基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法及控制系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法及控制系統(tǒng)，該方法包括：根據(jù)肌力訓(xùn)練過(guò)程中患肢主動(dòng)作用力、患肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與平衡位置之差，建立二階時(shí)變患肢生物阻抗模型；根據(jù)患肢生物阻尼估計(jì)值和剛度估計(jì)值對(duì)患肢在目標(biāo)阻力作用下的肌力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；依據(jù)患肢肌力狀態(tài)評(píng)估以及機(jī)器人工作狀態(tài)及其工作參數(shù)是否超過(guò)事先定義的閾值，定義并通過(guò)連續(xù)/離散轉(zhuǎn)換接口將患肢肌力/機(jī)器人工作連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為與區(qū)域狀態(tài)切換及患者安全相關(guān)的離散事件；基于混雜自動(dòng)機(jī)理論配置離散事件決策控制器；配置機(jī)器人輔助訓(xùn)練PD力跟蹤控制器，利用本發(fā)明可提高機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練系統(tǒng)的控制柔順性和安全性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法及控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及康復(fù)機(jī)器人傳感與治療控制領(lǐng)域，具體而言涉及一種基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法及控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會(huì)隨著世界各國(guó)相繼進(jìn)入老齡化，在老齡化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的腦卒中或中風(fēng)病患者，此類(lèi)患者通常由于腦血管血栓或腦血管破裂出血而導(dǎo)致腦供血中斷，從而使相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)和認(rèn)知等功能遭到喪失或受到損害?，F(xiàn)代神經(jīng)康復(fù)醫(yī)學(xué)及其臨床研究結(jié)果表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有高度的可塑性，對(duì)因腦卒中等疾病引起的肢體功能障礙，通過(guò)科學(xué)合理的康復(fù)治療訓(xùn)練可以在一定程度上恢復(fù)其受損的肢體功能。
[0003]中風(fēng)康復(fù)治療的最終目的除改善患者肢體運(yùn)動(dòng)功能外，最重要的就是通過(guò)抗阻訓(xùn)練增強(qiáng)肌力，使患者盡早恢復(fù) 基本日常生活能力?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)康復(fù)治療技術(shù)，在機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練過(guò)程中，肢體功能康復(fù)訓(xùn)練方法如何通過(guò)機(jī)器人治療控制策略得以實(shí)現(xiàn)，是提高肌力訓(xùn)練效果的關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)康復(fù)機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練的治療控制方法已開(kāi)展了較多的研究，并在肌力訓(xùn)練效果方面取得了一定的成效，但治療控制方法大多是直接根據(jù)機(jī)器人與患肢之間的相互作用力或患肢表面肌電信號(hào)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，上述兩類(lèi)信號(hào)易受噪聲干擾，影響控制器設(shè)計(jì)精度，降低了康復(fù)訓(xùn)練效果。此外，現(xiàn)有治療控制方法大多是分別從機(jī)器人連續(xù)變量運(yùn)動(dòng)控制或醫(yī)師離散事件決策控制角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，未能將機(jī)器人輔助康復(fù)系統(tǒng)這種非純一特性(混雜特性)融于統(tǒng)一框架內(nèi)，易受人機(jī)交互行為復(fù)雜程度制約，具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明目的在于提供一種基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法及控制系統(tǒng)，利用本發(fā)明的控制方法、控制系統(tǒng)可以提高機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練系統(tǒng)的控制柔順性和安全性。
[0005]本發(fā)明的上述目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有利的方式發(fā)展獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征。
[0006]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
一種基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法，包括以下步驟:
步驟1、根據(jù)肌力訓(xùn)練過(guò)程中患肢主動(dòng)作用力/,、患肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與平衡位置之差運(yùn)用遺忘因子自適應(yīng)調(diào)整的最小二乘遞推辨識(shí)算法建立如下二階時(shí)變患肢生物阻抗模型:
靡4_)+柳Χ(?)
