[发明专利]一种助行训练系统及其一体化控制方法

权利要求书

1.一种助行训练系统的一体化控制方法，其特征在于，所述一体化控制方法包括以下步骤：

1)助行训练系统是一种典型的物理人机交互类型的训练系统，训练患者与助行训练系统的物理人机交互接口为骨盆固定绷带；在训练过程中，人机交互一方面要顺应训练患者运动意图中有益部分；另一方面要预防训练患者运动意图中不利部分；

2)智能控制单元接收直线驱动电机的位置编码器的位置信息和六维力传感器的人机交互力信息，并通过控制计算后，向直线驱动电机输出控制命令；直线驱动电机根据控制命令，控制六自由度并联机构实现辅助行走、平衡控制和减重支撑的控制动作；

3)在训练开始前，根据训练患者的骨盆高度，调整高度调节上滑动架的位置，达到训练患者与骨盆固定绷带最优固定连接的目的；然后，助行训练系统通电，并通过自动校正零点的方式，使得六自由度并联机构的直线驱动电机的位置编码器输出和六维力传感器输出归零；

在系统归零状态下，定义归零状态下的骨盆固定绷带的中心为系统运动末端的原点，在该原点建立静坐标系O_ee-xyz，其中，x轴方向与训练患者水平左右方向平行、y轴方向与训练患者水平前后方向平行、z轴方向与训练患者竖直方向平行；在训练过程中，骨盆固定绷带的中心随着训练患者的骨盆运动而发生变化，定义实时的以骨盆固定绷带的中心为原点的动坐标系为O′_ee-x′y′z′，其中，在归零状态下，静坐标系O_ee-xyz和动坐标系O′_ee-x′y′z′重合；在六自由度并联机构的静平台上建立惯性坐标系O-XYZ，其正交坐标轴方向定义与坐标系O_ee-xyz一致；

4)在训练过程中，针对训练患者的骨盆控制能力较弱难以实现行走步态的运动障碍问题，助行训练系统提供辅助行走控制策略：在训练患者穿戴骨盆固定绷带的行走过程中，六维力传感器获取反映训练患者的骨盆运动特征的人机交互力信息；智能控制单元根据六维力传感器获取的人机交互力信息，基于辅助助力的原则，智能控制单元通过直线驱动电机驱动六自由度并联机构的动平台，生成顺应训练患者骨盆运动的辅助行走控制策略控制力，辅助训练患者的骨盆完成行走步态的动作；

其中，生成针对辅助行走控制策略控制力，包括步骤：

a)六维力传感器输出的力和力矩信息标记为F，六维力传感器在出厂自定义坐标系O_F-x″y″z″下的输出的力和力矩信息包含了x″、y″和z″方向上的分力F_x″,F_y″和F_z″和x″、y″和z″方向的分力矩τ_x″,τ_y″和τ_z″，即F＝[F_x″,F_y″,F_z″,τ_x″,τ_y″,τ_z″]；

b)从六维力传感器到六自由度并联机构的直线驱动电机的运动学雅克比矩阵为J_F，从骨盆固定绷带中心点到六维力传感器的位姿传递矩阵为T_F，控制增益调节系数矩阵为K_F，则辅助行走控制策略控制力τ_walk的计算公式如下：

其中，为位姿传递矩阵J_F的转置矩阵，diag表示斜对角矩阵，X_ee,Y_ee,Z_ee为骨盆固定绷带的中心点的动坐标系O′_ee-x′y′z′在系统惯性坐标系O-XYZ下的位置，α_ee,β_ee,γ_ee为骨盆固定绷带中心点动坐标系O′_ee-x′y′z′在系统惯性坐标系O-XYZ下的姿态变量；

控制增益调节系数矩阵K_F能够保证助行训练系统只有在训练患者有运动意图，即(X_ee,Y_ee,Z_ee,α_ee,β_ee,γ_ee)各维度上产生相关运动速度时，系统才会提供辅助行走控制策略控制力；

5)在训练过程中，针对训练患者平衡控制能力不足难以实现稳定步态的运动障碍问题，助行训练系统提供平衡控制策略：平衡控制以归零状态下骨盆固定绷带中心O_ee为原点，定义一个以静坐标系O_ee-xyz原点为中心，建立x、y、z轴向长度分别为w_x、w_y、w_z的矩形正常行走的内空间；智能控制单元根据直线驱动电机的位置编码器的位置信息，判断训练患者到达或者超出内空间的边界，训练患者如果到达或者超出内空间的边界，意味着训练患者存在失去平衡的风险，此时提供额外的平衡控制策略控制力进行干预；

平衡控制的目的分两层，首先是在内空间靠近静坐标系的原点O_ee时，助行训练系统不干预或者极小干预训练患者的平衡姿态；其次是在内空间远离静坐标系的原点O_ee并到达内空间的边界时，助行训练系统主动干预训练患者的平衡姿态，基于增加阻力的原则，智能控制单元通过直线驱动电机驱动六自由度并联机构的动平台，生成额外的平衡控制策略控制力，防止训练患者进入到内空间之外的空间；

6)在训练过程中，针对训练患者下肢缺乏肌力难以支撑躯体重量的运动障碍问题，助行训练系统提供减重支撑控制策略：结合六维力传感器输出的竖直方向相关力及力矩，基于重力补偿的原则，在训练患者自身重量的基础上，智能控制单元通过直线驱动电机驱动六自由度并联机构的动平台，生成动态的减重支撑控制策略控制力，减轻训练患者体重对双侧下肢的负担；

7)针对上述提到的辅助行走、平衡控制和减重支撑三种控制策略，为了实现人机交互的自然柔顺性，需要避免由于三种控制策略的切换造成的人机交互体检不适，因此，把前述三种控制策略纳入到一个统一的一体化控制框架内，实现助行训练系统的一体化控制：

在一体化控制框架内，根据六维力传感器提供的人机交互力信息及位置编码器提供的位置信息，将辅助行走控制策略控制力、平衡控制策略控制力和动态减重支撑控制策略控制力叠加生成综合控制力，并结合系统的动力学模型，计算出控制直线驱动电机的速度的控制命令，输入到对应的直线驱动电机中，通过直线驱动电机的运动输出，控制六自由度并联机构的动平台的速度，达到驱动助行训练系统的需求。