一種康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括以下部分：人機(jī)接口設(shè)備1、上位機(jī)PC2、多軸運(yùn)動控制器4、電機(jī)控制單元5、感知單元6和CAN總線7。本發(fā)明保證康復(fù)訓(xùn)練過程中機(jī)器人和患者的姿態(tài)平衡，提高了系統(tǒng)的可靠性及易維護(hù)性、實(shí)時(shí)性。本發(fā)明公開了一種康復(fù)機(jī)器人控制方法。
【專利說明】一種康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及康復(fù)醫(yī)療和機(jī)械領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于CAN總線的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中風(fēng)、腦外傷等疾病的患者，他們由于中樞神經(jīng)受損，導(dǎo)致下肢運(yùn)動障礙給他們的生活帶來了嚴(yán)重的不便，如果不能得到有效地治療，他們可能永遠(yuǎn)無法站立和行走。中樞神經(jīng)具有可塑性，及時(shí)和科學(xué)的康復(fù)治療對肢體運(yùn)動功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用?？祻?fù)機(jī)器人是機(jī)器人和康復(fù)醫(yī)療相結(jié)合的新應(yīng)用，可以為下肢癱瘓患者提供科學(xué)豐富的訓(xùn)練方法和訓(xùn)練效果評估指標(biāo)，成為康復(fù)治療領(lǐng)域除了傳統(tǒng)治療方法的新突破。
[0003]下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性、訓(xùn)練方法和人機(jī)接口豐富性等方面。
[0004]目前國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)在下肢康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些研究成果。中國專利201110456585.4公布了一種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方法,該機(jī)器人控制系統(tǒng)針對踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過采集患者足底壓力信號和小腿部表面肌電信號來反映患者的主動意識進(jìn)而驅(qū)動康復(fù)機(jī)器人為患者主動康復(fù)訓(xùn)練。
[0005]中國專利201110103103.7公布了一種步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PC機(jī)、減重裝置和步 態(tài)模擬發(fā)生器組成，可以提供被動模式和主動模式的康復(fù)訓(xùn)練，通過采集足底壓力信號作為患者主動意圖的反饋信號，然后采用模糊控制算法補(bǔ)償驅(qū)動力來實(shí)現(xiàn)主動訓(xùn)練模式。此方案至少存在三個(gè)缺點(diǎn):(1)在康復(fù)訓(xùn)練過程中沒有解決機(jī)器人系統(tǒng)平衡如何保持；(2)只用足底壓力傳感器的信號作為患者主動訓(xùn)練意圖的反映，這樣感知信號的單一會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響；(3)如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制沒有明確的解決方案。
[0006]中國專利201010119319.8公布了一種助行外骨骼康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)由懸掛支架、移動平臺、骨骼關(guān)節(jié)、感知單元、中央處理模塊和運(yùn)動控制模塊組成，可以為患者提供主動和被動訓(xùn)練模式，把肌電信號作為控制信號，并采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來實(shí)現(xiàn)主動訓(xùn)練。此方案至少存在以下缺點(diǎn):(1)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)必須在懸掛支架的保護(hù)下才能保持其平衡，這樣機(jī)器人系統(tǒng)就會占用較大的空間而且難以自由移動，就影響了康復(fù)訓(xùn)練的靈活性和實(shí)用性；(2)
【發(fā)明內(nèi)容】
中提到的實(shí)時(shí)主動控制沒有明確的解決方案。
