專利名稱：坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人及相應(yīng)的主動訓(xùn)練控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及康復(fù)醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人及相應(yīng)的主動訓(xùn)練控制方法。
背景技術(shù)：
脊髓損傷和中風(fēng)是導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)損傷并進(jìn)而導(dǎo)致癱瘓的兩大主要原因，神經(jīng)系統(tǒng)損傷之后適當(dāng)?shù)目祻?fù)訓(xùn)練可以減輕或避免殘疾。根據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)可塑性原理，目前臨床上常用的治療方法包括物理療法、作業(yè)療法、運(yùn)動療法等，然而，國內(nèi)絕大多數(shù)康復(fù)醫(yī)院仍然借助于人工或簡單的被動康復(fù)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行以上治療，不僅康復(fù)效率低下，而且治療師的勞動強(qiáng)度大，限制了患者的訓(xùn)練時間。利用康復(fù)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練是康復(fù)領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢，盡管國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)已相繼研究了各種類型的康復(fù)機(jī)器人，但大多數(shù)機(jī)器人仍然只能進(jìn)行被動訓(xùn)練或簡單的主動訓(xùn)練。利用生物電信號對患者的運(yùn)動意圖進(jìn)行模式識別，并根據(jù)識別結(jié)果完成對機(jī)器人相應(yīng)動作的控制是康復(fù)機(jī)器人研究的一個熱點(diǎn)方向，然而這種方式只能對特定的幾種運(yùn)動模式進(jìn)行控制，不能實(shí)時激發(fā)患者的主動運(yùn)動愿望。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為脊髓損傷或中風(fēng)患者提供一種坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，以及一種相應(yīng)的主動訓(xùn)練控制方法，以適應(yīng)不同的患者或不同的康復(fù)階段，從而提高患者的積極性，并改善其康復(fù)進(jìn)程。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，其特征在于，該機(jī)器人包括座椅7、兩條機(jī)械臂3、人機(jī)交互界面I、主工控箱2、多個肌電信號采集電極片6、肌電信號采集工控箱8，其中，每條機(jī)械臂3有三個關(guān)節(jié)，分別對應(yīng)人體下肢的髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)；所述人機(jī)交互界面I用于供用戶輸入、選擇訓(xùn)練形式并設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)、對康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理；所述主工控箱2用以控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動、采集機(jī)器人相關(guān)的傳感信息；所述肌電信號采集工控箱8安裝在靠近人體下肢的座椅7的下部，以方便其輸入部件，肌電信號采集電極片6，與人體肌肉進(jìn)行連接，所述肌電信號采集工控箱8用以接收來自主工控箱2的肌電信號采集指令、對通過肌電信號采集電極片6實(shí)時采集得到的肌電信號進(jìn)行處理，然后將經(jīng)過處理后的肌電信號傳送給主工控箱2 ;所述肌電信號采集電極片6粘貼在需要訓(xùn)練的肌肉的肌腹位置上，用來采集相應(yīng)肌肉的肌電信號；所述主工控箱2包括上位機(jī)PC104、通過數(shù)據(jù)總線與上位機(jī)PC104進(jìn)行通信的左運(yùn)動控制卡和右運(yùn)動控制卡、與所述左運(yùn)動控制卡通過相應(yīng)的接口連接的左髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器、左膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、左踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、與所述右運(yùn)動控制卡通過相應(yīng)的接口連接的右髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器、右膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、右踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、與所述左髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左髖電機(jī)/編碼器、與所述左膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左膝電機(jī)/編碼器、與所述左踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左踝電機(jī)/編碼器、與所述右髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