CN111956448A - 一种下肢康复机器人及其动觉控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及康复机器人动觉控制技术领域，公开了一种下肢康复机器人的动觉控制方法，本方法包括：S1：判断当前脊髓损伤患者的状态是否为预设早期康复状态；S2：若当前脊髓损伤患者的状态为预设早期康复状态，则按照预设被动训练方案对下肢康复机器人进行运动反解，并按照运动反解后对应的被动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动；S3：若当前脊髓损伤患者的状态不为预设早期康复状态，则按照预设主动训练方案对下肢康复机器人进行运动正解，并按照运动正解后对应的主动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动。采用本方法对脊髓损伤患者的神经轴突再生和重塑具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及计算机辅助康复医学领域，尤其涉及一种下肢康复机器人及其动觉控制方法。
背景技术
研究发现，成年脊髓中存在着大量静息的神经联系，激活这些静息的联络通道，或促进形成新的突触联系，均有助于提高脊髓损伤患者脊髓的可塑性。脊髓损伤患者在卧床期早期强化训练的重要性在于不仅能够易化中枢神经***的功能重组，而且能够减轻卧床和/或肌肉废用对神经、肌肉***可塑性的负性影响。
目前，脊髓损伤患者在卧床期的运动和训练能做的仅仅是日常的短时间(以分钟计时的)康复治疗，其训练强度对于抵消卧床和/或肌肉废用对神经、肌肉***可塑性的负性影响是不够的。开发新型康复机器人，使患者在卧床期即能保证一定强度的感觉运动训练，得到本体感觉、平衡觉的刺激，是十分必要的。
发明内容
针对上述现有技术的现状，本发明所要解决的技术问题在于提供一种下肢康复机器人及其动觉控制方法；
为了达到上述目的本方法包括以下技术方案：
一种下肢康复机器人，包括：并联机构平台、第一独立自由度转动副以及第二独立自由度转动副；
所述并联机构平台，用于支撑脊髓损伤患者躯干支撑平台以及虚拟训练场景的定位基准，所述并联机构平台为六自由度空间并联机构steward平台；
第一独立自由度转动副，用于实现带动脊髓损伤患者膝关节的转动；
第二独立自由度转动副，用于实现带动脊髓损伤患者踝关节的转动。
所述第一独立自由度转动副和第二独立自由转动副分别与并联机构平台串联连接。
进一步地，所述六自由度空间并联机构steward平台的每个自由度空间对应设置有电动缸推动平台；所述并联机构平台包括多个单自由度电动缸装置驱动，所述每个单自由度电动缸装置驱动分别和六自由度空间对应的电动缸推动平台对应设置，用于分别对应驱动每个电动缸推动平台。
一种基于下肢康复机器人的动觉控制方法，包括步骤：
S1：判断当前脊髓损伤患者的状态是否为预设早期康复状态；
S2：若当前脊髓损伤患者的状态为预设早期康复状态，则按照预设被动训练方案对下肢康复机器人进行运动反解，并按照运动反解后对应的被动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动；
S3：若当前脊髓损伤患者的状态不为预设早期康复状态，则按照预设主动训练方案对下肢康复机器人进行运动正解，并按照运动正解后对应的主动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动。
进一步地，驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动的过程包括：
按照预设康复训练动力学模型计算出当前需要驱动的流程训练流程的仿真目标的线加速度、转动角速度以及角加速度；
把计算的线加速度按照预设变换算法，变换至脊髓损伤患者预设头部前庭位置，并获取线加速度变换后对应的线加速度变换信息，所述线加速度变换包括仿真目标的目标坐标系至惯性坐标系的变换；
按照预设运动控制算法，对线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行信号滤波；
控制下肢康复机器人按照线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行位置变换，并获取下肢康复机器人的单自由度电动缸推动平台的位置变化量信号，并通过的六自由度空间并联机构steward平台的单自由度电动缸装置驱动，按照预设被动训练方案中的被动训练流程或按照预设主动训练方案中的主动训练流程控制下肢康复机器人的单自由度电动缸推动平台推动脊髓损伤患者。
