腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统与流程

本发明涉及康复机器人的控制领域，具体地，涉及一种腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统。

背景技术：

偏瘫患者往往患有腕部功能障碍，给患者生活工作带来诸多不便。传统的康复训练通常是理疗师与患者进行一对一的肢体训练，需要对患肢进行重复、大量的运动。这些康复训练方法能够在一定程度上提高偏瘫患者的肢体运动能力，但一对一的训练模式，治疗师的劳动强度大，无法满足大量偏瘫患者的需求。针对这些局限与缺点，医疗康复机器人应运而生，并得到越来越广泛的应用与研究。

具有手功能障碍的偏瘫患者，需要进行腕部的多自由度康复运动训练。手腕多方向上的康复运动，目的在于增加手腕活动与减少软组织沾黏的机会。腕部的伸展运动对于预防手腕伤害和受伤后期减少软组织萎缩有帮助。

通常，康复机器人不外乎三种模式：主动训练模式、被动训练模式及助动训练模式。主动训练模式下，患者自主运动，设备跟踪采集包括速度、位置等的各项参数。被动训练模式下，将采集得到的康复动作位置信息作为给定输入，从而由设备带动患者按固定轨迹进行康复训练。

当患者恢复部分腕部功能时，仅被动训练模式无法更好地适应患者的康复需求，因此采用一种助动训练模式，帮助损伤肌体获得最佳康复效果。患者首先自主运动，但由于腕部功能的损伤，患者无法顺利动作，因此通过判断患者的运动意图，根据运动意图驱动电机，从而给予患者助动力。在这种模式下，通过一定的方法检测人体本身的某些信息，比如脑电信号或是肌电信号，将这些信息反馈至控制器进行处理，从而实现康复机器人中对电机的控制，提供一定的助力，帮助患者按照一定的轨迹运动。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统，使机器人能够通过力反馈的方式，根据患者腕部力、力矩的信息提供一定助力，在充分发挥患者已恢复的运动能力的同时，帮助患者完成康复训练。同时达到快速、准确、鲁棒性强的控制效果。

根据本发明的第一方面，提供一种腕部康复机器人助动训练的控制方法，包括：力反馈部分和三闭环控制部分，其中：

所述力反馈部分，包括以下步骤：

步骤1：由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器检测出人体腕部施加给腕部康复机器人的力/力矩；

步骤2：将所测力/力矩换算为等效电流；

步骤3：通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制中电流环的前馈部分的值；

所述三闭环控制部分，包括位置环、速度环、电流环，位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据，通过位置环部分，得到的输出为电机转速给定，并作为速度环的输入值，再经过速度环部分，得到的输出电流作为电流环的给定值，而上述力反馈部分的输出值则是电流环的前馈部分输入，经过电流环部分，输出得到电机转速值，从而驱动电机，实现控制目的。所述电机为腕部康复机器人中电机。

根据本发明的另一方面，提供一种上述腕部康复机器人助动训练的控制系统，所述系统包括：力反馈模块和三闭环控制模块，其中：

所述力反馈模块，包括由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器，所述传感器检测出人体腕部施加给设备的力/力矩，将所测力/力矩换算为等效电流，通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制模块中电流环前馈部分的值；

所述三闭环控制模块，包括位置环、速度环、电流环，其中，位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据，通过位置环部分，得到的输出为电机转速给定，并作为速度环的输入值，再经过速度环部分，得到的输出电流作为电流环的给定值，而上述力反馈模块的输出值则是电流环的前馈部分输入，经过电流环部分，输出得到电机转速值，从而驱动电机，实现控制目的。

优选地，所述三闭环控制模块，其中电流环的主要作用是快速响应给定电压的变化，同时在电机启动时，允许电机以大电流启动从而加快启动过程。

更优选地，所述电流环的调节器采用PI调节器，电流环的输入为上述力反馈设计部分的输出值。

优选地，所述三闭环控制模块，其中速度环的调节器仍然采用PI控制器，速度环的输入为位置环的输出值。

优选地，所述三闭环控制模块，其中位置环采用滑模变结构调节器，提高系统鲁棒性。位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据。