右髖電機(jī)/編碼器、與所述右膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右膝電機(jī)/編碼器、與所述右踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右踝電機(jī)/編碼器、通過USB接口總線與上位機(jī)PC104進(jìn)行通信的數(shù)字信號輸入輸出DIDO數(shù)字信號采集卡和A/D轉(zhuǎn)換卡、與所述DIDO數(shù)字信號采集卡連接的光耦隔離電平轉(zhuǎn)換電路板、與所述光耦隔離電平轉(zhuǎn)換電路板連接的安裝在機(jī)器人內(nèi)部各關(guān)節(jié)位置的多個絕對位置編碼器、與所述A/D轉(zhuǎn)換卡連接的表面肌電光耦隔離卡、與所述表面肌電光耦隔離卡連接的多個肌電信號前置放大濾波器。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提出了一種利用所述康復(fù)機(jī)器人輔助患者進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練的控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟1，患者斜躺在康復(fù)機(jī)器人的座椅上，將患者的雙側(cè)下肢分別與康復(fù)機(jī)器人的兩條機(jī)械臂進(jìn)行固定；
步驟2，用戶通過人機(jī)交互界面設(shè)定患者參與主動訓(xùn)練的關(guān)節(jié)、該關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動范圍Aqn^P最大運(yùn)動速度I，并根據(jù)所選的關(guān)節(jié)選擇采集肌電信號的肌肉；步驟3，在所選擇的肌肉的肌腹位置上粘貼肌電信號采集電極片，采集靜態(tài)時所選擇的肌肉的肌電信號的絕對均值，記為As，采集最大肌肉收縮力情況下肌肉的肌電信號的絕對均值，記為Am ；步驟4，患者根據(jù)自身意愿控制采集肌電信號的關(guān)節(jié)進(jìn)行伸屈運(yùn)動；步驟5，在患者運(yùn)動時，肌電信號采集電極片采集到的原始肌電信號經(jīng)肌電信號前置放大濾波器、表面肌電光耦隔離卡、A/D轉(zhuǎn)換卡依次進(jìn)行放大濾波、光耦隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，上位機(jī)通過USB接口讀取A/D轉(zhuǎn)換卡中轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，包括去除信號的直流基線噪聲和求取信號的絕對均值；步驟6，基于經(jīng)過所述步驟5處理后的肌電信號，根據(jù)彈簧式位置控制策略計(jì)算出患者各關(guān)節(jié)的期望角度，或根據(jù)阻尼式速度控制策略計(jì)算出患者各關(guān)節(jié)的期望運(yùn)動速度；步驟7，將計(jì)算得到的所述期望角度信號或期望運(yùn)動速度信號進(jìn)行平滑濾波之后發(fā)送到相應(yīng)的運(yùn)動控制卡，運(yùn)動控制卡根據(jù)所述期望角度信號或期望運(yùn)動速度信號產(chǎn)生特定頻率的脈沖和方向信號發(fā)送到相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，關(guān)節(jié)驅(qū)動器根據(jù)所述脈沖和方向信號計(jì)算出電機(jī)的期望位置或速度，并產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動電流至電機(jī)，使機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動到所述期望角度或按照期望的速度運(yùn)動。本發(fā)明所涉及的坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人及相應(yīng)的助力訓(xùn)練控制方法，有機(jī)地結(jié)合了作業(yè)療法和運(yùn)動療法的特點(diǎn)，具有表面肌電信號信號采集功能，解決了現(xiàn)有技術(shù)只能進(jìn)行被動訓(xùn)練的缺點(diǎn)，能極大程度地提高患者主動參與的積極性，并改善其康復(fù)進(jìn)程。


圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明利用康復(fù)機(jī)器人對患者進(jìn)行主動訓(xùn)練的控制方法流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖，如圖I所示，本發(fā)明的坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人由機(jī)械本體和電氣控制系統(tǒng)兩部分組成，其中，機(jī)械本體包括座椅7和兩條機(jī)械臂3，每條機(jī)械臂3有三個自由度(關(guān)節(jié))，分別對應(yīng)人體下肢的髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)，所述機(jī)械臂的自由度也稱為機(jī)器人的關(guān)節(jié)或是機(jī)械臂的關(guān)節(jié)；電氣控制系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面I、主工控箱2、多個肌 電信號采集電極片6、肌電信號采集工控箱8。