其中，分別為患肢生物阻尼和生物剛度，/,為患肢主動(dòng)作用力,ii為患肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與平衡位置之差，K為患肢運(yùn)動(dòng)速度變化；
步驟2、根據(jù)患肢生物阻尼估計(jì)值€和剛度估計(jì)值&,對(duì)患肢在目標(biāo)阻力作用下的肌力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,其中患肢生物阻尼估計(jì)值^和剛度估計(jì)值的表達(dá)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、根據(jù)肌力訓(xùn)練過(guò)程中患肢主動(dòng)作用力/e、患肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與平衡位置之差Jl,運(yùn)用遺忘因子自適應(yīng)調(diào)整的最小二乘遞推辨識(shí)算法建立如下二階時(shí)變患肢生物阻抗模型:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法，其特征在于，前述步驟2中，根據(jù)患肢生物阻尼估計(jì)值&和剛度估計(jì)值&,對(duì)患肢在目標(biāo)阻力作用下的肌力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，其實(shí)現(xiàn)包括: ①首先分析訓(xùn)練起始一段時(shí)間內(nèi)患肢生物阻尼、剛度變化，如果二者在達(dá)到第一個(gè)峰值并延時(shí)一段時(shí)間后其估計(jì)值趨于穩(wěn)定，則進(jìn)一步按照下述方法計(jì)算后續(xù)周期生物阻尼、剛度的平均變化量，: f.^ * f 各兩
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法，其特征在于，前述步驟3的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟: ①依據(jù)步驟2的患肢肌力狀態(tài)評(píng)估，定義患肢肌力狀態(tài)轉(zhuǎn)換離散事件1?,?,Qj: (i)患肢承受阻力過(guò)大事件^:機(jī)器人末端施加的阻力大于患肢當(dāng)前的承受能力； (?)患肢承受阻力正常事件巧:機(jī)器人末端施加的阻力匹配于患肢當(dāng)前的承受能力；(iii)患肢承受阻力過(guò)小事件^:機(jī)器人末端施加的阻力小于患肢當(dāng)前的承受能力； ②依據(jù)機(jī)器人工作狀態(tài)及其工作參數(shù)是否超過(guò)事先定義的閾值，定義機(jī)器人工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換離散事件i A，久1: ⑴機(jī)器人異常停止工作事件P4:機(jī)器人工作參數(shù)，即工作電壓K、末端運(yùn)行速度'及末端負(fù)載/P，超出事先定義的閾值范圍； (?)機(jī)器人正常停止工作事件^:根據(jù)臨床治療方案，訓(xùn)練過(guò)程中單節(jié)訓(xùn)練結(jié)束患者需要休息或整個(gè)肌力訓(xùn)練周期結(jié)束時(shí)，機(jī)器人應(yīng)正常停止工作； (iii)機(jī)器人恢復(fù)正常工作事件:機(jī)器人正/異常停止工作后，機(jī)器人應(yīng)恢復(fù)工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法，其特征在于,所述工作電壓％、末端運(yùn)行速度^及末端負(fù)載Λ的閾值范圍為:WP的最大值為55V，l的最小值為30V，Vf的最大值為1.δπιΛ,Ι的最大值為2.5Kgo
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制方法，其特征在于，前述步驟4的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟: ①定義離散事件決策控制器控制狀態(tài),β丨,并通過(guò)離散/連續(xù)轉(zhuǎn)換接口
