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.pdf

本发明提供了一种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。对应患者不同恢复期的两种训练模式：被动式和主动—辅助式的交互式康复训练控制策略，在被动运动中，提取患者健侧上肢相关肌肉的表面肌电信号作为患者运动意图，控制机器人带动患侧实现运动的被动训练；主动运动中，通过实时获取运动过程中患肢作用于机器人所产生的关节力矩来判断人体上肢的运动意图，并利用比例控制器将施加力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。本发明能够为临床偏瘫患者提供全方位的康复训练运动，从而提高了患者康复训练的主动性，使其增强了恢复信心，同时也增强了恢复过程的吸引力并促进了康复的功效。

权利要求书
1、  一种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，其特征在于：对应患者不同恢复期的两种训练模式：被动式和主动一辅助式的交互式康复训练控制策略，在被动运动中，提取患者健侧上肢相关肌肉的表面肌电信号作为患者运动意图，控制机器人带动患侧实现运动的被动训练；主动运动中，通过实时获取运动过程中患肢作用于机器人所产生的关节力矩来判断人体上肢的运动意图，并利用比例控制器将施加力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。

2、  根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的在患者恢复的早、中期，包含软瘫期与痉挛期，应用被动运动训练，根据偏瘫患者上肢受损的特点，提取偏瘫患者的健侧上肢四块肌肉表面肌电信号(sEMG)作为康复机器人的控制信号，包括各表面肌电电极依次对应的三角肌中、三角肌前、肱二头肌和肱桡肌，利用AR参数模型和BP神经网络来理解患者的运动意图，驱动机械臂辅助患侧上肢实现待定的康复训练动作。

3、  根据权利要求1或2所述的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，其特征在于：所述的在患者恢复的中、后期，包含痉挛期与改善期，应用主动运动训练，其为一个典型的双环控制系统结构，外环为机械臂末端力控制环，内环为关节速度控制环，在采样时刻t，利用关节力矩传感器采集由偏瘫患者主动运动而施加在各关节上的力矩值，同时计算出作为当前时刻各关节角度函数的机器人空载力矩值；将二者送入机器人末端力合成器得到末端力，即偏瘫患者施加在机器人末端点处的力的估计值，从而获取患者的运动意图；利用比例控制器将其转化为机器人末端运动速度，并通过运动学雅可比逆矩阵映射为机器人各关节的角速度指令；将角速度指令输入到机器人关节内环控制器当中，控制各关节的伺服电机实现稳定的角速度输出，从而驱动机器人对患者主动运动意图进行跟随并实现康复训练的力辅助控制。