本发明通过力传感器及扭矩传感器检测人体腕部施加给设备的力，将反馈力的信息送入控制器进行处理，实现对设备电机的驱动控制，提供一定的助力，使患者腕部保持恒定大小的力，按照所测轨迹进行康复训练，在充分发挥腕部残存运动功能的同时帮助患肢完成运动。

本发明的控制系统是具有力反馈功能的位置转速电流三闭环控制。其中，力反馈设计部分通过力反馈的方式确定电机提供助力的情况；电机控制部分采用位置转速电流三闭环控制，电流环和速度环采用比例-积分(Proportional-Integral，PI)调节器，位置环采用滑模变结构控制。控制系统控制精度高，鲁棒性强。且通过力反馈的方法完成助动康复训练，相比通过采集脑电信号和表肌电信号的方式，具有操作性强、稳定性强、成本低等特点。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明提供的力反馈部分设计，通过力传感器及扭矩传感器检测人体腕部施加给设备的力，根据作用力信息确定电机提供的助力，使患者腕部保持恒定大小的、在可承受范围内的力，充分发挥患者已恢复的运动能力，实现助动训练。

2.本发明提供的力反馈部分设计，其力反馈算法简单，与采用脑电信号或肌电信号的方法相比，具有检测精度高、可操作性强、稳定性强、成本低的特点。

3.本发明上述的具有力反馈功能的位置转速电流三闭环控制系统，其中位置环采用滑模变结构控制，响应速度快，跟踪精度高，鲁棒性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中腕部康复机器人的结构示意图；

图中：一维力传感器1、2、3、4，扭矩传感器5；

图2为本发明中力反馈部分设计原理图；

图3为本发明中位置转速电流三闭环控制系统的结构框图；

图4为本发明控制系统中电流环部分原理图；

图5为本发明控制系统中转速环部分原理图；

图6为本发明控制系统中位置环部分原理图；

图7为本发明控制系统中位置滑模变结构调节器结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明针对的腕部康复机器人可以是现有技术中任意腕部康复机器人，在本发明一实施例中，为了使得本领域技术人员更清楚理解本发明的技术方案，采用本申请人之前申请的专利201610015770.2中记载的三自由度腕功能康复机器人，应当理解的是，在其他实施例中也可以是其他的腕部康复机器人。

本实施例针对上述腕部康复机器人，采用的助动训练的控制方法包括：力反馈部分和三闭环控制部分。

具体的，如图2所示，所述力反馈部分，步骤包括：

步骤1：由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器检测出人体腕部施加给腕部康复机器人的力F/力矩T。

具体地，在图1腕部康复机器人机械结构上，共设置五个传感器，4个一维力传感器和1个扭矩传感器。图1中标注的一维力传感器1和2用于检测掌屈/背伸自由度上的力，一维力传感器3和4用于检测尺偏/桡偏自由度上的力。5为扭矩传感器，用于检测腕部旋转时的扭矩。在掌屈/背伸和尺偏/桡偏这两个自由度上，传感器测得腕部施力F，在旋转自由度上，侧得腕部扭矩T。

步骤2：将所测力/力矩换算为等效电流i_eq。

具体地，根据公式T_e＝C_Tφi、T_e＝Fd，计算得到等效电流i_eq。其中，T_e表示电机转矩，C_T为转矩常数，φ为电机磁链，d表示力臂。

步骤3：通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制系统中电流环前馈部分的值。

具体地，如图1所示，其中i_max表示力反馈等效电流的限幅值，用以防止患者用力过大导致二次受伤，i_ff表示三闭环控制系统中的电流前馈部分。若i_eq＞i_max，则令i_ff＝i_max，即将电流限幅值i_max作为后面三闭环控制系统中电流环的前馈部分。若i_eq≤i_max，则有i_ff＝i_eq，即将患者力或力矩的等效换算电流作为三闭环控制中电流环的前馈部分。因此，F及T以电流信号的形式将患者施力情况反馈到电机控制环(位置环、速度环、电流环)中，从而实现力反馈。

所述三闭环控制部分，具体包括：

电流环：如图4所示，电流环的主要作用是快速响应给定电压的变化，同时在电机启动时，允许电机以大电流起动从而加快起动过程。鉴于此，本发明中电流环的调节器优选采用PI调节器，PI调节器算法简单、能消除静差、快速性好，满足设计要求。

