CN110801368A - 康复机器人通用运动控制装置与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种康复机器人通用运动控制装置与控制方法，该控制装置包括康复机器人的主控制器、电机驱动模块、位置与速度检测模块、关节力信息采集模块、接触力信息采集模块和康复数据分析模块，所述电机驱动模块、所述位置与速度检测模块、所述关节力信息采集模块和所述接触力信息采集模块均安装在康复机器人上；其中，所述电机驱动模块连接若干个驱动康复机器人关节的关节驱动电机。有益效果在于：通过模块化总显示结构设计，提高康复机器人部件和功能的便捷扩展；可适用于单自由度、二自由度、三自由度、多自由度等不同的结构形式，对上肢、下肢、腰部等不同部位进行单关节独立训练、多关节协同训练等功能。

Description

康复机器人通用运动控制装置与控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种康复机器人通用运动控制装置与控制方法。

背景技术

随着社会老龄化的加剧和交通事故的频发，由脑卒中、脑外伤或各种意外事故导致的残障人口迅速增长。传统的康复治疗方法存在人员消耗大、康复效果有限、难以长期坚持等问题，康复机器人将医学、信息、机械、电子、力学等多个学科技术与人体运动相结合，其标准化的运动和训练***可以促进神经功能重塑，最终达到恢复患者运动及控制能力的目的。康复机器人的技术研究和推广应用对于补充康复医疗资源、提高患者生活质量、促进社会和谐具有重要意义。

针对上肢、下载、腰部等不同部位的应用需求，康复机器人往往具有单自由度、二自由度、三自由度、多自由度等不同的结构形式，同时在不同的康复阶段，康复机器人又具有被动牵引、主动助力、主动抗阻等不同的运动模式。针对如此多的功能和应用需求，当前的康复机器人运动控制往往针对特定几种需求进行定制化设计，***改进或扩展需要重新设计控制装置和控制方法。现有的控制装置和控制方法存在主被动运动模式不完备、通用性差、控制方式不统一、功能单一等缺点，无法根据训练需求及训练效果进行关节扩展和多功能康复训练。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供康复机器人通用运动控制装置，本发明提供的诸多技术方案中优选的技术方案具有：能够通过采用多功能主被动运动控制装置与方法，通过模块化总线控制，实现机器人部件和功能的扩展，以便于患者进行单关节独立训练和夺冠揭协同训练功能的技术效果，详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的康复机器人通用运动控制装置，包括康复机器人的主控制器、电机驱动模块、位置与速度检测模块、关节力信息采集模块、接触力信息采集模块和康复数据分析模块，所述电机驱动模块、所述位置与速度检测模块、所述关节力信息采集模块和所述接触力信息采集模块均安装在康复机器人上；其中，所述电机驱动模块连接若干个驱动康复机器人关节的关节驱动电机，所述主控制器还连接有康复数据显示模块；

所述主控制器包括轨迹规划模块、运动学计算模块、动力学计算模块、示教编程模块、康复数据分析模块、功能设置模块、通讯模块和力控制模块。

作为优选，所述关节力信息采集模块包括关节转矩传感器和电机电流两种检测方式，所述综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比变换得到关节转矩信息，将两个转矩信息输入所述主控制器中，结合机器人动力学、运动学进行阻抗控制与力/位混合控制，进行不同功能模式下的力闭环计算，从而进行主被动运动控制。

作为优选，所述接触力信息采集模块为安装在康复机器人与患者接触部位之间的一维力传感器或六维力矩传感器，用于检测患者与康复机器人之间的交互力，并测量力的变化量信息；变化量信息输入主控制器中作为反馈力信息，并结合关节力信息、位置信息形成完整的闭环控制。

作为优选，所述康复数据显示模块为一个用于康复数据分析和显示的带显示屏PC机，用于记录和储存训练患者的姿***置、方向、速度以及反馈的接触力信息，并在显示屏上显示。

一种康复机器人通用运动控制装置的控制方法，包括位置与速度控制、模型补偿控制、综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制和多传感通用混合主被动运动控制四部分；

其中，所述位置与速度控制过程中，关节驱动电机的位置反馈与速度反馈由编码器获得，位置与速度给定由轨迹规划获得，在求得偏差后进行PID计算并输出至内控制闭环；

所述模型补偿控制过程中，模型包括机器人动力学模型中的惯性力项

、离心力和哥氏力项、重力项以及摩擦力项；

所述综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制具有三种传感方式，分别为采用关节转矩传感器测量关节转矩、基于电机电流检测关节转矩以及采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力；

所述多传感通用混合主被动运动控制过程中，将位置控制、速度控制以及三种传感方式的力控制融合，多个闭环的控制输出在转矩部分叠加，实现具有轨迹约束的被动牵引训练、轨迹约束下的主动助力辅助训练、基于力追踪的主动抗阻训练多种运动模式。

所述综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，经过滤波后传输至主控制器。

所述基于电机电流检测关节转矩，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比以及机器人模型得到关节转矩信息；基于电机电流的关节转矩检测计算公式为：