[0007]除了上面提到的我們可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中雖然可以提供主動和被動的訓(xùn)練模式，但還存在一些其他的問題:(1)康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)多采用集中式的，把多個(gè)關(guān)節(jié)的控制任務(wù)全部集中在主控制器中，這對控制系統(tǒng)的可靠性、易維護(hù)性產(chǎn)生不利影響；(2)此外整個(gè)系統(tǒng)的控制總線多采用RS232串行總線，其實(shí)時(shí)性和抗干擾能力不能滿足實(shí)時(shí)控制的需要，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)多采用集中式的，把多個(gè)關(guān)節(jié)的控制任務(wù)全部集中在主控制器中，對控制系統(tǒng)的可靠性、易維護(hù)性產(chǎn)生不利影響以及其實(shí)時(shí)性和抗干擾能力不能滿足實(shí)時(shí)控制的需要的缺陷，本發(fā)明采用基于CAN的分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性及易維護(hù)性，同時(shí)采用了實(shí)時(shí)性和可靠性強(qiáng)的CAN總線作為控制總線，以及在主控制器PC的windows操作系統(tǒng)下安裝了 RTX (real-time-extens1n)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性及易維護(hù)性、實(shí)時(shí)性。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，
一種康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括以下部分:
人機(jī)接口設(shè)備1、上位機(jī)PC2、多軸運(yùn)動控制器4、電機(jī)控制單元5、感知單元6和CAN總線7，其中:
所述人機(jī)接口設(shè)備I通過串行通信總線RS232與所述上位機(jī)PC2相連，用于接收對機(jī)器人的操作指令并顯示所述機(jī)器人反饋的信息；
所述上位機(jī)PC2作為所 述康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控制器，通過Ethernet通信總線與所述多軸運(yùn)動控制器4相連；
所述多軸運(yùn)動控制器4安裝于所述機(jī)器人背部，通過所述CAN總線7與所述電機(jī)控制單元5和感知單元6分別相連，用于接收來自所述上位機(jī)PC2的數(shù)據(jù)，并通過所述CAN總線7向所述電機(jī)控制單元5發(fā)送控制指令，控制所述機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動；
所述電機(jī)控制單元5包括伺服電機(jī)驅(qū)動器51、直流無刷電機(jī)52和編碼器53，所述直流無刷電機(jī)52安裝于所述機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處，為所述關(guān)節(jié)運(yùn)動提供驅(qū)動力，所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51安裝于所述機(jī)器人的背部，通過接收運(yùn)動控制指令來控制所述直流無刷電機(jī)52轉(zhuǎn)動，所述編碼器53安裝于所述直流無刷電機(jī)52的尾部，為所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51反饋位置信號，所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51自帶CAN接口模塊，連接在所述CAN總線7上，與所述多軸運(yùn)動控制器4相連；
所述感知單元6包括傳感器模塊61和信號處理及信息融合模塊62，所述感知單元6通過CAN接口與所述多軸運(yùn)動控制器4相連，向所述多軸運(yùn)動控制器4提供反饋信號。
[0010]具體的，所述的康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，還包括下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)3，具體包括以下部分:
承重背心31、固定吊帶32、傳動減速齒輪33和34、諧波減速器35、外骨骼骨架36、編碼器37、驅(qū)動電機(jī)38、大腿固定件39、小腿固定件310、腳踝被動轉(zhuǎn)動軸311、腳部踏板312，其中:
所述承重背心31與所述固定吊帶32相連，用于安裝所述多軸運(yùn)動控制器4和所述電機(jī)控制單元5中的所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51，每個(gè)關(guān)節(jié)處安裝有兩個(gè)相同的直流無刷電機(jī)38組成的并聯(lián)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，用于共同驅(qū)動所述關(guān)節(jié)；
所述直流無刷電機(jī)38的輸出軸與所述傳動減速齒輪33相連，所述傳動減速齒輪33與34相連，然后再與諧波減速器35相連，使所述直流無刷電機(jī)38輸出的轉(zhuǎn)速經(jīng)過傳動減速齒輪33和34，以及諧波減速器35兩級減速后驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動；
所述大腿固定件39和所述小腿固定件310，用于穿戴時(shí)固定，所述腳踝被動轉(zhuǎn)動軸311用于為腳踝的運(yùn)動提供自由度，所述腳部踏板312用于提供腳部的支撐。
[0011]優(yōu)選的，所述人機(jī)接口設(shè)備I具體包括以下部分:
