本發(fā)明屬于康復(fù)醫(yī)療器械與機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于人機(jī)阻抗匹配模型的變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是通過帶動(dòng)患者肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的一種新型的人機(jī)合作機(jī)器人，旨在利用機(jī)器人原理，把智能控制與人體運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，以代替人工進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練?？祻?fù)機(jī)器人通過標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到促進(jìn)神經(jīng)功能重塑、恢復(fù)患者運(yùn)動(dòng)及控制能力的目的?？祻?fù)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)如下：承受的工作強(qiáng)度高，性能穩(wěn)定；提高康復(fù)訓(xùn)練的效率，降低人力成本；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄患者康復(fù)狀態(tài)的參數(shù)變化，便于制定康復(fù)方案。

相比較傳統(tǒng)機(jī)器人只要求實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，康復(fù)機(jī)器人不僅要求位置控制，還要求控制康復(fù)訓(xùn)練中的人機(jī)間交互力大小，防止人機(jī)間的碰撞及患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的痙攣現(xiàn)象導(dǎo)致人機(jī)交互力過大，對(duì)患者造成二次損傷。目前研究的變剛度機(jī)器人因其變剛度特性可以調(diào)節(jié)人機(jī)間交互力的大小，可以增強(qiáng)人機(jī)間的柔順性、舒適性。但變剛度機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，如何有效地結(jié)合在康復(fù)訓(xùn)練中是一個(gè)問題。

隨著康復(fù)訓(xùn)練的進(jìn)行，患者處于四種不同的康復(fù)模式：被動(dòng)模式、助力模式、主動(dòng)模式和阻力模式。當(dāng)患者運(yùn)動(dòng)能力不斷提高時(shí)，康復(fù)機(jī)器人提供的驅(qū)動(dòng)力就要越來越小，這要求康復(fù)機(jī)器人具有變剛度的特性，但在不同的康復(fù)模式中如何選取不同的剛度系數(shù)還沒有一個(gè)指導(dǎo)準(zhǔn)則。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決以上技術(shù)問題，提供一種基于人機(jī)阻抗匹配模型的變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人及其控制方法，該裝置能夠?qū)颊哌M(jìn)行符合人機(jī)交互的柔順性、自然性的康復(fù)訓(xùn)練，還滿足不同康復(fù)時(shí)期對(duì)于不同驅(qū)動(dòng)力的要求，有利于加快患者的康復(fù)進(jìn)程。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

基于人機(jī)阻抗匹配模型的變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于升降柱上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用能夠與患者手臂配合工作的外骨骼護(hù)臂；外骨骼護(hù)臂通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)固定在升降柱上的伺服電機(jī)，升降柱固定在地上。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別安裝于兩個(gè)伺服電機(jī)輸出軸上的齒輪組，齒輪組的軸通過漲緊套固定安裝第一帶輪，外骨骼護(hù)臂的小臂部分焊接有第二帶輪，第一帶輪和第二帶輪通過纏繞在其上的鋼絲繩連接。

外骨骼護(hù)臂包括鋁合金外殼，以及設(shè)置于鋁合金外殼內(nèi)側(cè)的樹脂內(nèi)層，樹脂內(nèi)層與人體上肢大臂和小臂接觸。

人體上肢小臂部分和樹脂內(nèi)層之間固定有力傳感器，第二帶輪的中間固定有光電角度編碼器。

一種基于人機(jī)阻抗匹配模型的變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的控制方法，包括以下步驟：

人機(jī)阻抗匹配模型由人體上肢阻抗系數(shù)辨識(shí)和人機(jī)阻抗參數(shù)耦合模型兩部分構(gòu)成，利用質(zhì)量-彈簧-阻尼模型表示人體上肢小臂的動(dòng)力學(xué)特性：

其中，F(xiàn)_int為變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人與人體上肢小臂的相互作用力，M_e為人體上肢小臂的慣性參數(shù)，B_e為人體上肢小臂的阻尼參數(shù)，K_e為人體上肢小臂的剛度參數(shù)，X為人體上肢小臂的位移參數(shù)，為人體上肢小臂的速度參數(shù)，為人體上肢小臂的加速度參數(shù)，F(xiàn)_int、M_e和X均能夠利用傳感器測(cè)量，與分別通過一階求導(dǎo)和二階求導(dǎo)求出，再利用最小二乘法求解出B_e與K_e的估計(jì)值與

根據(jù)人體上肢小臂的阻尼比系數(shù)λ、人體上肢小臂運(yùn)動(dòng)軌跡與正常運(yùn)動(dòng)軌跡重合比例和平均周期作用力得到患者的康復(fù)狀態(tài)：

其中，為平均周期作用力，T為采樣時(shí)間，N為采樣點(diǎn)，將患者的阻抗參數(shù)和患者的康復(fù)狀態(tài)指標(biāo)輸入至人機(jī)阻抗參數(shù)耦合模型，在人機(jī)能量傳遞效率最高的原則下，輸出變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的剛度參數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人采用鋼絲繩傳動(dòng)，可使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)分開，減小康復(fù)裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于患者的負(fù)載，采用雙電機(jī)和鋼絲繩15(不要標(biāo)數(shù)字)的組合來實(shí)現(xiàn)變剛度特性，簡(jiǎn)單易行，升降柱可以滿足肘關(guān)節(jié)在任意高度進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的變剛度特性可以使患者避免剛性沖擊傷害，增加人機(jī)交互的柔順性和舒適性，通過人機(jī)阻抗匹配模型實(shí)時(shí)求解適合于患者康復(fù)的最優(yōu)康復(fù)機(jī)器人剛度參數(shù)，可滿足不同康復(fù)時(shí)期對(duì)于不同驅(qū)動(dòng)力矩的要求，達(dá)到“人進(jìn)機(jī)退”的效果，加快被試者的康復(fù)進(jìn)程，變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人為患者創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、自然并且具備主動(dòng)柔順性的訓(xùn)練環(huán)境。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明的變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的控制方法原理圖；

