[发明专利]一种基于导纳模型的踝康复机器人多模式柔顺训练方法

说明书

本发明涉及一种基于导纳模型的伺服电机驱动的并联踝康复机器人多模式柔顺训练方法，包括被动柔顺、等张训练和主动训练三种训练模式。三种训练方法均可在背伸/跖屈、内收/外展和内翻/外翻三个自由度方向单轴运动，亦可多轴联动。将踝康复机器人的人机耦合系统等效为一个质量‑弹簧‑阻尼二阶系统，将机器人动平台的输出角度转化为输入力矩与脉冲函数的卷积，分别根据三种柔顺训练方式各自的特点，进行相应的导纳模型变换，分别实现对踝肌力较弱的早期、踝关节有一定肌力水平的中期以及踝关节有较高肌力水平的康复训练后期三个康复阶段的柔顺训练。可适应踝功能损伤患者不同的康复训练阶段，满足不同阶段踝康复训练对柔顺性和安全性的要求。

技术领域

本发明涉及康复机器人控制领域，尤其涉及一种基于导纳模型的踝康复机器人多模式柔顺训练方法。

背景技术

我国总人口基数巨大，伴随老龄化进程的快速发展，脑卒中患者数目急剧增加，脑卒中预后效果差，并伴有高比例的足下垂患者。另外，脑瘫导致的马蹄足内、外翻畸形亦属于我国少年儿童的骨科多发病，一般需实行踝关节松解矫形手术并辅以术后康复治疗。踝功能障碍的重要因素是中枢神经存在损伤，相对应地，康复训练的根本目标则是激发中枢神经的重组和代偿，促进神经系统运动感知功能恢复，进而重建踝运动使能。因此，踝关节损伤后，除配合药物治疗外，亦应该进行康复训练，以提高康复效率。将先进的机器人技术应用于踝临床康复医疗，可发挥其自动化、精确化程度高和适合执行重复性、高强度体力劳动的优势，能够有效降低医护人员的劳动强度，提高踝康复训练的效果和弥补康复医疗资源短缺的不足，并有助于加快康复进程。现有的踝康复机器人有气动式和电动式两种，多采用基于位置控制的被动康复训练，尤其是对于电动式的并联踝康复机器人，其驱动电机不像气动的人工肌肉，自身没有柔顺性，现有的控制策略并没有结合机器人平台实现的柔顺训练方法，无法保证康复训练过程中的柔顺性和安全性，特别是缺少针对踝康复过程不同阶段的全柔顺康复训练方法。因此，研发一种可适应踝功能损伤患者不同的康复训练阶段，并在每一阶段均实现柔顺康复训练，包括踝肌力较弱的早期、踝关节有一定肌力水平的中期以及踝关节有较高肌力水平的康复训练后期的多模式柔顺训练方法是至关重要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于导纳模型的踝康复机器人多模式柔顺训练方法，满足不同阶段踝康复训练对柔顺性和安全性的要求。

本发明的实施例提供了一种基于导纳模型的伺服电机驱动的并联踝康复机器人多模式柔顺训练方法，包括三种训练模式，分别为被动柔顺、等张训练和主动训练。该并联踝康复机器人具有三个自由度，分别为背伸/跖屈、内翻/外翻和内收/外展，所发明实现的三种柔顺康复训练方法均可在三个自由度方向单轴运动，亦可多轴联动。

首先，将并联踝康复机器人的人机耦合系统等效为一个质量-弹簧-阻尼二阶系统，通过拉式变换可以得到机器人动平台输出角度与输入力矩的传递函数，即为导纳模型。所述作用力矩由六轴力传感器实时检测，并经过解耦、滤波得到各个方向的力矩大小。

进一步，将上述二阶阻尼系统转化为欠阻尼二阶系统，对传递函数进行形式变换后，通过拉式反变换，得到时域下机器人动平台输出角度(即机器人动平台角度在输入力矩作用下的顺应量)与输入力矩的关系。因为踝关节对机器人动平台施加的作用力矩是实时变化的，所以动平台在时域下的响应为持续输入的力矩产生的输出角度的叠加。在此，我们将输入的力矩看成n个脉冲的叠加，按照比例和时间平移的方法，可得到任意时刻动平台输出角度的响应，即为输入力矩与脉冲响应函数的卷积。

进一步，将基于导纳模型得到的动平台输出角度值离散化，输入到机器人下位机控制系统，采用位置插补模式，控制电机使动平台顺应运动相应的角度值。

进一步，基于上述导纳模型，实现被动柔顺训练。当踝肌力低于设置的阈值时，实行纯被动训练，由踝康复机器人带动踝关节按照医师预定的康复训练轨迹进行被动康复训练。当踝肌力大于设置的阈值时，将大于阈值部分的力矩输入导纳模型，输出相应的角度修正量，由导纳内环轨迹跟踪控制实现对角度修正量的高精度跟踪。