語音輸入/輸出模塊11、語音識別模塊12，控制算法模塊13和通信接口模塊14，其中，所述語音輸入/輸出模塊11用于向機(jī)器人發(fā)送語音操作指令，或者輸出所述機(jī)器人反饋的信息，所述語音識別模塊12對所述語音操作指令或者反饋的信息進(jìn)行識別得到數(shù)字指令，所述控制算法模塊13將所述數(shù)字指令轉(zhuǎn)化為控制指令，所述通信接口模塊14通過RS232通信接口向所述上位機(jī)PC2發(fā)送所述控制指令。
[0012]優(yōu)選的，所述上位機(jī)PC2的PC操作系統(tǒng)下安裝了 RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，作為與所述PC操作系統(tǒng)并列的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，用于在線實(shí)時(shí)檢測所述機(jī)器人的姿態(tài)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩信息，并對所述機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0013]具體的，所述感知單元6的傳感器模塊61，包括足底壓力傳感器610、陀螺儀611和肌電電極612 ;所述信號處理及信息融合模塊62，包括數(shù)據(jù)采集卡620、濾波模塊621、運(yùn)算放大模塊622以及對信號進(jìn)行處理和信息融合的嵌入式微處理器623 ；
其中，所述足底壓力傳感器610安裝于所述腳部踏板312，用于生成行走時(shí)腳底的壓力信號，所述陀螺儀611用于檢測所述機(jī)器人的姿態(tài)信息，所述肌電電極612用于采集并處理控制腿部運(yùn)動的肌肉表面的電信號。
[0014]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括ro控制器8和阻尼控制器9，其中，所述ro控制器8用于通過ro控制方法對所述機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行軌跡跟蹤，所述阻尼控制器9用于在所述機(jī)器人處于單腿支撐狀態(tài)時(shí)，提供阻尼補(bǔ)償。
[0015]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是:
一種康復(fù)機(jī)器人控制方法，包括以下步驟: 101:系統(tǒng)初始化完成后，通過人機(jī)接口設(shè)備I完成基本設(shè)置，所述基本設(shè)置包括康復(fù)訓(xùn)練模式、強(qiáng)度；
102:上位機(jī)PC2根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，通過運(yùn)動學(xué)反解得到關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)后，由多軸運(yùn)動控制器4對所述關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，得到運(yùn)動數(shù)據(jù)后，所述多軸運(yùn)動控制器4根據(jù)所述運(yùn)動數(shù)據(jù)向電機(jī)控制單元5發(fā)送相應(yīng)的控制指令，所述運(yùn)動數(shù)據(jù)包括步幅和步長；
103:所述電機(jī)控制單元5根據(jù)所述控制指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動；
104:下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)3完成步態(tài)動作；
105:感知單元6向所述上位機(jī)PC2和多軸運(yùn)動控制器4反饋所述機(jī)器人姿態(tài)信息，同時(shí)控制訓(xùn)練過程中的姿態(tài)平衡。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟102中，上位機(jī)PC2根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，具體包括以下步驟:
1021:通過步態(tài)生成軟件，根據(jù)使用者的信息，生成步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)，所述使用者的信息，包括身聞和腿長信息。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟102中，上位機(jī)PC2根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，具體包括以下步驟:
1022:通過所述感知單元6采集下肢控制腿部運(yùn)動的肌肉表面肌電信號、腳底壓力信號，利用多傳感器信息融合算法得到使用者的運(yùn)動意圖數(shù)據(jù)；
1023:將所述運(yùn)動意圖信息反饋給所述上位機(jī)PC2。
[0018]優(yōu)選的，所述步驟101中，人機(jī)接口設(shè)備I通過語音完成基本設(shè)置。
