一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法技术方案

本发明专利技术公开的一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，属于康复训练领域

【技术实现步骤摘要】
一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法


[0001]本专利技术涉及一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，属于康复训练领域
。

技术介绍

[0002]近年来，康复系统及其控制技术迅速发展以辅助或替代成本高昂，需要重复劳动的传统人工康复方法
。
大多数康复训练由患者重复单一动作组成，如抓握
、
屈曲和拉伸
。
因此，康复设备可以通过所设计的康复系统控制方法重现治疗师的康复动作，达到训练患者运动能力的目的
。
传统的纯结构式的康复设备只能提供固定轨迹的康复训练，运动轨迹单一
。
初级的带有电机的康复设备也只是实现了设备的自动运动
。
这两者均无法根据患者的恢复情况提供针对性的康复训练，并且可能对患者造成二次伤害
。
为了保证康复训练过程的稳定性
、
安全性和有效性，康复系统的设计及其控制方法的研究具有重要意义
。
[0003]由于康复训练的特殊性及对安全性和交互性的高要求，现有的控制技术直接运用到康复系统上，无法取得较好的效果
。
根据患者恢复情况的不同，施加给康复设备的作用力也不同，外力带来的额外负载，会影响康复设备的控制效果
。
由于患者力量不足或肌张力过大引起的患肢颤抖现象会给系统带来不确定性，影响控制系统的稳定性，进而影响康复训练的有效性和安全性
。
康复设备需要与患者交互，患者的安全问题也是需要考虑的
。<br/>康复设备应保证训练过程中患者的安全性，避免给患者带来二次伤害
。