进一步地，所述下肢康复机器人在预设被动训练方案中的被动训练流程或按照预设主动训练方案中的主动训练流程训练时，完成一次运动后，会按照预设返回速度返回预设初始位置，所述预设返回速度为预设人体感觉阈值极限速度。
进一步地，所述按照预设运动控制算法，对线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行信号滤波包括步骤：
对滤波信号的幅值进行限制；
通过高通加速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台在纵向、横向及垂直方向的瞬间加速度和位移；
通过高通角速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台的俯仰、横摇以及侧滚时对应的角速度；
通过低通加速通道消除下肢康复机器人并联机构平台的持续加速度。
进一步地，对滤波信号的幅值进行限制步骤包括：
按照预设幅值范围计算公式，确定信号滤波的最大幅值，所述预设幅值范围计算公式为：
f1＝KffP，ω1＝KωωP，且
其中
f1为仿真目标与六自由度平台质心点相同位置处的比力；
ω1为仿真目标角速度；
进一步地，通过高通加速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台在纵向、横向及垂直方向的瞬间加速度和位移包括步骤：
按照预设转化算法，获取下肢康复机器人分别在纵向、横向以及垂直方向的瞬间加速度以及位移，所述预设转化算法公式为：
a2＝Tf1+g
其中
T为时间；
g为重力加速度；
进一步地，通过高通角速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台的俯仰、横摇以及侧滚时对应的角速度包括步骤：
通过预设角度转换算法，获取下肢康复机器人静坐标系下俯仰、横摇以及侧滚运动的加速度，所述预设角度转换算法为：
ω2＝Tω1
进一步地，
按照预设滤波器传递函数，获取下肢康复机器人并联机构平台质心的线加速度以及该质心的位移，所述预设滤波器传递函数为：
其中
ξhpa为线加速度高通滤波阻力比；
ωhpa为线加速度高通滤波自然频率
S为下肢康复机器人并联机构平台质心的位移。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)下肢康复机器人动觉控制，通过机构运动学模型的正反解实现了主动和被动两种康复训练方案对患者实施刺激，这明显扩大了使用范围和用户群体，对于脊髓损伤患者的神经轴突再生和重塑具有重要意义；
(2)平移动觉实现时输入采用仿真目标与六自由度平台质心点相同位置处的惯性加速度与重力加速度矢量之差；旋转动觉的输入选择仿真目标角速度；
(3)在平移动觉高通通道中，为了避免运动信号低频部分产生的位移使平台超出运动空间而造成座椅机械损伤，设置高通滤波器以阻止运动信号的低频部分；
(4)在平移动觉低通通道中，惯性加速度与重力加速度矢量之差经低通滤波后输入倾斜协调模块，以平台的倾斜来模拟人体受到连续的加速度时的感觉。
附图说明
图1为脊髓损伤患者下肢康复机器人机构设计原理示意图；
图2为动觉产生原理的实施框图；
图3为滤波原理实施框图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本申请为了实现目的，如图1至图3所示采用以下技术方案：
一种下肢康复机器人，包括：并联机构平台、第一独立自由度转动副以及第二独立自由度转动副；
所述并联机构平台，用于支撑脊髓损伤患者躯干支撑平台以及虚拟训练场景的定位基准，所述并联机构平台为六自由度空间并联机构steward平台；
第一独立自由度转动副，用于实现带动脊髓损伤患者膝关节的转动；
第二独立自由度转动副，用于实现带动脊髓损伤患者踝关节的转动。
所述第一独立自由度转动副和第二独立自由转动副分别与并联机构平台串联连接。
进一步地，所述六自由度空间并联机构steward平台的每个自由度空间对应设置有电动缸推动平台；所述并联机构平台包括多个单自由度电动缸装置驱动，所述每个单自由度电动缸装置驱动分别和六自由度空间对应的电动缸推动平台对应设置，用于分别对应驱动每个电动缸推动平台。
本发明中的脊髓损伤下肢康复机器人的原理结构框图如图1所示；
该机器人包含六自由度空间并联机构steward平台和两个独立自由度的转动副。
其中，六自由度空间并联机构steward平台作为脊髓损伤患者康复训练机器人的支撑基础。
脊髓损伤患者躯干支撑平台安装在六自由度空间并联机构steward平台上，其中O－XYZ为全局坐标系，用于机构设计和虚拟训练场景基准定位。
其中六个自由度包括：
绕局部坐标系O1-X1Y1Z1中X1轴的转动(转角α)；
