【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及康复机器人控制，具体涉及一种基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法。
技术介绍
1、踝关节作为机体距离地面最近的关节，其在承重、平衡、运动等方面非常重要，若踝关节不慎损伤，则会对学习、生活造成影响。在现代医学领域中，康复训练对于帮助病患者恢复肌肉功能和运动能力具有重要的作用。而机器人技术的应用为医疗康复带来了新的机遇和挑战。当前，康复机器人已经成为医疗、康复领域的研究热点之一，尤其是针对下肢康复需求的机器人应用更加广泛。传统的踝关节康复机器人通常采用周期性的固定控制策略，这种控制方式不能够根据用户的实际状态进行实时调整，缺少人-机之间的相互适应以及人-机协同控制机制，导致康复效果不理想。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，该方法有利于提高踝关节康复机器人柔顺控制效果，进而提高主动康复训练效果。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，包括以下步骤：
3、s1、选择康复轨迹类型，预设康复运动轨迹并在显示装置上显示；
4、s2、当受试者单足放置在踝关节康复机器人上并照着显示的康复运动轨迹进行主动康复运动时，数据采集与运动控制装置通过踝关节康复机器人上的足底压力传感器获取足底压力分布数据，进而计算出足底压力对脚踝转动中心的合力矩；
5、s3、数据采集与运动控制装置将足底压力对脚踝转动中心
6、s4、在受试者进行主动康复运动过程中，数据采集与运动控制装置通过踝关节康复机器人上的旋转编码器采集当前的旋转角度数据进而获得当前位姿，然后计算当前位姿与设定的康复运动轨迹的运动偏差并在显示装置上显示；
7、s5、考虑受试者的努力程度τact，结合运动偏差实时更新期望速度和进而更新对电动推杆的速度控制数据，然后驱动电动推杆进行相应动作，带动踝关节康复机器人运动，辅助受试者按设定的康复运动轨迹进行主动康复运动，并减少运动误差；
8、s6、不断重复步骤s2-s6，直至完成整个主动康复运动。
9、进一步地，所述踝关节康复机器人为2-spu/rr并联机构，包括基座、动平台、约束支链和两个spu运动支链，所述约束支链包括u型架和两个支撑架，所述两个支撑架下端分别与基座固定连接，所述两个支撑架上端分别与u型架左右两端转动连接，所述u型架中部与一连接杆上端转动连接，所述连接杆下端与动平台后端固定连接，所述spu运动支链包括万向节、电动推杆和关节轴承副，所述两个spu运动支链的电动推杆下端分别经关节轴承副与基座连接，上端分别经万向节与动平台前部左右两侧连接；所述u型架与连接杆、其中一个支撑架的转动连接处分别设置有旋转编码器，以分别获取动平台在两个方向上的旋转角度；所述动平台上设有足底压力传感器，所述足底压力传感器包括按足底形状分布的多个压力传感器单元，以通过多个压力传感器单元采集作用于足底压力传感器上的足底压力分布数据。
10、进一步地，所述u型架左右两端与相应支撑架转动连接的旋转轴线共线，构成一个r副，所述u型架中部与连接杆转动连接构成另一个r副，两个r副的旋转轴线共面且相互垂直，可等效为u副，两旋转轴线交点即为机构旋转中心；在约束支链限制下，所述踝关节康复机器人仅有两个方向的转动自由度，机构旋转中心与动平台之间具有一定高度差；所述动平台上设有升降台，以在使用踝关节康复机器人辅助康复训练并让足部放置于升降台上时，使脚踝转动中心与机构旋转中心近似重合；所述足底压力传感器设置于升降台上。
11、进一步地，所述动平台设有类v型架，所述类v型架中部与动平台底部固定连接，所述类v型架左右两端分别经万向节与两个spu运动支链的电动推杆上端连接；通过控制两个spu运动支链的电动推杆伸缩使动平台旋转，实现辅助人体脚踝进行跖屈/背屈和内翻/外翻两种康复运动。
12、进一步地，所述电动推杆为步进电机推杆，所述旋转编码器为绝对值编码器，所述足底压力传感器包括16个压阻式柔性压力传感器单元。
