CN104688486A - 一种下肢康复机器人运动控制*** - Google Patents

一种下肢康复机器人运动控制*** Download PDF

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Abstract

一种下肢康复机器人的运动控制***，针对患者不同恢复阶段的康复效果不同，控制***分为被动训练和主动训练两种工作模式：被动训练模式下，患者由机械腿带动，按预定的生理学步态轨迹运动，其产生的异常运动被完全抑制；主动训练模式下，机械腿抑制患者有限的异常运动，通过实时检测人机交互作用，采用人机逆动力学模型提取患者作用于机械腿所产生的关节驱动力，获取患者的主动运动意图，使患者可以实时主动地调整步态轨迹，其主动参与康复训练的积极性得到了提高。本发明为患者提供一种适合不同恢复阶段的下肢康复训练运动，提高患者参与康复训练的主动性，建立其康复的信心和运动的积极性，使康复训练的效果得到增强。

Description

一种下肢康复机器人运动控制***
技术领域
本发明一种下肢康复机器人运动控制***，用于下肢运动功能障碍患者的步行康复训练。
背景技术
现如今，由于脊椎损伤、脑卒意外事故伤害等原因造成人体的神经受损，进而引发的人体运动功能障碍已成为一种常见的疾病。目前，减重步态训练是下肢偏瘫患者康复治疗普遍采用的有效方法之一，这种康复方式对中风和不完全脊柱损伤等有特殊的疗效，其康复效果已经得到国内外众多医学专家的普遍认同。当患者运动功能很差、关节严重痉挛、不能独立行走时，需要1～3个康复专业理疗师的帮助才能完成行走训练。因此，目前大多数临床医院采用的方式为患者在理疗师手把手的指导下，完成正确的步态行走，这种传统的减重步态训练的效果在很大程度上取决于理疗师的经验和水平，存在效率低、工作强度大，训练参数不确定等缺点，且患者参与训练的主动性不强，制约了康复训练效率的提高和方法的改进。
针对现有减重康复训练的不足，将机器人技术引入到下肢康复训练中具有重要的现实意义。鉴于此，将机器人技术与康复医学结合，设计一种下肢康复机器人的运动控制***代替理疗师完成患者的减重步行训练，以便改进现有技术的上述缺陷。
发明内容
针对步行障碍患者进行人工减重步行训练时存在的问题和缺陷，本发明提供一种下肢康复机器人运动控制***，提高患者参与康复训练的兴趣和主动性、增强其康复信心、提高康复训练效率；且能适合患者不同恢复阶段。
本发明采取的技术方案为：
一种下肢康复机器人的运动控制***，针对患者不同恢复阶段的康复效果不同，控制***分为被动训练和主动训练两种工作模式：被动训练模式下，患者由机械腿带动，按预定的生理学步态轨迹运动，其产生的异常运动被完全抑制；主动训练模式下，机械腿抑制患者有限的异常运动，通过实时检测人机交互作用，采用人机逆动力学模型提取患者作用于机械腿所产生的关节驱动力，获取患者的主动运动意图，使患者可以实时主动地调整步态轨迹，其主动参与康复训练的积极性得到了提高。
在患者康复阶段的早、中期，采用被动康复训练模式，患者完全在外骨骼式机械腿的带动下，在跑步机上以预定的生理学步态轨迹行走，通过重复的、特定任务的训练，激发患者对正确运动的感觉，学习和存储正确的运动模式，抑制其肌肉痉挛及异常运动，驱动机械腿带动患者实现步行康复训练。
在患者康复阶段的中、后期，采用主动康复训练模式，在康复训练过程中，利用拉压力传感器实时采集患者的主动作用力，即固定约束处的受力值，由此受力值判断跑步机对应的加速或减速动作，从而患者可以按照自己的需求，实现主动运动，增强患者主动参与康复训练的程度。随着患者在跑步机上产生加减速的运动趋势，将得到的vc引入跑步机速度控制器，跑步机不断自主调节速度，使得患者相对于跑步机在X方向受到的静摩擦力Fx尽快趋近于零，即可完成速度的跟随自适应控制。本控制器的设计是基于力的状态反馈来消除稳态误差，以实现对跑步机速度的精确控制。患者能通过短暂时间的行走，很快适应这套实验装置，并能够在跑步机上实现速度的自主跟随调节。该***能在较好地实现被动运动的基础上，引入患者主动运动意图，增强患者参与的主动积极性，有利于刺激未完全损伤的中枢神经和激发中枢神经***的功能重建和重组，对中枢神经***损伤后运动功能的恢复起到了很好的效果。
下肢康复机器人运动控制***由外骨骼步态矫形器、减重装置、跑步机和控制***4部分组成。其中核心部件外骨骼步态矫形器由两条外骨骼式机械腿构成，每条机械腿髋关节、膝关节、踝关节各有一个自由度，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实现三自由度的运动。在后部支架上安装一维拉压力传感器，与患者髋关节处的橡皮带相连，测量患者的主动运动力。该下肢康复机器人为患者提供了适合不同恢复阶段的康复训练运动，包括髋、膝、踝关节的被动和主动训练模式下的康复训练运动，以及步行康复运动。