绕Y1轴的转动(转角β)；
绕Z1轴的转动(转角γ)；
沿X1轴的移动(位移x0)；
沿Y1轴的移动(位移y0)和Z1轴的移动(位移z0)。
绕局部坐标系O1′-X1′Y1′Z1′坐标轴X1′的转动(转角α′)和绕局部坐标系O1″-X1″Y1″Z1″坐标轴X1″的转动(转角α″)，实现膝关节和踝关节转动的两个局部运动副与空间并联机构平台之间为串联关系。
通过控制康复机器人各运动部件在不同康复训练模式下的运动范围、速度和加速度，可以带动患者进行躯干以及下肢肌的针对性康复训练运动。
本下肢康复机器人结构上将设计为适应多种坐姿和不同身材的患者，并且具有安全架，能适应多种不同的肌群联合激励训练。
对于非常虚弱的人可以放置为半躺姿势，如坐平衡能力受损的患者，以便得到康复训练。
因此，在六自由度空间并联机构steward平台的座椅靠背、扶手设计为可折叠方式。患者在特殊设计的虚拟环境及其运动场面转换过程中，将会得到有意义和多样的训练。
实施例二
本实施例提供了一种基于下肢康复机器人的动觉控制方法，如图2至u3所示，本方法包括步骤：
S1：判断当前脊髓损伤患者的状态是否为预设早期康复状态；
S2：若当前脊髓损伤患者的状态为预设早期康复状态，则按照预设被动训练方案对下肢康复机器人进行运动反解，并按照运动反解后对应的被动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动；
S3：若当前脊髓损伤患者的状态不为预设早期康复状态，则按照预设主动训练方案对下肢康复机器人进行运动正解，并按照运动正解后对应的主动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动。
脊髓损伤患者损伤平面以下的躯干肌与下肢肌均受累。
从医学角度分析脊髓损伤患者受累肌肉部位、肌肉实现的运动、康复机器人针对性训练动作设计如表1所示，根据表1来指定单点刺激或多点刺激的多模式动觉康复医疗方案。
表1康复机器人运动与肌肉群训练功能表
其中对于脊髓损伤患者休克期过后的早期康复多数情况需要采用被动训练方案，此时需要对座椅进行运动反解，即利用虚拟仿真目标运动状态驱动座椅运动***。
对于脊髓损伤患者中后期康复，多数情况需要采用主动训练方案，即患者主动驱动座椅，此时需要对座椅进行运动正解，即利用座椅运动伺服***的上位机控制虚拟仿真目标运动状态。
动觉生成即是在有限的平台运动空间内，复现真实环境中人所能感受到的角速度和力的运动驱动算法，以刺激脊髓损伤患者的运动神经***形成反射。
动觉生成中将以人体头部所感受到的真实加速度为输入，通过动觉模拟算法转换成使人有相似感受而且座椅能够实现的信号，作为座椅运动***的输入。
患者的动觉刺激信息源由座椅运动***的运动提供，座椅运动***由六个单自由度的电动缸装置驱动，用于控制电动缸运动装置的专用计算机接受主计算机康复训练运动方式中动力学模型计算出的仿真目标线加速度和转动角速度、角加速度，然后把线加速度变换到患者的头部前庭处(其中包括目标坐标系到惯性坐标系的变换)，转动角速度、角加速度不需质心变换，只需从仿真目标坐标系变换到惯性坐标系，变换后的信息通过运动控制算法，进行信号滤波，经作动器位置变换，获取各电动缸的位置变化量信号，再经位置伺服电机，控制电动缸推动平台按要求的规律运动。
运动过程中，由于电动缸行程有限，在完成一次运动后，必须“缓慢”返回到初始位置，以便使下一个运动模拟具有足够的行程，让患者感觉不到此运动的存在，即洗出运动。这可根据人体感知机制，利用人体感觉的阈值极限来设置此运动，使得人体感觉不到运动的存在。
进一步地，驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动的过程包括：
按照预设康复训练动力学模型计算出当前需要驱动的流程训练流程的仿真目标的线加速度、转动角速度以及角加速度；
把计算的线加速度按照预设变换算法，变换至脊髓损伤患者预设头部前庭位置，并获取线加速度变换后对应的线加速度变换信息，所述线加速度变换包括仿真目标的目标坐标系至惯性坐标系的变换；
按照预设运动控制算法，对线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行信号滤波；
控制下肢康复机器人按照线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行位置变换，并获取下肢康复机器人的单自由度电动缸推动平台的位置变化量信号，并通过的六自由度空间并联机构steward平台的单自由度电动缸装置驱动，按照预设被动训练方案中的被动训练流程或按照预设主动训练方案中的主动训练流程控制下肢康复机器人的单自由度电动缸推动平台推动脊髓损伤患者。