[0019]與現(xiàn)有的BIPV電池組件相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明采用基于CAN的分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性及易維護(hù)性，同時(shí)采用了實(shí)時(shí)性和可靠性強(qiáng)的CAN總線作為控制總線，以及在主控制器PC的windows操作系統(tǒng)下安裝了 RTX(real-time-extens1n)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的可靠性及易維護(hù)性、實(shí)時(shí)性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的下肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)原理框圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的下肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制方法；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人被動控制方法流程圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人主動控制方法流程圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的人機(jī)交互方法流程圖；
圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的康復(fù)機(jī)器人平衡控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明 的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例的目的之一，是提供一種康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，如圖1所示，下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是雙腿輸出運(yùn)動軌跡幫助或者是帶動病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，具體包括以下部分:
人機(jī)接口設(shè)備1、上位機(jī)PC2、多軸運(yùn)動控制器4、電機(jī)控制單元5、感知單元6和CAN總線7;
如圖2所示，其中:
所述人機(jī)接口設(shè)備I通過串行通信總線RS232與所述上位機(jī)PC2相連，用于接收對機(jī)器人的操作指令并顯示所述機(jī)器人反饋的信息；
所述上位機(jī)PC2作為所述康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控制器，通過Ethernet通信總線與所述多軸運(yùn)動控制器4相連；
所述多軸運(yùn)動控制器4安裝于所述機(jī)器人背部，通過所述CAN總線7與所述電機(jī)控制單元5和感知單元6分別相連，用于接收來自所述上位機(jī)PC2的數(shù)據(jù)，并通過所述CAN總線7向所述電機(jī)控制單元5發(fā)送控制指令，控制所述機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動；
所述電機(jī)控制單元5包括伺服電機(jī)驅(qū)動器51、直流無刷電機(jī)52和編碼器53，所述直流無刷電機(jī)52安裝于所述機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處，為所述關(guān)節(jié)運(yùn)動提供驅(qū)動力，所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51安裝于所述機(jī)器人的背部，通過接收運(yùn)動控制指令來控制所述直流無刷電機(jī)52轉(zhuǎn)動，所述編碼器53安裝于所述直流無刷電機(jī)52的尾部，為所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51反饋位置信號，所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51自帶CAN接口模塊，連接在所述CAN總線7上，與所述多軸運(yùn)動控制器4相連；
所述感知單元6包括傳感器模塊61和信號處理及信息融合模塊62，所述感知單元6通過CAN接口與所述多軸運(yùn)動控制器4相連，向所述多軸運(yùn)動控制器4提供反饋信號。
[0023]如圖3所示，具體的，所述的康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，還包括下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)3，具體包括以下部分:
承重背心31、固定吊帶32、傳動減速齒輪33和34、諧波減速器35、外骨骼骨架36、編碼器37、驅(qū)動電機(jī)38、大腿固定件39、小腿固定件310、腳踝被動轉(zhuǎn)動軸311、腳部踏板312，其中:
所述承重背心31與所述固定吊帶32相連，用于安裝所述多軸運(yùn)動控制器4和所述電機(jī)控制單元5中的所述伺服電機(jī)驅(qū)動器51，每個(gè)關(guān)節(jié)處安裝有兩個(gè)相同的直流無刷電機(jī)38組成的并聯(lián)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，用于共同驅(qū)動所述關(guān)節(jié)；
