基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法及系統的製作方法

2023-09-17 02:43:50 2

基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法及系統，包括以下步驟，以機器人輔助肌力訓練過程中患肢運動的實際位置來表徵其肌力恢復水平，並將運動起始與目標位置之間的行程距離劃分為行程區域、和；產生與區域狀態切換及患者安全相關的離散事件、、、；基於混雜理論設計離散事件決策控制器，定義離散控制狀態、、、、和決策控制規則，並通過離散/連續轉換接口產生相應控制輸出向量、、、、；設計機器人輔助訓練比例-微分力跟蹤控制器，使得機器人末端施加給患肢的實際阻力能更好地逼近於離散決策控制器所確定的目標阻力。該治療控制方法及系統可提高康復機器人系統的控制柔順性和安全性。
【專利說明】基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法及系統。
【背景技術】
[0002]現代社會隨著世界各國相繼進入老齡化，在老齡化過程中會產生大量的腦卒中或中風病患者，此類患者通常由於腦血管血栓或腦血管破裂出血而導致腦供血中斷，從而使相應的運動、感覺和認知等功能遭到喪失或受到損害。現代神經康復醫學及其臨床研究結果表明中樞神經系統具有高度的可塑性，對因腦卒中等疾病引起的肢體功能障礙，通過科學合理的康復治療訓練可以在一定程度上恢復其受損的肢體功能。
[0003]中風康復治療的最終目的除改善患者肢體運動功能外，最重要的就是通過抗阻訓練增強肌力，使患者儘早恢復基本日常生活能力。康復機器人技術是近年來發展起來的一種新的運動神經康復治療技術，在機器人輔助肌力訓練過程中，肢體功能康復訓練方法如何通過機器人治療控制策略得以實現，是提高肌力訓練效果的關鍵所在。國內外相關研究機構對康復機器人輔助肌力訓練的治療控制方法已開展了較多的研究，並在肌力訓練效果方面取得了一定的成效，但治療控制方法大多是分別從機器人連續變量運動控制或醫師離散事件決策控制角度進行設計，未能將機器人輔助康復系統這種非純一特性，即混雜特性，融於統一框架內，易受人機互動行為複雜程度制約，具有一定的局限性。
[0004]上述問題是在使用康復機器人進行傳感與治療控制的過程中應當予以考慮並解決的問題。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法及系統解決現有技術中存在的治療控制方法大多是分別從機器人連續變量運動控制或醫師離散事件決策控制角度進行設計，未能將機器人輔助康復系統這種非純一特性，即混雜特性，融於統一框架內，易受人機互動行為複雜程度制約，具有一定的局限性的問題。
[0006]本發明的技術解決方案是:
一種基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，包括以下步驟，
步驟1:以機器人輔助肌力訓練過程中患肢運動的實際位置^來表徵其肌力恢復水平，定義運動起始與目標位置之間的行程距離為z，並將行程距離Z分若干連續運動區域；
步驟2:根據患肢實際運動位置與行程區域之間對應關係，以及機器人系統工作參數是否超過事先定義的閾值，定義並通過連續/離散轉換接口P (ψ:Σ^Ι^σ)將患肢肌力/機器人工作連續狀態JT轉換為與區域狀態切換及患者安全相關的離散事件CT: 步驟3:基於混雜理論設計離散事件決策控制器；
步驟4:使機器人末端施加給患肢的實際阻力更逼近步驟3離散決策控制器所確定的目標阻力，設計機器人輔助訓練比例(P)-微分⑶力跟蹤控制器:
【權利要求】
1.一種基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，其特徵在於:包括以下步驟， 步驟1:以機器人輔助肌力訓練過程中患肢運動的實際位置^來表徵其肌力恢復水平，定義運動起始與目標位置之間的行程距離為z，並將行程距離2分若干連續運動區域； 步驟2:根據患肢實際運動位置與行程區域之間對應關係，以及機器人系統工作參數是否超過事先定義的閾值，定義並通過連續/離散轉換接口燹(ψ:Μ^σ)將患肢肌力/機器人工作連續狀態JT轉換為與區域狀態切換及患者安全相關的離散事件CT: 步驟3:基於混雜理論設計離散事件決策控制器； 步驟4:使機器人末端施加給患肢的實際阻力更逼近步驟3離散決策控制器所確定的目標阻力，設計機器人輔助訓練比例(P)-微分⑶力跟蹤控制器:
2.如權利要求1所述的基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，其特徵在於:步驟I中，將行程距離2分為和三個連續運動區域，
3.如權利要求1所述的基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，其特徵在於:步驟2中，將患肢肌力/機器人工作連續狀態Z轉換為與區域狀態切換及患者安全相關的離散事件O"具體為: 患肢承受阻力過大事件:Ζι€ I機器人末端施加的阻力大於患肢當前的承受能力； 患肢承受阻力正常事件^機器人末端施加的阻力匹配於患肢當前的承受能力; 患肢承受阻力過小事件^機器人末端施加的阻力小於患肢當前的承受能力； 與患者安全相關的機器人系統工作異常事件機器人系統工作參數超過事先定義的閾值範圍時。
4.如權利要求3所述的基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，其特徵在於，轉換為與患者安全相關的機器人系統工作異常事件中，機器人系統工作參數包括工作電壓末端運行速度匕、末端負載超過事先定義的閾值範圍具體為>55V30V,F1 ^ IJ m/s、l^ -2,5 Kg0
5.如權利要求1所述的基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，其特徵在於，步驟3中，基於混雜理論設計離散事件決策控制器的具體步驟為: 首先，定義離散事件決策控制器控制狀態0,並通過離散/連續轉換接口⑤(S:)產生控制輸出向量C; 其次，當離散事件動態系統中患肢肌力/機器人狀態監督模塊監測到所定義的離散事件時，根據離散事件性質和離散事件決策控制器控制狀態，設計決策控制規則。
6.如權利要求5所述的基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，其特徵在於:定義離散事件決策控制器控制狀態G，並通過離散/連續轉換接口^產生控制輸出向量￡7具體為: 控制狀態β:隨機確定施加在機器人末端的初始阻力;控制向量^:康復機器人系統以初始阻力開始工作； 控制狀態02:增大施加在機器人末端的阻力;控制向量:康復機器人系統增加阻力; 控制狀態β3:減小施加在機器人末端的阻力;控制向量h:康復機器人系統減小阻力; 控制狀態:保持施加在機器人末端的阻力；控制向量^:康復機器人系統保持當前阻力； 控制狀態&:機器人系統停止工作;控制向量^:康復機器人系統停止工作。
7.如權利要求5所述的基於混雜理論的機器人輔助肌力訓練控制方法，其特徵在於:根據離散事件性質和離散事件決策控制器控制狀態，設計決策控制規則具體為: 當監測到患肢承受阻力過大事件^時，應激活離散控制狀態減小施加在機器人末端的阻力； 當監測到患肢承受阻力過小事件^時，應激活離散控制狀態02，增大施加在機器人末端的阻力； 當監測到患肢承受阻力正常事件^時，應激活離散控制狀態04,保持施加在機器人末端的阻力； 當監測到機器人系統工作狀態異常事件^時，應激活離散控制狀態&，機器人系統停止工作。
8.一種用於實現權利要求1-7任一項所述肌力訓練控制方法的控制系統，其特徵在於:包括離散事件動態系統、連續變量控制系統以及轉換接口， 在連續變量控制系統中，根據患肢實際運動位置與行程區域之間對應關係，以及機器人系統工作參數是否超過事先定義的閾值，定義並通過連續/離散轉換接口F(ψ.ΧχΧ^σ)將患肢肌力/機器人工作連續狀態Jf轉換為與區域狀態切換及患者安全相關的離散事件Cl ； 在離散事件動態系統中，基於混雜理論設計離散事件決策控制器； 在連續變量控制系統中，設計下述機器人輔助訓練比例(P)-微分(D)力跟蹤控制器:
【文檔編號】G05B13/00GK103926831SQ201410066073
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】徐國政, 茅晨, 高翔, 梁志偉 申請人:南京郵電大學