專利名稱：上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人的控制裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方法，屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)主要用于運(yùn)動(dòng)員上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、也可作為非專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的家用健身器材，或用于針對(duì)上肢偏癱的臨床運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練治療。傳統(tǒng)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方法多是由專業(yè)指導(dǎo)員來(lái)輔助訓(xùn)練對(duì)象進(jìn)行的，這種人工操作方式導(dǎo)致專業(yè)指導(dǎo)員工作強(qiáng)度高，而且訓(xùn)練的效果難免受到專業(yè)指導(dǎo)員的工作技能和工作心情等因素影響，且訓(xùn)練的成本較高。為此科研工作者研究了上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人來(lái)代替專業(yè)指導(dǎo)員輔助訓(xùn)練對(duì)象完成運(yùn)動(dòng) 訓(xùn)練。但傳統(tǒng)的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人存在訓(xùn)練模式單一、缺乏客觀的訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)指標(biāo)等不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方法，該控制系統(tǒng)及控制方法能實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人輔助訓(xùn)練對(duì)象完成被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，并且能夠?yàn)閷I(yè)指導(dǎo)員和訓(xùn)練對(duì)象保存并提供運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中的一些數(shù)據(jù)，以作為訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)，也作為調(diào)節(jié)訓(xùn)練參數(shù)的依據(jù)之一。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案
一種上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人、信號(hào)檢測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、主控計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備、力矩控制設(shè)備、驅(qū)動(dòng)設(shè)備和交互界面，其特征在于所述信號(hào)檢測(cè)設(shè)備和驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人，信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接到主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)的輸出經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備、力矩控制設(shè)備和驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接到上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人與訓(xùn)練對(duì)象的上肢通過(guò)綁帶連接；交互界面通過(guò)VGA接口連接主控計(jì)算機(jī)；信號(hào)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到的位置信號(hào)和力信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備后傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)分析檢測(cè)到的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)的偏差并通過(guò)計(jì)算得出控制量，控制量通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和力矩控制設(shè)備的處理后作用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備，使驅(qū)動(dòng)設(shè)備按指定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人按規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)或跟隨訓(xùn)練對(duì)象的運(yùn)動(dòng)意識(shí)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)訓(xùn)練對(duì)象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練；訓(xùn)練過(guò)程中主控計(jì)算機(jī)隨時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)并通過(guò)交互界面將數(shù)據(jù)結(jié)果展示給專業(yè)指導(dǎo)員和訓(xùn)練對(duì)象，專業(yè)指導(dǎo)員可通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果了解運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的情況并根據(jù)與訓(xùn)練對(duì)象的交流結(jié)果對(duì)相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，此外主控計(jì)算機(jī)保存下來(lái)的數(shù)據(jù)還可以作為后續(xù)訓(xùn)練效果、訓(xùn)練方法評(píng)估的客觀的參考指標(biāo)；將交互界面從數(shù)據(jù)顯示界面切換至場(chǎng)景顯示界面時(shí)，為訓(xùn)練對(duì)象提供虛擬的訓(xùn)練的場(chǎng)景顯示，以增強(qiáng)訓(xùn)練對(duì)象訓(xùn)練的興趣，提高訓(xùn)練效果。