所述直流無刷電機(jī)38的輸出軸與所述傳動減速齒輪33相連，所述傳動減速齒輪33與34相連，然后再與諧波減速器35相連，使所述直流無刷電機(jī)38輸出的轉(zhuǎn)速經(jīng)過傳動減速齒輪33和34，以及諧波減速器35兩級減速后驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動；
所述大腿固定件39和所述小腿固定件310，用于穿戴時(shí)固定，所述腳踝被動轉(zhuǎn)動軸311用于為腳踝的運(yùn)動提供自由度，所述腳部踏板312用于提供腳部的支撐。
[0024]優(yōu)選的，如圖7所示，所述人機(jī)接口設(shè)備I具體包括以下部分:
語音輸入/輸出模塊11、語音識別模塊12，控制算法模塊13和通信接口模塊14，其中，所述語音輸入/輸出模塊11用于向機(jī)器人發(fā)送語音操作指令，或者輸出所述機(jī)器人反饋的信息，所述語音識別模塊12對所述語音操作指令或者反饋的信息進(jìn)行識別得到數(shù)字指令，所述控制算法模塊13將所述數(shù)字指令轉(zhuǎn)化為控制指令，所述通信接口模塊14通過RS232通信接口向所述上位機(jī)PC2發(fā)送所述控制指令。
[0025]優(yōu)選的，所述上位機(jī)PC2的PC操作系統(tǒng)下安裝了 RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，作為與所述PC操作系統(tǒng)并列的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，用于在線實(shí)時(shí)檢測所述機(jī)器人的姿態(tài)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩信息，并對所述機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
[0026]具體的，所述感知單元6的傳感器模塊61，包括足底壓力傳感器610、陀螺儀611和肌電電極612 ;所述信號處理及信息融合模塊62，包括數(shù)據(jù)采集卡620、濾波模塊621、運(yùn)算放大模塊622以及對信號進(jìn)行處理和信息融合的嵌入式微處理器623 ；
其中，所述足底壓力傳感器610安裝于所述腳部踏板312，用于生成行走時(shí)腳底的壓力信號，所述陀螺儀611用于檢測所述機(jī)器人的姿態(tài)信息，所述肌電電極612用于采集并處理控制腿部運(yùn)動的肌肉表面的電信號。
[0027]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括ro控制器8和阻尼控制器9，其中，所述ro控制器8用于通過ro控制方法對所述機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行軌跡跟蹤，所述阻尼控制器9用于在所述機(jī)器人處于單腿支撐狀態(tài)時(shí)，提供阻尼補(bǔ)償。
[0028]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是:
一種康復(fù)機(jī)器人控制方法，如圖4所示，包括以下步驟:
101:系統(tǒng)初始化完成后，通過人機(jī)接口設(shè)備I完成基本設(shè)置，所述基本設(shè)置包括康復(fù)訓(xùn)練模式、強(qiáng)度；
102:上位機(jī)PC2根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，通過運(yùn)動學(xué)反解得到關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)后，由多軸運(yùn)動控制器4對所述關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，得到運(yùn)動數(shù)據(jù)后，所述多軸運(yùn)動控制器4根據(jù)所述運(yùn)動數(shù)據(jù)向電機(jī)控制單元5發(fā)送相應(yīng)的控制指令，所述運(yùn)動數(shù)據(jù)包括步幅和步長；
103:所述電機(jī)控制單元5根據(jù)所述控制指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動；
104:下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)3完成步態(tài)動作；
105:感知單元6向所述上位機(jī)PC2和多軸運(yùn)動控制器4反饋所述機(jī)器人姿態(tài)信息，同時(shí)控制訓(xùn)練過程中的姿態(tài)平衡。
[0029]優(yōu)選的，如圖5所示，描述了被動訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)流程:所述步驟102中，上位機(jī)PC2根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，具體包括以下步驟:
1021:通過步態(tài)生成軟件，根據(jù)使用者的信息，生成步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)，所述使用者的信息，包括身聞和腿長信息。