进一步地，所述下肢康复机器人在预设被动训练方案中的被动训练流程或按照预设主动训练方案中的主动训练流程训练时，完成一次运动后，会按照预设返回速度返回预设初始位置，所述预设返回速度为预设人体感觉阈值极限速度。
由于力的表示可以用加速度来衡量，但因为重力的存在，人体对加速度的感觉以比力的形式表现，即惯性加速度与重力加速度矢量之差。
因此，平移通道的输入为仿真目标与六自由度平台质心点相同位置处的比力f；旋转通道的输入则由于座椅和运动平台固结在一起而选择仿真目标角速度ω。
在平移高通通道中，为了避免运动信号低频部分产生的位移使平台超出运动空间而造成座椅机械损伤，设置了高通滤波器模块以阻止运动信号的低频部分，该通道最终产生平台的平移运动；
在平移低通通道中，比力经低通滤波后输入倾斜协调模块，以平台的倾斜来模拟人体受到连续的加速度时的感觉。
设置转速限制模块是为了防止平台倾斜等效角速度超过人体感觉角速度的阈值(3°/s)，该通道最终产生座椅欧拉角的低频部分βL；旋转高通通道类似于平移高通通道，用来产生平台在惯性坐标系下的座椅欧拉角的高频部分βH。座椅总欧拉角β＝βH+βL。对于洗出运动采用的滤波控制方法如下：
进一步地，所述按照预设运动控制算法，对线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行信号滤波包括步骤：
对滤波信号的幅值进行限制；
通过高通加速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台在纵向、横向及垂直方向的瞬间加速度和位移；
通过高通角速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台的俯仰、横摇以及侧滚时对应的角速度；
通过低通加速通道消除下肢康复机器人并联机构平台的持续加速度。
进一步地，对滤波信号的幅值进行限制步骤包括：
由于运动***的电动缸行程有限，所以滤波信号幅值不能超过选定的最大幅值，按照预设幅值范围计算公式，确定信号滤波的最大幅值，所述预设幅值范围计算公式为：
f1＝KffP，ω1＝KωωP，且
其中
f1为仿真目标与六自由度平台质心点相同位置处的比力；
ω1为仿真目标角速度；
进一步地，通过高通加速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台在纵向、横向及垂直方向的瞬间加速度和位移包括步骤：
按照预设转化算法，获取下肢康复机器人分别在纵向、横向以及垂直方向的瞬间加速度以及位移，所述预设转化算法公式为：
a2＝Tf1+g
其中
T为时间；
g为重力加速度；
通过算法a2＝Tf1+g，滤波前将比力f1转化为静坐标系下的加速度a2。座椅在纵向、横向及垂向三方向的运动均采用此通道，以产生在纵向、横向及垂向三方向的瞬间加速度及位移。
滤波器传递函数采用
其中ξhpa为线加速度高通滤波阻力比，ωhpa为线加速度高通滤波自然频率。输出aH为动平台质心P点的线加速度，经过二次积分后可以得到P点的位移SH。
进一步地，通过高通角速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台的俯仰、横摇以及侧滚时对应的角速度包括步骤：
通过预设角度转换算法，获取下肢康复机器人静坐标系下俯仰、横摇以及侧滚运动的加速度，所述预设角度转换算法为：
ω2＝Tω1
滤波前通过算法ω2＝Tω1将角速度ω1转化为静坐标系下欧拉角速度ω2。座椅的俯仰、横摇及侧滚运动均采用此通道,以产生座椅绕这三个坐标轴的旋转运动。滤波器传函采用
其中ξhpθ为角速度高通滤波阻力比，ωhpθ为角速度高通滤波自然频率。
进一步地，
按照预设滤波器传递函数，获取下肢康复机器人并联机构平台质心的线加速度以及该质心的位移，所述预设滤波器传递函数为：
其中
ξhpa为线加速度高通滤波阻力比；
ωhpa为线加速度高通滤波自然频率
S为下肢康复机器人并联机构平台质心的位移。
进一步地，由于运动平台的工作空间有限，无法模拟长时间持续加速。在持续加速时，人体主要是感受到座椅对人体的推背感；在持续减速时，人体主要是前倾感。动觉模拟算法利用了重力在X-Y平面的分力来模拟持续的加速度。首先将比力f1通过低通加速度通道，消除平移运动所能模拟的高频部分，而保留不能复现、会造成大动作位移的低频部分，传递函数采用
其中ξhpa为加速度低通滤波阻力比，ωhpa为加速度低通滤波自然频率。输出为低频的加速度aL，再利用平台的倾斜来模拟它。但是，为了不让人体察觉到旋转，需要使得旋转速度在人体的感觉阈值以内，即有
和
由此输出θL＝[γLβL0]T，和
