任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法及相應(yīng)的康復(fù)機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人中,所述康復(fù)機(jī)器人具有傳感裝置、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)用于接收傳感裝置采集的信號(hào)生成控制指令,并將控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可佩帶于患者的身體部分,接收所述控制指令,根據(jù)控制指示施加并調(diào)節(jié)對(duì)患者身體部分的作用力,以對(duì)患者的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行控制,所述控制方法包括如下步驟:S1、檢測患者身體部分的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信號(hào);S2、根據(jù)患者身體部分的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信號(hào),調(diào)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)患者身體部分的作用力。
【專利說明】任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法及相應(yīng)的康復(fù)機(jī)器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法及相應(yīng)的康復(fù)機(jī)器人,屬于康復(fù)器 械【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002] 中風(fēng)和脊髓損傷是導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的兩大主要原因。中風(fēng)又稱腦卒中,是 一種急性的腦血管疾病,其發(fā)病突然且難以預(yù)測,能夠造成永久性的大腦神經(jīng)損傷,致殘率 一直居高不下,幸存的患者常常會(huì)遭受后遺癥的折磨,偏癱就是其中最為常見的一種。脊髓 損傷通常是由嚴(yán)重的脊柱外傷造成,各種意外事故都有可能導(dǎo)致脊髓損傷的發(fā)生。和中風(fēng) 一樣,脊髓損傷有著很高的致殘率,可能導(dǎo)致截癱、四肢癱等病癥,嚴(yán)重妨礙患者的日常生 活運(yùn)動(dòng)。由于腦血管疾病的高發(fā)病率和頻繁發(fā)生的各種意外事故,中國的癱瘓患者數(shù)量與 日俱增。針對(duì)癱瘓患者,在經(jīng)過諸如外科手術(shù)等急性期的臨床處理后,康復(fù)成為主要的一種 輔助治療手段。依據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性原理,它能夠在一定程度上幫助患者恢復(fù)受損的肢 體運(yùn)動(dòng)功能,重新學(xué)習(xí)日常生活活動(dòng),從而盡最大可能地幫助患者回歸正常生活。
[0003] 雖然運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性有促進(jìn)作用,可以幫助癱瘓患者在一定程度上 恢復(fù)受損的肢體運(yùn)動(dòng)功能,但是康復(fù)通常都是一個(gè)相當(dāng)長期的持續(xù)過程,有時(shí)甚至可能貫 穿患者一生的時(shí)間。
[0004] 在傳統(tǒng)的康復(fù)治療手段中,患者的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練主要依靠理療師一對(duì)一有時(shí)甚至是多 對(duì)一的手動(dòng)輔助,一般比較損耗時(shí)間和醫(yī)療資源,成本也因此相對(duì)較高;此外,由于主動(dòng)訓(xùn) 練難以手動(dòng)實(shí)現(xiàn),所以患者身體部分的運(yùn)動(dòng)基本上都是被動(dòng)的,訓(xùn)練策略比較單一,罔顧具 體情況而采用千篇一律的被動(dòng)訓(xùn)練模式不利于患者的康復(fù)。由于運(yùn)動(dòng)過程主要由理療師手 動(dòng)控制,因此康復(fù)訓(xùn)練極易受到理療師的經(jīng)驗(yàn)、情緒和體力等主觀因素的影響,患者身體部 分的運(yùn)動(dòng)軌跡,施加在患者身體部分上的力度以及患者-理療師之間的交互往往難以保持 良好的一致性,這種主觀性和不一致性往往會(huì)導(dǎo)致康復(fù)效果的不可重復(fù)。
[0005] 康復(fù)機(jī)器人是與運(yùn)動(dòng)功能受損的患者身體部分相互作用,而病人是具備自主運(yùn)動(dòng) 意識(shí)的對(duì)象,目前的康復(fù)機(jī)器人以被動(dòng)訓(xùn)練方式為主,難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和患者之間的交互 控制,如果患者身體部分因痙攣,顫抖等異常的肌肉活動(dòng)而與機(jī)器人產(chǎn)生對(duì)抗,患者身體部 分可能會(huì)遭受二次損傷,加重傷情;而且被動(dòng)訓(xùn)練難以獲取患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖,導(dǎo)致患者 參與積極性大大降低,影響康復(fù)訓(xùn)練效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] (一)要解決的技術(shù)問題
[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有康復(fù)設(shè)備采用被動(dòng)訓(xùn)練控制方法的缺陷,提出了一種任 務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,以提供安全、舒適、自然并且具備主動(dòng)柔順性的訓(xùn)練環(huán)境,提 尚患者的訓(xùn)練積極性,提尚康復(fù)的效率。
[0008] (二)技術(shù)方案
