[發明專利]一種基于肌電信號的康復機器人控制方法

在審

• 申請號: 201910250335.1
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN110279986A
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 宋嶸;申志航
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: A63B23/08
• 分類號: A63B23/08;A63B21/00;A63B24/00;A63B71/06
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛;禹小明

本發明公開了一種基于肌電信號的康復機器人控制方法，通過采集使用者的sEMG信號獲得其期望位置，再利用平滑化模型建立期望軌跡，最后采用位置，速度和加速度多環控制器實現動作的平滑性。本發明既考慮了使用者的運動意圖，又實現了動作的平滑性，具有類人化的特性，即使得動作更符合正常情況下的健康人，從而提高康復效果。

技術領域

本發明涉及康復機器人控制領域，特別涉及一種基于肌電導納控制的平滑控制策略。

背景技術

目前關于康復機器人的控制算法聚焦在主動控制，即人機協同控制。如何將人的運動意圖或表現滲入控制策略中以及如何讓機器人的動作更加類人化是該領域的熱點和難點。

最常見的主動控制為阻抗/導納控制，該方法基于人機交互力信號來調整控制參考量(參考位置或參考力)，從而實現人機柔順性。此外，部分學者采用基于受試者表現的控制策略，該方法能基于受試者的運動表現實時調整機器助力，使得助力與運動表現匹配，可以一定程度上促進受試者主動參與康復訓練中。上述的方法能夠很好地將人的運動意圖或表現融入到控制策略中，但未考慮如何使得機器在協助受試者過程中將運動更加類人化。一般情況下，正常人的自然動作是趨于軌跡最平滑的方向上。因此本發明在通過肌電預測運動意圖的基礎上提出一種軌跡平滑化模型和平滑控制策略，既考慮人的運動意圖，又實現了患者動作的平滑化和平穩性，即實現動作的類人化，達到有效的康復治療效果。

發明內容

本發明要解決的問題是如何讓機器協助患者完成更加類人化的動作，在根據使用者的意圖控制下，使得機器的協調過程更加類人化，以達到有效的康復效果。

為了解決上述問題，本發明提供了一種基于肌電信號的康復機器人控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：獲取使用者運動的主動肌和拮抗肌的sEMG(表面肌電信號)信號，將 sEMG信號輸入關節力矩預測模型獲得使用者的關節力矩τ_ha(t)；

S2：將關節力矩τ_ha輸入導納控制器中，得到期望位置q_d；

S3：利用平滑化模型將期望位置q_d建立期望軌跡q_d(t)，對q_d(t)依次微分，獲得到期望速度v_d(t)和期望加速度a_d(t)；

S4：獲取機器人關節實際軌跡q(t)，速度v(t)和加速度a(t)，將期望軌跡q_d(t)，期望速度v_d(t)，期望加速度a_d(t)和實際軌跡q(t)，實際速度v(t)和實際加速度a(t) 輸入到多環控制器中，得到機器力矩τ_rob(t)，將其輸出。通過控制器中基于期望位置q_d建立的期望軌跡q_d(t)，有利于將實際機器人的行動軌跡更加平滑，使得控制更加平滑、類人。

可選的，所述的S2中導納控制器設計為其中τ_ha為使用者的關節力矩，B和K分別為關節阻尼和剛度。

可選的，S3中的平滑化模型設計為 q_d(t)＝a+b(t-t_i)+c(t-t_i)²+d(t-t_i)³+e(t-t_i)⁴+f(t-t_i)⁵，t∈[t_i，t_f]，其中t_i和t_f分別表示動作初始時間和末尾時間，a-f為常系數；當t＝t_f時，有q_d(t)＝q_d。