本发明一种下肢康复机器人运动控制***，与现有技术相比较，具有如下的实质性特点和显著优点：
采用自动化的下肢康复训练机器人代替传统的人工减重步行训练，提高了康复训练的效率，并使训练效果得以增强。***提供两种康复训练模式，康复训练的步态周期、幅度、训练时间等参数均可手动或自动调节，以满足患者不同康复阶段的要求。
本发明采用一套力测量装置检测人对跑步机的作用力，利用该作用力实时反馈人体运动状态，控制跑步机速度，实现速度跟随自适应，满足患者主动训练的需求。
附图说明
图1为本发明的下肢步行康复训练机器人运动***示意图；
图2为本发明的人在跑步机上行走的力学模型示意图；
图3为本发明的跑步机速度自适应的控制原理框图；
图4为本发明的控制***硬件构成示意图。
具体实施方式
一种下肢康复机器人运动控制***，针对患者不同恢复阶段的康复效果不同，控制***分为被动训练和主动训练两种工作模式：被动训练模式下，患者由机械腿带动，按预定的生理学步态轨迹，即符合人体生理学运动规律的步态轨迹运动，其产生的异常运动被完全抑制；主动训练模式下，机械腿抑制患者有限的异常运动，通过实时检测人机交互作用，采用人机逆动力学模型（利用计算机辅助方法建立和求解机器人机构的动力学模型）提取患者作用于机械腿所产生的关节驱动力，获取患者的主动运动意图，使患者可以根据自己的意愿实时地调整步态轨迹。
本发明采用下肢康复训练机器人，下肢康复训练机器人包括外骨骼步态矫形器2、减重装置1、跑步机3；代替传统的人工减重康复训练。针对患者康复阶段的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，患者下肢肌肉缺乏自主运动的力量和负重的能力，采用被动康复训练模式，患者完全在外骨骼式机械腿的带动下，在跑步机3上以预定的生理学步态轨迹，即：符合人体生理学运动规律的步态轨迹运动行走，抑制其肌肉痉挛及异常运动，驱动机械腿带动患者实现步行康复训练。随着患者病情的改善，其主动意识不断增强，此时患者进行主动训练更有利于运动功能的恢复。利用拉压力传感器5实时采集患者的主动作用力，即固定约束处的受力值，由此受力值判断跑步机对应的加速或减速动作，从而患者可以按照自己的需求，实现主动运动。
参见图1，本发明一种下肢康复机器人运动控制***，由减重装置1、外骨骼步态矫形器2、跑步机3及电气控制柜组成。其中，减重装置1主要包括固定支撑架、减重控制台、电动升降杆、减重吊带等。减重控制台控制电动升降杆的升降，随着升降杆的升高，患者被逐渐向上吊起，下肢负重减少，减少的重量可以在减重控制台上显示出来。按需要可以从下肢0%（完全负重）~100%（完全不负重）调整下肢减重量。外骨骼步态矫形器2设计为两条外骨骼式机械腿，每条机械腿具有髋关节弯曲/伸展、膝关节弯曲/伸展、踝关节跖屈/背屈3个自由度，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实现三自由度的运动，在每个关节处安装有滚珠丝杠线性驱动器，用于驱动矫形器各关节运动。患者穿戴好固定在连杆末端上的腰带4，由操作人员根据其腰带4的高度设定好连杆另一端的高度，保证处于水平状态。运行实验程序，被动模式下，跑步机3以预先设定的参数启动，患者跟随跑步机3开始行走训练；主动模式下，拉压力传感器5检测患者的运动趋势，使患者可以实时主动地调整步态轨迹。
人的步行运动主要是在人体矢状面上进行。定义X方向为步行运动方向，Y方向为步行过程中人体重心左右偏摆方向，Z方向为人体重心上下移动方向，建立如图2所示的人在跑步机上行走的力学模型。在该模型中加入人体X方向运动的固定约束，从而模拟实际的下肢康复训练中患者髋关节所受到的约束。Fx为人体相对于跑步机在X方向受到的静摩擦力，Fm为固定约束处的受力。根据受力分析，Fm=Fx。当人处于静止或者匀速运动的状态时，Fx 为零；当人有加速向前的运动趋势时，Fx ＞0；当人有减速向后的运动趋势时，Fx＜0。Fx 的值虽然无法直接得到，但是Fm的值却可以通过安装拉压力传感器5测量，由拉压力传感器5检测到的信号值，来判断跑步机3相应的加速或减速动作，从而实现跑步机3的速度跟随自适应控制，参见图3。
参见图4，本发明控制***硬件由步行康复训练机器人及控制部分组成。控制部分包括信号处理电路、伺服驱动器、数据采集卡、运动控制卡、工控机等。当工控机根据控制程序发出指令，经过运动控制卡输出电机控制量到驱动电路中，伺服驱动器接收到指令，控制电机实现机械腿带动患者步行训练的功能。同时，工控机通过串口发送指令实现跑步机3的同步协调运动；通过数据采集卡实时采集关节角度、驱动力、限位开关等信号，反馈到步态轨迹控制器中，实现不同模式下的轨迹控制。

