一种适用于变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法，通过建立人体下肢逆运动学模型、基于表面肌电传感器、角度传感器和足底压力传感器等多传感器采集系统，通过构建长短期记忆神经网络(LSTM)模型，构建训练集和测试集数据训练神经网络模型，可以快速、准确的估计膝关节扭矩和刚度，识别穿戴者运动意图，并通过估计的膝关节扭矩值和刚度值，对外骨骼位置电机进行导纳控制实现外骨骼的柔顺控制；对刚度电机进行闭环PID控制，实时调整膝关节刚度。本发明专利技术提出的控制策略，能够输出连续的控制信号，在完成模型训练后可以识别出穿戴者运动意图，外骨骼控制柔顺性好，适用于老年人辅助行走和膝关节损伤患者的术后康复训练。辅助行走和膝关节损伤患者的术后康复训练。辅助行走和膝关节损伤患者的术后康复训练。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法


[0001]本专利技术涉及膝关节康复外骨骼机器人
，特别是涉及一种变刚度膝关节康复外骨骼以及适用于变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法和康复训练方法。

技术介绍

[0002]膝关节康复外骨骼是可穿戴的人机协作系统，能够在穿戴者的膝关节处产生可控的辅助力矩。相较于传统的人工康复治疗，膝关节康复外骨骼具有康复效率高和康复周期短的特点，具有与人体下肢类似的运动学结构，通常设计有驱动器、传感器、控制器以及电源等，可以为患者膝关节提供可控的辅助力/力矩，帮助患者重获肌肉力量和运动控制功能，膝关节损伤病人在穿上外骨骼后，在外骨骼的支撑及其动力驱动作用下，可以实现和正常人一样的站起/坐下、行走、上下楼梯等动作，能大大提高他们生活的质量和乐趣。膝关节康复外骨骼最重要的目标是协助膝关节运动功能障碍患者站立行走，重新恢复患者的身心健康并建立起他们对生活的信心。
[0003]一直以来，由神经疾病、年龄增长和外科伤病等引起的膝关节损伤会造成患者的肌肉无力、步态紊乱甚至长期的运动失能，严重影响患者的生活质量和对生活的信心。膝关节康复外骨骼可以提供更科学有效、更简便快捷的康复训练。针对膝关节损伤患者，很多外骨骼控制只单纯满足了位置控制，而没有考虑患者运动意图和外界环境影响，缺少了安全性和舒适性。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：针对以上问题，本专利技术的一种变刚度膝关节康复外骨骼及其控制方法，不仅考虑了患者的运动意图，而且考虑了膝关节的刚度变化，从人体膝关节角度信号和下肢肌电信号估计膝关节力矩和刚度，快速、实时的获取患者运动意图，并分别提供外骨骼刚度控制和柔顺性位置控制，使康复过程更稳定、舒适和安全。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：
[0006]提供一种变刚度膝关节康复外骨骼，包括变刚度膝关节康复外骨骼本体、动力模块、控制系统、传感器采集模块和基于运动意图识别的控制策略模块；
[0007]所述变刚度膝关节康复外骨骼本体包括大腿杆件与大腿杆件底端的小腿杆件铰接而成的膝关节、小腿杆件与小腿杆件底端的鞋底支座铰接而成的踝关节，所述大腿杆件的侧面固定安装有由刚度调节电机驱动的丝杠螺母机构，丝杠螺母机构的动力输出端固定连接有滑块，所述动力模块包括固定连接于小腿杆件侧面上的安装架、固定安装于安装架上的位置控制电机、转动安装于安装架上的盘式扭簧，所述位置控制电机的输出轴端通过齿轮副与盘式扭簧的扭簧扭矩传动轴传动连接，所述盘式扭簧的外圆面上固定设置有沟槽杆，所述滑块滑动设置于沟槽杆内；
[0008]所述传感器采集模块包括表面肌电信号采集仪、电位计、足底压力传感器和三维运动捕捉系统，所述表面肌电信号采集仪用于采集下肢肌电信号，所述电位计安装于大腿
杆件和小腿杆件的铰接处，用于采集膝关节转动角度，所述足底压力传感器设置于鞋底支座的底面上，用于采集地面反力，所述三维运动捕捉系统用于采集人体下肢各标记点的位置和运动信息；
[0009]所述控制系统包括上位机PC电脑和下位机单片机，所述上位机PC电脑内置数据处理软件并与下位机单片机采用串口通信，负责数据的接收与处理，下位机单片机分别与刚度调节电机、位置控制电机、传感器采集模块连接；
[0010]所述运动意图识别是指基于表面肌电信号估计膝关节扭矩和刚度，通过构建长短期记忆神经网络模型，将下肢四块肌肉表面肌电信号和膝关节角度信号作为神经网络输入，将逆运动学计算所得的膝关节扭矩和刚度作为模型输出，构建训练集和测试集进行模型训练；
[0011]所述控制策略是指通过运动意图识别实时得到的膝关节扭矩值和刚度值后，根据输出的扭矩值对位置控制电机导纳控制实现外骨骼柔顺控制，辅助穿戴者完成康复训练，根据输出的刚度值控制刚度调节电机实时调整外骨骼的膝关节刚度。
