坐臥式下肢康復機器人及相應的主動訓練控制方法
2023-05-31 10:57:21 1
專利名稱：坐臥式下肢康復機器人及相應的主動訓練控制方法
技術領域：
本發明涉及康復醫療器械技術領域，具體涉及一種坐臥式下肢康復機器人及相應的主動訓練控制方法。
背景技術：
脊髓損傷和中風是導致神經系統損傷並進而導致癱瘓的兩大主要原因，神經系統損傷之後適當的康復訓練可以減輕或避免殘疾。根據神經系統可塑性原理，目前臨床上常用的治療方法包括物理療法、作業療法、運動療法等，然而，國內絕大多數康復醫院仍然藉助於人工或簡單的被動康復醫療設備進行以上治療，不僅康復效率低下，而且治療師的勞動強度大，限制了患者的訓練時間。利用康復機器人技術進行主動康復訓練是康復領域未來的發展趨勢，儘管國內很多研究機構已相繼研究了各種類型的康復機器人，但大多數機器人仍然只能進行被動訓練或簡單的主動訓練。利用生物電信號對患者的運動意圖進行模式識別，並根據識別結果完成對機器人相應動作的控制是康復機器人研究的一個熱點方向，然而這種方式只能對特定的幾種運動模式進行控制，不能實時激發患者的主動運動願望。
發明內容
本發明的目的在於為脊髓損傷或中風患者提供一種坐臥式下肢康復機器人，以及一種相應的主動訓練控制方法，以適應不同的患者或不同的康復階段，從而提高患者的積極性，並改善其康復進程。根據本發明的一個方面，本發明提出了一種坐臥式下肢康復機器人，其特徵在於，該機器人包括座椅7、兩條機械臂3、人機互動界面I、主工控箱2、多個肌電信號採集電極片6、肌電信號採集工控箱8，其中，每條機械臂3有三個關節，分別對應人體下肢的髖、膝、踝三個關節；所述人機互動界面I用於供用戶輸入、選擇訓練形式並設定相應的運動參數、對康復訓練進行智能監控和數據管理；所述主工控箱2用以控制機器人各關節的運動、採集機器人相關的傳感信息；所述肌電信號採集工控箱8安裝在靠近人體下肢的座椅7的下部，以方便其輸入部件，肌電信號採集電極片6，與人體肌肉進行連接，所述肌電信號採集工控箱8用以接收來自主工控箱2的肌電信號採集指令、對通過肌電信號採集電極片6實時採集得到的肌電信號進行處理，然後將經過處理後的肌電信號傳送給主工控箱2 ;所述肌電信號採集電極片6粘貼在需要訓練的肌肉的肌腹位置上，用來採集相應肌肉的肌電信號；所述主工控箱2包括上位機PC104、通過數據總線與上位機PC104進行通信的左運動控制卡和右運動控制卡、與所述左運動控制卡通過相應的接口連接的左髖關節驅動器、左膝關節驅動器、左踝關節驅動器、與所述右運動控制卡通過相應的接口連接的右髖關節驅動器、右膝關節驅動器、右踝關節驅動器、與所述左髖關節驅動器連接的左髖電機/編碼器、與所述左膝關節驅動器連接的左膝電機/編碼器、與所述左踝關節驅動器連接的左踝電機/編碼器、與所述右髖關節驅動器連接的右髖電機/編碼器、與所述右膝關節驅動器連接的右膝電機/編碼器、與所述右踝關節驅動器連接的右踝電機/編碼器、通過USB接口總線與上位機PC104進行通信的數位訊號輸入輸出DIDO數位訊號採集卡和A/D轉換卡、與所述DIDO數位訊號採集卡連接的光耦隔離電平轉換電路板、與所述光耦隔離電平轉換電路板連接的安裝在機器人內部各關節位置的多個絕對位置編碼器、與所述A/D轉換卡連接的表面肌電光耦隔離卡、與所述表面肌電光耦隔離卡連接的多個肌電信號前置放大濾波器。根據本發明的另一個方面，本發明還提出了一種利用所述康復機器人輔助患者進行主動康復訓練的控制方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟1，患者斜躺在康復機器人的座椅上，將患者的雙側下肢分別與康復機器人的兩條機械臂進行固定；