所述的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人為一款四自由度上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人；所述信號(hào)檢測(cè)設(shè)備包括編碼器和力傳感器，其中編碼器選用歐姆龍E6J-CWZ1EA2型編碼器，力傳感器為能檢測(cè)三個(gè)正交方向上的力和一個(gè)力矩的四維力傳感器；數(shù)據(jù)采集設(shè)備和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備分別選用阿爾泰的板卡PCI2394和PCI8640 ;驅(qū)動(dòng)設(shè)備和力矩控制設(shè)備分別選用東方馬達(dá)TM203C-MSE型力矩電機(jī)和配套的力矩控制器；主控計(jì)算機(jī)和交互界面選用研華IPC-610MB工控機(jī)和配套的液晶顯示器。一種上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法，采用權(quán)利要求1所述的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，其特征在于所述控制方法包括①沿預(yù)定軌跡的被動(dòng)控制、②自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制和③沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)控制三種控制訓(xùn)練方式
①運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的初期選用被動(dòng)控制訓(xùn)練，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)訓(xùn)練對(duì)象的上肢運(yùn)動(dòng)，此階段上肢不用提供力，完全由上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人帶動(dòng)。此時(shí)操作步驟如下
1) 按有助于提高訓(xùn)練效果的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃運(yùn) 動(dòng)軌跡；
2).根據(jù)規(guī)劃軌跡通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算求解出各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)位姿；
3).通過(guò)信號(hào)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)關(guān)節(jié)的當(dāng)前位姿，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳送給主控計(jì)算機(jī)；
4)主控計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)前位姿和目標(biāo)位姿的偏差通過(guò)特定的算法計(jì)算控制量，并將控制量經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和力矩控制設(shè)備處理后傳給驅(qū)動(dòng)設(shè)備，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的按預(yù)期運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。②運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后期，上肢自主運(yùn)動(dòng)的能力明顯增強(qiáng)，可以采用自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制，訓(xùn)練對(duì)象根據(jù)運(yùn)動(dòng)意識(shí)隨意在安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)上肢，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人跟蹤上肢運(yùn)動(dòng)并為上肢的運(yùn)動(dòng)提供輔助力，輔助力的大小可以根據(jù)上肢運(yùn)動(dòng)水平予以調(diào)整，可以調(diào)整為負(fù)值。此時(shí)操作步驟如下
1).信號(hào)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人和訓(xùn)練對(duì)象之間的相互作用力；
2).力信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)由此可根據(jù)特定方法判斷訓(xùn)練對(duì)象上肢的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并相應(yīng)計(jì)算出控制量，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和力矩控制設(shè)備處理后傳給驅(qū)動(dòng)設(shè)備，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人跟隨訓(xùn)練對(duì)象的運(yùn)動(dòng)意識(shí)，提供輔助力來(lái)輔助訓(xùn)練對(duì)象完成運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。輔助力的大小可以根據(jù)上肢運(yùn)動(dòng)能力的水平予以調(diào)整，運(yùn)動(dòng)能力越強(qiáng)，輔助力越小。輔助力調(diào)整為負(fù)值時(shí)是提供一定阻力來(lái)阻礙訓(xùn)練對(duì)象的上肢運(yùn)動(dòng)，起到鞏固前期訓(xùn)練效果、鍛煉上肢的作用。③運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的中期上肢有部分自主運(yùn)動(dòng)能力時(shí)進(jìn)行沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)訓(xùn)練，訓(xùn)練對(duì)象有意識(shí)地將上肢沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，此階段上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人只提供部分力輔助上肢運(yùn)動(dòng)，上肢需要提供部分力。此時(shí)的操作過(guò)程是將上述兩種情況過(guò)程的結(jié)合。整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中依照訓(xùn)練前期、中期、后期的順序逐步實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)能力的訓(xùn)練。上述沿預(yù)定軌跡的被動(dòng)控制是基于位置的阻抗控制，由預(yù)期的軌跡經(jīng)過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移的理論值，并據(jù)此驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)各關(guān)節(jié)的實(shí)際角位移，根據(jù)檢測(cè)的實(shí)際角位移和角位移的理論值的偏差進(jìn)行模糊PID控制，使得上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人帶動(dòng)上肢較為準(zhǔn)確地沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)控制是基于力位混合控制的阻抗控制，自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制是基于力的阻抗控制，可以實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人跟蹤上肢的運(yùn)動(dòng)并提供一定的輔助力輔助上肢運(yùn)動(dòng)，且輔助力的大小可以根據(jù)訓(xùn)練需要予以調(diào)整。訓(xùn)練過(guò)程中保持監(jiān)測(cè)位置信息，控制一切運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練活動(dòng)都在安全范圍內(nèi)進(jìn)行。