13、进一步地，所述踝关节康复机器人配设有双核心的数据采集与运动控制装置，所述数据采集与运动控制装置包括主控板、从控板、供电电源、rs485转ttl模块和步进电机闭环驱动器，两个旋转编码器通过rs485转ttl模块与从控板连接，两个电动推杆通过闭环驱动器与从控板连接，所述供电电源与从控板连接，所述主控板通过串口通信模块与从控板进行数据通信，所述多个压力传感器单元通过足底压力采集电路与主控板连接，所述主控板通过蓝牙模块或usb转串口模块与上位机进行数据通信。
14、进一步地，所述数据采集与运动控制装置通过主控板获取受试者在坐姿状态下单足放置在足底压力传感器上时的足底压力分布数据并发送给上位机，上位机识别受试者脚踝运动意图，生成机器人运动数据下发至主控板，主控板再通过从控板生成电机运动控制指令，并通过闭环控制器驱动电动推杆进行相应动作；同时，为减少上位机的线路连线和端口资源的占用，通过从控板获取两个旋转编码器的角度数据；获得的角度数据通过串口通信模块传输给主控板，与足底压力分布数据一起通过蓝牙模块或usb转串口模块发送给上位机。
15、进一步地，所述足底压力采集电路包括行列扫描电路、反向放大电路和低通滤波电路，所述主控板控制多路模拟开关电平依次选通各个压力传感器单元，获得各个压力传感器单元的电压信号，然后经过反向放大、低通滤波和ad转换处理信号，得到足底压力分布数据。
16、进一步地，通过足底压力传感器的n个压力传感器单元测得的电压值计算出足底压力的大小：
17、
18、其中，fi为第i个压力传感器单元受到的足底压力；mi表示砝码质量，g表示重力加速度，vi表示压力传感器单元的电压值，bi表示常数项，ki表示比例系数；
19、在初始状态下，设定足底压力传感器上的坐标系原点为脚踝转动中心的投影点，各压力传感器单元受力中心的坐标由足底压力传感器的尺寸建模获得，将第i个压力传感器单元的坐标定义为(xi,yi)；
20、在踝关节康复机器人工作空间内，足底压力对脚踝转动中心的合力矩等于所有压力传感器单元对脚踝转动中心o点的力矩叠加：
21、
22、其中，为足底压力对脚踝转动中心的合力矩，为第i个压力传感器单元对脚踝转动中心的力矩，r(α,β)为旋转变化矩阵，为第i个压力传感器单元的受力矢量；为由脚踝转动中心指向压力传感器单元受力中心的矢量，h为脚踝转动中心距离足底压力传感器的高度；
23、将合力矩分解为对x轴和y轴的转矩，即求力矩向量在x轴和y轴上的投影分量：
24、
25、其中，分别为x轴和y轴的单位方向向量；
26、根据对x轴和y轴的转矩，计算出对两个电动推杆的速度控制数据，然后驱动本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述踝关节康复机器人为2-SPU/RR并联机构，包括基座、动平台、约束支链和两个SPU运动支链，所述约束支链包括U型架和两个支撑架，所述两个支撑架下端分别与基座固定连接，所述两个支撑架上端分别与U型架左右两端转动连接，所述U型架中部与一连接杆上端转动连接，所述连接杆下端与动平台后端固定连接，所述SPU运动支链包括万向节、电动推杆和关节轴承副，所述两个SPU运动支链的电动推杆下端分别经关节轴承副与基座连接，上端分别经万向节与动平台前部左右两侧连接；所述U型架与连接杆、其中一个支撑架的转动连接处分别设置有旋转编码器，以分别获取动平台在两个方向上的旋转角度；所述动平台上设有足底压力传感器，所述足底压力传感器包括按足底形状分布的多个压力传感器单元，以通过多个压力传感器单元采集作用于足底压力传感器上的足底压力分布数据。
3.根据权利要求2所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法
4.根据权利要求2所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述动平台设有类V型架，所述类V型架中部与动平台底部固定连接，所述类V型架左右两端分别经万向节与两个SPU运动支链的电动推杆上端连接；通过控制两个SPU运动支链的电动推杆伸缩使动平台旋转，实现辅助人体脚踝进行跖屈/背屈和内翻/外翻两种康复运动。
5.根据权利要求2所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述电动推杆为步进电机推杆，所述旋转编码器为绝对值编码器，所述足底压力传感器包括16个压阻式柔性压力传感器单元。