步驟2，用戶通過人機互動界面設定患者參與主動訓練的關節、該關節的最大運動範圍Aqn^P最大運動速度I，並根據所選的關節選擇採集肌電信號的肌肉；步驟3，在所選擇的肌肉的肌腹位置上粘貼肌電信號採集電極片，採集靜態時所選擇的肌肉的肌電信號的絕對均值，記為As，採集最大肌肉收縮力情況下肌肉的肌電信號的絕對均值，記為Am ；步驟4，患者根據自身意願控制採集肌電信號的關節進行伸屈運動；步驟5，在患者運動時，肌電信號採集電極片採集到的原始肌電信號經肌電信號前置放大濾波器、表面肌電光耦隔離卡、A/D轉換卡依次進行放大濾波、光耦隔離和模數轉換後，上位機通過USB接口讀取A/D轉換卡中轉換後的數位訊號並進行相應的信號處理，包括去除信號的直流基線噪聲和求取信號的絕對均值；步驟6，基於經過所述步驟5處理後的肌電信號，根據彈簧式位置控制策略計算出患者各關節的期望角度，或根據阻尼式速度控制策略計算出患者各關節的期望運動速度；步驟7，將計算得到的所述期望角度信號或期望運動速度信號進行平滑濾波之後發送到相應的運動控制卡，運動控制卡根據所述期望角度信號或期望運動速度信號產生特定頻率的脈衝和方向信號發送到相應的關節驅動器，關節驅動器根據所述脈衝和方向信號計算出電機的期望位置或速度，並產生相應的驅動電流至電機，使機器人關節運動到所述期望角度或按照期望的速度運動。本發明所涉及的坐臥式下肢康復機器人及相應的助力訓練控制方法，有機地結合了作業療法和運動療法的特點，具有表面肌電信號信號採集功能，解決了現有技術只能進行被動訓練的缺點，能極大程度地提高患者主動參與的積極性，並改善其康復進程。
圖I是根據本發明實施例的坐臥式下肢康復機器人的結構圖；圖2是根據本發明實施例的電氣控制系統總體結構框圖；圖3是本發明利用康復機器人對患者進行主動訓練的控制方法流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。圖I是根據本發明實施例的坐臥式下肢康復機器人的結構圖，如圖I所示，本發明的坐臥式下肢康復機器人由機械本體和電氣控制系統兩部分組成，其中，機械本體包括座椅7和兩條機械臂3，每條機械臂3有三個自由度(關節)，分別對應人體下肢的髖、膝、踝三個關節，所述機械臂的自由度也稱為機器人的關節或是機械臂的關節；電氣控制系統包括人機互動界面I、主工控箱2、多個肌 電信號採集電極片6、肌電信號採集工控箱8。所述人機互動界面I進一步為觸控螢幕，用於供用戶輸入、選擇訓練形式並設定相應的運動參數以及對康復訓練進行智能監控和數據管理；主工控箱2是機器人運動控制的核心，用以控制機器人各關節的運動、採集機器人相關的傳感信息，比如肌電信號等；肌電信號採集電極片6粘貼在患者需要訓練的肌肉的肌腹位置上，用來採集相應肌肉的肌電信號；肌電信號採集工控箱8安裝在靠近人體下肢的座椅7的下部，以方便其輸入部件肌電信號採集電極片6，與人體肌肉進行連接，其內部包含16通道的肌電信號前置放大濾波器和隔離電路板、A/D轉換卡及驅動電源，所述肌電信號採集工控箱8—方面接收來自主工控箱2的肌電信號採集指令，另一方面對通過肌電信號採集電極片6實時採集得到的肌電信號進行信號放大、濾波、光耦隔離及模數轉換處理，然後將經過上述處理後的肌電信號傳送給主工控箱2。所述主工控箱2包括上位機PC104、通過數據總線與上位機PC104進行通信的左運動控制卡和右運動控制卡(如圖2所示)、與所述左運動控制卡通過相應的接口連接的左髖關節驅動器、左膝關節驅動器、左踝關節驅動器、與所述右運動控制卡通過相應的接口連接的右髖關節驅動器、右膝關節驅動器、右踝關節驅動器、與所述左髖關節驅動器連接的左髖電機/編碼器、與所述左膝關節驅動器連接的左膝電機/編碼器、與所述左踝關節驅動器連接的左踝電機/編碼器、與所述右髖關節驅動器連接的右髖電機/編碼器、與所述右膝關節驅動器連接的右膝電機/編碼器、與所述右踝關節驅動器連接的右踝電機/編碼器、通過USB接口總線與上位機PC104進行通信的數位訊號輸入輸出DIDO數位訊號採集卡和A/D轉換卡、與所述DIDO數位訊號採集卡連接的光耦隔離電平轉換電路板、與所述光耦隔離電平轉換電路板連接的安裝在機器人內部各關節位置的多個絕對位置編碼器、與所述A/D轉換卡連接的表面肌電光耦隔離卡、與所述表面肌電光耦隔離卡連接的多個肌電信號前置放大濾波器，所述電機/編碼器包括安裝在一起的電機和編碼器，所述編碼器進一步為光電編碼器。