[0030]也就是說，在被動訓(xùn)練模式下，康復(fù)機(jī)器人在設(shè)定的步態(tài)軌跡下運(yùn)動，帶動病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。第一步，根據(jù)病人身高、腿長選擇步態(tài)曲線:前后行走、左右行走、轉(zhuǎn)彎行走；第二步，主控制器根據(jù)期望步態(tài)軌跡，反解得到電機(jī)角度數(shù)據(jù)，多軸運(yùn)動控制器向伺服驅(qū)動器輸出電機(jī)控制指令；第三步，伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)步態(tài)軌跡，帶動病人行走。
[0031]優(yōu)選的，如圖6所示，詳細(xì)描述了主動訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)流程:
所述步驟102中，上位機(jī)PC2根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，具體包括以下步驟:
1022:通過所述感知單元6采集下肢控制腿部運(yùn)動的肌肉表面肌電信號、腳底壓力信號，利用多傳感器信 息融合算法得到使用者的運(yùn)動意圖數(shù)據(jù)；
1023:將所述運(yùn)動意圖信息反饋給所述上位機(jī)PC2。
[0032]優(yōu)選的，所述步驟101中，人機(jī)接口設(shè)備I通過語音完成基本設(shè)置。
[0033]也就是說，如圖6所示，主動訓(xùn)練模式下，康復(fù)機(jī)器人根據(jù)病人的運(yùn)動意圖，在預(yù)測生成的步態(tài)軌跡下運(yùn)動，幫助病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。第一步，感知單元反饋運(yùn)動意圖特征信號；第二步，主控制器計(jì)算步態(tài)軌跡，反解得到電機(jī)角度數(shù)據(jù)，多軸運(yùn)動控制器向伺服驅(qū)動器輸出電機(jī)控制指令；第三步，伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)步態(tài)軌跡，幫助病人行走。
[0034]綜上所述，本發(fā)明所涉及下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人控制方法，包括被動控制方法和主動控制方法，其中:
所述的被動控制方法包括以下步驟:
(1)通過步態(tài)生成軟件，根據(jù)患者的身高、腿長信息生成步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)；
(2)然后主控制器對步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行反解得到各關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)；(3)多軸運(yùn)動控制器對各關(guān)節(jié)運(yùn)動曲線進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)人體步態(tài)運(yùn)動，帶動患者進(jìn)行被動的康復(fù)訓(xùn)練。
[0035]所述的主動控制方法包括以下步驟:
(1)通過下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人感知系統(tǒng)采集下肢控制腿部運(yùn)動的肌肉表面肌電信號、腳底壓力信號，再運(yùn)用多傳感器信息融合算法得到患者的運(yùn)動意圖數(shù)據(jù)；
(2)感知系統(tǒng)得到的運(yùn)動意圖信息反饋到控制器，主控制器根據(jù)運(yùn)動預(yù)測算法得到機(jī)器人運(yùn)動軌跡，然后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)反解計(jì)算出各關(guān)節(jié)運(yùn)動角度；
(3)運(yùn)動控制器對各關(guān)節(jié)運(yùn)動曲線進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動幫助患者下肢運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)主動地康復(fù)訓(xùn)練。
[0036]如圖7所示，描述了康復(fù)機(jī)器人人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)過程。人機(jī)交互設(shè)備I包括:語音輸出/輸出模塊，語音識別模塊，控制算法模塊和通信接口模塊。具體實(shí)現(xiàn)流程是:(1)病人通過語音輸入模塊發(fā)送語音指令；(2)語音識別模塊對語音指令進(jìn)行識別得到數(shù)字指令；(3)控制算法將數(shù)字指令轉(zhuǎn)化為控制指令；(4)通過RS232通信接口向上位機(jī)PC 2發(fā)送控制指令。同時(shí)康復(fù)機(jī)器人也可通過語音輸出模塊向病人反饋訓(xùn)練狀態(tài)。
[0037]如圖8所示是機(jī)器人平衡控制控制原理圖。如圖所示，康復(fù)機(jī)器人的平衡控制主要包括兩個(gè)部分:ZMP (Zero Moment Point)參考曲線的生成和阻尼控制器?？祻?fù)機(jī)器人根據(jù)步態(tài)曲線ZMP參考軌跡計(jì)算得出，該步態(tài)曲線由于滿足ZMP方程，機(jī)器人在該步態(tài)曲線下行走時(shí)能夠保持重心的穩(wěn)定和平衡，但是在單腿支撐的狀態(tài)下由于施加腳踝的H)控制器不能有效抑制振動，所以加上了一個(gè)阻尼控制器來提供阻尼補(bǔ)償減小振動，這樣就可以保持機(jī)器人的姿態(tài)平衡。