其中

为各轴关节力矩，N为减速器的减速比，

为电机极对数，为电机磁链，为电机q轴电流，为电机转子惯量，

为机器人动力学方程。

所述采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力，传感器采用一维力传感器或六维力/力矩传感器。

综上，本发明的有益效果在于：1、通过模块化总显示结构设计，提高康复机器人部件和功能的便捷扩展；

2、可适用于单自由度、二自由度、三自由度、多自由度等不同的结构形式，对上肢、下肢、腰部等不同部位进行单关节独立训练、多关节协同训练等功能；

3、适用于关节转矩传感器、六维力/力矩传感器、电机电流三种传感方式的通用力控制方法，实现具有轨迹约束的被动牵引训练、轨迹约束下的主动助力辅助训练、基于力追踪的主动抗阻训练多种运动模式。

4、本发明是根据目前康复机器人需要满足不同应用部位、不同康复阶段、多种自由度及主被动牵引、抗阻等不同运动模式而设计的通用运动控制装置与方法，使得多种功能机器人可以应用一种核心控件，省时省力，且在维护上降低人力成本及控件成本，为康复机器人家用化提供基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的***结构示意图；

图2是本发明的连接结构示意图；

图3是本发明控制方法的结构示意图。

附图标记说明如下：

1、主控制器；11、轨迹规划模块；12、运动学计算模块；13、动力学计算模块；14、示教编程模块；15、康复数据分析模块；16、功能设置模块；17、通讯模块；18、力控制模块；2、关节力信息采集模块；3、位置与速度检测模块；4、接触力采集模块；5、电机驱动模块；6、康复数据显示模块；7、康复机器人。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见图1-图3所示，本发明提供了康复机器人通用运动控制装置，包括康复机器人7的主控制器1、电机驱动模块5、位置与速度检测模块3、关节力信息采集模块2、接触力信息采集模块4和康复数据分析模块15，电机驱动模块5、位置与速度检测模块3、关节力信息采集模块2和接触力信息采集模块4均安装在康复机器人7上；其中，电机驱动模块5连接若干个驱动康复机器人7关节的关节驱动电机，主控制器1还连接有康复数据显示模块6；主控制器1包括轨迹规划模块11、运动学计算模块12、动力学计算模块13、示教编程模块14、康复数据分析模块15、功能设置模块16、通讯模块17和力控制模块18；主控制器1为双核控制器，一个核心主要完成示教、变成、功能设置和通讯功能，通过CAN、EtherCAT或Profinet等接口外部连接，实现示教编程和离线编程；另一核心主要完成康复机器人7的运动规划与控制，包括运动学计算、轨迹规划与插补、动力学计算以及力控制、关键信息记录及数据分析等功能；此外，使用者可基于分布式总线结构，对节点进行扩展，满足其他功能的扩展需求。

轨迹规划模块11计算出各轴的转矩输出

、，并将结果发送给电机驱动模块5进行伺服控制，并进一步控制康复机器人7；位置与速度检测模块3通过安装在关节驱动电机胃部的编码器检测康复机器人7运动的位置和速度信息

、

，并将其反馈给电机驱动模块5和主控制器1，用于康复机器人7的运动控制；关节李信息采集模块采集各轴关节力矩

，并将其反馈给康复机器人7主控制器1中的力控制模块18，来进行主被动策略控制；功能设置模块16依据操作者进行主被动控制策略设置，并将设置好的信息传递给轨迹规划模块11和力控制模块18，从而进行关节力控制；示教编程模块14可以完成展示教学在线控制；接触力信息采集模块4为安装在康复机器人7与人体接触部位之间的传感器，为一维力传感器或六维力/力矩传感器，通过采集理信息后传递给主控制器1进行力控制。

关节力信息采集模块2包括关节转矩传感器和电机电流两种检测方式，综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比变换得到关节转矩信息，将两个转矩信息输入主控制器1中，结合机器人动力学、运动学进行阻抗控制与力/位混合控制，进行不同功能模式下的力闭环计算，从而进行主被动运动控制；

接触力信息采集模块4为安装在康复机器人7与患者接触部位之间的一维力传感器或六维力矩传感器，用于检测患者与康复机器人7之间的交互力，并测量力的变化量信息；变化量信息输入主控制器1中作为反馈力信息，并结合关节力信息、位置信息形成完整的闭环控制，具有柔顺控制的优点，极大加强力控制精度准确性，提高康复训练效果；

康复数据显示模块6为一个用于康复数据分析和显示的带显示屏PC机，用于记录和储存训练患者的姿***置、方向、速度以及反馈的接触力信息，并在显示屏上显示。

一种康复机器人通用运动控制装置的控制方法，包括位置与速度控制、模型补偿控制、综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制和多传感通用混合主被动运动控制四部分；

