[发明专利]一种下肢外骨骼康复机器人康复训练的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于康复医疗技术领域，更为具体地讲，涉及一种下肢外骨骼康复机器人康复训练的控制方法。

背景技术

随着我国老龄化的加剧，老年人口的健康护理引起社会的关注。中风偏瘫是老年人群中常见的一种疾病，轻则会导致行走不便、步态变形，重则卧床不起、完全丧失生活能力。如果不能得到有效的康复治疗，他们的下肢运动功能可能永远无法恢复，严重影响了给他们的正常生活。康复机器人是机器人和康复医疗相结合的新应用，康复机器人结合不同的机器人控制方法，可以为下肢瘫痪患者提供主动和被动的康复训练。在我国人口老龄化不断加剧的背景下，康复机器人的应用不仅可以缓解传统康复治疗中康复理疗师的繁重的工作，更重要的是康复机器人可以根据患者的意愿随时随地提供康复治疗，治疗过程可以被实时监控和记录，进而分析这些数据之后可以不断改进康复治疗，所以康复机器人可以提供科学有效地康复治疗。

中国发明专利201110404114.9公布了一种上下肢康复训练机器人的主被动自适应控制方法，但其所谓的主被动控制只是简单的根据电机电源电压值的偏差来判断患者是否有主动意图，但是却没有给出这种处理过程的根据以及这种方法的是否具有可靠性。所谓的自适应控制也是一个简单的判断，根据电压误差值在某个范围采取主动或被动控制方法。这种自适应控制不能够克服机器人参数变化或者扰动对机器人控制系统的影响。

中国发明专利201010561379.5公布了一种下肢康复机器人运动控制方法，该发明中为患者的康复过程中的两个阶段规划了两种训练模式，即主动和被动训练模式。根据人机交互作用力来判断患者的运动意图，然后通过自适应控制器产生步态轨迹，进行主动训练。该发明给出了机器人系统双闭环控方法，不涉及具体算法的设计，而且该控制方法没有考虑机器人系统外界扰动和参数变化对机器人的控制的影响。

分析现有的发明可以发现，现有的发明中的控制方法多集中于对机器人系统上层控制方法的设计，比如，主动和被动训练，却很少涉及实现主动和被动训练的底层控制方法的设计，比如，考虑在实现主被动控制时，如何控制机器人关节精确的实现运动轨迹。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种下肢外骨骼康复机器人康复训练的控制方法，通过底层控制的方式，控制下肢康复机器人按指示做准确运动。

为实现上述发明目的，本发明一种下肢外骨骼康复机器人康复训练的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对下肢外骨骼康复机器人进行建模，得到下肢外骨骼康复机器人的控制方程为：

其中，q(t)表示膝关节和髋关节的转动角；表示膝关节和髋关节的转动速度；表示膝关节和髋关节的转动加速度；τ(t)为自适应控制器；M(q(t))表示下肢外骨骼康复机器人模型的惯性矩阵；G(q(t))表示下肢外骨骼康复机器人模型的重力；表示下肢外骨骼机器人模型的离心和哥氏力项矩阵；

对公式(1)进行线性化，得到：

其中，为时间函数组成的矩阵，且与膝关节和髋关节的转动角q(t)、转动速度相关；表示机器人模型中的未知参数；

(2)、构建自适应控制器τ(t)，及自适应控制率

其中，分别为：惯性矩阵的估计值、离心和哥氏力项矩阵的估计值、重力的估计值；

为的估计,随着时间的推移，不断趋近于真值为的一阶导数；

e(t)＝q_d(t)-q(t)，表示跟踪误差向量，其中，q_d(t)为膝关节和髋关节预期到达的转动角；

K_v和K_p是控制增益参数，通过预先训练得到，训练方法为：预先通过MATLAB软件仿真一个下肢外骨骼康复机器人系统，设置边界控制器τ(t)中其他各个参数，再根据边界控制器τ(t)和步骤(1)中的控制方程进行仿真训练，其训练目标是令下肢外骨骼康复机器人系统中各关节的跟踪误差e(t)≤M，0≤M＜100；

(3)、在时刻t,采用光电编码器采集膝关节和髋关节的转动角q(t)和转动速度

(4)、将步骤(3)得到的实际参数代入步骤(2)得到自适应控制率从而得到时刻t的自适应控制器τ(t)，驱动装置再根据自适应控制器τ(t)向下肢康复机器人施加作用力，驱动关节转动到q_d(t)。

本发明的发明目的是这样实现的：