最后，座椅的欧拉角输出为θ＝θH+θL，滤波器参数选择为在高通加速度通道中ωn＝3.1，ζ＝1.4；在高通角速度通道中ωn＝1.02，ζ＝1.0；在低通加速度通道中ωn＝5.0，ζ＝1.4。
采用本方法，除了能够替代医护人员的手动运动疗法外，对于患者的神经主动康复也有重要意义。本发明通过有针对性选取脊髓损伤患者的肌肉群组设计相应的机器人康复动作，通过机器人运动学模型的正反解和动觉控制方法，利用主动和被动两种康复训练方案实施刺激，这明显扩大了使用范围和用户群体，对于脊髓损伤患者的神经轴突再生和重塑具有重要意义。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种下肢康复机器人，其特征在于，包括：并联机构平台、第一独立自由度转动副以及第二独立自由度转动副；
所述并联机构平台，用于支撑脊髓损伤患者躯干支撑平台以及虚拟训练场景的定位基准，所述并联机构平台为六自由度空间并联机构steward平台；
第一独立自由度转动副，用于实现带动脊髓损伤患者膝关节的转动；
第二独立自由度转动副，用于实现带动脊髓损伤患者踝关节的转动。
所述第一独立自由度转动副和第二独立自由转动副分别与并联机构平台串联连接。
2.根据权利要求1所述的一种下肢康复机器人，其特征在于，所述六自由度空间并联机构steward平台的每个自由度空间对应设置有电动缸推动平台；所述并联机构平台包括多个单自由度电动缸装置驱动，所述每个单自由度电动缸装置驱动分别和六自由度空间对应的电动缸推动平台对应设置，用于分别对应驱动每个电动缸推动平台。
3.一种基于权利要求1至2任一所述的下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1：判断当前脊髓损伤患者的状态是否为预设早期康复状态；
S2：若当前脊髓损伤患者的状态为预设早期康复状态，则按照预设被动训练方案对下肢康复机器人进行运动反解，并按照运动反解后对应的被动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动；
S3：若当前脊髓损伤患者的状态不为预设早期康复状态，则按照预设主动训练方案对下肢康复机器人进行运动正解，并按照运动正解后对应的主动训练流程驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动。
4.根据权利要求4所述的一种下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，驱动下肢康复机器人带动脊髓损伤患者运动的过程包括：
按照预设康复训练动力学模型计算出当前需要驱动的流程训练流程的仿真目标的线加速度、转动角速度以及角加速度；
把计算的线加速度按照预设变换算法，变换至脊髓损伤患者预设头部前庭位置，并获取线加速度变换后对应的线加速度变换信息，所述线加速度变换包括仿真目标的目标坐标系至惯性坐标系的变换；
按照预设运动控制算法，对线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行信号滤波；
控制下肢康复机器人按照线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行位置变换，并获取下肢康复机器人的单自由度电动缸推动平台的位置变化量信号，并通过的六自由度空间并联机构steward平台的单自由度电动缸装置驱动，按照预设被动训练方案中的被动训练流程或按照预设主动训练方案中的主动训练流程控制下肢康复机器人的单自由度电动缸推动平台推动脊髓损伤患者。
5.根据权利要求4所述的一种下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，所述下肢康复机器人在预设被动训练方案中的被动训练流程或按照预设主动训练方案中的主动训练流程训练时，完成一次运动后，会按照预设返回速度返回预设初始位置，所述预设返回速度为预设人体感觉阈值极限速度。
6.根据权利要求5所述的一种下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，所述按照预设运动控制算法，对线加速度变换信息、转动角速度以及角加速度进行信号滤波包括步骤：
对滤波信号的幅值进行限制；
通过高通加速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台在纵向、横向及垂直方向的瞬间加速度和位移；
通过高通角速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台的俯仰、横摇以及侧滚时对应的角速度；
通过低通加速通道消除下肢康复机器人并联机构平台的持续加速度。
