一種基于參數(shù)辨識(shí)修正的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于系統(tǒng)辨識(shí)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，康復(fù)機(jī)器人接收外部發(fā)送來的位置控制命令對(duì)患肢進(jìn)行控制；康復(fù)機(jī)器人實(shí)時(shí)采集其與患肢的相互作用力、患肢的加速度、速度和位移；通過患肢的動(dòng)力學(xué)模型，通過解超定方程組方法，首先辨識(shí)出患肢的質(zhì)量me和肌張力ke；停止辨識(shí)me，僅對(duì)ke進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)；根據(jù)辨識(shí)出來的ke，實(shí)時(shí)調(diào)整PD控制器的比例增益參數(shù)。本發(fā)明的有益效果是可以使康復(fù)醫(yī)師實(shí)時(shí)了解到訓(xùn)練時(shí)患者肌張力的恢復(fù)情況，康復(fù)機(jī)器人可以在康復(fù)過程中對(duì)患者的康復(fù)方案做出進(jìn)一步的調(diào)整。
【專利說明】一種基于參數(shù)辨識(shí)修正的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)療設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于參數(shù)辨識(shí)修正的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系 統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 腦卒中具有高死亡率、高復(fù)發(fā)率以及高致殘率等特點(diǎn)，是嚴(yán)重影響人們的生存質(zhì) 量及生命的疾病。世界衛(wèi)生組織將這種病確定為當(dāng)今人類的第一殺手。這種病的特點(diǎn)是來 勢(shì)急，發(fā)病快，難以預(yù)防。一旦患了中風(fēng)，重者死亡，輕者半身癱瘓，生活不能自理，給患者 的生活、工作、學(xué)習(xí)帶來極大的不便，患者也受到極大的精神痛苦，同時(shí)也給患者家人和社 會(huì)帶來煩憂。隨著世界各國相繼進(jìn)入老齡化，中風(fēng)患者勢(shì)必越來越多?？萍嫉陌l(fā)展使醫(yī)護(hù) 人員對(duì)于急性中風(fēng)患者能夠采取比較有效的治療手段，使得中風(fēng)后能夠幸存下來的人越來 越多。但是中樞神經(jīng)疾病病程長，康復(fù)慢，同時(shí)中風(fēng)患者都?xì)埩舾鞣N各樣的后遺癥，包括偏 癱、語言不利、神志障礙、面癱（口眼歪斜）、二便失禁等，一般以運(yùn)動(dòng)功能障礙居多，重者影 響正常生活。在幸存者中有70%-80%殘留有不同的殘疾，一組資料顯示生活不能處理者 高達(dá)42. 5%。因中風(fēng)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能障礙，常常對(duì)患者本人及家庭造成心理和其它方面的 沖擊。社會(huì)和家庭需要花費(fèi)極大的代價(jià)來治療和護(hù)理這些患者,造成社會(huì)成本的極大浪費(fèi)。 因此，尋求有效的康復(fù)手段，使患者能夠在一定程度上恢復(fù)失去的功能，不僅有利于提高患 者本身的生活質(zhì)量，也可以減輕家庭及社會(huì)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
[0003] 中風(fēng)后遺癥的康復(fù)治療是指對(duì)發(fā)生中風(fēng)以后所遺留下的半身不遂、語言障礙等殘 疾癥，綜合協(xié)調(diào)地采用各種有效措施，減輕殘疾和因殘疾所帶來的后果。有作者較早前就提 出要加強(qiáng)腦卒中患者手術(shù)后的康復(fù)。國內(nèi)有研究觀察了綜合性康復(fù)治療對(duì)腦卒中偏癱患者 3-6個(gè)月的日常生活活動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)功能的影響，在評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)患者的運(yùn)動(dòng)功能有較大的 改善，明顯地降低了患者的功能障礙，提高了其生存質(zhì)量。腦卒中患者的術(shù)后康復(fù)除了必要 的藥物治療外，最不可或缺的還有康復(fù)治療中的物理治療、作業(yè)治療等治療的支持。一些學(xué) 者的研究表明，腦卒中后的上肢的運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)和康復(fù)的水平提高與強(qiáng)化的康復(fù)訓(xùn)練有關(guān)， 大量的重復(fù)訓(xùn)練是非常有效的訓(xùn)練方法。目前，康復(fù)訓(xùn)練的傳統(tǒng)方法主要是依賴于理論的 物理療法和醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行手把手的指導(dǎo)和訓(xùn)練。