所述人機(jī)交互界面I進(jìn)一步為觸摸屏，用于供用戶輸入、選擇訓(xùn)練形式并設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)以及對康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理；主工控箱2是機(jī)器人運(yùn)動控制的核心，用以控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動、采集機(jī)器人相關(guān)的傳感信息，比如肌電信號等；肌電信號采集電極片6粘貼在患者需要訓(xùn)練的肌肉的肌腹位置上，用來采集相應(yīng)肌肉的肌電信號；肌電信號采集工控箱8安裝在靠近人體下肢的座椅7的下部，以方便其輸入部件肌電信號采集電極片6，與人體肌肉進(jìn)行連接，其內(nèi)部包含16通道的肌電信號前置放大濾波器和隔離電路板、A/D轉(zhuǎn)換卡及驅(qū)動電源，所述肌電信號采集工控箱8—方面接收來自主工控箱2的肌電信號采集指令，另一方面對通過肌電信號采集電極片6實(shí)時采集得到的肌電信號進(jìn)行信號放大、濾波、光耦隔離及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，然后將經(jīng)過上述處理后的肌電信號傳送給主工控箱2。所述主工控箱2包括上位機(jī)PC104、通過數(shù)據(jù)總線與上位機(jī)PC104進(jìn)行通信的左運(yùn)動控制卡和右運(yùn)動控制卡(如圖2所示)、與所述左運(yùn)動控制卡通過相應(yīng)的接口連接的左髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器、左膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、左踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、與所述右運(yùn)動控制卡通過相應(yīng)的接口連接的右髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器、右膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、右踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、與所述左髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左髖電機(jī)/編碼器、與所述左膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左膝電機(jī)/編碼器、與所述左踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左踝電機(jī)/編碼器、與所述右髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右髖電機(jī)/編碼器、與所述右膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右膝電機(jī)/編碼器、與所述右踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右踝電機(jī)/編碼器、通過USB接口總線與上位機(jī)PC104進(jìn)行通信的數(shù)字信號輸入輸出DIDO數(shù)字信號采集卡和A/D轉(zhuǎn)換卡、與所述DIDO數(shù)字信號采集卡連接的光耦隔離電平轉(zhuǎn)換電路板、與所述光耦隔離電平轉(zhuǎn)換電路板連接的安裝在機(jī)器人內(nèi)部各關(guān)節(jié)位置的多個絕對位置編碼器、與所述A/D轉(zhuǎn)換卡連接的表面肌電光耦隔離卡、與所述表面肌電光耦隔離卡連接的多個肌電信號前置放大濾波器，所述電機(jī)/編碼器包括安裝在一起的電機(jī)和編碼器，所述編碼器進(jìn)一步為光電編碼器。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示，本發(fā)明的電氣控制系統(tǒng)以PC104為核心，并通過PC104數(shù)據(jù)總線分別與主工控箱2中的左、右運(yùn)動控制卡進(jìn)行通信，通過USB接口分別與主工控箱2中的DIDO數(shù)字信號采集卡和A/D轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行通信，通過VGA接口與人機(jī)交互界面I進(jìn)行通信，通過相應(yīng)的接口分別與存儲設(shè)備、復(fù)位電路、鍵盤鼠標(biāo)連接，還可與以太網(wǎng)連接。所述髖、膝、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器用于接收上位機(jī)PC104通過相應(yīng)運(yùn)動控制卡發(fā)出的指令，并直接驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)/編碼器中的電機(jī)，而電機(jī)/編碼器中的編碼器產(chǎn)生的關(guān)于各關(guān)節(jié)電機(jī)的角度信息的光電編碼器信號依次反饋到相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動器和運(yùn)動控制卡中，上位機(jī)可以從相應(yīng)的運(yùn)動控制卡中讀取該光電編碼器信號。安裝在機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的多個絕對位置編碼器信號經(jīng)過光耦隔離電平轉(zhuǎn)換之后傳遞到DIDO數(shù)字信號采集卡，再由PC104進(jìn)行讀取。肌電信號采集電極片6采集到的肌電信號首先經(jīng)過相應(yīng)的肌電信號前置放大濾波器進(jìn)行放大濾波之后，輸入到表面肌電光耦隔離卡內(nèi)進(jìn)行隔離，然后由A/D轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由PC104進(jìn)行讀取。