本發(fā)明的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
I)、可以實(shí)現(xiàn)輔助訓(xùn)練對(duì)象完成主動(dòng)和被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，并且訓(xùn)練過(guò)程中參數(shù)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方便；2)、該裝置能為后續(xù)的訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)保留并提供充分的數(shù)據(jù)；3)、良好的交互界面結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能提高訓(xùn)練對(duì)象訓(xùn)練的積極性。


圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)設(shè)備、信號(hào)檢測(cè)設(shè)備安裝圖。 圖3為本發(fā)明的位置數(shù)據(jù)檢測(cè)調(diào)試的交互界面。圖4為本發(fā)明的應(yīng)用的初始交互界面。圖5為本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的流程圖。圖6為本發(fā)明的控制算法框圖。圖7為本發(fā)明的控制程序流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例一
參見(jiàn)圖1-圖7，本上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人1、信號(hào)檢測(cè)設(shè)備2、數(shù)據(jù)采集設(shè)備3、主控計(jì)算機(jī)4、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備5、力矩控制設(shè)備6、驅(qū)動(dòng)設(shè)備7和交互界面8，其中信號(hào)檢測(cè)設(shè)備2和驅(qū)動(dòng)設(shè)備7通過(guò)螺釘連接和鍵連接安裝在上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I相應(yīng)位置上，信號(hào)檢測(cè)設(shè)備2的輸出線連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備3的相應(yīng)端口，數(shù)據(jù)采集設(shè)備3和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備5安裝在主控計(jì)算機(jī)4的PCI插槽中，運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備5的相應(yīng)輸出端口通過(guò)導(dǎo)線與力矩控制設(shè)備6的相應(yīng)端子相連，力矩控制設(shè)備6的輸出端口連接到驅(qū)動(dòng)設(shè)備上，交互界面8顯示器通過(guò)VGA接口連接在主控計(jì)算機(jī)4上。信號(hào)檢測(cè)設(shè)備2檢測(cè)到的位置信號(hào)和力信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備3后傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)4，主控計(jì)算機(jī)4通過(guò)分析檢測(cè)到的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)的偏差并通過(guò)特定的算法計(jì)算出控制量，控制量通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備5、力矩控制設(shè)備6等的處理后作用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備7，使驅(qū)動(dòng)設(shè)備7按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I按規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)或跟隨訓(xùn)練對(duì)象10的運(yùn)動(dòng)意識(shí)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)訓(xùn)練對(duì)象10進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。訓(xùn)練過(guò)程中主控計(jì)算機(jī)4隨時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)并通過(guò)交互界面8將數(shù)據(jù)結(jié)果展示給專業(yè)指導(dǎo)員9和訓(xùn)練對(duì)象10，專業(yè)指導(dǎo)員9可通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果了解運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的情況并根據(jù)與訓(xùn)練對(duì)象10的交流結(jié)果對(duì)相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，此外主控計(jì)算機(jī)保存下來(lái)的數(shù)據(jù)還可以作為后續(xù)訓(xùn)練效果、訓(xùn)練方法評(píng)估的客觀的參考指標(biāo)。將交互界面8從數(shù)據(jù)顯示界面切換至場(chǎng)景顯示界面時(shí)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為訓(xùn)練對(duì)象10提供虛擬的訓(xùn)練的場(chǎng)景顯示，以增強(qiáng)訓(xùn)練對(duì)象10訓(xùn)練的興趣，提高訓(xùn)練效果。實(shí)施例二本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下