圖2是根據本發明實施例的電氣控制系統總體結構框圖，如圖2所示，本發明的電氣控制系統以PC104為核心，並通過PC104數據總線分別與主工控箱2中的左、右運動控制卡進行通信，通過USB接口分別與主工控箱2中的DIDO數位訊號採集卡和A/D轉換卡進行通信，通過VGA接口與人機互動界面I進行通信，通過相應的接口分別與存儲設備、復位電路、鍵盤滑鼠連接，還可與乙太網連接。所述髖、膝、踝關節驅動器用於接收上位機PC104通過相應運動控制卡發出的指令，並直接驅動相應的電機/編碼器中的電機，而電機/編碼器中的編碼器產生的關於各關節電機的角度信息的光電編碼器信號依次反饋到相應的關節驅動器和運動控制卡中，上位機可以從相應的運動控制卡中讀取該光電編碼器信號。安裝在機器人本體結構內部的多個絕對位置編碼器信號經過光耦隔離電平轉換之後傳遞到DIDO數位訊號採集卡，再由PC104進行讀取。肌電信號採集電極片6採集到的肌電信號首先經過相應的肌電信號前置放大濾波器進行放大濾波之後，輸入到表面肌電光耦隔離卡內進行隔離，然後由A/D轉換卡進行模數轉換，再由PC104進行讀取。利用本發明的機器人對患者進行主動康復訓練時，患者斜躺在機器人座椅7上，將患者的雙側下肢分別與機器人的兩條機械臂3進行固定，然後通過下文描述的主動訓練控制方法實現主動康復訓練。圖3是本發明利用康復機器人對患者進行主動訓練的控制方法流程圖，如圖3所示，本發明還可以利用上述康復機器人對患者進行基於肌電信號反饋的主動訓練，在主動 訓練過程中，機器人各關節可以在患者的主動控制下進行運動。本發明利用上述康復機器人對患者進行主動訓練的控制方法包括以下幾個步驟步驟1，患者斜躺在康復機器人的座椅上，將患者的雙側下肢分別與康復機器人的兩條機械臂進行固定；步驟2，由用戶，比如臨床治療師，通過人機互動界面設定患者參與主動訓練的關節、該關節的最大運動範圍Aqm和最大運動速度七，並根據所選的關節確定肌電信號的採集位置，即選擇採集肌電信號的肌肉，需要選擇一對肌肉來控制一個關節，以分別來控制關節的伸、屈運動；所述肌肉並不局限於生理狀態下控制該關節運動的肌肉，例如，對膝關節進行主動訓練，可以選擇股四頭肌和股二頭肌採集肌電信號，也可以選擇控制上肢肘關節伸屈運動的肌肉如肱二頭肌和肱三頭肌採集肌電信號。步驟3，在所選擇的肌肉的肌腹位置上粘貼肌電信號採集電極片，採集靜態時所選擇的肌肉的肌電信號的絕對均值，記為As，採集最大肌肉收縮力情況下肌肉的肌電信號的絕對均值，記為Am ；步驟4，患者根據自身意願控制採集肌電信號的關節進行伸屈運動；如果患者本身無法產生足夠的肌肉力量使該關節產生運動，則要求患者盡力去做伸屈運動，使得控制該關節伸屈的肌肉產生收縮。步驟5，在患者運動時，肌電信號採集電極片採集到的原始肌電信號經肌電信號前置放大濾波器、表面肌電光耦隔離卡、A/D轉換卡依次進行放大濾波、光耦隔離和模數轉換後，上位機通過USB接口讀取A/D轉換卡中的轉換後的數位訊號並進行相應的信號處理，包括去除信號的直流基線噪聲和求取信號的絕對均值(以將肌電信號在負半平面的值全部轉化到正半平面)；步驟6，基於經過所述步驟5處理後的肌電信號，根據彈簧式位置控制策略計算出患者各關節的期望角度，或根據阻尼式速度控制策略計算出患者各關節的期望運動速度；本發明的主動訓練可以分為彈簧式位置控制和阻尼式速度控制兩種形式的主動訓練。