利用本發(fā)明的機(jī)器人對患者進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練時，患者斜躺在機(jī)器人座椅7上，將患者的雙側(cè)下肢分別與機(jī)器人的兩條機(jī)械臂3進(jìn)行固定，然后通過下文描述的主動訓(xùn)練控制方法實(shí)現(xiàn)主動康復(fù)訓(xùn)練。圖3是本發(fā)明利用康復(fù)機(jī)器人對患者進(jìn)行主動訓(xùn)練的控制方法流程圖，如圖3所示，本發(fā)明還可以利用上述康復(fù)機(jī)器人對患者進(jìn)行基于肌電信號反饋的主動訓(xùn)練，在主動 訓(xùn)練過程中，機(jī)器人各關(guān)節(jié)可以在患者的主動控制下進(jìn)行運(yùn)動。本發(fā)明利用上述康復(fù)機(jī)器人對患者進(jìn)行主動訓(xùn)練的控制方法包括以下幾個步驟步驟1，患者斜躺在康復(fù)機(jī)器人的座椅上，將患者的雙側(cè)下肢分別與康復(fù)機(jī)器人的兩條機(jī)械臂進(jìn)行固定；步驟2，由用戶，比如臨床治療師，通過人機(jī)交互界面設(shè)定患者參與主動訓(xùn)練的關(guān)節(jié)、該關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動范圍Aqm和最大運(yùn)動速度七，并根據(jù)所選的關(guān)節(jié)確定肌電信號的采集位置，即選擇采集肌電信號的肌肉，需要選擇一對肌肉來控制一個關(guān)節(jié)，以分別來控制關(guān)節(jié)的伸、屈運(yùn)動；所述肌肉并不局限于生理狀態(tài)下控制該關(guān)節(jié)運(yùn)動的肌肉，例如，對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行主動訓(xùn)練，可以選擇股四頭肌和股二頭肌采集肌電信號，也可以選擇控制上肢肘關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動的肌肉如肱二頭肌和肱三頭肌采集肌電信號。步驟3，在所選擇的肌肉的肌腹位置上粘貼肌電信號采集電極片，采集靜態(tài)時所選擇的肌肉的肌電信號的絕對均值，記為As，采集最大肌肉收縮力情況下肌肉的肌電信號的絕對均值，記為Am ；步驟4，患者根據(jù)自身意愿控制采集肌電信號的關(guān)節(jié)進(jìn)行伸屈運(yùn)動；如果患者本身無法產(chǎn)生足夠的肌肉力量使該關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動，則要求患者盡力去做伸屈運(yùn)動，使得控制該關(guān)節(jié)伸屈的肌肉產(chǎn)生收縮。步驟5，在患者運(yùn)動時，肌電信號采集電極片采集到的原始肌電信號經(jīng)肌電信號前置放大濾波器、表面肌電光耦隔離卡、A/D轉(zhuǎn)換卡依次進(jìn)行放大濾波、光耦隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，上位機(jī)通過USB接口讀取A/D轉(zhuǎn)換卡中的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，包括去除信號的直流基線噪聲和求取信號的絕對均值(以將肌電信號在負(fù)半平面的值全部轉(zhuǎn)化到正半平面)；步驟6，基于經(jīng)過所述步驟5處理后的肌電信號，根據(jù)彈簧式位置控制策略計(jì)算出患者各關(guān)節(jié)的期望角度，或根據(jù)阻尼式速度控制策略計(jì)算出患者各關(guān)節(jié)的期望運(yùn)動速度；本發(fā)明的主動訓(xùn)練可以分為彈簧式位置控制和阻尼式速度控制兩種形式的主動訓(xùn)練。對于彈簧式位置控制的主動訓(xùn)練，機(jī)器人各關(guān)節(jié)被看成是剛度系數(shù)可調(diào)節(jié)的彈簧，患者可通過下肢關(guān)節(jié)的主動力矩控制機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動到相應(yīng)的位置，當(dāng)患者的主動力矩為O時，機(jī)器人關(guān)節(jié)自動回到初始平衡位置，該平衡位置設(shè)定為關(guān)節(jié)活動范圍內(nèi)，通常設(shè)定為關(guān)節(jié)活動范圍的中點(diǎn)，使得從平衡位置開始的伸屈運(yùn)動具有同等的活動范圍。開始訓(xùn)練時，患者控制關(guān)節(jié)運(yùn)動的肌肉先處于放松狀態(tài)，此時上位機(jī)PC104會通過DIDO數(shù)字信號采集卡讀取絕對位置編碼器的信息，以求取各關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置，然后根據(jù)設(shè)定的平衡位置控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動到該位置?；颊吒麝P(guān)節(jié)的主動力矩大小由相應(yīng)肌肉肌電信號的相對強(qiáng)度確定，相對強(qiáng)度由該肌肉當(dāng)前肌電信號幅值與最大肌力下肌電信號幅值的比值確定。在該控制方法下，患者可以通過控制相應(yīng)肌肉的收縮強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)關(guān)節(jié)的位置控制。在彈簧式位置控制策略中，輸入信號為控制患者某一關(guān)節(jié)運(yùn)動的當(dāng)前肌電信號幅值，輸出為由患者的肌電信號強(qiáng)度確定的該關(guān)節(jié)運(yùn)動的期望角度，其控制模型如下式所示
權(quán)利要求