[0012]还提供一种适用于所述的变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法，包括以下步骤：
[0013]S10、通过表面肌电信号采集仪、电位计和足底压力传感器采集穿戴者在跑步机行走时的运动学数据，包括表面肌电信号采集仪采集的腿部表面肌电信号、电位计采集的膝关节转动角度，以及脚底压力传感器采集的压力数据。
[0014]S11、分别对采集到的膝关节转动角度数据和表面肌电信号数据进行滤波预处理；
[0015]S12、通过逆运动学计算膝关节扭矩和踝关节扭矩：通过大腿、小腿和足部建立人体下肢三连杆模型，对每个连杆部件建立牛顿欧拉方程，得到人体动力学模型；通过足底压力传感器采集计算足底压力；通过三维运动捕捉系统贴在人体下肢的标记点获取各个标记点的位置和运动状态信息，通过配套软件解算各个标记点的速度以及加速度信息，进而得到各个标记点的质量转动惯量，最终求解得到人体膝关节力矩；
[0016]S13、构建长短期记忆神经网络模型来估计膝关节扭矩和刚度，受试者在穿戴变刚度膝关节康复外骨骼和张贴表面肌电信号采集仪后在跑步机上行走以采集数据，并将采集并处理后的膝关节角度和四块肌肉的肌电信号数据信息的前80％数据量作为神经网络模型的训练集输入数据，将计算后的膝关节力矩和刚度值作为训练集输出数据，将采集并处理后的膝关节角度和四块肌肉的肌电信号数据信息的后20％的数据量分别作为测试集输入数据，将计算后的膝关节力矩和刚度值作为测试集输出数据；
[0017]S14、利用均方根误差来评估人体膝关节力矩和刚度预测模型的优劣，并衡量神经网络模型预测值和真实值的误差程度；
[0018]S15、由长短期记忆神经网络估计得出膝关节刚度值后，通过控制刚度调节电机的转动来驱动丝杠螺母机构的传动，从而调节沟槽杆的有效长度，实现关节刚度的实时调节，实现变刚度功能，采用PID闭环控制、电机工作在速度模式实现关节刚度的动态变化；在上位机PC电脑内置的数据处理软件中设计基于估计力矩的具有轨迹跟踪的导纳控制方法，以基于不同穿戴者行走的膝关节角度曲线和由长短期记忆神经网络模型得到的估计力矩作为输入，以膝关节实际角度为输出，通过控制位置控制电机的转动来驱动齿轮副的转动，从而通过盘式扭簧辅助穿戴者完成康复训练。
[0019]进一步的，步骤S11中，表面肌电信号数据采集和滤波预处理的具体方式为：
[0020]将表面肌电信号采集仪贴头贴在右腿股外侧肌、半腱肌、股二头肌长头、腓肠肌内侧头处，利用表面肌电信号采集仪其中四通道以2000Hz的速率采集受试者2m/s的速度行走1分钟时的四块肌肉的肌电信号，并利用50Hz陷波滤波器和具有20Hz
‑
500Hz带宽的巴特沃斯带通滤波器去除噪声；
[0021]之后进行特征提取，为了保证特征的连续性，将预处理后的肌电信号以30个采样点为窗口，选择时域特征的均方根RMS进行分析，RMS的计算公式如下：
[0022][0023]其中，Data[i]为表面肌电信号；N为窗口大小。
[0024]进一步的，步骤S12中，在人体下肢三连杆模型中通过人体动力学模型计算得到踝关节力矩和膝关节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变刚度膝关节康复外骨骼，其特征在于：包括变刚度膝关节康复外骨骼本体、动力模块、控制系统、传感器采集模块和基于运动意图识别的控制策略模块；所述变刚度膝关节康复外骨骼本体包括大腿杆件与大腿杆件底端的小腿杆件铰接而成的膝关节、小腿杆件与小腿杆件底端的鞋底支座铰接而成的踝关节，所述大腿杆件的侧面固定安装有由刚度调节电机驱动的丝杠螺母机构，丝杠螺母机构的动力输出端固定连接有滑块，所述动力模块包括固定连接于小腿杆件侧面上的安装架、固定安装于安装架上的位置控制电机、转动安装于安装架上的盘式扭簧，所述位置控制电机的输出轴端通过齿轮副与盘式扭簧的扭簧扭矩传动轴传动连接，所述盘式扭簧的外圆面上固定设置有沟槽杆，所述滑块滑动设置于沟槽杆内；所述传感器采集模块包括表面肌电信号采集仪、电位计、足底压力传感器和三维运动捕捉系统，所述表面肌电信号采集仪用于采集下肢肌电信号，所述电位计安装于大腿杆件和小腿杆件的铰接处，用于采集膝关节转动角度，所述足底压力传感器设置于鞋底支座的底面上，用于采集地面反力，所述三维运动捕捉系统用于采集人体下肢各标记点的位置和运动信息；所述控制系统包括上位机PC电脑和下位机单片机，所述上位机PC电脑内置数据处理软件并与下位机单片机采用串口通信，负责数据的接收与处理，下位机单片机分别与刚度调节电机、位置控制电机、传感器采集模块连接；所述运动意图识别是指基于表面肌电信号估计膝关节扭矩和刚度，通过构建长短期记忆神经网络模型，将下肢四块肌肉表面肌电信号和膝关节角度信号作为神经网络输入，将逆运动学计算所得的膝关节扭矩和刚度作为模型输出，构建训练集和测试集进行模型训练；所述控制策略是指通过运动意图识别实时得到的膝关节扭矩值和刚度值后，根据输出的扭矩值对位置控制电机导纳控制实现外骨骼柔顺控制，辅助穿戴者完成康复训练，根据输出的刚度值控制刚度调节电机实时调整外骨骼的膝关节刚度。