7.根据权利要求6所述的一种下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，对滤波信号的幅值进行限制步骤包括：
按照预设幅值范围计算公式，确定信号滤波的最大幅值，所述预设幅值范围计算公式为：
f1＝KffP，ω1＝KωωP，且
其中
f1为仿真目标与六自由度平台质心点相同位置处的比力；
ω1为仿真目标角速度。
8.根据权利要求6所述的一种下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，通过高通加速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台在纵向、横向及垂直方向的瞬间加速度和位移包括步骤：
按照预设转化算法，获取下肢康复机器人分别在纵向、横向以及垂直方向的瞬间加速度以及位移，所述预设转化算法公式为：
a2＝Tf1+g
其中
T为时间；
g为重力加速度。
9.根据权利要求7所述的一种下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，通过高通角速度通道获取下肢康复机器人并联机构平台的俯仰、横摇以及侧滚时对应的角速度包括步骤：
通过预设角度转换算法，获取下肢康复机器人静坐标系下俯仰、横摇以及侧滚运动的加速度，所述预设角度转换算法为：
ω2＝Tω1 。
10.根据权利要求7至9任一所述的一种下肢康复机器人的动觉控制方法，其特征在于，
按照预设滤波器传递函数，获取下肢康复机器人并联机构平台质心的线加速度以及该质心的位移，所述预设滤波器传递函数为：
其中
ξhpa为线加速度高通滤波阻力比；
ωhpa为线加速度高通滤波自然频率
S为下肢康复机器人并联机构平台质心的位移。
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| CN202010751056.6A CN111956448A (zh) | 2020-07-30 | 2020-07-30 | 一种下肢康复机器人及其动觉控制方法 |
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|---|---|
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Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1880702A2 (en) * | 2006-07-20 | 2008-01-23 | Universita'Degli Studi di Roma "La Sapienza" | Motorized platform for the therapeutic treatment of patients |
| CN101999970A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-04-06 | 上海电机学院 | 并联式多自由度踝关节康复训练器 |
| CN102085145A (zh) * | 2010-11-29 | 2011-06-08 | 燕山大学 | 一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置 |
| US20130085531A1 (en) * | 2010-03-30 | 2013-04-04 | Enraf-Nonius B.V. | Physiotherapy apparatus |
| CN204379705U (zh) * | 2014-12-30 | 2015-06-10 | 王政 | 一种混合八自由度下肢康复装置 |
| CN104983541A (zh) * | 2015-07-10 | 2015-10-21 | 哈尔滨天愈康复医疗机器人有限公司 | 一种空间并联驱动手腕康复治疗机器人 |
| US20160016309A1 (en) * | 2014-07-15 | 2016-01-21 | Soc Robotics Inc. | Motion system with plurality of stewart platform based actuators |
| CN105997421A (zh) * | 2016-04-25 | 2016-10-12 | 合肥工业大学 | 一种多自由度康健训练器 |
| CN107411946A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-12-01 | 韩登银 | 一种腿部按摩仪 |
