[發明專利]一種基于手部康復訓練裝置的訓練方法

在審

• 申請號: 201911336074.1
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111135012A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 張佳楫;左國坤;史斌君;徐佳琳
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波工業技術研究院慈溪生物醫學工程研究所;中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A63B23/14
• 代理公司: 寧波市鄞州甬致專利代理事務所(普通合伙) 33228
• 代理人: 張鴻飛

1.一種基于手部康復訓練裝置的訓練方法，所述手部康復訓練裝置包括分別對手掌托盤進行三自由度姿態控制的第一減速電機、第二減速電機、第三減速電機；其特征在于，所述第一減速電機、第二減速電機、第三減速電機上設有測量各自由度上的旋轉角度θ₁、θ₂、θ₃與的角度傳感器，所述第一減速電機、第二減速電機、第三減速電機及各角度傳感器均與工控機電連接，所述工控機設有電機驅動及控制電路，其與上位機電連接或無線連接：

所述旋轉角度在康復訓練時的定義如下：

θ₁：掌屈背伸運動方向；

θ₂：尺偏橈偏運動方向；

θ₃：前臂旋前/旋后運動方向；

具體算法如下：

1)上位機提示用戶進行手腕訓練的運動方向，誘導訓練者手腕在指定自由度方向上進行運動，并通過以下公式產生每一時刻的期望角度θ_d、期望角速度

其中，θ_d：期望角度，為θ₁、θ₂、θ₃其中之一的期望角度；

t：期望角度函數的時間自變量，訓練開始時刻t＝0；

l_a：啟動段起點至停止段起點的角度，根據康復訓練需求由用戶設定；

t_a：l_a對應的運動時長；所述t_a可根據康復訓練需求由用戶設定；

其中，期望角速度可由式(1)求導獲得；

2)工控機判斷是否t≤t_a，若是，跳轉至步驟3)按順序執行；若否，跳轉至步驟6)按順序執行；

3)實時檢測訓練者手腕在指定的自由度上實際的已轉過的當前角度θ與當前角速度

4)計算當前角度與期望角度、當前角速度與期望角速度的偏差：

5)根據自適應控制率計算當前指定自由度的驅動電機輸出力矩τ_m：

5.1)根據手部康復訓練裝置的物理特性計算以下參數：

θ：當前指定自由度的當前角度，選自θ₁、θ₂、θ₃；

τ_f：手腕康復訓練裝置在當前指定自由度方向上活動部分的庫倫摩擦力；

A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂：庫倫摩擦力模型參數，該參數可以通過在當前指定自由度的方向上進行摩擦力參數辨識實驗獲得；

τ_g(θ)＝M_agL_bcos(θ) (3)

τ_g(θ)：當前指定自由度驅動電機承受的重力力矩；

g：重力加速度；

θ：當前指定自由度的角度；

M_a：手腕康復訓練裝置在當前指定自由度活動部分的質量；

L_b：手腕康復訓練裝置在當前指定自由度活動部分質心至旋轉中心的距離；

τ_w＝M_bgL_bcos(θ) (4)

τ_w：用戶手部在不需要手腕康復訓練裝置輔助情況下進行當前指定自由度活動需要提供的力矩；

M_b：用戶手部在當前指定自由度上活動部分的質量；

L_b：用戶手部在當前指定自由度上活動部分的質心距腕部活動中心點的距離；

其中M_b、L_b可根據依據用戶年齡與性別不同，參考國標GB10000-1988中的人體數據，計算用戶手部的平均物理數值；

I：手腕康復訓練裝置在當前指定自由度方向上活動部分的轉動慣量；

γ：根據理想狀態計算手腕康復訓練裝置在當前指定自由度方向上驅動電機所需提供的力矩；

5.2)計算自適應軌跡跟蹤電機力矩τ₁：

對真實物理系統參數a的估計值，其初始值為1，控制算法開始后即進行估計；

a:物理系統數學模型輸出與真實物理系統輸出的之比，該值反應了物理系統與真實物理系統的逼真程度，當其值為1時表示物理系統數學模型的仿真數值與真實物理系統的輸出值完全相同；

真實物理系統參數估計值的變化速率，其初始值為0，控制算法開始后即進行更新；

c：滑模面參數，由用戶指定；

β(E_s)：獎懲因子，初始值為10000；

5.3)計算柔順控制力矩τ₂：

k：柔順控制中的剛度參數，可由用戶調整；

b：柔順控制中的阻尼參數，可由用戶調整；

計算當前指定自由度方向上驅動電機綜合輸出力矩τ_m、當前時刻用戶所施加的力矩τ_s：

τ_m＝τ₁+τ₂ (11)

τ_s＝γ-τ_m (12)

公式(10)用來估算當前時刻訓練者所施加的力矩，它的原理在于

6)計算用戶本次訓練用戶手腕付出能量E_s:

E_s＝∫τ_sdθ

7)更新下次訓練獎懲因子β(E_s)：

8)使用更新后的獎懲因子β(E_s)開始下一次訓練。

2.根據權利要求1所述的基于手部康復訓練裝置的訓練方法，其特征在于，將手腕康復訓練裝置手掌托盤處于水平向前方向定義為θ₁、θ₂、θ₃均為0的初始狀態。