[0009] 本發(fā)明提出一種任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人中,所述康復(fù) 機(jī)器人具有傳感裝置、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)用于接收傳感裝置采集的信號(hào)生成 控制指令,并將控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可佩帶于患者的身體部分,接收所述控 制指令,根據(jù)控制指示施加并調(diào)節(jié)對(duì)患者身體部分的作用力,以對(duì)患者的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行控 制,所述控制方法包括如下步驟:
[0010] Sl、檢測患者身體部分的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信號(hào);
[0011] S2、根據(jù)患者身體部分的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信號(hào),調(diào)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)患者身體 部分的作用力。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】,所述主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信號(hào)是患者的主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩,所 述步驟S2包括:
[0013] S21、建立與患者的運(yùn)動(dòng)任務(wù)相對(duì)應(yīng)的有向路徑,根據(jù)患者所述身體部分的關(guān)節(jié)位 置和該有向路徑上距離它的最近點(diǎn),在指定路徑周圍建立一個(gè)虛擬隧道作為參考位置;
[0014] S22、將主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng),根據(jù)虛擬遂道的位置計(jì)算位置、速 度和加速度調(diào)整量,得到位置、速度和加速度的控制指令,并將其作為控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu);
[0015] S23、將患者身體部分的主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩沿正切向和正法向進(jìn)行分解,根據(jù)主動(dòng)力矩 的兩個(gè)分量以及位置偏移量,采用模糊邏輯的方法調(diào)節(jié)阻抗參數(shù)。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】,所述步驟S21包括:
[0017] 步驟S211 :指定有向路徑由以下公式所示的關(guān)節(jié)空間內(nèi)的一個(gè)二維序列Qs來表 示:
[0018] Qs: {q i= [q iaqij2]T| i = I, . . . , L}
[0019] 其中,qi表示Q s的第i個(gè)元素 ,q i, j表示q i的第j個(gè)元素,L是Q沖元素的個(gè)數(shù);
[0020] 步驟S212 :將中間變量在其定義域內(nèi)等間隔地均勻離散化,通過參數(shù)化方程求出 末端位置序列,利用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程將末端序列轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間;
[0021] 步驟S213 :找到位置序列中距離當(dāng)前位置最近的點(diǎn)t:
[0022] Γ= argmin 1 = 1,...,ηΙ Icml I,其中P表示最近點(diǎn)的序列號(hào);
[0023] 步驟S214 :使用最近點(diǎn)t和序列中的下一個(gè)點(diǎn)決定一條直線,該直線近似地 當(dāng)作指定路徑上最近點(diǎn)處的切線:
[0024]
【權(quán)利要求】
1. 一種任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人中,所述康復(fù)機(jī)器人具有傳 感裝置、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)用于接收傳感裝置采集的信號(hào)生成控制指令,并將 控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可佩帶于患者的身體部分,接收所述控制指令,根據(jù)控 制指示施加并調(diào)節(jié)對(duì)患者身體部分的作用力,以對(duì)患者的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行控制,其特征在于, 所述控制方法包括如下步驟: 51、 檢測患者身體部分的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信號(hào); 52、 根據(jù)患者身體部分的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信號(hào),調(diào)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)患者身體部分 的作用力。
