腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统，包括力反馈部分和三闭环控制部分，力反馈部分包括：由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器检测出人体腕部施加给腕部康复机器人的力/力矩；将所测力/力矩换算为等效电流；通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制中电流环前馈部分的值；三闭环控制部分包括位置环、速度环、电流环，位置环的输入为腕部运动轨迹数据，输出为电机转速给定，再经过速度环部分，输出电流作为电流环的给定值，力反馈部分输出是电流环的前馈部分输入，经电流环部分得到电机转速值，从而驱动电机。本发明专利技术可操作性强、精度高、稳定性强、成本低，且控制精度高，鲁棒性强。

The wrist rehabilitation robot training auxiliary force feedback control method and system

The invention provides a wrist rehabilitation robot assisted training force feedback control method and system, including force feedback closed-loop control part and the three part, the force feedback part includes: applied is mounted on the wrist rehabilitation on the robot force / torque sensor to detect human wrist rehabilitation robot wrist force / torque; the measuring force / torque conversion for the equivalent current; by judging the size relation of the equivalent current and equivalent current limit of three closed-loop control in current loop feedforward value; three closed-loop control includes position loop, speed loop and current loop, position loop is input to the wrist trajectory data, the output for the motor speed, then speed the ring part, the output current as the given value of current loop, force feedback is part of the output input feedforward current loop, the motor current loop part The speed value is thus driven by the motor. The invention has the advantages of strong operability, high precision, strong stability, low cost, high control precision and strong robustness.

【技术实现步骤摘要】
腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统
本专利技术涉及康复机器人的控制领域，具体地，涉及一种腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统。
技术介绍
偏瘫患者往往患有腕部功能障碍，给患者生活工作带来诸多不便。传统的康复训练通常是理疗师与患者进行一对一的肢体训练，需要对患肢进行重复、大量的运动。这些康复训练方法能够在一定程度上提高偏瘫患者的肢体运动能力，但一对一的训练模式，治疗师的劳动强度大，无法满足大量偏瘫患者的需求。针对这些局限与缺点，医疗康复机器人应运而生，并得到越来越广泛的应用与研究。具有手功能障碍的偏瘫患者，需要进行腕部的多自由度康复运动训练。手腕多方向上的康复运动，目的在于增加手腕活动与减少软组织沾黏的机会。腕部的伸展运动对于预防手腕伤害和受伤后期减少软组织萎缩有帮助。通常，康复机器人不外乎三种模式：主动训练模式、被动训练模式及助动训练模式。主动训练模式下，患者自主运动，设备跟踪采集包括速度、位置等的各项参数。被动训练模式下，将采集得到的康复动作位置信息作为给定输入，从而由设备带动患者按固定轨迹进行康复训练。当患者恢复部分腕部功能时，仅被动训练模式无法更好地适应患者的康复需求，因此采用一种助动训练模式，帮助损伤肌体获得最佳康复效果。患者首先自主运动，但由于腕部功能的损伤，患者无法顺利动作，因此通过判断患者的运动意图，根据运动意图驱动电机，从而给予患者助动力。在这种模式下，通过一定的方法检测人体本身的某些信息，比如脑电信号或是肌电信号，将这些信息反馈至控制器进行处理，从而实现康复机器人中对电机的控制，提供一定的助力，帮助患者按照一定的轨迹运动。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法及系统，使机器人能够通过力反馈的方式，根据患者腕部力、力矩的信息提供一定助力，在充分发挥患者已恢复的运动能力的同时，帮助患者完成康复训练。同时达到快速、准确、鲁棒性强的控制效果。根据本专利技术的第一方面，提供一种腕部康复机器人助动训练的控制方法，包括：力反馈部分和三闭环控制部分，其中：所述力反馈部分，包括以下步骤：步骤1：由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器检测出人体腕部施加给腕部康复机器人的力/力矩；步骤2：将所测力/力矩换算为等效电流；步骤3：通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制中电流环的前馈部分的值；所述三闭环控制部分，包括位置环、速度环、电流环，位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据，通过位置环部分，得到的输出为电机转速给定，并作为速度环的输入值，再经过速度环部分，得到的输出电流作为电流环的给定值，而上述力反馈部分的输出值则是电流环的前馈部分输入，经过电流环部分，输出得到电机转速值，从而驱动电机，实现控制目的。所述电机为腕部康复机器人中电机。根据本专利技术的另一方面，提供一种上述腕部康复机器人助动训练的控制系统，所述系统包括：力反馈模块和三闭环控制模块，其中：所述力反馈模块，包括由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器，所述传感器检测出人体腕部施加给设备的力/力矩，将所测力/力矩换算为等效电流，通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制模块中电流环前馈部分的值；所述三闭环控制模块，包括位置环、速度环、电流环，其中，位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据，通过位置环部分，得到的输出为电机转速给定，并作为速度环的输入值，再经过速度环部分，得到的输出电流作为电流环的给定值，而上述力反馈模块的输出值则是电流环的前馈部分输入，经过电流环部分，输出得到电机转速值，从而驱动电机，实现控制目的。优选地，所述三闭环控制模块，其中电流环的主要作用是快速响应给定电压的变化，同时在电机启动时，允许电机以大电流启动从而加快启动过程。更优选地，所述电流环的调节器采用PI调节器，电流环的输入为上述力反馈设计部分的输出值。优选地，所述三闭环控制模块，其中速度环的调节器仍然采用PI控制器，速度环的输入为位置环的输出值。优选地，所述三闭环控制模块，其中位置环采用滑模变结构调节器，提高系统鲁棒性。位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据。本专利技术通过力传感器及扭矩传感器检测人体腕部施加给设备的力，将反馈力的信息送入控制器进行处理，实现对设备电机的驱动控制，提供一定的助力，使患者腕部保持恒定大小的力，按照所测轨迹进行康复训练，在充分发挥腕部残存运动功能的同时帮助患肢完成运动。本专利技术的控制系统是具有力反馈功能的位置转速电流三闭环控制。其中，力反馈设计部分通过力反馈的方式确定电机提供助力的情况；电机控制部分采用位置转速电流三闭环控制，电流环和速度环采用比例-积分(Proportional-Integral，PI)调节器，位置环采用滑模变结构控制。控制系统控制精度高，鲁棒性强。且通过力反馈的方法完成助动康复训练，相比通过采集脑电信号和表肌电信号的方式，具有操作性强、稳定性强、成本低等特点。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1.本专利技术提供的力反馈部分设计，通过力传感器及扭矩传感器检测人体腕部施加给设备的力，根据作用力信息确定电机提供的助力，使患者腕部保持恒定大小的、在可承受范围内的力，充分发挥患者已恢复的运动能力，实现助动训练。2.本专利技术提供的力反馈部分设计，其力反馈算法简单，与采用脑电信号或肌电信号的方法相比，具有检测精度高、可操作性强、稳定性强、成本低的特点。3.本专利技术上述的具有力反馈功能的位置转速电流三闭环控制系统，其中位置环采用滑模变结构控制，响应速度快，跟踪精度高，鲁棒性强。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例中腕部康复机器人的结构示意图；图中：一维力传感器1、2、3、4，扭矩传感器5；图2为本专利技术中力反馈部分设计原理图；图3为本专利技术中位置转速电流三闭环控制系统的结构框图；图4为本专利技术控制系统中电流环部分原理图；图5为本专利技术控制系统中转速环部分原理图；图6为本专利技术控制系统中位置环部分原理图；图7为本专利技术控制系统中位置滑模变结构调节器结构图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术针对的腕部康复机器人可以是现有技术中任意腕部康复机器人，在本专利技术一实施例中，为了使得本领域技术人员更清楚理解本专利技术的技术方案，采用本申请人之前申请的专利201610015770.2中记载的三自由度腕功能康复机器人，应当理解的是，在其他实施例中也可以是其他的腕部康复机器人。本实施例针对上述腕部康复机器人，采用的助动训练的控制方法包括：力反馈部分和三闭环控制部分。具体的，如图2所示，所述力反馈部分，步骤包括：步骤1：由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器检测出人体腕部施加给腕部康复机器人的力F/力矩T。具体地，在图1腕部康复机器人机械结构上，共设置五个传感器，4个一维力传感器和1个扭矩传感器。图1中标注的一维力传感器1和2用于检测掌屈/背伸自由度上的力，一维力传感器3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法，其特征在于：包括力反馈部分和三闭环控制部分，其中：所述力反馈部分，包括以下步骤：步骤1：由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器检测出人体腕部施加给腕部康复机器人的力/力矩；步骤2：将所测力/力矩换算为等效电流；步骤3：通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制中电流环的前馈部分的值；所述三闭环控制部分，包括位置环、速度环、电流环，位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据，通过位置环部分，得到的输出为电机转速给定，并作为速度环的输入值，再经过速度环部分，得到的输出电流作为电流环的给定值，而上述力反馈部分的输出值则是电流环的前馈部分输入，经过电流环部分，输出得到电机转速值，从而驱动电机，实现控制目的。