对于电流调节器来说，要求电机处于稳态时期望电流无静差，由图3可看出，电流环可校正成I系统即可。因采用PI调节器，该部分传递函数可写成:

式中，K_i为调节器的比例系数；τ_i为调节器的超前时间常数。

具体的，对于逆变器控制部分可等效成一阶惯性环节，传递函数如下：

式中，τ_V表示逆变器的时间常数，K_V表示逆变器的增益。

具体的，对于电机电枢部分，由于电机的机电时间常数远大于电磁时间常数，所以可把电机部分等效成含有电阻和电感的一节惯性环节，传递函数为:

式中，T_m为电机的电磁时间常数，R表示电阻值。

综上，整个电流环的开环传递函数可写成:

由于逆变器的开关频率很高，τ_V很小，因此可以忽略；为使得调节器零点与控制对象的极点相互对消，可令τ_i＝T_m。此时电流环开环传递函数为

令k＝K_iK_V/(τ_iR)，则此时电流环闭环的传递函数为

当电流闭环的带宽ω_c确定后，则ω_c＝k。根据k＝K_iK_V/(τ_iR)，τ_i＝T_m＝L/R，可解得调节器的比例系数K_i＝Lω_c/K_V，积分系数为K_j＝K_iT/K_V。其中，L表示电感。

速度环：速度环同样是控制系统中一个重要的环节，为了满足高精度、快响应的控制要求，速度环的调节器仍然采用PI控制器，其传递函数为

式中，K_n为速度调节器的比例系数；τ_n为速度调节器的超前时间常数。

将速度环简化，如图5所示，可得其开环传递函数为

式中，K_c满足p_n为电机的极对数，ψ_f为转子永磁体链过定子绕组的磁链，J为转动惯量。

由式(8)可知，速度环应校正成II型系统。依照典型的Ⅱ型系统的参数关系，速度调节器的参数K_n、τ_n由下面两式确定：

一般h取5，代入上两式可求得调节器的两个参数。采用PI控制，使得整个算法简单、易于控制，整个系统也能获得较好的稳态性能。

位置环：位置环结构框图如图6所示，按照传统的方法，位置环的调节器一般设计为比例调节。由图6可看出，位置伺服是个高阶系统，需对其进行降阶处理。由于速度响应远快于位置响应，因此可将速度环近似等效成一阶惯性环节。降阶处理后的速度环传递函数为

式中，K_a为速度环闭环放大系数(电机实际速度和伺服速度之间的比值)；T_a为度闭环的时间常数(电机空载启动到额定转速的时间)。

此时整个位置环的开环传递函数为

但在位置环中使用比例调节器，一般系统的快速性可以达到，却无法实现高精度、无误差的跟踪。而滑模变结构控制具有鲁棒性高、易于实现和对干扰变化不敏感等优点，故将滑模变结构调节器应用于位置环。其结构框图如图7。其状态方程为

其中，θ^*为位置给定，θ系统实际运行时的位置值。e₁＝θ^*-θ、由此得

取位置环滑模切换函数为

s＝ce₁+e₂ (12)

则位置滑模的输出为

ω^*＝ψ₁e₁+ψ₂e₂+δ_psgn(s_p) (13)

式中有

上式中α₁、β₁、α₂、β₂、δ_p的取值应满足下面的条件：

从而确定位置滑模变结构调节器的各个参数。

本发明中上述实施例中包含了对掌屈/背伸，尺偏/桡偏，旋转三个自由度的控制，使患者腕部能够得到全面、充分的康复训练。

综上实施例可以看出：

本发明通过力传感器及扭矩传感器检测人体腕部施加给设备的力，根据作用力信息确定电机提供的助力，使患者腕部保持恒定大小的、在可承受范围内的力，充分发挥患者已恢复的运动能力，实现助动训练。

本发明控制系统所用力反馈算法简单，与采用脑电信号或肌电信号作为反馈的方法相比，具有检测精度高、可操作性强、稳定性强、成本低的特点。

本发明结合了力反馈实现位置转速电流三闭环控制，能够满足助动训练模式下的控制要求，与单环控制相比，具有响应速度快，跟踪精度高，鲁棒性强的显著优势，非常适合腕部康复机器人的控制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。