所述的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I為一款四自由度上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人；所述信號(hào)檢測(cè)設(shè)備2包括編碼器和力傳感器，其中編碼器可選用歐姆龍E6J-CWZ1EA2型編碼器，力傳感器為能檢測(cè)三個(gè)正交方向上的力和一個(gè)力矩的四維力傳感器；數(shù)據(jù)采集設(shè)備3和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備5可分別選用阿爾泰的板卡PCI2394和PCI8640 ;驅(qū)動(dòng)設(shè)備7和力矩控制設(shè)備6可分別選用東方馬達(dá)TM203C-MSE型力矩電機(jī)和配套的力矩控制器；主控計(jì)算機(jī)4和交互界面8可選用研華IPC-610MB工控機(jī)和配套的液晶顯示器。實(shí)施例三
本上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法，采用權(quán)利要求1所述的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，其特征在于所述控制方法包括①沿預(yù)定軌跡的被動(dòng)控制、②自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制和③沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)控制三種控制訓(xùn)練方式
①運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的初期選用被動(dòng)控制訓(xùn)練，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)訓(xùn)練對(duì)象10的上肢運(yùn)動(dòng)，此階段上肢不用提供力，完全由上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I帶動(dòng)。此時(shí)操作步驟如下
1).按有助于提高訓(xùn)練效果的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡；
2).根據(jù)規(guī)劃軌跡通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算求解出各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)位姿；
3).通過(guò)信號(hào)檢測(cè)設(shè)備2檢測(cè)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)關(guān)節(jié)的當(dāng)前位姿，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備3傳送給主控計(jì)算機(jī)4 ；
4)主控計(jì)算機(jī)4根據(jù)當(dāng)前位姿和目標(biāo)位姿的偏差通過(guò)特定的算法計(jì)算控制量，并將控制量經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備5和力矩控制設(shè)備6處理后傳給驅(qū)動(dòng)設(shè)備7，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的按預(yù)期運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。②運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后期，上肢自主運(yùn)動(dòng)的能力明顯增強(qiáng)，可以采用自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制，訓(xùn)練對(duì)象10根據(jù)運(yùn)動(dòng)意識(shí)隨意在安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)上肢，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I跟蹤上肢運(yùn)動(dòng)并為上肢的運(yùn)動(dòng)提供輔助力，輔助力的大小可以根據(jù)上肢運(yùn)動(dòng)水平予以調(diào)整，可以調(diào)整為負(fù)值。此時(shí)操作步驟如下
1).信號(hào)檢測(cè)設(shè)備2檢測(cè)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I和訓(xùn)練對(duì)象10之間的相互作用力；
2).力信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備3傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)4，主控計(jì)算機(jī)4由此可根據(jù)特定方法判斷訓(xùn)練對(duì)象10上肢的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并相應(yīng)計(jì)算出控制量，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備5和力矩控制設(shè)備6處理后傳給驅(qū)動(dòng)設(shè)備7，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I跟隨訓(xùn)練對(duì)象10的運(yùn)動(dòng)意識(shí),提供輔助力來(lái)輔助訓(xùn)練對(duì)象10完成運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。輔助力的大小可以根據(jù)上肢運(yùn)動(dòng)能力的水平予以調(diào)整，運(yùn)動(dòng)能力越強(qiáng)，輔助力越小。輔助力調(diào)整為負(fù)值時(shí)是提供一定阻力來(lái)阻礙訓(xùn)練對(duì)象的上肢運(yùn)動(dòng)，起到鞏固前期訓(xùn)練效果、鍛煉上肢的作用。③運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的中期上肢有部分自主運(yùn)動(dòng)能力時(shí)進(jìn)行沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)訓(xùn)練，訓(xùn)練對(duì)象10有意識(shí)地將上肢沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，此階段上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人I只提供部分力輔助上肢運(yùn)動(dòng)，上肢需要提供部分力。此時(shí)的操作過(guò)程是將上述兩種情況過(guò)程的結(jié)合。整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中依照訓(xùn)練前期、中期、后期的順序逐步實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)能力的訓(xùn)練。