[0038]以上所述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所作出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi) 。
【權(quán)利要求】
1.一種康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括以下部分:人機(jī)接口設(shè)備(I)、上位機(jī)PC (2)、多軸運(yùn)動控制器(4)、電機(jī)控制單元(5)、感知單元(6)和CAN總線(7)，其中: 所述人機(jī)接口設(shè)備(I)通過串行通信總線RS232與所述上位機(jī)PC (2)相連，用于接收對機(jī)器人的操作指令并顯示所述機(jī)器人反饋的信息； 所述上位機(jī)PC (2)作為所述康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控制器，通過Ethernet通信總線與所述多軸運(yùn)動控制器(4)相連； 所述多軸運(yùn)動控制器(4)安裝于所述機(jī)器人背部，通過所述CAN總線(7)與所述電機(jī)控制單元(5)和感知單元(6)分別相連，用于接收來自所述上位機(jī)PC (2)的數(shù)據(jù)，并通過所述CAN總線(7)向所述電機(jī)控制單元(5)發(fā)送控制指令，控制所述機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動； 所述電機(jī)控制單元(5)包括伺服電機(jī)驅(qū)動器(51)、直流無刷電機(jī)(52)和編碼器(53)，所述直流無刷電機(jī)(52 )安裝于所述機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處，為所述關(guān)節(jié)運(yùn)動提供驅(qū)動力，所述伺服電機(jī)驅(qū)動器(51)安裝于所述機(jī)器人的背部，通過接收運(yùn)動控制指令來控制所述直流無刷電機(jī)(52 )轉(zhuǎn)動，所述編碼器(53 )安裝于所述直流無刷電機(jī)(52 )的尾部，為所述伺服電機(jī)驅(qū)動器(51)反饋位置信號，所述伺服電機(jī)驅(qū)動器(51)自帶CAN接口模塊，連接在所述CAN總線(7)上，與所述多軸運(yùn)動控制器(4)相連； 所述感知單元(6)包括傳感器模塊(61)和信號處理及信息融合模塊(62)，所述感知單元(6)通過CAN接口與所述多軸運(yùn)動控制器(4)相連，向所述多軸運(yùn)動控制器(4)提供反饋信號。
2.如權(quán)利要求1所述的康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)(3 )，包括以下 部分:承重背心(31)、固定吊帶(32 )、傳動減速齒輪(33 )和(34)、諧波減速器(35)、外骨骼骨架(36)、編碼器(37)、驅(qū)動電機(jī)(38)、大腿固定件(39)、小腿固定件(310)、腳踝被動轉(zhuǎn)動軸(311)、腳部踏板(312 )，其中: 所述承重背心(31)與所述固定吊帶(32)相連，用于安裝所述多軸運(yùn)動控制器(4)和所述電機(jī)控制單元(5 )中的所述伺服電機(jī)驅(qū)動器(51)，每個(gè)關(guān)節(jié)處安裝有兩個(gè)相同的直流無刷電機(jī)(38)組成的并聯(lián)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，用于共同驅(qū)動所述關(guān)節(jié)； 所述直流無刷電機(jī)(38)的輸出軸與所述傳動減速齒輪(33)相連，所述傳動減速齒輪(33)與(34)相連，然后再與諧波減速器(35)相連，使所述直流無刷電機(jī)(38)輸出的轉(zhuǎn)速經(jīng)過傳動減速齒輪(33)和(34)，以及諧波減速器(35)兩級減速后驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動； 所述大腿固定件(39)和所述小腿固定件(310)，用于穿戴時(shí)固定，所述腳踝被動轉(zhuǎn)動軸(311)用于為腳踝的運(yùn)動提供自由度，所述腳部踏板(312)用于提供腳部的支撐。
3.如權(quán)利要求1或2所述的康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述人機(jī)接口設(shè)備(I)具體包括以下部分:語音輸入/輸出模塊(11)、語音識別模塊(12)，控制算法模塊(13)和通信接口模塊(14 )，其中，所述語音輸入/輸出模塊(11)用于向機(jī)器人發(fā)送語音操作指令，或者輸出所述機(jī)器人反饋的信息，所述語音識別模塊(12)對所述語音操作指令或者反饋的信息進(jìn)行識別得到數(shù)字指令，所述控制算法模塊(13)將所述數(shù)字指令轉(zhuǎn)化為控制指令，所述通信接口模塊(14)通過RS232通信接口向所述上位機(jī)PC (2)發(fā)送所述控制指令。
