[發(fā)明專利]一種基于導納模型的踝康復機器人多模式柔順訓練方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010178698.1
• 申請日: 2020-03-14
• 公開（公告）號: CN111345971B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董明杰;李劍鋒;范文培
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明涉及一種基于導納模型的伺服電機驅(qū)動的并聯(lián)踝康復機器人多模式柔順訓練方法，包括被動柔順、等張訓練和主動訓練三種訓練模式。三種訓練方法均可在背伸/跖屈、內(nèi)收/外展和內(nèi)翻/外翻三個自由度方向單軸運動，亦可多軸聯(lián)動。將踝康復機器人的人機耦合系統(tǒng)等效為一個質(zhì)量?彈簧?阻尼二階系統(tǒng)，將機器人動平臺的輸出角度轉(zhuǎn)化為輸入力矩與脈沖函數(shù)的卷積，分別根據(jù)三種柔順訓練方式各自的特點，進行相應(yīng)的導納模型變換，分別實現(xiàn)對踝肌力較弱的早期、踝關(guān)節(jié)有一定肌力水平的中期以及踝關(guān)節(jié)有較高肌力水平的康復訓練后期三個康復階段的柔順訓練。可適應(yīng)踝功能損傷患者不同的康復訓練階段，滿足不同階段踝康復訓練對柔順性和安全性的要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及康復機器人控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于導納模型的踝康復機器人多模式柔順訓練方法。

背景技術(shù)

我國總?cè)丝诨鶖?shù)巨大，伴隨老齡化進程的快速發(fā)展，腦卒中患者數(shù)目急劇增加，腦卒中預后效果差，并伴有高比例的足下垂患者。另外，腦癱導致的馬蹄足內(nèi)、外翻畸形亦屬于我國少年兒童的骨科多發(fā)病，一般需實行踝關(guān)節(jié)松解矯形手術(shù)并輔以術(shù)后康復治療。踝功能障礙的重要因素是中樞神經(jīng)存在損傷，相對應(yīng)地，康復訓練的根本目標則是激發(fā)中樞神經(jīng)的重組和代償，促進神經(jīng)系統(tǒng)運動感知功能恢復，進而重建踝運動使能。因此，踝關(guān)節(jié)損傷后，除配合藥物治療外，亦應(yīng)該進行康復訓練，以提高康復效率。將先進的機器人技術(shù)應(yīng)用于踝臨床康復醫(yī)療，可發(fā)揮其自動化、精確化程度高和適合執(zhí)行重復性、高強度體力勞動的優(yōu)勢，能夠有效降低醫(yī)護人員的勞動強度，提高踝康復訓練的效果和彌補康復醫(yī)療資源短缺的不足，并有助于加快康復進程。現(xiàn)有的踝康復機器人有氣動式和電動式兩種，多采用基于位置控制的被動康復訓練，尤其是對于電動式的并聯(lián)踝康復機器人，其驅(qū)動電機不像氣動的人工肌肉，自身沒有柔順性，現(xiàn)有的控制策略并沒有結(jié)合機器人平臺實現(xiàn)的柔順訓練方法，無法保證康復訓練過程中的柔順性和安全性，特別是缺少針對踝康復過程不同階段的全柔順康復訓練方法。因此，研發(fā)一種可適應(yīng)踝功能損傷患者不同的康復訓練階段，并在每一階段均實現(xiàn)柔順康復訓練，包括踝肌力較弱的早期、踝關(guān)節(jié)有一定肌力水平的中期以及踝關(guān)節(jié)有較高肌力水平的康復訓練后期的多模式柔順訓練方法是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于導納模型的踝康復機器人多模式柔順訓練方法，滿足不同階段踝康復訓練對柔順性和安全性的要求。

本發(fā)明的實施例提供了一種基于導納模型的伺服電機驅(qū)動的并聯(lián)踝康復機器人多模式柔順訓練方法，包括三種訓練模式，分別為被動柔順、等張訓練和主動訓練。該并聯(lián)踝康復機器人具有三個自由度，分別為背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻和內(nèi)收/外展，所發(fā)明實現(xiàn)的三種柔順康復訓練方法均可在三個自由度方向單軸運動，亦可多軸聯(lián)動。

首先，將并聯(lián)踝康復機器人的人機耦合系統(tǒng)等效為一個質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)，通過拉式變換可以得到機器人動平臺輸出角度與輸入力矩的傳遞函數(shù)，即為導納模型。所述作用力矩由六軸力傳感器實時檢測，并經(jīng)過解耦、濾波得到各個方向的力矩大小。

進一步，將上述二階阻尼系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為欠阻尼二階系統(tǒng)，對傳遞函數(shù)進行形式變換后，通過拉式反變換，得到時域下機器人動平臺輸出角度(即機器人動平臺角度在輸入力矩作用下的順應(yīng)量)與輸入力矩的關(guān)系。因為踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩是實時變化的，所以動平臺在時域下的響應(yīng)為持續(xù)輸入的力矩產(chǎn)生的輸出角度的疊加。在此，我們將輸入的力矩看成n個脈沖的疊加，按照比例和時間平移的方法，可得到任意時刻動平臺輸出角度的響應(yīng)，即為輸入力矩與脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積。

進一步，將基于導納模型得到的動平臺輸出角度值離散化，輸入到機器人下位機控制系統(tǒng)，采用位置插補模式，控制電機使動平臺順應(yīng)運動相應(yīng)的角度值。

進一步，基于上述導納模型，實現(xiàn)被動柔順訓練。當踝肌力低于設(shè)置的閾值時，實行純被動訓練，由踝康復機器人帶動踝關(guān)節(jié)按照醫(yī)師預定的康復訓練軌跡進行被動康復訓練。當踝肌力大于設(shè)置的閾值時，將大于閾值部分的力矩輸入導納模型，輸出相應(yīng)的角度修正量，由導納內(nèi)環(huán)軌跡跟蹤控制實現(xiàn)對角度修正量的高精度跟蹤。