參照?qǐng)D5-圖7，上述沿預(yù)定軌跡的被動(dòng)控制是基于位置的阻抗控制，由預(yù)期的軌跡經(jīng)過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移的理論值，并據(jù)此驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)各關(guān)節(jié)的實(shí)際角位移，根據(jù)檢測(cè)的實(shí)際角位移和角位移的理論值的偏差進(jìn)行模糊PID控制，使得上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人帶動(dòng)上肢較為準(zhǔn)確地沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)控制是基于力位混合控制的阻抗控制，自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制是基于力的阻抗控制，可以實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人跟蹤訓(xùn)練對(duì)象10的上肢的運(yùn)動(dòng)并提供一定的輔助力輔助上肢運(yùn)動(dòng)，且輔助力的大小可以根據(jù)訓(xùn)練需要予以調(diào)整。訓(xùn)練過(guò)程中控制系統(tǒng)保持監(jiān)測(cè)位置信息，控制一切運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練活動(dòng)都在安全范圍內(nèi)進(jìn)行。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置 換方式，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)、信號(hào)檢測(cè)設(shè)備(2)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(3)、主控計(jì)算機(jī)(4)、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備(5)、力矩控制設(shè)備(6)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)和交互界面(8)，其特征在于所述信號(hào)檢測(cè)設(shè)備(2)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)連接上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(1)，信號(hào)檢測(cè)設(shè)備(2)的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備(3)連接到主控計(jì)算機(jī)(4)，主控計(jì)算機(jī)(4)的輸出經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備(5)、力矩控制設(shè)備(6)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)連接到上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(1)，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)與訓(xùn)練對(duì)象(10)的上肢通過(guò)綁帶連接；交互界面(8) 通過(guò)VGA接口連接主控計(jì)算機(jī)(4);信號(hào)檢測(cè)設(shè)備(2)檢測(cè)到的位置信號(hào)和力信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備(3)后傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)(4)，主控計(jì)算機(jī)(4)通過(guò)分析檢測(cè)到的信號(hào)與設(shè)定信號(hào)的偏差并通過(guò)計(jì)算得出控制量，控制量通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備(5)和力矩控制設(shè)備(6)的處理后作用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)，使驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)按指定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)按規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)或跟隨訓(xùn)練對(duì)象(10)的運(yùn)動(dòng)意識(shí)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)訓(xùn)練對(duì)象(10)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練；訓(xùn)練過(guò)程中主控計(jì)算機(jī)(4)隨時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)并通過(guò)交互界面(8)將數(shù)據(jù)結(jié)果展示給專業(yè)指導(dǎo)員(9)和訓(xùn)練對(duì)象(10)，專業(yè)指導(dǎo)員(9)可通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果了解運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的情況并根據(jù)與訓(xùn)練對(duì)象(10)的交流結(jié)果對(duì)相關(guān)訓(xùn)練參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；將交互界面(8)從數(shù)據(jù)顯示界面切換至場(chǎng)景顯示界面時(shí)，為訓(xùn)練對(duì)象(10)提供虛擬的訓(xùn)練的場(chǎng)景顯示。
2.權(quán)利要求1所述的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)為一款四自由度上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人；所述信號(hào)檢測(cè)設(shè)備(2)包括編碼器和力傳感器，其中編碼器選用歐姆龍E6J-CWZ1EA2型編碼器，力傳感器為能檢測(cè)三個(gè)正交方向上的力和一個(gè)力矩的四維力傳感器；數(shù)據(jù)采集設(shè)備(3)和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備(5)分別選用阿爾泰的板卡PCI2394和PCI8640 ;驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)和力矩控制設(shè)備(6)分別選用東方馬達(dá) TM203C-MSE型力矩電機(jī)和配套的力矩控制器；主控計(jì)算機(jī)(4)和交互界面(8)選用研華 IPC-610MB工控機(jī)和配套的液晶顯示器。
