【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及康复机器人控制，具体涉及一种基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法。
技术介绍
1、随着人口老龄化问题日益凸显，对于疾病引起的偏瘫等下肢功能障碍患者的数量也在不断增加，对于不断增长的康复训练服务需求，康复机器人系统被运用到临床患者的康复训练中，有效地改善了脑卒中偏瘫患者的肢体运动功能。
2、机器人辅助训练作为脑卒中康复的一种有效方法，由机器人驱动患者的受损肢体完成相应的运动，但是在这种单纯的被动训练模式下患者无法改变机器人的运动状态，尤其是当他们感到不舒服甚至疼痛的时候。对下肢偏瘫患者来说，机器人镜像疗法是一种很有效的康复方法，通过患侧腿模仿健侧腿的运动，提高患者康复训练的积极性，同时双腿共同参与康复训练，提高下肢运动的协调性。动态运动基元是通过模仿学习来建模机器人运动轨迹的代表性方法，特别是对于镜像康复来说，动态运动基元的模仿特性恰好满足了患者患侧腿模仿健侧腿的行为要求。然而，随着康复训练的进行，患者肌肉力量逐渐增强，患侧腿恢复一定的运动能力，患侧腿完全被动跟踪健侧腿的运动就缺乏一定的柔顺性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，提高患者康复训练的舒适性。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，包括以下步骤：
4、步骤1：根据患者健康腿位置，将可拆卸压力传感器安装在与患者健康
5、步骤2：根据滤波处理后的数据，使用动态运动基元方法结合导纳模型，建立下肢康复机器人运动轨迹模型,根据健康腿与机器人之间的交互力,规划患者患侧腿的运动轨迹；
6、步骤3：设计轨迹跟踪控制器，准确跟踪患侧腿的运动轨迹；
7、步骤4：设计自适应导纳控制器，采用自适应导纳方法修正轨迹跟踪控制器的输入轨迹；
8、步骤5：将轨迹跟踪控制器与自适应导纳控制器相结合，设计分层控制策略，并定义人机交互力阈值，根据不同交互力选择不同的控制策略，若作用力在阈值范围之内，使用轨迹跟踪控制器完成训练任务；若作用力不在阈值范围之内，返回步骤4激活自适应导纳控制器，对轨迹跟踪控制器的输入轨迹进行修正，实现对患者患侧腿的柔顺控制。
9、而且，步骤2的具体步骤为：
10、步骤2.1：根据步骤1得到的机器人末端轨迹数据建立运动轨迹模型，所述运动轨迹模型的数学公式为：
11、
12、其中，x,是机器人的轨迹,速度和加速度，αx和βx是比例系数并且βx＝αx/4；τs表示运动持续时间，通过τs调整轨迹的收敛速度；g是轨迹的目标位置，通过g来改变轨迹的幅值和频率；f(x)用于调整轨迹的终点和轨迹的形状，具体为：
13、
14、其中是高斯基函数，n表示高斯基函数的数量，ωi是决定步态轨迹形状的每个基函数的权值；
15、步骤2.2：在步骤2.1的运动轨迹模型中加入人机交互项，用导纳模型描述人机交互，所述导纳模型为：
16、
17、其中f为人机之间的交互力，kh和dh是阻抗模型参数，x和是导纳模型根据人机之间的交互力所输出的位移和加速度；
18、步骤2.3：令步骤2.2中导纳模型的参考轨迹xd＝0，根据人机之间交互力f调整导纳模型的输出位移x，并令步骤2.1中轨迹模型的目标位置g＝x，从而根据人机交互力调整轨迹模型目标位置，规划患者患侧腿的运动轨迹。
19、而且，步骤3具体操作步骤为：
20、步骤3.1：建立下肢康复机器人动力学模型，具体为：
21、
22、其中，θ，和分别是康复机器人的髋关节角度、角速度和角加速度。此外，m(θ)是惯性矩阵，是科里奥利和离心力矩阵，g(θ)是机器人的重力矩阵，τ是施加在关节上的控制力矩，τhr是人机交互力矩。
23、令x1＝θ，u＝τ，将下肢康复机器人动力学方程改写为状态空间方程：
24、
25、其中，
26、f(x1,x2)＝-m-1(x1)(c(x1,x2)+g(x1))
27、m(x1)＝(m1+m2)l2/3
28、c(x1,x2)＝-2m2l2sinx1cosx1
29、g(x1)＝((m1+m2)glcosx1)/2
30、m1和m2是大腿和小腿连杆的质量，l是大腿和小腿连杆的长度；
31、步骤3.2：设计轨迹跟踪控制器，并对人机交互力进行补偿，人机交互力的估计值为：
32、
33、轨迹跟踪控制器为：
34、
35、而且，所述步骤4具体操作步骤为：
36、步骤4.1：建立导纳模型，具体为：
37、
