一种等速肌力设备控制方法及康复训练方法技术

本发明专利技术公开了一种等速肌力设备控制方法及康复训练方法，涉及康复设备领域，该方法包括：由末端关节开始，向近体端依次进行腕关节屈展运动，肘关节屈伸运动，与肘关节内外旋运动，记录各个关节处安装的电机模组所反馈的扭矩值与角度值；根据扭矩值与角度值，得到重力补偿量；根据电机目标旋转角度，电机实际旋转角度，计算得到阻抗控制输出力矩；融合阻抗控制输出力矩，所述重力补偿量以及实际力矩传感器测得的力矩值，得到误差力矩，并输入到积分分离式PID中，计算得到误差力矩值，再发送给电机以控制电机的运动。该方法采用了通过使用多个伺服电机与多个静态力矩传感器，辅助以阻抗控制算法，提高了肌力评估的精度与运动康复效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种等速肌力设备控制方法及康复训练方法


[0001]本专利技术涉及康复仪器设备领域，尤其涉及一种等速肌力设备控制方法及康复训练方法。

技术介绍

[0002]等速肌力仪是评估和康复具有运动功能障碍人群的装置，同时也可以辅助运动员训练，实现肌力增强。等速肌力仪具有等速、等长、等张、向心、离心训练模式，其中等速训练模式下可保证关节康复安全性，提高肌力评估准确性。常用的测试参数有：峰力矩，峰力矩角度，平均功率，肌肉总作功等。
[0003]现有的等速肌力仪常为单关节单自由度康复训练装置，仅使用单个电机，配合力矩传感器，实时测量关节肌力。但针对不同关节的评估及康复训练需要更换机械适配器，过程繁琐且训练范式单一。在训练前需要调试适配器长度、角度，测定适配器重量，调节运动范围等，来匹配关节轴线，实现关节等速运动。整个调试过程耗时较长且难以完全保证精度。
[0004]针对传统的单关节单自由度等速仪，其问题在于康复和评估范式单一，训练前需要花费长时间调试适配器，测定重力补偿量，调节运动范围，匹配关节轴线等，整个过程繁琐，耗费时间较长。并且，该等速仪系统无法智能反馈针对性的康复建议，较为依赖医生的观察和评估。
[0005]目前还有多关节多自由度的康复训练装置，采用多个电机对应人体关节轴线，实现主动或被动训练，该装置训练范式较为丰富。但此类装置常不具备力矩传感单元，无法准确测量关节肌力参数。
[0006]针对多关节多自由度康复训练装置，其问题在于缺少肌力参数评估系统，不具备等速运动模式，无法准确量化肌力恢复程度。且该等速系统与传统单关节单自由度等速仪相同，无法只能反馈针对性的康复建议，只能按照预设范式进行运动，康复效果较为依赖医生的观察和评估。
[0007]上述两类康复装置均依赖于康复医师进行诊断，无法根据测量数据智能化反馈康复建议，更新康复范式。总体康复周期较长，康复效果有限。
[0008]因此，本领域的技术人员致力于开发一种等速肌力设备控制方法及康复训练方法，以实现运动功能障碍人群的高效康复。