3.—種上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法，采用權(quán)利要求1所述的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，其特征在于所述控制方法包括①沿預(yù)定軌跡的被動(dòng)控制、②自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制和③沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)控制三種控制訓(xùn)練方式①運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的初期選用被動(dòng)控制訓(xùn)練，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)訓(xùn)練對(duì)象(10)的上肢運(yùn)動(dòng)，此階段上肢不用提供力，完全由上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)帶動(dòng)。此時(shí)操作步驟如下1).按有助于提高訓(xùn)練效果的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡；2).根據(jù)規(guī)劃軌跡通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算求解出各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)位姿；3 ).通過(guò)信號(hào)檢測(cè)設(shè)備(2 )檢測(cè)實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)關(guān)節(jié)的當(dāng)前位姿，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備(3)傳送給主控計(jì)算機(jī)(4)；4)主控計(jì)算機(jī)(4)根據(jù)當(dāng)前位姿和目標(biāo)位姿的偏差通過(guò)給定的算法計(jì)算控制量，并將控制量經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備(5)和力矩控制設(shè)備(6)處理后傳給驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的按預(yù)期運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；②運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后期，上肢自主運(yùn)動(dòng)的能力明顯增強(qiáng)，可以采用自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制，訓(xùn)練對(duì)象(10)根據(jù)運(yùn)動(dòng)意識(shí)隨意在安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)上肢，上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)跟蹤上肢運(yùn)動(dòng)并為上肢的運(yùn)動(dòng)提供輔助力，輔助力的大小可以根據(jù)上肢運(yùn)動(dòng)水平予以調(diào)整，可以調(diào)整為負(fù)值；此時(shí)操作步驟如下1)·信號(hào)檢測(cè)設(shè)備(2)檢測(cè)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)和訓(xùn)練對(duì)象(10)之間的相互作用力；2).力信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備(3)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)(4)，主控計(jì)算機(jī)(4)由此可根據(jù)給定方法判斷訓(xùn)練對(duì)象(10)上肢的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并相應(yīng)計(jì)算出控制量，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備(5)和力矩控制設(shè)備(6)處理后傳給驅(qū)動(dòng)設(shè)備(7)，控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)跟隨訓(xùn)練對(duì)象(10)的運(yùn)動(dòng)意識(shí)；③運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的中期上肢有部分自主運(yùn)動(dòng)能力時(shí)進(jìn)行沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)訓(xùn)練，訓(xùn)練對(duì)象 (10)有意識(shí)地將上肢沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，此階段上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人(I)只提供部分力輔助上肢運(yùn)動(dòng)，上肢需要提供部分力；此時(shí)的操作過(guò)程是將上述兩種情況過(guò)程的結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制方法，其特征在于所述沿預(yù)定軌跡的被動(dòng)控制是位置的阻抗控制，沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)控制是基于力位混合控制的阻抗控制；自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制也是基于力的阻抗控制，訓(xùn)練過(guò)程中保持監(jiān)測(cè)位置信息，控制在安全范圍內(nèi)進(jìn)行訓(xùn)練。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方法，本控制系統(tǒng)主要由上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人、信號(hào)檢測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、主控計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備、力矩控制設(shè)備、驅(qū)動(dòng)設(shè)備和交互界面組成。此上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練機(jī)器人輔助訓(xùn)練對(duì)象的上肢進(jìn)行沿預(yù)定軌跡的被動(dòng)訓(xùn)練、沿預(yù)定軌跡的主動(dòng)訓(xùn)練和自由運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)訓(xùn)練，可以根據(jù)訓(xùn)練對(duì)象的上肢狀況選擇訓(xùn)練模式和設(shè)置相關(guān)參數(shù)來(lái)輔助上肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。
文檔編號(hào)A63B23/12GK103006415SQ201210567268
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者余剛, 沈林勇, 錢晉武, 章亞男, 李國(guó)軍 申請(qǐng)人:上海大學(xué)