[发明专利]康复机器人及其人机协同交互力控制方法

说明书

本发明公开了一种康复机器人及其人机协同交互力控制方法。所述康复机器人包括具有至少一关节的机械臂，所述康复机器人人机协同交互力控制方法包括：检测患者患侧肢作用于所述机械臂的作用力矩；生成所述机械臂的目标运动轨迹；建立所述机械臂的动力学模型；利用逆动力学原理计算产生所述目标运动轨迹所需的关节力矩；计算关节的摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩；将所述关节力矩、所述作用力矩、所述动力学补偿力矩及所述摩擦补偿力矩，作为机械臂的控制输入。本发明能够提供患者与康复机械臂之间的柔顺性力交互控制，提供了完全的动力学补偿，提高了设备运动启动能力及灵活性，有利于改善患者对辅助康复训练的体验度。

技术领域

本发明属于机器人人机交互领域，尤其涉及一种康复机器人及其人机协同交互力控制方法。

背景技术

随着我国社会老龄化程度的加剧，由于脑卒中引起的上肢运动功能障碍患者正不断地增加，脑卒中患者数量巨大。其中大约75％脑卒中患者在发病后会留下不同程度的后遗症，严重影响患者的生活质量，并给患者家庭及社会带来极大负担。在众多的后遗症中，以偏瘫发生率最高，在偏瘫的康复中，又以上肢功能的康复最为困难。医学理论和临床医学证明，除手术治疗和药物治疗外，科学的康复训练对脑卒中偏瘫患者的肢体功能康复起着无比重要的作用，及时进行一定程度的集中和重复训练可以修复受损的中枢神经，有助于上肢运动功能的恢复。

传统的康复训练存在医师不足、设备功能单一且成本较高、康复周期长、缺少科学的评价体系、多为被动训练，训练模式单一、过程乏味主动性差以及无法进行准确的康复状态评价等缺陷，因此研制能够克服上述缺点的上肢康复训练及评价设备显得尤为必要。

上肢康复机器人作为一种康复医疗设备，通过辅助患者进行科学地、有效地康复训练，从而达到恢复患者运动功能的目的。它在康复训练中为患者提供安全保护的同时，加强患者的主动运动意图对患者运动功能康复具有强化和促进作用，有利于保持患者精神紧张度，加强神经肌肉运动通路的修复。

在主动及助力控制模式下，患者与机器人之间的协同力交互控制技术是提高机器人运动柔顺性、灵活性及跟随性的关键技术，其严重影响着患者的体验度，对康复训练的效果有着重要的影响。该技术在协作机器人中应用较为广泛，但在康复机器人领域还需要更深层次应用。国内外已经开展了一些在康复机器人上采用力控制技术的研究，如哈尔滨工业大学机器人所公开了名称为“五自由度外骨骼式上肢康复机器人交互康复训练控制策略”的专利，其中采用基于位置的力控制技术，将末端受到的作用力通过比例控制器直接转化为机械臂末端的速度量，进而驱动机器人跟随意图对患肢进行康复的主动-辅助训练。上海大学公布了名称为“上肢运动训练机器人的控制装置及控制方法”的专利，其中介绍了沿预定轨迹的主动控制采用基于力位混合控制的阻抗控制，自由运动的主动控制采用基于力的阻抗控制。东北大学公布了名称为“一种上肢康复机器人康复训练运动控制方法”的专利，其中利用状态方程建立了机器人系统的动力学方程来实现运动控制，通过引入状态反馈来提高系统的跟踪性能及鲁棒稳定性。

现有的康复训练设备存在的主要问题有：

1、在主动及助力控制模式下，机器设备本身的重力补偿不足，柔顺性差，快速启动能力差，严重影响康复训练的效果；

2、采用基于位置的力控制系统中，并不没有考虑动力学，没有动力学补偿，而是将力直接比例转化为末端运动速度或位置输出虽然一定程度提高了运动灵活性，康复手臂的随动效果仍然体验度不够好；

3、状态方程建立复杂，计算量大，数据处理复杂，对控制系统要求比较高，并不一定能达到理想的跟随性和稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术所存在的康复机器人柔顺性差、快速启动差、随动效果不好、计算量大、数据处理复杂的缺陷，提供一种康复机器人及其人机协同交互力控制方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：