说明书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
(一)技术领域
本发明涉及一种康复机器人技术，具体涉及一种五自由度外骨骼式上肢康复机器人交互康复训练控制技术。
(二)背景技术
目前，传统的上肢临床康复方法多为图1所示的康复医师徒手或利用辅助器具一对一的引导患者完成连续性的被动运动，或施予适当的阻力或助力来引导患者运动。而脑中风发病率的增加使偏瘫患者越来越多，繁重、高强度的训练任务给治疗医师带来沉重的负担，医师们分身乏术，没有更多的时间与精力专注于临床数据的分析及治疗方案的改进。另一方面，治疗医师的主观意识、体力及心情等因素在训练过程中起到了主导作用，忽略了被治疗者的自身运动意图，加之患者病发后引起的语言及认知功能的损伤，削弱了医患间针对康复治疗过程的交互作用。
因此，将机器人及其相关技术与临床康复医学相结合设计出康复机器人替代医师完成对偏瘫患者的康复训练。现有的上肢康复机器人虽然实现了减轻医师负担，提高效率，为患者不同时期康复方案的制定和优化提供客观、有效的数据依据的功能，却仍然存在如下问题：为患者患肢提供的训练动作多为简单地的直线或曲线轨迹，动作范围较小，种类单一；多应用预定程序或施加预定阻力/助力实现对上肢的被动运动或辅助运动，同样忽略了患者肢体的运动意图，不利于刺激患者的主动运动，提高患者的运动兴趣，建立患者的运动信心。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够为临床偏瘫患者提供全方位的康复训练运动，从而提高了患者康复训练的主动性，使其增强了恢复信心，同时也增强了恢复过程的吸引力并促进了康复功效的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。
本发明的目的是这样实现的：对应患者不同恢复期的两种训练模式：被动式和主动-辅助式的交互式康复训练控制策略，在被动运动中，提取患者健侧上肢相关肌肉的表面肌电信号作为患者运动意图，控制机器人带动患侧实现运动的被动训练；在主动运动中，通过实时获取运动过程中患肢作用于机器人所产生的关节力矩来判断人体上肢的运动意图，并利用比例控制器将施加力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。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的在患者恢复的早、中期，包含软瘫期与痉挛期，应用被动运动训练，根据偏瘫患者上肢受损的特点，提取偏瘫患者的健侧上肢四块肌肉表面肌电信号(sEMG)作为康复机器人的控制信号，包括各表面肌电电极依次对应的三角肌中、三角肌前、肱二头肌和肱桡肌，利用AR参数模型和BP神经网络来理解患者的运动意图，驱动机械臂辅助患侧上肢实现待定的康复训练动作；
2、所述的在患者恢复的中、后期，包含痉挛期与改善期，应用主动运动训练，其为一个典型的双环控制系统结构，外环为机械臂末端力控制环，内环为关节速度控制环，在采样时刻t，利用关节力矩传感器采集由偏瘫患者主动运动而施加在各关节上的力矩值，同时计算出作为当前时刻各关节角度函数的机器人空载力矩值；将二者送入机器人末端力合成器得到末端力，即偏瘫患者施加在机器人末端点处的力的估计值，从而获取患者的运动意图；利用比例控制器将其转化为机器人末端运动速度，并通过运动学雅可比逆矩阵映射为机器人各关节的角速度指令；将角速度指令输入到机器人关节内环控制器当中，控制各关节的伺服电机实现稳定的角速度输出，从而驱动机器人对患者主动运动意图进行跟随并实现康复训练的力辅助控制。
本发明五自由度外骨骼式上肢康复机器人交互式康复训练控制策略，针对临床偏瘫患者不同的恢复情况，分别采用被动和主动--辅助的训练模式，通过获取患者运动过程中相关肌肉的表面肌电信号及运动过程中产生的力矩信息对患者运动意图进行预测，并以此驱动机器人辅助患者患肢实现各个单、多关节及日常生活动作的训练。该控制策略引入患者主动运动意图，对刺激患者主动运动，兴奋病变大脑从而促进康复治疗的功效起到了很好的效果。
五自由度外骨骼式上肢康复机器人系统由机械臂本体、驱动电机、力矩传感器、表面肌电电极、控制柜、安装架、座椅组成，由控制柜内计算机对安装在各转动轴线上的驱动电机进行驱动，使机械臂本体带动患者患肢进行康复训练运动，各关节处力矩传感器测量运动过程中的力矩信息，表面肌电电极测量运动相关肌肉的表面机电信号。外骨骼式双边结构的结构形式，在保证刚度的前提下减轻了质量。同时为偏瘫患者提供单关节及多关节复合的康复训练运动。为偏瘫患者提供简单的日常生活功能性动作--进食、提裤的训练，本发明引入患者自身运动意图的人机交互式的偏瘫康复训练控制策略。该康复机器人为临床偏瘫患者提供全方位的康复训练运动，从训练动作来看，其囊括了对上肢所有关节的训练，包括从肩部大关节到腕部小关节的被动运动及主动--辅助运动，并辅以简单的日常生活动作——进食、提裤的训练，将各个单关节动作训练加以深化及应用。从训练的模式来看，康复机器人在提供的各个运动中分别采用对应患者不同恢复期的两种训练模式：被动式和主动-辅助式的交互式康复训练控制策略。即在被动式和主动-辅助式训练过程中，患者患肢运动意图分别通过上肢相关肌肉的表面肌电信号及产生的各关节力矩加以体现，并依据该意图控制机器人辅助患者患肢进行康复训练运动。从而提高了患者康复训练的主动性，使其增强了治疗信心，同时也增强了治疗过程的吸引力并促进了康复治疗的功效。
(四)附图说明
图1为传统临床康复方法示意图；
图2为上肢康复机器人系统示意图；
图3为康复机器人电控柜示意图；
图4为上肢康复机械臂结构图；
图5为表面肌电电极分布示意图；
图6为被动、主动两阶段交互式康复训练控制策略；
图7为主动力辅助康复训练控制原理框图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：
结合图2，本实施例系统康复训练装置由康复机械臂本体1、驱动电机、可调节升降安装架2、座椅3及控制柜(结合图3)构成。结合图4康复机械臂本体设计为硬铝材料的外骨骼式双边结构，具有肩部外展/内收I、肩部屈/伸II、肘部屈/伸III、腕部屈/伸IV及腕部旋内/旋外V这5个自由度，5个驱动电机分别安装在各转动自由度的轴线上用于驱动各自由度活动。该康复训练装置从临床康复角度出发为患者提供各关节的单关节运动与三维空间多关节复合运动，并提供简单、基本的日常生活动作训练：进食、提裤。分别安装在肩部、肘部及腕部与驱动电机级联的四个力矩传感器(其中肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个)测量运动过程中人体施加给机器人的力矩信息，表面肌电电极4、5、6、7(结合图5)用于获取运动中直接反映肌肉运动的表面肌电信号，两种信号均用于监测机器人的运动，并应用在不同模式的交互式康复控制策略中。
结合图6，在机器人提供的各个运动中，分别采用对应患者不同恢复期的两种训练模式：被动式和主动-辅助式的交互式康复训练控制策略。在患者恢复的早、中期(包含软瘫期与痉挛期)，应用被动运动训练，根据偏瘫患者上肢受损的特点，提取偏瘫患者的健侧上肢四块肌肉(结合图5，各表面肌电电极依次对应的三角肌中、三角肌前、肱二头肌、肱桡肌)的表面肌电信号(sEMG)作为康复机器人的控制信号，利用AR参数模型和BP神经网络来理解患者的运动意图，驱动机械臂辅助患侧上肢实现待定的康复训练动作。在患者恢复的中、后期(包含痉挛期与改善期)，应用主动运动训练，如主动力辅助康复训练控制原理框图(结合图7)，这是一个典型的双环控制系统结构，外环为机械臂末端力控制环，内环为关节速度控制环。具体工作原理为：在采样时刻t，利用关节力矩传感器采集由偏瘫患者主动运动而施加在各关节上的力矩值，同时计算出作为当前时刻各关节角度函数的机器人空载力矩值；将二者送入机器人末端力合成器得到末端力，即偏瘫患者施加在机器人未端点处的力的估计值，从而获取患者的运动意图；利用比例控制器将其转化为机器人末端运动速度，并通过运动学雅可比逆矩阵映射为机器人各关节的角速度指令；将角速度指令输入到机器人关节内环控制器当中，控制各关节的伺服电机实现稳定的角速度输出，从而驱动机器人对患者主动运动意图进行跟随并实现康复训练的力辅助控制。