| CN107928847A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-04-20 | 天津医科大学 | 一种多姿态脊柱三维矫正机器人 |
| CN109395333A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-03-01 | 沈阳建筑大学 | 一种基于Stewart平台的一种多功能平衡康复训练机 |
| CN111374868A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-07-07 | 江南大学 | 一种新型下肢康复机构 |
-
2020
- 2020-07-30 CN CN202010751056.6A patent/CN111956448A/zh active Pending
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1880702A2 (en) * | 2006-07-20 | 2008-01-23 | Universita'Degli Studi di Roma "La Sapienza" | Motorized platform for the therapeutic treatment of patients |
| US20130085531A1 (en) * | 2010-03-30 | 2013-04-04 | Enraf-Nonius B.V. | Physiotherapy apparatus |
| CN102085145A (zh) * | 2010-11-29 | 2011-06-08 | 燕山大学 | 一种用于四足/两足并联腿步行机器人的可重构装置 |
| CN101999970A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-04-06 | 上海电机学院 | 并联式多自由度踝关节康复训练器 |
| US20160016309A1 (en) * | 2014-07-15 | 2016-01-21 | Soc Robotics Inc. | Motion system with plurality of stewart platform based actuators |
| CN204379705U (zh) * | 2014-12-30 | 2015-06-10 | 王政 | 一种混合八自由度下肢康复装置 |
| CN104983541A (zh) * | 2015-07-10 | 2015-10-21 | 哈尔滨天愈康复医疗机器人有限公司 | 一种空间并联驱动手腕康复治疗机器人 |
| CN105997421A (zh) * | 2016-04-25 | 2016-10-12 | 合肥工业大学 | 一种多自由度康健训练器 |
| CN107411946A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-12-01 | 韩登银 | 一种腿部按摩仪 |
| CN107928847A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-04-20 | 天津医科大学 | 一种多姿态脊柱三维矫正机器人 |
| CN109395333A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-03-01 | 沈阳建筑大学 | 一种基于Stewart平台的一种多功能平衡康复训练机 |
| CN111374868A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-07-07 | 江南大学 | 一种新型下肢康复机构 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 梁桥康、王耀楠、孙炜: "《智能机器人力觉感知技术》", 31 January 2018, 湖南大学出版社 * |
| 胡长春: "六自由度列车驾驶运动平台的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
| 陈彦钊，周以齐，程祥利，王政: "面向脊髓损伤早期康复的虚拟现实训练环境", 《北京工业大学学报》 * |
| 马飞，陈志雄，朱金陵: "列车驾驶模拟器体感模拟研究", 《计算机与数字工程》 * |
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