1.一種坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，其特征在于，該機(jī)器人包括座椅(7)、兩條機(jī)械臂(3)、人機(jī)交互界面(I)、主エ控箱(2)、多個肌電信號采集電極片￠)、肌電信號采集エ控箱(8)，其中， 每條機(jī)械臂(3)有三個關(guān)節(jié)，分別對應(yīng)人體下肢的髖、膝、踝三個關(guān)節(jié)； 所述人機(jī)交互界面(I)用于供用戶輸入、選擇訓(xùn)練形式并設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)、對康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理； 所述主エ控箱(2)用以控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動、采集機(jī)器人相關(guān)的傳感信息； 所述肌電信號采集エ控箱(8)安裝在靠近人體下肢的座椅(7)的下部，以方便其輸入部件，肌電信號采集電極片出)，與人體肌肉進(jìn)行連接，所述肌電信號采集エ控箱(8)用以接收來自主エ控箱⑵的肌電信號采集指令、對通過肌電信號采集電極片(6)實(shí)時采集得到的肌電信號進(jìn)行處理，然后將經(jīng)過處理后的肌電信號傳送給主エ控箱(2);所述肌電信號采集電極片(6)粘貼在需要訓(xùn)練的肌肉的肌腹位置上，用來采集相應(yīng)肌肉的肌電信號； 所述主エ控箱(2)包括上位機(jī)PC104、通過數(shù)據(jù)總線與上位機(jī)PC104進(jìn)行通信的左運(yùn)動控制卡和右運(yùn)動控制卡、與所述左運(yùn)動控制卡通過相應(yīng)的接ロ連接的左髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器、左膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、左踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、與所述右運(yùn)動控制卡通過相應(yīng)的接ロ連接的右髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器、右膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、右踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器、與所述左髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左髖電機(jī)/編碼器、與所述左膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左膝電機(jī)/編碼器、與所述左踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的左踝電機(jī)/編碼器、與所述右髖關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右髖電機(jī)/編碼器、與所述右膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右膝電機(jī)/編碼器、與所述右踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器連接的右踝電機(jī)/編碼器、通過USB接ロ總線與上位機(jī)PC104進(jìn)行通信的數(shù)字信號輸入輸出DIDO數(shù)字信號采集卡和A/D轉(zhuǎn)換卡、與所述DIDO數(shù)字信號采集卡連接的光耦隔離電平轉(zhuǎn)換電路板、與所述光耦隔離電平轉(zhuǎn)換電路板連接的安裝在機(jī)器人內(nèi)部各關(guān)節(jié)位置的多個絕對位置編碼器、與所述A/D轉(zhuǎn)換卡連接的表面肌電光耦隔離卡、與所述表面肌電光耦隔離卡連接的多個肌電信號前置放大濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)器人，其特征在于，所述人機(jī)交互界面(I)為觸摸屏。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)器人，其特征在于，所述肌電信號采集エ控箱(8)包含16通道的肌電信號前置放大濾波器和隔離電路板及驅(qū)動電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)器人，其特征在于，所述肌電信號采集エ控箱(8)對肌電信號進(jìn)行的處理包括放大、濾波、光耦隔離及模數(shù)轉(zhuǎn)換。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)器人，其特征在于，所述電機(jī)/編碼器包括安裝在一起的電機(jī)和編碼器；所述編碼器進(jìn)ー步為光電編碼器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)器人，其特征在于，所述上位機(jī)通過PC104數(shù)據(jù)總線分別與主エ控箱(2)中的運(yùn)動控制卡進(jìn)行通信；通過USB接ロ分別與主エ控箱(2)中的DIDO數(shù)字信號采集卡和A/D轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行通信；通過VGA接ロ與人機(jī)交互界面(I)進(jìn)行通信；通過相應(yīng)的接ロ分別與存儲設(shè)備、復(fù)位電路、鍵盤鼠標(biāo)連接，還能夠與以太網(wǎng)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)器人，其特征在于，所述髖、膝、