【技术特征摘要】
1.一种腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法，其特征在于：包括力反馈部分和三闭环控制部分，其中：所述力反馈部分，包括以下步骤：步骤1：由安装在腕部康复机器人上的力/力矩传感器检测出人体腕部施加给腕部康复机器人的力/力矩；步骤2：将所测力/力矩换算为等效电流；步骤3：通过判断等效电流与等效电流限幅值的大小关系确定三闭环控制中电流环的前馈部分的值；所述三闭环控制部分，包括位置环、速度环、电流环，位置环的输入为已测得的腕部运动轨迹数据，通过位置环部分，得到的输出为电机转速给定，并作为速度环的输入值，再经过速度环部分，得到的输出电流作为电流环的给定值，而上述力反馈部分的输出值则是电流环的前馈部分输入，经过电流环部分，输出得到电机转速值，从而驱动电机，实现控制目的。2.根据权利要求1所述的腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法，其特征在于：所述电流环，用于快速响应给定电压的变化，同时在电机启动时，允许电机以大电流启动从而加快启动过程。3.根据权利要求2所述的腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法，其特征在于：所述电流环，其调节器采用PI调节器。4.根据权利要求1所述的腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法，其特征在于：所述速度环，其调节器采用PI控制器。5.根据权利要求1所述的腕部康复机器人助动训练的力反馈控制方法，其特征在于：所述位置环，其调节器采用滑模变结构调节器。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢叻，王依晴，邓泽，洪武洲，顾灵凯，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31