2.一种基于权利要求1所述的变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、通过表面肌电信号采集仪、电位计和足底压力传感器采集穿戴者在跑步机行走时的运动学数据，包括表面肌电信号采集仪采集的腿部表面肌电信号、电位计采集的膝关节转动角度，以及脚底压力传感器采集的压力数据。S11、分别对采集到的膝关节转动角度数据和表面肌电信号数据进行滤波预处理；S12、通过逆运动学计算膝关节扭矩和踝关节扭矩：通过大腿、小腿和足部建立人体下肢三连杆模型，对每个连杆部件建立牛顿欧拉方程，得到人体动力学模型；通过足底压力传感器采集计算足底压力；通过三维运动捕捉系统贴在人体下肢的标记点获取各个标记点的位置和运动状态信息，通过配套软件解算各个标记点的速度以及加速度信息，进而得到各个标记点的质量转动惯量，最终求解得到人体膝关节力矩；S13、构建长短期记忆神经网络模型来估计膝关节扭矩和刚度，受试者在穿戴变刚度膝关节康复外骨骼和张贴表面肌电信号采集仪后在跑步机上行走以采集数据，并将采集并处理后的膝关节角度和四块肌肉的肌电信号数据信息的前80％数据量作为神经网络模型的训练集输入数据，将计算后的膝关节力矩和刚度值作为训练集输出数据，将采集并处理后
的膝关节角度和四块肌肉的肌电信号数据信息的后20％的数据量分别作为测试集输入数据，将计算后的膝关节力矩和刚度值作为测试集输出数据；S14、利用均方根误差来评估人体膝关节力矩和刚度预测模型的优劣，并衡量神经网络模型预测值和真实值的误差程度；S15、由长短期记忆神经网络估计得出膝关节刚度值后，通过控制刚度调节电机的转动来驱动丝杠螺母机构的传动，从而调节沟槽杆的有效长度，实现关节刚度的实时调节，实现变刚度功能，采用PID闭环控制、电机工作在速度模式实现关节刚度的动态变化；在上位机PC电脑内置的数据处理软件中设计基于估计力矩的具有轨迹跟踪的导纳控制方法，以基于不同穿戴者行走的膝关节角度曲线和由长短期记忆神经网络模型得到的估计力矩作为输入，以膝关节实际角度为输出，通过控制位置控制电机的转动来驱动齿轮副的转动，从而通过盘式扭簧辅助穿戴者完成康复训练。3.根据权利要求2所述的一种基于变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法，其特征在于：步骤S11中，表面肌电信号数据采集和滤波预处理的具体方式为：将表面肌电信号采集仪贴头贴在右腿股外侧肌、半腱肌、股二头肌长头、腓肠肌内侧头处，利用表面肌电信号采集仪其中四通道以2000Hz的速率采集受试者2m/s的速度行走1分钟时的四块肌肉的肌电信号，并利用50Hz陷波滤波器和具有20Hz
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500Hz带宽的巴特沃斯带通滤波器去除噪声；之后进行特征提取，为了保证特征的连续性，将预处理后的肌电信号以30个采样点为窗口，选择时域特征的均方根RMS进行提取，RMS的计算公式如下：其中，Data[i]为表面肌电信号；N为窗口大小。4.根据权利要求2所述的一种基于变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法，其特征在于：步骤S12中，在人体下肢三连杆模型中通过人体动力学模型计算得到踝关节力矩和膝关节力矩的采用的公式如下：力矩的采用的公式如下：其中，M3为踝关节力矩，M2为膝关节力矩，θ3为足部质心与踝关节连线与水平面的夹角，θ2为小腿质心与膝关节连线与水平面的夹角，m3为足部的质量，m2为小腿杆件的质量，l3为踝关节距地面高度，l
2a
为小腿的质心到膝关节中心点的距离，l2为小腿长度，F
x
为地面对足部水平分力，F
y
为地面对足部的垂直分力，c
2x
为小腿质心的水平位置，c
2y
为小腿质心的竖直位置，c
3x
为足部质心的水平位置，c
3y
为足部质心的竖直位置，J3为足部转动惯量，J2为小腿转动惯量。5.根据权利要求2所述的一种基于变刚度膝关节康复外骨骼的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，周雷，王瑞进，吴亚东，周斌，訾斌，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：