[0004] 這種方式存在一些問題：例如，一名康復(fù)醫(yī)師只能同時(shí)對(duì)一名患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練， 訓(xùn)練效率低下，并且由于康復(fù)醫(yī)師自身原因，無法保證患者得到足夠的訓(xùn)練強(qiáng)度，治療效果 多取決于康復(fù)醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)和水平；第二，不能精確控制和記錄參數(shù)（運(yùn)動(dòng)速度、軌跡、強(qiáng)度 等）和描述康復(fù)進(jìn)程的各種數(shù)據(jù)，不利于治療方案的確定和改進(jìn)，康復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠客觀； 第三，無法建立訓(xùn)練參數(shù)和康復(fù)指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不利于中風(fēng)患者神經(jīng)康復(fù)規(guī)律的深 入研究；此外，如果患者離醫(yī)院或康復(fù)訓(xùn)練的地點(diǎn)距離較遠(yuǎn)甚至居住在比較偏遠(yuǎn)地區(qū)，出院 患者接受大強(qiáng)度或長期的治療也將很大程度上受到距離、天氣或交通不便等條件的限制， 非常不利于患者中風(fēng)后的恢復(fù)?？梢钥闯?，單靠康復(fù)醫(yī)師的指導(dǎo)進(jìn)行面對(duì)面的康復(fù)訓(xùn)練，無 疑會(huì)制約康復(fù)訓(xùn)練效率的提高和方法的改進(jìn)并且增加病人家庭和社會(huì)的醫(yī)療成本。因此， 應(yīng)該開拓更先進(jìn)的康復(fù)訓(xùn)練手段，把更先進(jìn)的技術(shù)引入到中風(fēng)患者康復(fù)治療領(lǐng)域。
[0005] 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)逐漸開始應(yīng)用于醫(yī)療、手術(shù)、康 復(fù)等領(lǐng)域。將這些技術(shù)研究應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練，可使機(jī)器人對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，從而幫助有 限的康復(fù)醫(yī)師為更多的患者服務(wù)，解決傳統(tǒng)訓(xùn)練方法存在的問題。例如，第一，機(jī)器人可不 知疲倦、不厭其煩的對(duì)患者進(jìn)行上百次的重復(fù)性康復(fù)訓(xùn)練，能夠滿足不同患者對(duì)訓(xùn)練強(qiáng)度 的要求?？祻?fù)醫(yī)師可從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解脫出來，而專注于制定治療方案、分析訓(xùn)練數(shù) 據(jù)、優(yōu)化訓(xùn)練內(nèi)容并改進(jìn)機(jī)器人的功能；第二，患者端機(jī)器人可以客觀記錄訓(xùn)練中患肢的位 置、方向、速度以及所產(chǎn)生的力等客觀數(shù)據(jù)并反饋給康復(fù)醫(yī)師，便于康復(fù)醫(yī)師的分析和評(píng)價(jià) 訓(xùn)練效果，進(jìn)而根據(jù)患者的實(shí)際情況有針對(duì)性的調(diào)整運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳訓(xùn)練。同時(shí)這些數(shù) 據(jù)使康復(fù)醫(yī)師可從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與治療結(jié)果間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可能深入了解中樞神經(jīng)康復(fù) 的規(guī)律，進(jìn)一步了解大腦與運(yùn)動(dòng)功能之間控制與影響的關(guān)系，為大腦的開發(fā)開辟新的天地； 第三，機(jī)器人技術(shù)可以結(jié)合多媒體技術(shù)為患者提供豐富多彩的訓(xùn)練內(nèi)容，令患者積極參與 治療，并及時(shí)得到治療效果的反饋信息?？