本發(fā)明涉及一種下肢康復(fù)外骨骼康復(fù)系統(tǒng)及方法，具體地，涉及一種基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
下肢機(jī)器外骨骼作為一種新興的康復(fù)技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于下肢癱瘓病人康復(fù)訓(xùn)練中。其康復(fù)效果不斷受到了公眾認(rèn)可，各國也陸續(xù)推出商業(yè)化的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，比如國內(nèi)璟和公司的Flexbot型系統(tǒng)，以及瑞士HOCOMA公司的Locomat型系統(tǒng)。然而這些系統(tǒng)只提供被動(dòng)的康復(fù)模式，受試者的自主性在康復(fù)訓(xùn)練中往往處于被壓制狀態(tài)，其參與積極性受到抑制。對于非嚴(yán)重癱瘓病人來說，他們具有一定強(qiáng)度的肌肉活性和自主運(yùn)動(dòng)能力，可以自主地參與到康復(fù)訓(xùn)練中。本發(fā)明基于此，設(shè)計(jì)了一種基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)現(xiàn)存的專利與本發(fā)明相似，該專利的中國專利公開號(hào)為CN103536424A，專利名稱為“一種步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制方法”，申請日為2013年10月26日。該發(fā)明在每個(gè)步行周期內(nèi)檢測受試者健肢與患者運(yùn)動(dòng)參數(shù)，當(dāng)兩者相同時(shí)，機(jī)器人就跟隨患肢運(yùn)動(dòng)；不同時(shí)則機(jī)器人提供輔助力矩，使兩則趨于一致。該專利與本發(fā)明主要有以下幾點(diǎn)不同：一、只檢測患肢的狀態(tài)信息；二、通過肌電信號(hào)在線自適應(yīng)估計(jì)自主力矩；三、將自主力估計(jì)與自適應(yīng)控制同時(shí)在Slotine-Li方案中實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括外骨骼結(jié)構(gòu)模塊、肌電信號(hào)采集模塊、肌電信號(hào)處理模塊、軌跡生成模塊、位置速度反饋模塊、自適應(yīng)控制模塊和電機(jī)力矩輸出模塊；所述肌電信號(hào)采集模塊輸入來自于外骨骼結(jié)構(gòu)模塊，輸出到肌電信號(hào)處理模塊；所述自適應(yīng)控制模塊輸入有肌電信號(hào)處理模塊、軌跡生成模塊和位置速度反饋模塊，輸出到電機(jī)力矩輸出模塊；所述位置速度反饋模塊信號(hào)采集于外骨骼結(jié)構(gòu)模塊；所述電機(jī)力矩輸出模塊輸出給外骨骼結(jié)構(gòu)模塊；其中，肌電信號(hào)采集模塊包括肌電電極子模塊和肌電帶通濾波子模塊，完成對肌電信號(hào)的采集；肌電信號(hào)處理模塊包括整流子模塊和低通濾波子模塊，完成對肌電信號(hào)的最終處理；軌跡生成模塊包括自由度設(shè)定子模塊、狀態(tài)變量子模塊和CPG子模塊，其作用為生成外骨骼的參考軌跡曲線；位置速度反饋模塊包括編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊和數(shù)值差分子模塊，用于反饋外骨骼的位置和速度信息模塊；自適應(yīng)控制模塊包括力矩自適應(yīng)子模塊和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)子模塊，用于完成對外骨骼的最終控制；電機(jī)力矩輸出模塊包括電壓轉(zhuǎn)換模塊和電壓輸出模塊，輸出最終的控制力矩。
優(yōu)選地，所述肌電電極子模塊采用四個(gè)商用生物測定學(xué)電極，四個(gè)商用生物測定學(xué)電極分別貼在對應(yīng)的四塊肌肉表面并采集肌電信號(hào)；其中，這四塊肌肉分別為股直肌、股四頭肌、股外側(cè)肌和股二頭肌，所述肌電帶通濾波子模塊的頻帶范圍為20～500Hz.