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器用于接收上位機(jī)PC104通過相應(yīng)運(yùn)動控制卡發(fā)出的指令，并直接驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)/編碼器中的電機(jī)，而電機(jī)/編碼器中的編碼器產(chǎn)生的關(guān)于各關(guān)節(jié)電機(jī)的角度信息的光電編碼器信號依次反饋到相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動器和運(yùn)動控制卡中，上位機(jī)可以從相應(yīng)的運(yùn)動控制卡中讀取該光電編碼器信號；所述多個絕對位置編碼器信號經(jīng)過光耦隔離電平轉(zhuǎn)換之后傳遞到DIDO數(shù)字信號采集卡，再由上位機(jī)PC104進(jìn)行讀取； 所述肌電信號采集電極片(6)采集到的肌電信號首先經(jīng)過相應(yīng)的肌電信號前置放大濾波器進(jìn)行放大濾波之后，輸入到表面肌電光耦隔離卡內(nèi)進(jìn)行隔離，然后由A/D轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由上位機(jī)PC104進(jìn)行讀取。
8.ー種利用權(quán)利要求I中所述的康復(fù)機(jī)器人輔助患者進(jìn)行主動康復(fù)訓(xùn)練的控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 步驟I，患者斜躺在康復(fù)機(jī)器人的座椅上，將患者的雙側(cè)下肢分別與康復(fù)機(jī)器人的兩條機(jī)械臂進(jìn)行固定； 步驟2，用戶通過人機(jī)交互界面設(shè)定患者參與主動訓(xùn)練的關(guān)節(jié)、該關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動范圍Aqm和最大運(yùn)動速度見,，井根據(jù)所選的關(guān)節(jié)選擇采集肌電信號的肌肉； 步驟3，在所選擇的肌肉的肌腹位置上粘貼肌電信號采集電極片，采集靜態(tài)時所選擇的肌肉的肌電信號的絕對均值，記為As，采集最大肌肉收縮カ情況下肌肉的肌電信號的絕對均值，記為Am ； 步驟4，患者根據(jù)自身意愿控制采集肌電信號的關(guān)節(jié)進(jìn)行伸屈運(yùn)動； 步驟5，在患者運(yùn)動時，肌電信號采集電極片采集到的原始肌電信號經(jīng)肌電信號前置放大濾波器、表面肌電光耦隔離卡、A/D轉(zhuǎn)換卡依次進(jìn)行放大濾波、光耦隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，上位機(jī)通過USB接ロ讀取A/D轉(zhuǎn)換卡中轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，包括去除信號的直流基線噪聲和求取信號的絕對均值； 步驟6，基于經(jīng)過所述步驟5處理后的肌電信號，根據(jù)彈簧式位置控制策略計(jì)算出患者各關(guān)節(jié)的期望角度，或根據(jù)阻尼式速度控制策略計(jì)算出患者各關(guān)節(jié)的期望運(yùn)動速度； 步驟7，將計(jì)算得到的所述期望角度信號或期望運(yùn)動速度信號進(jìn)行平滑濾波之后發(fā)送到相應(yīng)的運(yùn)動控制卡，運(yùn)動控制卡根據(jù)所述期望角度信號或期望運(yùn)動速度信號產(chǎn)生特定頻率的脈沖和方向信號發(fā)送到相應(yīng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，關(guān)節(jié)驅(qū)動器根據(jù)所述脈沖和方向信號計(jì)算出電機(jī)的期望位置或速度，并產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動電流至電機(jī)，使機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動到所述期望角度或按照期望的速度運(yùn)動。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述彈簧式位置控制策略表示為
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述阻尼式速度控制策略表示為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人及相應(yīng)的主動訓(xùn)練控制方法。所述機(jī)器人包括座椅、機(jī)械臂、主工控箱、人機(jī)交互界面、肌電信號采集電極片、肌電信號采集工控箱。在利用所述康復(fù)機(jī)器人輔助患者進(jìn)行主動訓(xùn)練時，患者斜躺在座椅上，患者的雙側(cè)下肢分別與機(jī)械臂進(jìn)行固定，采集患者相應(yīng)肌肉的肌電信號，根據(jù)不同的控制算法實(shí)現(xiàn)由患者控制機(jī)器人完成主動訓(xùn)練。本發(fā)明將傳統(tǒng)的作業(yè)療法、運(yùn)動療法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，能夠有效地改善患者的康復(fù)效果，增強(qiáng)患者主動參與的愿望。
文檔編號A63B24/00GK102698411SQ201210226579
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者侯增廣, 張峰, 張新超, 李鵬峰, 王衛(wèi)群, 王洪波, 程龍, 胡國清, 胡進(jìn), 譚民, 陳翼雄 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所