6.根据权利要求5所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述踝关节康复机器人配设有双核心的数据采集与运动控制装置，所述数据采集与运动控制装置包括主控板、从控板、供电电源、RS485转TTL模块和步进电机闭环驱动器，两个旋转编码器通过RS485转TTL模块与从控板连接，两个电动推杆通过闭环驱动器与从控板连接，所述供电电源与从控板连接，所述主控板通过串口通信模块与从控板进行数据通信，所述多个压力传感器单元通过足底压力采集电路与主控板连接，所述主控板通过蓝牙模块或USB转串口模块与上位机进行数据通信。
7.根据权利要求6所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述数据采集与运动控制装置通过主控板获取受试者在坐姿状态下单足放置在足底压力传感器上时的足底压力分布数据并发送给上位机，上位机识别受试者脚踝运动意图，生成机器人运动数据下发至主控板，主控板再通过从控板生成电机运动控制指令，并通过闭环控制器驱动电动推杆进行相应动作；同时，为减少上位机的线路连线和端口资源的占用，通过从控板获取两个旋转编码器的角度数据；获得的角度数据通过串口通信模块传输给主控板，与足底压力分布数据一起通过蓝牙模块或USB转串口模块发送给上位机。
8.根据权利要求7所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述足底压力采集电路包括行列扫描电路、反向放大电路和低通滤波电路，所述主控板控制多路模拟开关电平依次选通各个压力传感器单元，获得各个压力传感器单元的电压信号，然后经过反向放大、低通滤波和AD转换处理信号，得到足底压力分布数据。
9.根据权利要求2所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，通过足底压力传感器的n个压力传感器单元测得的电压值计算出足底压力的大小：
...【技术特征摘要】
1.一种基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述踝关节康复机器人为2-spu/rr并联机构，包括基座、动平台、约束支链和两个spu运动支链，所述约束支链包括u型架和两个支撑架，所述两个支撑架下端分别与基座固定连接，所述两个支撑架上端分别与u型架左右两端转动连接，所述u型架中部与一连接杆上端转动连接，所述连接杆下端与动平台后端固定连接，所述spu运动支链包括万向节、电动推杆和关节轴承副，所述两个spu运动支链的电动推杆下端分别经关节轴承副与基座连接，上端分别经万向节与动平台前部左右两侧连接；所述u型架与连接杆、其中一个支撑架的转动连接处分别设置有旋转编码器，以分别获取动平台在两个方向上的旋转角度；所述动平台上设有足底压力传感器，所述足底压力传感器包括按足底形状分布的多个压力传感器单元，以通过多个压力传感器单元采集作用于足底压力传感器上的足底压力分布数据。
3.根据权利要求2所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述u型架左右两端与相应支撑架转动连接的旋转轴线共线，构成一个r副，所述u型架中部与连接杆转动连接构成另一个r副，两个r副的旋转轴线共面且相互垂直，可等效为u副，两旋转轴线交点即为机构旋转中心；在约束支链限制下，所述踝关节康复机器人仅有两个方向的转动自由度，机构旋转中心与动平台之间具有一定高度差；所述动平台上设有升降台，以在使用踝关节康复机器人辅助康复训练并让足部放置于升降台上时，使脚踝转动中心与机构旋转中心近似重合；所述足底压力传感器设置于升降台上。
4.根据权利要求2所述的基于人机交互力矩的踝关节康复机器人主动柔顺控制方法，其特征在于，所述动平台设有类v型架，所述类v型架中部与动平台底部固定连接，所述类v型架左右两端分别经万向节与两个spu运动支链的电动推杆上端连接；通过控制两个spu运动支链的电动推杆伸缩使动平台旋转，实现辅助人体脚踝进行跖屈/背屈和内翻/外翻两种康复运动。
...【专利技术属性】
技术研发人员：卢宗兴，田晨昊，徐志伟，张杰，连越，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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