優(yōu)選地，所述肌電信號(hào)處理模塊中的整流子模塊用于取肌電信號(hào)的絕對值；低通濾波子模塊的截止頻率設(shè)定為5Hz。
優(yōu)選地，所述軌跡生成模塊生成四個(gè)關(guān)節(jié)的軌跡信息,這四個(gè)關(guān)節(jié)分別為左右下肢的膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)。
優(yōu)選地，所述力矩估計(jì)子模塊的輸入是最終處理的肌電信號(hào)，其用于在線估計(jì)受試者的關(guān)節(jié)自主力矩；所述運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)子模塊自適應(yīng)控制模塊是基于Slotine-Li自適應(yīng)方案設(shè)計(jì)的；自主力矩在線估計(jì)方法嵌入到了Slotine-Li自適應(yīng)方案中。
優(yōu)選地，所述力矩估計(jì)子模塊用于力矩估計(jì)，力矩估計(jì)包括對膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)力矩的估計(jì)，估計(jì)的信號(hào)源是四塊肌肉的肌電信號(hào)，且認(rèn)為與肌電信號(hào)的關(guān)系是線性關(guān)系。
優(yōu)選地，所述Slotine-Li自適應(yīng)方案分步學(xué)習(xí)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)；其中，首先學(xué)習(xí)該機(jī)械系統(tǒng)的慣性參數(shù)，上一步完成后，再學(xué)習(xí)肌電信號(hào)與自主力矩的關(guān)系。
優(yōu)選地，所述慣性參數(shù)包括對系統(tǒng)的重力、慣性力、哥式力、離心力及摩擦力。
本發(fā)明還提供一種基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)方法，其特征在于，包括如下步驟：
步驟一：將外骨骼結(jié)構(gòu)模塊穿到受試者身上，通過魔術(shù)貼與低溫?zé)崴馨逯瞥傻耐鈿?，將人腿與外骨骼綁緊；并對齊外骨骼與人體的下肢各關(guān)節(jié)，保證用戶的舒適性；
步驟二：在每側(cè)腿上找到四塊目標(biāo)肌肉的大致位置，貼上肌電電極子模塊，設(shè)定好子模塊的相關(guān)參數(shù)；注意電極片要盡量遠(yuǎn)離外骨骼的固定裝置，以免對肌電信號(hào)產(chǎn)生影響；
步驟三：設(shè)定整流子模塊與低通濾波子模塊的相關(guān)參數(shù)，開啟肌電信號(hào)處理模塊；
步驟四：將肌電信號(hào)采集模塊的輸出導(dǎo)入到肌電信號(hào)處理模塊中進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果導(dǎo)入到自適應(yīng)控制模塊中；
步驟五：根據(jù)外骨骼自由度設(shè)定子模塊，根據(jù)康復(fù)任務(wù)設(shè)定狀態(tài)變量子模塊，開啟CPG子模塊，生成參考軌跡信息；將軌跡生成模塊的輸出導(dǎo)入到自適應(yīng)控制模塊中；
步驟六：設(shè)定位置速度反饋模塊中編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊與數(shù)值差分子模塊的相關(guān)參數(shù)，將位置速度反饋模塊的信息反饋到自適應(yīng)控制模塊中；
步驟七:設(shè)定電壓轉(zhuǎn)換子模塊內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)，連接好電壓輸出子模塊的數(shù)據(jù)線；開啟力矩輸出模塊；
步驟八：開啟自適應(yīng)控制模塊；受試者先保持放松，此時(shí)沒有關(guān)節(jié)自主力矩，運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)子模塊學(xué)習(xí)機(jī)械系統(tǒng)的慣性參數(shù)；此步學(xué)習(xí)完后，受試者可隨意活動(dòng)下肢，力矩自適應(yīng)子模塊開始在線學(xué)習(xí)肌電信號(hào)與關(guān)節(jié)力矩的關(guān)系；自適應(yīng)控制模塊接受其他模塊傳來的信息，生成力矩值，并傳送給電機(jī)力矩輸出模塊。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明為了鼓勵(lì)受試者積極參與到康復(fù)訓(xùn)練中，設(shè)計(jì)了一種基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)康復(fù)模式，提高受試者參與度，它有以下優(yōu)點(diǎn)：
一，使用人體電生理肌電信號(hào)來估計(jì)自主力矩