圖3是本發(fā)明的人機(jī)阻抗匹配模型示意圖。

其中，1-變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人；11-第一帶輪；12-伺服電機(jī)；14-齒輪組；15-鋼絲繩；16-第二帶輪；17-外骨骼護(hù)臂鋁合金外殼；18-外骨骼護(hù)臂樹脂內(nèi)層；19-外骨骼護(hù)臂；2-力傳感器；3-光電角度編碼器；4-上位機(jī)；5-控制卡。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1和圖2，本發(fā)明基于人機(jī)阻抗匹配模型的變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，其特征在于，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定于升降柱上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用能夠與患者手臂配合工作的外骨骼護(hù)臂19；外骨骼護(hù)臂19通過鋼絲繩將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)固定在升降柱上的伺服電機(jī)12，升降柱固定在地上。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括分別安裝于兩個(gè)伺服電機(jī)12輸出軸上的齒輪組14，齒輪組14的軸通過漲緊套固定安裝第一帶輪11，外骨骼護(hù)臂19的小臂部分焊接有第二帶輪16，第一帶輪11和第二帶輪16通過纏繞在其上的鋼絲繩15連接。外骨骼護(hù)臂19包括鋁合金外殼17，以及設(shè)置于鋁合金外殼17內(nèi)側(cè)的樹脂內(nèi)層18，樹脂內(nèi)層18與人體上肢大臂和小臂接觸。人體上肢小臂部分和樹脂內(nèi)層18之間固定有力傳感器，第二帶輪16的中間固定有光電角度編碼器。

本發(fā)明的原理：

本發(fā)明是通過人機(jī)阻抗匹配模型來選取變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的最優(yōu)剛度參數(shù)后，通過阻抗控制計(jì)算出變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的輸出力和輸出位移，輸入至控制卡中，進(jìn)而控制變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者上肢運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的裝置，人機(jī)阻抗匹配模型是由小臂阻抗系數(shù)辨識(shí)和人機(jī)阻抗參數(shù)耦合模型兩部分構(gòu)成；人機(jī)間通過力來交互，按照人機(jī)能量傳遞效率最高的原則進(jìn)行參數(shù)匹配，變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)組成的；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)伺服電機(jī)構(gòu)成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由鋼絲繩15、齒輪組14和帶輪構(gòu)成；輔助機(jī)構(gòu)由升降柱組成；伺服電機(jī)通過螺栓連接固定在升降柱上，升降柱固定在地上。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過齒輪組14使第一帶輪11轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鋼絲繩15傳動(dòng)使第二帶輪16轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的小臂部分相對(duì)其大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小臂進(jìn)行肘關(guān)節(jié)的屈伸康復(fù)訓(xùn)練。

如圖3所示，人機(jī)阻抗匹配模型由人體上肢阻抗系數(shù)辨識(shí)和人機(jī)阻抗參數(shù)耦合模型兩部分構(gòu)成，具體來說，利用質(zhì)量-彈簧-阻尼模型表示小臂的動(dòng)力學(xué)特性：

其中，F(xiàn)_int指變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人與人體上肢小臂的相互作用力，M_e指人體上肢小臂的慣性參數(shù)，B_e指人體上肢小臂的阻尼參數(shù)，K_e指人體上肢小臂的剛度參數(shù)，X指人體上肢小臂的位移參數(shù)，指人體上肢小臂的速度參數(shù)，指人體上肢小臂的加速度參數(shù)，F(xiàn)_int、M_e和X均可利用傳感器測(cè)量，與可分別通過一階求導(dǎo)和二階求導(dǎo)求出，再利用最小二乘法可求解出B_e與K_e的估計(jì)值與

根據(jù)人體上肢小臂的阻尼比系數(shù)λ、人體上肢小臂運(yùn)動(dòng)軌跡與正常運(yùn)動(dòng)軌跡重合比例和平均周期作用力來綜合評(píng)價(jià)患者的康復(fù)狀態(tài)：

其中，指平均周期作用力，T指采樣時(shí)間，N指采樣點(diǎn)，將患者的阻抗參數(shù)和患者的康復(fù)狀態(tài)指標(biāo)輸入至人機(jī)阻抗參數(shù)耦合模型，在人機(jī)能量傳遞效率最高的原則下，輸出變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的剛度參數(shù)。通過阻抗控制計(jì)算出變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的輸出力和輸出位移，輸入至控制卡中，控制變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人來帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

本發(fā)明的工作過程：

患者端坐在座椅上，由升降柱根據(jù)患者要求調(diào)整好變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的高度，由變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人來帶動(dòng)患者上肢進(jìn)行肘關(guān)節(jié)在矢狀面的屈伸康復(fù)訓(xùn)練，通過樹脂內(nèi)層與人體上肢小臂之間的力傳感器和在第二帶輪中間的光電角度編碼器分別獲取患者與變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的相互作用力和人體上肢小臂的位移參數(shù)，輸入至上位機(jī)中，通過上位機(jī)中的人機(jī)阻抗匹配模型實(shí)時(shí)求解出變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的最優(yōu)剛度參數(shù)通過阻抗控制計(jì)算出變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的輸出力和輸出位移，輸入至控制卡中，通過控制卡控制變剛度肘關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人來帶動(dòng)患者進(jìn)行屈伸康復(fù)訓(xùn)練。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。