技术实现思路

[0004]针对现有康复设备运动轨迹单一
、
参数设置固定，无法向康复情况不同的多个患者和处于不同康复阶段的同一患者提供针对性的训练的问题，本专利技术主要目的是提供一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，通过求解康复训练轨迹优化问题，得到满足条件的最优运动轨迹
。
针对优化后的轨迹和实际运动轨迹不相符的问题，通过刚度调度规则调整控制器的刚度参数，使提出的滑模控制器的控制输入与最优轨迹相匹配，实现康复设备引导患者按照最优轨迹进行康复训练，改善康复效果和康复效率
。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的
。
[0006]本专利技术公开的一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，根据患者施加给康复设备末端的作用力，期望的位置
、
速度状态量，训练过程中的状态量和康复设备控制输入量，设计二次型性能指标函数，建立轨迹优化问题并求解，实时优化康复训练的轨迹；将优化后的轨迹和实际运动轨迹的误差作为输入条件构建刚度调度规则，自适应调整康复设备的刚度参数，使实际控制输入与最优轨迹进行匹配；针对训练过程中的外界干扰，比如患者患肢颤抖，给系统带来的不确定性问题，利用不依靠模型的滑模控制方法并结合刚度调度规则设计控制器
。
根据李雅普诺夫稳定性分析求得系统的稳定性条件，使康复设备按照优化后的轨迹引导患者进行康复训练，改善康复效果和康复效率
。
[0007]本专利技术公开的一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一
、
根据脑卒中后运动障碍患者的上肢康复训练需求，构建上肢人机康复系
统，使康复设备与患者交互时采用非连接式的结构，通过非连接式的结构提供多种康复训练轨迹
。
基于所述上肢人机康复系统，根据患者和康复设备进行康复训练时的运动特性，建立上肢人机康复系统模型
。
[0009]步骤一的具体实现方法为：
[0010]所述上肢人机康复系统主要由控制模块
、
康复设备
、
抓握装置
、
力传感器和患者组成
。
在康复训练中，控制模块向康复设备发送控制命令
。
患者的手握住抓握装置，并通过拖动或跟随抓握装置进行康复练习
。
同时，康复设备通过力传感器获取患者手臂在抓握装置施加的力，并将其反馈给控制模块
。
[0011]当患者与康复设备末端抓握装置接触进行康复训练时，根据人机交互时的力学特性，采用质量
‑
弹簧
‑
阻尼器系统形式的人模型用于触觉和物理人机交互，并构建上肢人机康复系统模型如公式
(1)
所示
[0012][0013]其中，表示康复设备末端夹持装置在笛卡尔空间中的实际位置，和分别是质量矩阵和阻尼矩阵，是耗散速度相关转矩的向量，例如，由于摩擦
。
是笛卡尔空间中的控制输入
。
是患者作用在康复设备末端的力，表示实数域，
m
表示笛卡尔空间的运动自由度
。
[0014]将康复设备的关节空间与笛卡尔空间联系起来的直接运动学被描述为
[0015]x
＝
φ
(q)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0016]其中，是康复设备各关节角度，
n
表示关节数量
。
关节空间与笛卡尔空间的变量转换关系如式
(3)
所示
[0017][0018]其中，
J
是将关节空间中的变量映射到笛卡尔空间的雅可比矩阵
。
[0019]通过式
(1)
，得到状态空间方程如下
[0020][0021]其中，0m
表示维数为
m
×
m
的零矩阵，
I
m
表示维数为
m
×
m
的单位矩阵，此处
m
＝
n。
[0022]步骤二
、
针对康复训练的有效性需求和患者手臂可达运动范围的不同，选取运动误差
‑
能量消耗为优化目标，设计优化目标函数，得到康复训练轨迹优化问题
。
利用力传感器采集的患者施加给康复设备末端抓握装置的作用力，求解设计的优化问题，实时优化康复训练的轨迹，使康复设备按照优化后的轨迹引导患者进行针对性的康复训练
。
[0023]步骤二的具体实现方法为：
[0024]已知状态方程形式的康复设备动力学方程为
[0025][0026]其中，
E
＝
Bf+
Δ
。
[0027]引入一个新的状态函数
[0028][0029]其中，
z
d
表示期望状态，即康复训练最终要实现的运动状态
。
[0030]根据公式
(5)
和
(6)
，可得
[0031][0032]可以表示如下
[0033][0034]定义一个关于的成本函数
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一
、
根据脑卒中后运动障碍患者的上肢康复训练需求，构建上肢人机康复系统，使康复设备与患者交互时采用非连接式的结构，通过非连接式的结构提供多种康复训练轨迹；基于所述上肢人机康复系统，根据患者和康复设备进行康复训练时的运动特性，建立人机康复系统模型；步骤二
、
针对康复训练的有效性需求和患者手臂可达运动范围的不同，选取运动误差
‑
能量消耗为优化目标，设计优化目标函数，得到康复训练轨迹优化问题；利用力传感器采集的患者施加给康复设备末端抓握装置的作用力，求解设计的优化问题，实时优化康复训练的轨迹，使康复设备按照优化后的轨迹引导患者进行针对性的康复训练；步骤三
、
针对步骤二中得到的最优轨迹与患者实际运动轨迹存在匹配误差的问题，将轨迹误差作为输入项，利用患者施加的作用力，构建刚度调度规则，实时调整康复设备的刚度值，使实际控制输入与最优轨迹进行匹配，实现康复设备引导患者按照最优运动轨迹进行运动；步骤四
、
基于步骤二中得到的刚度调度规则，根据患者施加给康复设备的作用力自适应调整刚度值，适应不同患者的不同康复情况和同一患者的不同康复阶段；利用滑模控制，结合步骤二中得到的刚度调度规则，进行控制器的设计，减少患肢颤抖给系统稳定性造成影响
。2.
如权利要求1所述的一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，其特征在于：步骤一实现方法为，所述上肢人机康复系统主要由控制模块
、
康复设备
、
抓握装置
、
力传感器和患者组成
。
在康复训练中，控制模块向康复设备发送控制命令
。
患者的手握住抓握装置，并通过拖动或跟随抓握装置进行康复练习
。
同时，康复设备通过力传感器获取患者手臂在抓握装置施加的力，并将其反馈给控制模块
。
当患者与康复设备末端抓握装置接触进行康复训练时，根据人机交互时的力学特性，采用质量
‑
弹簧
‑
阻尼器系统形式的人模型用于触觉和物理人机交互，并构建上肢人机康复系统模型如公式
(1)
所示其中，表示康复设备末端夹持装置在笛卡尔空间中的实际位置，和分别是质量矩阵和阻尼矩阵，是耗散速度相关转矩的向量，例如，由于摩擦
。
是笛卡尔空间中的控制输入
。
是患者作用在康复设备末端的力，表示实数域，
m
表示笛卡尔空间的运动自由度
。
将康复设备的关节空间与笛卡尔空间联系起来的直接运动学被描述为
x
＝
φ
(q)(2)
其中，是康复设备各关节角度，
n
表示关节数量
。
关节空间与笛卡尔空间的变量转换关系如式
(3)
所示其中，
J
是将关节空间中的变量映射到笛卡尔空间的雅可比矩阵
。
通过式
(1)
，得到状态空间方程如下其中，0m
表示维数为
m
×
m
的零矩阵，
I
m
表示维数为
m
×
m
的单位矩阵，此处
m
＝
n。3.
如权利要求2所述的一种面向运动障碍人群的康复系统控制方法，其特征在于：步骤二的实现方法为，已知状态方程形式的康复设备动力学方程为其中，
E
＝
Bf+
Δ
。
引入一个新的状态函数引入一个新的状态函数其中，
z
d
表示期望状态，即康复训练最终要实现的运动状态
。
根据公式
(5)
和
(6)
，可得，可得可以表示如下定义一个关于的成本函数的成本函数其中，
Q
是半正定的实对称矩阵，
R
是正定的实对称矩阵
。
最优控制解

【专利技术属性】
技术研发人员：马中静，胡可昕，邹苏郦，李健，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：