肌電信號(hào)相比于機(jī)械扭矩傳感器反饋的信號(hào)，其時(shí)間延遲更小，信噪比更高；而且由于肌電信號(hào)只產(chǎn)生在受試者自主收縮肌肉的情況下，所以它能更好地體現(xiàn)受試者的自主運(yùn)動(dòng)意圖。
二，受試者可以積極主動(dòng)地參與到康復(fù)訓(xùn)練過程中
控制器根據(jù)受試者的狀態(tài)，鼓勵(lì)受試者的積極主動(dòng)參與，提供按需輔助的力矩。
三，自主力矩的在線實(shí)時(shí)估計(jì)與系統(tǒng)的自適應(yīng)控制統(tǒng)一在同一個(gè)框架下
只需要一套基于Slotine-Li方案的控制策略，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對自主力矩地在線估計(jì)與系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，這樣可以提高計(jì)算效率。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
圖1為本發(fā)明的具體實(shí)施框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明中的下肢外骨骼有左右下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)兩個(gè)個(gè)自由度，各關(guān)節(jié)均由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)依據(jù)特定的行走康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)，通過軌跡生成模塊3設(shè)定各關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線。受試者穿上外骨骼康復(fù)系統(tǒng)后，自適應(yīng)控制模塊5中的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)子模塊52首先根據(jù)參考軌跡曲線與位置速度反饋模塊4的反饋值，Slotine-Li自適應(yīng)方案，在線計(jì)算出所需的總力矩；再通過肌電采集模塊1采集下肢行走相關(guān)肌肉的肌信號(hào)，并通過肌電信號(hào)處理模塊2完成對信號(hào)的最終處理，自適應(yīng)控制模塊5中的力矩估計(jì)子模塊51通過該信號(hào)實(shí)時(shí)估計(jì)受試者膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)處的自主力矩；最后電機(jī)通過力矩輸出模塊，提供總力矩與自主力矩的差值，作為輔助力矩。本發(fā)明切實(shí)可行，通過這種人機(jī)合作的下肢行走康復(fù)訓(xùn)練模式，癱瘓病人在康復(fù)訓(xùn)練中的參與度受到很大鼓勵(lì)，可有望提升康復(fù)效果。
本發(fā)明提供的基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，在線估計(jì)關(guān)節(jié)自主力矩，再自適應(yīng)控制系統(tǒng)。圖1展示了整體發(fā)明控制框圖，本發(fā)明基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)包括外骨骼結(jié)構(gòu)模塊0、肌電信號(hào)采集模塊1、肌電信號(hào)處理模塊2、軌跡生成模塊3、位置速度反饋模塊4、自適應(yīng)控制模塊5和電機(jī)力矩輸出模塊6；所述肌電信號(hào)采集模塊輸入來自于外骨骼結(jié)構(gòu)模塊，輸出到肌電信號(hào)處理模塊；自適應(yīng)控制模塊輸入有肌電信號(hào)處理模塊、軌跡生成模塊和位置速度反饋模塊，輸出到電機(jī)力矩輸出模塊；位置速度反饋模塊信號(hào)采集于位置速度反饋模塊；電機(jī)力矩輸出模塊輸出給外骨骼結(jié)構(gòu)模塊；肌電信號(hào)采集模塊完成對肌電信號(hào)的采集；肌電信號(hào)處理模塊完成對肌電信號(hào)的最終處理；軌跡生成模塊的作用為生成外骨骼的參考軌跡曲線；位置速度反饋模塊用于反饋外骨骼的位置和速度信息模塊；自適應(yīng)控制模塊用于完成對外骨骼的最終控制；電機(jī)力矩輸出模塊輸出最終的控制力矩。
所述外骨骼結(jié)構(gòu)模塊包括左右下肢的外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，每側(cè)均有膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度；外骨骼結(jié)構(gòu)模塊為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了機(jī)械硬件平臺(tái)。