其中，位置与速度控制过程中，关节驱动电机的位置反馈与速度反馈由编码器获得，位置与速度给定由轨迹规划获得，在求得偏差后进行PID计算并输出至内控制闭环；

模型补偿控制过程中，模型包括机器人动力学模型中的惯性力项

、离心力和哥氏力项、重力项以及摩擦力项，通过模型控制能够对机器人***的非线性进行解耦，计算***响应速度提高控制性能；

综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制具有三种传感方式，分别为采用关节转矩传感器测量关节转矩、基于电机电流检测关节转矩以及采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力；

多传感通用混合主被动运动控制过程中，将位置控制、速度控制以及三种传感方式的力控制融合，多个闭环的控制输出在转矩部分叠加，实现具有轨迹约束的被动牵引训练、轨迹约束下的主动助力辅助训练、基于力追踪的主动抗阻训练多种运动模式；实际应用中，三种力传感方式选用一种即可，当力控制增益K为0时，力控制部分不起作用，此时机器人的运动控制由位置控制决定，可实现具有轨迹约束的被动牵引训练；当力控制增益K为正值时，机器人与环境间的作用力会反馈回控制回路，可实现轨迹约束下的主动助力辅助训练；当力控制增益K为负值时，机器人与环境间的作用力会反馈回控制回路，并起到反向作用，可实现基于力追踪的主动抗阻训练多种运动模式。

综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，经过滤波后传输至主控制器1。

基于电机电流检测关节转矩，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比以及机器人模型得到关节转矩信息；基于电机电流的关节转矩检测计算公式为：

其中为各轴关节力矩，N为减速器的减速比，

为电机极对数，为电机磁链，为电机q轴电流，为电机转子惯量，为机器人动力学方程。

采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力，传感器采用一维力传感器或六维力/力矩传感器，主要是用来检测患者与机器人之间的交互力，采用六维力/力矩传感器时能够测量多个方向上力的变化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.康复机器人通用运动控制装置，其特征在于，包括康复机器人（7）的主控制器（1）、电机驱动模块（5）、位置与速度检测模块（3）、关节力信息采集模块（2）、接触力信息采集模块（4）和康复数据分析模块（15），所述电机驱动模块（5）、所述位置与速度检测模块（3）、所述关节力信息采集模块（2）和所述接触力信息采集模块（4）均安装在康复机器人（7）上；其中，所述电机驱动模块（5）连接若干个驱动康复机器人（7）关节的关节驱动电机，所述主控制器（1）还连接有康复数据显示模块（6）；

所述主控制器（1）包括轨迹规划模块（11）、运动学计算模块（12）、动力学计算模块（13）、示教编程模块（14）、康复数据分析模块（15）、功能设置模块（16）、通讯模块（17）和力控制模块（18）。

2.根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置，其特征在于：所述关节力信息采集模块（2）包括关节转矩传感器和电机电流两种检测方式，所述综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比变换得到关节转矩信息，将两个转矩信息输入所述主控制器（1）中，结合机器人动力学、运动学进行阻抗控制与力/位混合控制，进行不同功能模式下的力闭环计算，从而进行主被动运动控制。

3.根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置，其特征在于：所述接触力信息采集模块（4）为安装在康复机器人（7）与患者接触部位之间的一维力传感器或六维力矩传感器，用于检测患者与康复机器人（7）之间的交互力，并测量力的变化量信息；变化量信息输入主控制器（1）中作为反馈力信息，并结合关节力信息、位置信息形成完整的闭环控制。

4.根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置，其特征在于：所述康复数据显示模块（6）为一个用于康复数据分析和显示的带显示屏PC机，用于记录和储存训练患者的姿***置、方向、速度以及反馈的接触力信息，并在显示屏上显示。

5.一种根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置的控制方法，其特征在于：包括位置与速度控制、模型补偿控制、综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制和多传感通用混合主被动运动控制四部分；

其中，所述位置与速度控制过程中，关节驱动电机的位置反馈与速度反馈由编码器获得，位置与速度给定由轨迹规划获得，在求得偏差后进行PID计算并输出至内控制闭环；

所述模型补偿控制过程中，模型包括机器人动力学模型中的惯性力项、离心力和哥氏力项

、重力项

以及摩擦力项

；

所述综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制具有三种传感方式，分别为采用关节转矩传感器测量关节转矩、基于电机电流检测关节转矩以及采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力；

所述多传感通用混合主被动运动控制过程中，将位置控制、速度控制以及三种传感方式的力控制融合，多个闭环的控制输出在转矩部分叠加，实现具有轨迹约束的被动牵引训练、轨迹约束下的主动助力辅助训练、基于力追踪的主动抗阻训练多种运动模式。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，经过滤波后传输至主控制器（1）。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述基于电机电流检测关节转矩，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比以及机器人模型得到关节转矩信息；基于电机电流的关节转矩检测计算公式为：

其中

为各轴关节力矩，N为减速器的减速比，

为电机极对数，

为电机磁链，

为电机q轴电流，

为电机转子惯量，

为机器人动力学方程。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力，传感器采用一维力传感器或六维力/力矩传感器。

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