產(chǎn)生控制輸出向量具體如下: ⑴離散控制狀態(tài)g:隨機(jī)確定施加在機(jī)器人末端的初始阻力；控制向量％:康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)以初始阻力開(kāi)始工作； (ii)離散控制狀態(tài)β2:增大施加在機(jī)器人末端的阻力;控制向量^:機(jī)器人系統(tǒng)增加阻力； (iii)離散控制狀態(tài)β:減小施加在機(jī)器人末端的阻力；控制向量機(jī)器人系統(tǒng)減小阻力； (iv)離散控制狀態(tài)0+:保持施加在機(jī)器人末端的阻力;控制向量^:機(jī)器人系統(tǒng)保持當(dāng)前阻力； (V)離散控制狀態(tài)iJ:取消施加在機(jī)器人末端的阻力;控制向量^:機(jī)器人系統(tǒng)停止工作； ②當(dāng)機(jī)器人/患肢肌力狀態(tài)監(jiān)督模塊監(jiān)測(cè)到前述步驟3所定義的離散事件時(shí)，根據(jù)離散事件性質(zhì)和離散事件決策控制器控制狀態(tài)，確定如下決策控制規(guī)則: (i)當(dāng)監(jiān)測(cè)到患肢承受阻力過(guò)大事件時(shí)，激活離散控制狀態(tài)β,減小施加在機(jī)器人末端的阻力； (?)當(dāng)監(jiān)測(cè)到患肢承受阻力正常事件時(shí),激活離散控制狀態(tài)保持施加在機(jī)器人末端的阻力； (iii)當(dāng)監(jiān)測(cè)到患肢承受阻力過(guò)小事件?,時(shí)，激活離散控制狀態(tài),增大施加在機(jī)器人末端的阻力； (iv)當(dāng)監(jiān)測(cè)到機(jī)器人系統(tǒng)異常停止工作事件時(shí),激活離散控制狀態(tài)gj,取消施加在機(jī)器人末端的阻力，機(jī)器人系統(tǒng)停止工作； (v)當(dāng)監(jiān)測(cè)到機(jī)器人系統(tǒng)正常停止工作事件^時(shí)，激活離散控制狀態(tài)ρ3,取消施加在機(jī)器人末端的阻力，機(jī)器人系統(tǒng)停止工作； (vi)當(dāng)監(jiān)測(cè)到機(jī)器人系統(tǒng)恢復(fù)正常工作事件時(shí)，激活離散控制狀態(tài)以保持施加在機(jī)器人末端的阻力恢復(fù)工作。
6.一種基于前述權(quán)利要求1所述方法實(shí)現(xiàn)的基于生物阻抗辨識(shí)的機(jī)器人輔助肌力混雜控制系統(tǒng)，其特征在于，包括離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、連續(xù)變量控制系統(tǒng)以及離散/連續(xù)轉(zhuǎn)換接口，其中: 在連續(xù)變量控制系統(tǒng)中，依據(jù)患肢肌力狀態(tài)評(píng)估，以及機(jī)器人工作狀態(tài)及其工作參數(shù)是否超過(guò)事先定義的閾值，定義并通過(guò)連續(xù)/離散轉(zhuǎn)換接口將患肢肌力/機(jī)器人工作連續(xù)狀態(tài)I轉(zhuǎn)換為如下與區(qū)域狀態(tài)切換及患者安全相關(guān)的離散事件ο.; 在離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，基于混雜自動(dòng)機(jī)理論配置離散事件決策控制器:首先，定義離散事件決策控制器控制狀態(tài)并通過(guò)離散/連續(xù)轉(zhuǎn)換接口)產(chǎn)生控制輸出向量而為|;其中，當(dāng)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中機(jī)器人/患肢肌力狀態(tài)監(jiān)督模塊監(jiān)測(cè)到前述定義的離散事件時(shí)，根據(jù)離散事件性質(zhì)和離散事件決策控制器控制狀態(tài)，配置決策控制規(guī)則 ； 在連續(xù)變量控制系統(tǒng)中，配置下述機(jī)器人輔助訓(xùn)練ro力跟蹤控制器、即比例-微分力跟蹤控制器:
【文檔編號(hào)】A63B23/035GK103970012SQ201410067180
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】徐國(guó)政, 茅晨, 高翔, 梁志偉 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)