祻?fù)機(jī)器人成果的轉(zhuǎn)化可能會(huì)帶動(dòng)一個(gè)新興的機(jī) 器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這將對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也發(fā)揮重要作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于系統(tǒng)辨識(shí)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，解決了目前國 產(chǎn)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人不能實(shí)時(shí)為康復(fù)醫(yī)師提供訓(xùn)練時(shí)患者肌張力的恢復(fù)情況的問題。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照以下步驟進(jìn)行：
[0008] 步驟1 :康復(fù)機(jī)器人接收外部發(fā)送來的位置控制命令對(duì)患肢進(jìn)行控制；
[0009] 步驟2:康復(fù)機(jī)器人實(shí)時(shí)采集其與患肢的相互作用力、患肢的加速度、速度和位 移；
[0010] 步驟3 :通過患肢的動(dòng)力學(xué)模型，通過解超定方程組方法，首先辨識(shí)出患肢的質(zhì)量 me和肌張力ke ;
[0011] 步驟4 :停止辨識(shí)me，僅對(duì)ke進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)；
[0012] 步驟5:根據(jù)辨識(shí)出來的ke，實(shí)時(shí)調(diào)整ro控制器的比例增益參數(shù)。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于參數(shù)辨識(shí)修正的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行： 步驟1:康復(fù)機(jī)器人接收外部發(fā)送來的位置控制命令對(duì)患肢進(jìn)行控制； 步驟2 :康復(fù)機(jī)器人實(shí)時(shí)采集其與患肢的相互作用力、患肢的加速度、速度和位移； 步驟3 :通過患肢的動(dòng)力學(xué)模型，通過解超定方程組方法，首先辨識(shí)出患肢的質(zhì)量m6和 肌張力ke ; 步驟4 :停止辨識(shí)m6，僅對(duì)k6進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)； 步驟5 :根據(jù)辨識(shí)出來的ke，實(shí)時(shí)調(diào)整ro控制器的比例增益參數(shù)。
2. 按照權(quán)利要求1所述一種基于參數(shù)辨識(shí)修正的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于： 所述患肢的動(dòng)力學(xué)模型為/e = ，其中，f；表示康復(fù)機(jī) 器人與患肢的相互作用力，元、毛、&分別表示患肢的加速度、速度和位移，在參數(shù)辨識(shí)算 法中它們是觀測(cè)值，取患者端傳感器的數(shù)值，me、be、分別表示患肢的質(zhì)量、阻尼系數(shù)和彈 性系數(shù)。
3. 按照權(quán)利要求1所述一種基于參數(shù)辨識(shí)修正的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于：所述辨識(shí)出患肢的質(zhì)量％和肌張力的方法為：假設(shè)在一個(gè)參數(shù)辨識(shí)周期內(nèi)患肢參數(shù) 不變即 ⑴="以⑴+《.中)+人Vv(/) (k在一個(gè)辨識(shí)周期內(nèi)） 由于f6和X6是傳感器檢測(cè)出的力和位置數(shù)據(jù)，因此f6、X6均為觀測(cè)值，為了抑制測(cè)試 噪聲的影響，能通過超定方程組求解所述的方法解超定方程組
式中，n為參數(shù)估計(jì)的取樣點(diǎn)數(shù)，為了在線估計(jì)某一時(shí)刻t的參數(shù)，可以根據(jù)該時(shí)刻的 前n個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)：
【文檔編號(hào)】A61H1/00GK104352333SQ201410606092
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】郭曉波, 翟雁, 魏勝利, 戴國強(qiáng), 常國權(quán), 李源, 張陽, 張捐凈, 齊萬華 申請(qǐng)人:安陽工學(xué)院