對於彈簧式位置控制的主動訓練，機器人各關節被看成是剛度係數可調節的彈簧，患者可通過下肢關節的主動力矩控制機器人關節運動到相應的位置，當患者的主動力矩為O時，機器人關節自動回到初始平衡位置，該平衡位置設定為關節活動範圍內，通常設定為關節活動範圍的中點，使得從平衡位置開始的伸屈運動具有同等的活動範圍。開始訓練時，患者控制關節運動的肌肉先處於放鬆狀態，此時上位機PC104會通過DIDO數位訊號採集卡讀取絕對位置編碼器的信息，以求取各關節的當前位置，然後根據設定的平衡位置控制各關節運動到該位置。患者各關節的主動力矩大小由相應肌肉肌電信號的相對強度確定，相對強度由該肌肉當前肌電信號幅值與最大肌力下肌電信號幅值的比值確定。在該控制方法下，患者可以通過控制相應肌肉的收縮強度實現對相應關節的位置控制。在彈簧式位置控制策略中，輸入信號為控制患者某一關節運動的當前肌電信號幅值，輸出為由患者的肌電信號強度確定的該關節運動的期望角度，其控制模型如下式所示
權利要求
1.一種坐臥式下肢康復機器人，其特徵在於，該機器人包括座椅(7)、兩條機械臂(3)、人機互動界面(I)、主エ控箱(2)、多個肌電信號採集電極片￠)、肌電信號採集エ控箱(8)，其中， 每條機械臂(3)有三個關節，分別對應人體下肢的髖、膝、踝三個關節； 所述人機互動界面(I)用於供用戶輸入、選擇訓練形式並設定相應的運動參數、對康復訓練進行智能監控和數據管理； 所述主エ控箱(2)用以控制機器人各關節的運動、採集機器人相關的傳感信息； 所述肌電信號採集エ控箱(8)安裝在靠近人體下肢的座椅(7)的下部，以方便其輸入部件，肌電信號採集電極片出)，與人體肌肉進行連接，所述肌電信號採集エ控箱(8)用以接收來自主エ控箱⑵的肌電信號採集指令、對通過肌電信號採集電極片(6)實時採集得到的肌電信號進行處理，然後將經過處理後的肌電信號傳送給主エ控箱(2);所述肌電信號採集電極片(6)粘貼在需要訓練的肌肉的肌腹位置上，用來採集相應肌肉的肌電信號； 所述主エ控箱(2)包括上位機PC104、通過數據總線與上位機PC104進行通信的左運動控制卡和右運動控制卡、與所述左運動控制卡通過相應的接ロ連接的左髖關節驅動器、左膝關節驅動器、左踝關節驅動器、與所述右運動控制卡通過相應的接ロ連接的右髖關節驅動器、右膝關節驅動器、右踝關節驅動器、與所述左髖關節驅動器連接的左髖電機/編碼器、與所述左膝關節驅動器連接的左膝電機/編碼器、與所述左踝關節驅動器連接的左踝電機/編碼器、與所述右髖關節驅動器連接的右髖電機/編碼器、與所述右膝關節驅動器連接的右膝電機/編碼器、與所述右踝關節驅動器連接的右踝電機/編碼器、通過USB接ロ總線與上位機PC104進行通信的數位訊號輸入輸出DIDO數位訊號採集卡和A/D轉換卡、與所述DIDO數位訊號採集卡連接的光耦隔離電平轉換電路板、與所述光耦隔離電平轉換電路板連接的安裝在機器人內部各關節位置的多個絕對位置編碼器、與所述A/D轉換卡連接的表面肌電光耦隔離卡、與所述表面肌電光耦隔離卡連接的多個肌電信號前置放大濾波器。
2.根據權利要求I所述的機器人，其特徵在於，所述人機互動界面(I)為觸控螢幕。
3.根據權利要求I所述的機器人，其特徵在於，所述肌電信號採集エ控箱(8)包含16通道的肌電信號前置放大濾波器和隔離電路板及驅動電源。
4.根據權利要求I所述的機器人，其特徵在於，所述肌電信號採集エ控箱(8)對肌電信號進行的處理包括放大、濾波、光耦隔離及模數轉換。
5.根據權利要求I所述的機器人，其特徵在於，所述電機/編碼器包括安裝在一起的電機和編碼器；所述編碼器進ー步為光電編碼器。
6.根據權利要求I所述的機器人，其特徵在於，所述上位機通過PC104數據總線分別與主エ控箱(2)中的運動控制卡進行通信；通過USB接ロ分別與主エ控箱(2)中的DIDO數位訊號採集卡和A/D轉換卡進行通信；通過VGA接ロ與人機互動界面(I)進行通信；通過相應的接ロ分別與存儲設備、復位電路、鍵盤滑鼠連接，還能夠與乙太網連接。