技术实现思路

[0009]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题包括：如何基于等速运动提高肌力测量精度，如何准确量化肌力恢复程度，如何智能反馈康复建议。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了一种等速肌力设备控制方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1、由末端关节开始，向近体端依次进行腕关节屈展运动，肘关节屈伸运动，与肘关节内外旋运动，记录各个关节处安装的电机模组所反馈的扭矩值与角度值；根据反馈
得到的所述扭矩值与所述角度值，建立所述扭矩值与所述角度值的映射关系，得到重力补偿量；
[0012]步骤2、根据电机目标旋转角度，电机实际旋转角度，计算得到阻抗控制输出力矩；
[0013]步骤3、融合所述阻抗控制输出力矩f
im
，所述重力补偿量f
com
以及实际力矩传感器测得的力矩值，得到误差力矩，将所述误差力矩输入到积分分离式PID中，计算得到误差力矩值，再将所述误差力矩值发送给电机，以控制所述电机的运动。
[0014]进一步地，所述步骤1包括：
[0015]步骤1.1、进行腕关节屈展运动，检查腕关节屈伸一体化微型电机模组的工作状态，控制所述腕关节屈伸一体化微型电机模组内的第一电机进行1/2运动范围内的匀速运动，记录所述腕关节屈伸一体化微型电机模组内的第一力矩传感器反馈的第一扭矩值和所述腕关节屈伸一体化微型电机模组内的第一内置编码器反馈的第一转角值。
[0016]进一步地，所述步骤1包括：
[0017]步骤1.2、进行肘关节屈展运动，检查肘关节屈伸一体化关节电机模组的工作状态，控制所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第二电机进行1/2运动范围内的匀速运动，记录所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第二力矩传感器反馈的第二扭矩值和所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第二内置编码器反馈的第二转角值。
[0018]进一步地，所述步骤1包括：
[0019]步骤1.3、进行肘关节内外旋运动，检查肘关节内外旋一体化关节电机模组的工作状态，控制所述肘关节内外旋一体化关节电机模组内的第三电机进行1/2运动范围内的匀速运动，记录所述肘关节内外旋一体化微型电机模组内的第三力矩传感器反馈的第三扭矩值和所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第三内置编码器反馈的第三转角值。
[0020]所述步骤1包括：
[0021]步骤1.4、根据以下公式计算重力与关节角度映射关系J；
[0022][0023]其中，θ1为所述第一转角值，θ2为所述第二转角值，θ3为所述第三转角值，τ1为所述第一扭矩值，τ2为所述第二扭矩值，τ3为所述第三扭矩值。
[0024]进一步地，所述步骤2包括：
[0025]步骤2.1、利用以下公式计算所述阻抗控制输出力矩f
im
，
[0026][0027]其中，K
im
为刚度系数，D
im
为阻尼系数。θ
des
为所述电机目标旋转角度，θ
act
为所述电机实际旋转角度，为所属电机目标角速度，为所属电机实际角速度。
[0028]进一步地，在所述步骤3中，
[0029]在力矩传感器定义正方向和电机运动正方向相同的情况下，所述重力补偿量为正，所述融合为将所述阻抗控制输出力矩f
im
，所述重力补偿量f
com
和所述实际力矩传感器测得力矩值f
act
三者相加。
[0030]本专利技术还提出了一种等速肌力设备康复训练方法，包括以下步骤：
[0031]步骤1.1肢体固定；
[0032]步骤1.2单关节运动测试；
[0033]步骤1.3智能诊断；
[0034]步骤1.4康复训练；
[0035]其中，步骤1.2包括：
[0036]步骤1.2.1、由末端关节开始，向近体端依次进行腕关节屈展运动，肘关节屈伸运动，与肘关节内外旋运动，记录各个关节处安装的电机模组所反馈的扭矩值与角度值；根据反馈得到的所述扭矩值与所述角度值，建立所述扭矩值与所述角度值的映射关系，得到重力补偿量；
[0037]步骤1.2.2、根据电机目标旋转角度，电机实际旋转角度，计算得到阻抗控制输出力矩；
[0038]步骤1.2.3、融合所述阻抗控制输出力矩f
im
，所述重力补偿量f
com
以及实际力矩传感器测得的力矩值，得到误差力矩，将所述误差力矩输入到积分分离式PID中，计算得到误差力矩值，再将所述误差力矩值发送给电机，以控制所述电机的运动。
[0039]进一步地，所述阻抗控制输出力矩的计算公式为
[0040][0041]其中，K
im
为刚度系数，D
im
为阻尼系数。θ
des
为所述电机目标旋本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等速肌力设备控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、由末端关节开始，向近体端依次进行腕关节屈展运动，肘关节屈伸运动，与肘关节内外旋运动，记录各个关节处安装的电机模组所反馈的扭矩值与角度值；根据反馈得到的所述扭矩值与所述角度值，建立所述扭矩值与所述角度值的映射关系，得到重力补偿量；步骤2、根据电机目标旋转角度，电机实际旋转角度，计算得到阻抗控制输出力矩；步骤3、融合所述阻抗控制输出力矩f
im
，所述重力补偿量f
com
以及实际力矩传感器测得的力矩值，得到误差力矩，将所述误差力矩输入到积分分离式PID中，计算得到误差力矩值，再将所述误差力矩值发送给电机，以控制所述电机的运动。2.如权利要求1所述的等速肌力设备控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.1、进行腕关节屈展运动，检查腕关节屈伸一体化微型电机模组的工作状态，控制所述腕关节屈伸一体化微型电机模组内的第一电机进行1/2运动范围内的匀速运动，记录所述腕关节屈伸一体化微型电机模组内的第一力矩传感器反馈的第一扭矩值和所述腕关节屈伸一体化微型电机模组内的第一内置编码器反馈的第一转角值。3.如权利要求2所述的等速肌力设备控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.2、进行肘关节屈展运动，检查肘关节屈伸一体化关节电机模组的工作状态，控制所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第二电机进行1/2运动范围内的匀速运动，记录所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第二力矩传感器反馈的第二扭矩值和所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第二内置编码器反馈的第二转角值。4.如权利要求3所述的等速肌力设备控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.3、进行肘关节内外旋运动，检查肘关节内外旋一体化关节电机模组的工作状态，控制所述肘关节内外旋一体化关节电机模组内的第三电机进行1/2运动范围内的匀速运动，记录所述肘关节内外旋一体化微型电机模组内的第三力矩传感器反馈的第三扭矩值和所述肘关节屈伸一体化微型电机模组内的第三内置编码器反馈的第三转角值。5.如权利要求4所述的等速肌力设备控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1.4、根据以下公式计算重力与关节角度映射关系J；其中，θ1为所述第一转角值，θ2为所述第二转角值，θ3为所述第三转角值，τ1为所述第一扭矩值，τ2为所述第二扭矩值，τ3为所述第三扭矩值。6.如权利要求5所述的等速肌力设备控制方法，其特征在于，所述步骤2包...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪海，刘朝，盛译萱，常辉，张跃，
申请(专利权)人：交浦科技深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：