4.如權(quán)利要求1或2所述的康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機(jī)PC(2)的PC操作系統(tǒng)下安裝了 RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，作為與所述PC操作系統(tǒng)并列的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，用于在線實(shí)時(shí)檢測所述機(jī)器人的姿態(tài)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩信息，并對所述機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
5.如權(quán)利要求1或2所述的康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述感知單元(6)的傳感器模塊(61)，包括足底壓力傳感器(610)、陀螺儀(611)和肌電電極(612);所述信號處理及信息融合模塊(62)，包括數(shù)據(jù)采集卡(620)、濾波模塊(621)、運(yùn)算放大模塊(622)以及對信號進(jìn)行處理和信息融合的嵌入式微處理器(623);其中，所述足底壓力傳感器(610)安裝于所述腳部踏板(312)，用于生成行走時(shí)腳底的壓力信號，所述陀螺儀(611)用于檢測所述機(jī)器人的姿態(tài)信息，所述肌電電極(612)用于采集并處理控制腿部運(yùn)動的肌肉表面的電信號。
6.如權(quán)利要求1或2所述的康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括ro控制器(8)和阻尼控制器(9)，其中，所述ro控制器(8)用于通過ro控制方法對所述機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行軌跡跟蹤，所述阻尼控制器(9 )用于在所述機(jī)器人處于單腿支撐狀態(tài)時(shí)，提供阻尼補(bǔ)償。
7.一種康復(fù)機(jī)器人控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 101:系統(tǒng)初始化完成后，通過人機(jī)接口設(shè)備(I)完成基本設(shè)置，所述基本設(shè)置包括康復(fù)訓(xùn)練模式、強(qiáng)度； 102:上位機(jī)PC (2)根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，通過運(yùn)動學(xué)反解得到關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)后，由多軸運(yùn)動控制器(4)對所述關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，得到運(yùn)動數(shù)據(jù)后，所述多軸運(yùn)動控制器(4)根據(jù)所述運(yùn)動數(shù)據(jù)向電機(jī)控制單元(5)發(fā)送相應(yīng)的控制指令，所述運(yùn)動數(shù)據(jù)包括步幅和步 長； 103:所述電機(jī)控制單元(5)根據(jù)所述控制指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動； 104:下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)(3)完成步態(tài)動作； 105:感知單元(6)向所述上位機(jī)PC (2)和多軸運(yùn)動控制器(4)反饋所述機(jī)器人姿態(tài)信息，同時(shí)控制訓(xùn)練過程中的姿態(tài)平衡。
8.如權(quán)利要求7所述的康復(fù)機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述步驟102中，上位機(jī)PC(2)根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，具體包括以下步驟: 1021:通過步態(tài)生成軟件，根據(jù)使用者的信息，生成步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)，所述使用者的信息，包括身聞和腿長信息。
9.如權(quán)利要求7所述的康復(fù)機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述步驟102中，上位機(jī)PC(2)根據(jù)所述設(shè)置選擇相應(yīng)的步態(tài)類型，具體包括以下步驟: 1022:通過所述感知單元(6)采集下肢控制腿部運(yùn)動的肌肉表面肌電信號、腳底壓力信號，利用多傳感器信息融合算法得到使用者的運(yùn)動意圖數(shù)據(jù)； 1023:將所述運(yùn)動意圖信息反饋給所述上位機(jī)PC (2)。
10.如權(quán)利要求7所述的康復(fù)機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述步驟101中，人機(jī)接口設(shè)備(I)通過語音完成基本設(shè)置。
【文檔編號】A61H1/00GK104027218SQ201410246194
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】葛樹志 申請人:電子科技大學(xué)