2. 如權(quán)利要求1所述的任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,其特征在于,所述主動(dòng)運(yùn)動(dòng)信 號(hào)是患者的主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩,所述步驟S2包括: 521、 建立與患者的運(yùn)動(dòng)任務(wù)相對(duì)應(yīng)的有向路徑,根據(jù)患者所述身體部分的關(guān)節(jié)位置和 該有向路徑上距離它的最近點(diǎn),在指定路徑周圍建立一個(gè)虛擬隧道作為參考位置; 522、 將主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng),根據(jù)虛擬遂道的位置計(jì)算位置、速度和 加速度調(diào)整量,得到位置、速度和加速度的控制指令,并將其作為控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu); 523、 將患者身體部分的主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩沿正切向和正法向進(jìn)行分解,根據(jù)主動(dòng)力矩的兩 個(gè)分量以及位置偏移量,采用模糊邏輯的方法調(diào)節(jié)阻抗參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述的任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,其特征在于,所述步驟S21包 括: 步驟S211 :指定有向路徑由以下公式所示的關(guān)節(jié)空間內(nèi)的一個(gè)二維序列Qs來表示: Qs: {q i= [q i,iQi,2]TIi = 1,? ? ?,L} 其中,I表示Q s的第i個(gè)元素,q i,」表示q i的第j個(gè)元素,L是Q沖元素的個(gè)數(shù); 步驟S212 :將中間變量在其定義域內(nèi)等間隔地均勻離散化,通過參數(shù)化方程求出末端 位置序列,利用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程將末端序列轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間; 步驟S213 :找到位置序列中距離當(dāng)前位置最近的點(diǎn): i*= argmin i = 1,...,H| |q「q| I,其中i*表示最近點(diǎn)的序列號(hào); 步驟S214 :使用最近點(diǎn)士和序列中的下一個(gè)點(diǎn)決定一條直線,該直線近似地當(dāng)作 指定路徑上最近點(diǎn)處的切線:
其中々=叫+1,2 _心.2) / (%+u _ t)表示直線K-+1的斜率,* =七,2 _ 表示 該直線的截距;qp被用來取代當(dāng)作指定路徑上距離當(dāng)前關(guān)節(jié)位置的最近點(diǎn); 步驟S215 :根據(jù)實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)位置和指定路徑上距離它的最近點(diǎn),確定訓(xùn)練過程中的參考 位置
從而在指定路徑的周圍建立了一個(gè)虛擬的隧道來限制患者的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
4. 如權(quán)利要求2所述的任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,其特征在于,所述步驟S22包 括: 步驟S221 :通過逆向阻抗方程,根據(jù)患者自身產(chǎn)生的關(guān)節(jié)力矩Th產(chǎn)生位置、速度和加 速度調(diào)整量,修正參考軌跡,以調(diào)節(jié)患者身體部分與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間相互作用力; 步驟S222 :利用位置、速度、加速度調(diào)整量對(duì)參考運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正后,得到位置、速 度和加速度指令,并將其作為位置伺服控制的參考信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求2所述的任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,其特征在于,所述步驟S23包 括: 步驟S231 :根據(jù)指定的有向路徑以及實(shí)時(shí)的關(guān)節(jié)位置,患者身體部分的主動(dòng)力矩分解 為兩個(gè)分量: Th= T A+Tede, 其中,dt表示指定有向路徑上投影點(diǎn)q p處的正切向,cU表示投影點(diǎn)處正法向,它與位置 偏離的方向一致,由投影點(diǎn)指向當(dāng)前實(shí)際位置,T t和T 6分別表示T h沿上述兩個(gè)方向 的分量; 步驟S232 :指定路徑上的投影點(diǎn)的切線可由直線^//+1來近似,正切向用以下2X1的 列向量來表示: A=IiiviIrIr1K); 步驟S233 :主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩在正法向上的投影,在非奇異狀態(tài)下,S卩I |qe| I乒0,時(shí),它可 以根據(jù)求得,否則,被設(shè)置為dt的其中一個(gè)法向:
其中,dti表示d t的第i個(gè)元素,q 6正交于直線乂今+1,可得屯丄de、I I dt I I = 1以及 |d」I = 1,其中丄是正交符號(hào),從而主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩在正切向和正法向上的投影可分別由公 式K = ?和求得; 步驟S234 :通過分解主動(dòng)力矩,得到了患者在切向和法向上的運(yùn)動(dòng)意圖,當(dāng)患者意圖 對(duì)抗指定路徑時(shí),增加主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的阻抗,否則減小阻抗。
6. 如權(quán)利要求5所述的任務(wù)導(dǎo)向式主動(dòng)訓(xùn)練控制方法,其特征在于,在步驟S234中, 采用模糊邏輯來進(jìn)行阻抗調(diào)節(jié),主動(dòng)關(guān)節(jié)力矩的兩個(gè)分量T t和T 6以及位置偏離量I I q」 作為模糊邏輯的輸入變量,其中N ? I I表示歐幾里得2-范數(shù)算子。
【文檔編號(hào)】A63B23/00GK104492066SQ201410799839
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】侯增廣, 胡進(jìn), 梁旭, 高占杰, 彭龍, 彭亮, 程龍, 王衛(wèi)群, 謝曉亮, 邊桂彬 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所