38、其中，δt是人与机器人之间交互力矩的改变量，m、b和k分别是导纳模型的惯量、阻尼和刚度，θ、和分别是机器人角位移、角速度和角加速度；
39、步骤4.2：设计导纳参数自适应律，具体为：
40、
41、
42、其中b0和k0是基值，aj和bj(j＝1,2,3)分别是调节机器人导纳模型阻尼和刚度的系数，并且blj和klj(j＝1,2)是阻尼和刚度上阈值和下阈值，t是人体和机器人之间相互作用力矩。
43、而且，所述步骤5具体操作步骤为：
44、步骤5.1：设计分层式控制策略，包括上层自适应导纳控制器和下层位置跟踪控制器，当人与机器人发生交互时，通过上层导纳控制器对下肢康复机器人的运动轨迹做出调整，并将调整量作为输入传给下层位置跟踪控制器，控制机器人带动患者的患侧腿进行轨迹跟踪；
45、步骤5.2：根据人与机器人之间的相互作用，对足底压力作用范围做出定义，根据人与机器人相互作用力大小的不同，将患者与机器人之间的相互作用进行区域划分，并根据对应区域执行对应的控制策略。
46、而且，患者与机器人之间的相互作用的区域划分为：被动运动范围、协作运动范围和异常运动范围，
47、当人机交互力处于被动运动范围内，机器人执行轨迹跟踪任务；
48、当人机交互力处于协作运动范围时，患者可以主动施加力改变机器人的运动状态；
49、当人机交互力处于异常运动范围时，机器人停止运动。
50、基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制装置，包括
51、滤波模块，用于采集患者在进行屈伸训练过程中与患者健康腿同侧的机器人末端轨迹数据，将数据进行滤波处理保存到计算机端；
52、轨迹生成模块，用于根据滤波处理后的数据，使用动态运动基元方法结合导纳模型，建立下肢康复机器人运动轨迹模型,根据健康腿与机器人之本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，步骤2的具体步骤为：
3.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，步骤3具体操作步骤为：
4.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，所述步骤4具体操作步骤为：
5.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，所述步骤5具体操作步骤为：
6.根据权利要求5所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，患者与机器人之间的相互作用的区域划分为：被动运动范围、协作运动范围和异常运动范围，
7.基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制装置，其特征在于，包括
8.根据权利要求7所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制装置，其特征在于，所述轨迹生成模块包括：
9.一种电子设备，
10.一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行上述权利要求1至6任一项所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法。
...【技术特征摘要】
1.基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，步骤2的具体步骤为：
3.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，步骤3具体操作步骤为：
4.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，所述步骤4具体操作步骤为：
5.根据权利要求1所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，所述步骤5具体操作步骤为：
6.根据权利要求5所述的基于动态运动基元的下肢康复机器人镜像柔顺控制方法，其特征在于，患者与机器人之...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈玲玲，黄佳宝，郭士杰，冯腾阳，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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