一种任务导向式主动训练控制方法，应用于康复机器人中，所述康复机器人具有传 感装置、控制系统和驱动机构，控制系统用于接收传感装置采集的信号生成控制指令，并将 控制指令发送给驱动机构，驱动机构可佩带于患者的身体部分，接收所述控制指令，根据控 制指示施加并调节对患者身体部分的作用力，以对患者的康复训练进行控制，其特征在于， 所述控制方法包括如下步骤： 51、 检测患者身体部分的主动运动信号； 52、 根据患者身体部分的主动运动信号，调节康复机器人的驱动机构对患者身体部分 的作用力。
2. 如权利要求1所述的任务导向式主动训练控制方法，其特征在于，所述主动运动信 号是患者的主动关节力矩，所述步骤S2包括： 521、 建立与患者的运动任务相对应的有向路径，根据患者所述身体部分的关节位置和 该有向路径上距离它的最近点，在指定路径周围建立一个虚拟隧道作为参考位置； 522、 将主动关节力矩转换成相应的实际运动，根据虚拟遂道的位置计算位置、速度和 加速度调整量，得到位置、速度和加速度的控制指令，并将其作为控制信号控制驱动机构； 523、 将患者身体部分的主动关节力矩沿正切向和正法向进行分解，根据主动力矩的两 个分量以及位置偏移量，采用模糊逻辑的方法调节阻抗参数。
3. 如权利要求2所述的任务导向式主动训练控制方法，其特征在于，所述步骤S21包 括： 步骤S211 :指定有向路径由以下公式所示的关节空间内的一个二维序列Qs来表示： Qs: {q i= [q i，iQi，2]TIi = 1，? ? ?，L} 其中，I表示Q s的第i个元素，q i,」表示q i的第j个元素，L是Q冲元素的个数； 步骤S212 :将中间变量在其定义域内等间隔地均匀离散化，通过参数化方程求出末端 位置序列，利用逆向运动学方程将末端序列转换到关节空间； 步骤S213 :找到位置序列中距离当前位置最近的点: i*= argmin i = 1,...,H| |q「q| I，其中i*表示最近点的序列号； 步骤S214 :使用最近点士和序列中的下一个点决定一条直线，该直线近似地当作 指定路径上最近点处的切线：
其中々=叫+1，2 _心.2) / (%+u _ t)表示直线K-+1的斜率，* =七,2 _ 表示 该直线的截距；qp被用来取代当作指定路径上距离当前关节位置的最近点； 步骤S215 :根据实时关节位置和指定路径上距离它的最近点，确定训练过程中的参考 位置
从而在指定路径的周围建立了一个虚拟的隧道来限制患者的主动运动。
4. 如权利要求2所述的任务导向式主动训练控制方法，其特征在于，所述步骤S22包 括： 步骤S221 :通过逆向阻抗方程，根据患者自身产生的关节力矩Th产生位置、速度和加 速度调整量，修正参考轨迹，以调节患者身体部分与驱动机构之间相互作用力； 步骤S222 :利用位置、速度、加速度调整量对参考运动轨迹进行修正后，得到位置、速 度和加速度指令，并将其作为位置伺服控制的参考信号。
5. 如权利要求2所述的任务导向式主动训练控制方法，其特征在于，所述步骤S23包 括： 步骤S231 :根据指定的有向路径以及实时的关节位置，患者身体部分的主动力矩分解 为两个分量： Th= T A+Tede， 其中，dt表示指定有向路径上投影点q p处的正切向，cU表示投影点处正法向，它与位置 偏离的方向一致，由投影点指向当前实际位置，T t和T 6分别表示T h沿上述两个方向 的分量； 步骤S232 :指定路径上的投影点的切线可由直线^//+1来近似，正切向用以下2X1的 列向量来表示： A=IiiviIrIr1K); 步骤S233 :主动关节力矩在正法向上的投影，在非奇异状态下，S卩I |qe| I乒0,时，它可 以根据求得，否则，被设置为dt的其中一个法向：
其中，dti表示d t的第i个元素，q 6正交于直线乂今+1，可得屯丄de、I I dt I I = 1以及 |d」I = 1，其中丄是正交符号，从而主动关节力矩在正切向和正法向上的投影可分别由公 式K = ?和求得； 步骤S234 :通过分解主动力矩，得到了患者在切向和法向上的运动意图，当患者意图 对抗指定路径时，增加主动运动的阻抗，否则减小阻抗。
6. 如权利要求5所述的任务导向式主动训练控制方法，其特征在于，在步骤S234中， 采用模糊逻辑来进行阻抗调节，主动关节力矩的两个分量T t和T 6以及位置偏离量I I q」 作为模糊逻辑的输入变量，其中N ? I I表示欧几里得2-范数算子。
【文档编号】A63B23/00GK104492066SQ201410799839
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】侯增广, 胡进, 梁旭, 高占杰, 彭龙, 彭亮, 程龙, 王卫群, 谢晓亮, 边桂彬 申请人:中国科学院自动化研究所