7.根據權利要求I所述的機器人，其特徵在於，所述髖、膝、踝關節驅動器用於接收上位機PC104通過相應運動控制卡發出的指令，並直接驅動相應的電機/編碼器中的電機，而電機/編碼器中的編碼器產生的關於各關節電機的角度信息的光電編碼器信號依次反饋到相應的關節驅動器和運動控制卡中，上位機可以從相應的運動控制卡中讀取該光電編碼器信號；所述多個絕對位置編碼器信號經過光耦隔離電平轉換之後傳遞到DIDO數位訊號採集卡，再由上位機PC104進行讀取； 所述肌電信號採集電極片(6)採集到的肌電信號首先經過相應的肌電信號前置放大濾波器進行放大濾波之後，輸入到表面肌電光耦隔離卡內進行隔離，然後由A/D轉換卡進行模數轉換，再由上位機PC104進行讀取。
8.ー種利用權利要求I中所述的康復機器人輔助患者進行主動康復訓練的控制方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 步驟I，患者斜躺在康復機器人的座椅上，將患者的雙側下肢分別與康復機器人的兩條機械臂進行固定； 步驟2，用戶通過人機互動界面設定患者參與主動訓練的關節、該關節的最大運動範圍Aqm和最大運動速度見,，井根據所選的關節選擇採集肌電信號的肌肉； 步驟3，在所選擇的肌肉的肌腹位置上粘貼肌電信號採集電極片，採集靜態時所選擇的肌肉的肌電信號的絕對均值，記為As，採集最大肌肉收縮カ情況下肌肉的肌電信號的絕對均值，記為Am ； 步驟4，患者根據自身意願控制採集肌電信號的關節進行伸屈運動； 步驟5，在患者運動時，肌電信號採集電極片採集到的原始肌電信號經肌電信號前置放大濾波器、表面肌電光耦隔離卡、A/D轉換卡依次進行放大濾波、光耦隔離和模數轉換後，上位機通過USB接ロ讀取A/D轉換卡中轉換後的數位訊號並進行相應的信號處理，包括去除信號的直流基線噪聲和求取信號的絕對均值； 步驟6，基於經過所述步驟5處理後的肌電信號，根據彈簧式位置控制策略計算出患者各關節的期望角度，或根據阻尼式速度控制策略計算出患者各關節的期望運動速度； 步驟7，將計算得到的所述期望角度信號或期望運動速度信號進行平滑濾波之後發送到相應的運動控制卡，運動控制卡根據所述期望角度信號或期望運動速度信號產生特定頻率的脈衝和方向信號發送到相應的關節驅動器，關節驅動器根據所述脈衝和方向信號計算出電機的期望位置或速度，並產生相應的驅動電流至電機，使機器人關節運動到所述期望角度或按照期望的速度運動。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述彈簧式位置控制策略表示為
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述阻尼式速度控制策略表示為
全文摘要
本發明公開了一種坐臥式下肢康復機器人及相應的主動訓練控制方法。所述機器人包括座椅、機械臂、主工控箱、人機互動界面、肌電信號採集電極片、肌電信號採集工控箱。在利用所述康復機器人輔助患者進行主動訓練時，患者斜躺在座椅上，患者的雙側下肢分別與機械臂進行固定，採集患者相應肌肉的肌電信號，根據不同的控制算法實現由患者控制機器人完成主動訓練。本發明將傳統的作業療法、運動療法進行有機的結合，能夠有效地改善患者的康復效果，增強患者主動參與的願望。
文檔編號A63B24/00GK102698411SQ201210226579
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者侯增廣, 張峰, 張新超, 李鵬峰, 王衛群, 王洪波, 程龍, 胡國清, 胡進, 譚民, 陳翼雄 申請人:中國科學院自動化研究所