Claims (7)

1.一种下肢康复机器人运动控制***，其特征在于，针对患者不同恢复阶段的康复效果不同，该控制***分为被动训练和主动训练两种工作模式：
被动训练模式下，患者由机械腿带动，按预定的生理学步态轨迹运动，其产生的异常运动被完全抑制；
主动训练模式下，机械腿抑制患者有限的异常运动，通过实时检测人机交互作用，采用人机逆动力学模型，提取患者作用于机械腿所产生的关节驱动力，获取患者的主动运动意图。
2.根据权利要求1所述一种下肢康复机器人运动控制***，其特征在于，针对患者康复阶段的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，采用所述被动训练训练模式，患者完全在外骨骼式机械腿的带动下，在跑步机（3）上以预定的生理学步态轨迹行走，激发患者对正确运动的感觉，抑制其肌肉痉挛及异常运动，驱动机械腿带动患者实现步行康复训练。
3.根据权利要求1所述一种下肢康复机器人运动控制***，其特征在于，针对患者康复阶段的中、后期，包括痉挛期和改善期，采用所述主动训练模式，在康复训练过程中，利用拉压力传感器（5）实时采集患者的主动作用力，即固定约束处的受力值，由此受力值判断跑步机对应的加速或减速动作，从而患者可以按照自己的需求，实现主动运动。
4.根据权利要求1所述一种下肢康复机器人运动控制***，其特征在于，该控制***由外骨骼步态矫形器（2）、减重装置（1）、跑步机（3）和控制***四部分组成，
其中外骨骼步态矫形器（2）由两条外骨骼式机械腿构成，每条外骨骼式机械腿髋关节、膝关节、踝关节各有一个自由度，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实现三自由度的运动；在后部支架上安装拉压力传感器（5），与患者髋关节处的橡皮带相连，测量患者的主动运动力。
5.根据权利要求4所述一种下肢康复机器人运动控制***，其特征在于，下肢康复机器人运动控制***由步行康复训练机器人、信号处理电路、伺服驱动器、数据采集卡、运动控制卡、工控机构成；当工控机根据控制程序发出指令，经过运动控制卡输出电机控制量到驱动电路中，伺服驱动器接收到指令，控制电机实现机械腿带动患者步行训练的功能；同时，工控机通过串口发送指令实现跑步机（3）的同步协调运动；通过数据采集卡实时采集关节角度、驱动力、限位开关等信号，反馈到步态轨迹控制器中，实现不同模式下的轨迹控制。
6.根据权利要求4所述一种下肢康复机器人运动控制***，其特征在于，随着患者在跑步机上产生加减速的运动趋势，将得到的速度vc引入跑步机速度控制器，跑步机（3）不断自主调节速度，使得患者相对于跑步机（3）在X方向受到的静摩擦力Fx尽快趋近于零，即可完成速度的跟随自适应控制。
7.如权利要求1~6任意一项所述的一种下肢康复机器人运动控制***，其特征在于，用于下肢运动功能障碍患者的步行康复训练。
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