所述肌電采集模塊包括肌電電極子模塊11和肌電帶通濾波子模塊12；肌電電極子模塊是信號(hào)采集電路，它是原始肌電信號(hào)采集的基礎(chǔ)，這里采用了四個(gè)商用生物測定學(xué)電極，將其分別貼在對應(yīng)的四塊肌肉表面并采集肌電信號(hào)，這四塊肌肉分別為股直肌、股四頭肌、股外側(cè)肌和股二頭肌，這些肌肉可顯著體現(xiàn)膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，且方便貼放電極片；肌電帶通濾波子模塊的頻帶范圍為20～500Hz，用于完成對運(yùn)動(dòng)尾跡的消除，獲得原始的肌電信號(hào)，這種選擇既可以消除運(yùn)動(dòng)尾跡對肌電信號(hào)的影響，也能更真實(shí)的反應(yīng)人體的信號(hào)。
肌電信號(hào)處理模塊2包括整流子模塊21和低通濾波子模塊22。所述肌電信號(hào)處理中的整流子模塊21用于取肌電信號(hào)的絕對值；低通濾波子模塊22的截止頻率設(shè)定為5Hz；這種設(shè)置可保證處理后的肌電信號(hào)與關(guān)節(jié)力矩有較強(qiáng)的線性關(guān)系。
所述軌跡生成模塊包括自由度設(shè)定子模塊31、狀態(tài)變量子模塊32和CPG子模塊33；狀態(tài)變量子模塊根據(jù)外骨骼自由度數(shù)而設(shè)定；狀態(tài)變量子模塊設(shè)定步行速度、步幅等行走相關(guān)狀態(tài)變量；CPG(中樞模式發(fā)生器)子模塊最終生成四個(gè)關(guān)節(jié)的軌跡信息，這四個(gè)關(guān)節(jié)分別為左右下肢的膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)，CPG子模塊可根據(jù)子模塊設(shè)定的行走速度及步長，生成左右下肢膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)四個(gè)關(guān)節(jié)軌跡信息，可保證參考軌跡的平滑連續(xù)性。
所述位置速度反饋模塊包括編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊41和數(shù)值差分子模塊42；其中，位置的反饋信息通過子模塊完成，速度的反饋信息通過子模塊完成。
所述自適應(yīng)控制模塊包括包括力矩自適應(yīng)子模塊51和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)子模塊52；其中，自適應(yīng)控制子模塊基于Slotine-Li自適應(yīng)方案設(shè)計(jì)的，算出電機(jī)需要提供的力矩值，用于完成對外骨骼系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)控制；力矩估計(jì)子模塊的輸入是肌電信號(hào)，肌電信號(hào)的信噪比更高，延遲更小，通過它估計(jì)力矩效果更好，用于在線估計(jì)自主力矩，力矩估計(jì)子模塊的估計(jì)方法嵌入到了Slotine-Li自適應(yīng)方案中，有助于減少計(jì)算量與控制器的復(fù)雜度，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性；Slotine-Li自適應(yīng)方案分步學(xué)習(xí)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)；其中，首先學(xué)習(xí)該機(jī)械系統(tǒng)的慣性參數(shù)；上一步完成后，再學(xué)習(xí)肌電信號(hào)與自主力矩的關(guān)系，加入這種逐步學(xué)習(xí)的策略，可保證自主力矩估計(jì)的準(zhǔn)確性；慣性參數(shù)包括對系統(tǒng)的重力、慣性力、哥式力、離心力及摩擦力等參數(shù)，通過對這些參數(shù)的學(xué)習(xí)，可完成對系統(tǒng)更加完善的建模與控制，提高受試者的康復(fù)體驗(yàn)。
所述自主力矩與肌電信號(hào)的關(guān)系是線性關(guān)系；其中，該線性關(guān)系無需標(biāo)定，其關(guān)系通過Slotine-Li方案在線學(xué)習(xí)。
所述力矩輸出模塊包括電壓轉(zhuǎn)換模塊61和電壓輸出模塊62，其中，電壓轉(zhuǎn)換模塊通過預(yù)先設(shè)定的關(guān)系將模塊算出的力矩值轉(zhuǎn)換為電壓值；電機(jī)工作在力矩模式下，通過電壓輸出模塊向電機(jī)發(fā)送電壓值來達(dá)到力矩控制的目的。
本發(fā)明還提供一種基于人機(jī)合作的下肢外骨骼康復(fù)方法，其特征在于，包括如下步驟：
步驟一：將外骨骼結(jié)構(gòu)模塊穿到受試者身上，通過魔術(shù)貼與低溫?zé)崴馨逯瞥傻耐鈿?，將人腿與外骨骼綁緊；并對齊外骨骼與人體的下肢各關(guān)節(jié)，保證用戶的舒適性；
步驟二：在每側(cè)腿上找到四塊目標(biāo)肌肉的大致位置，貼上肌電電極子模塊，設(shè)定好子模塊的相關(guān)參數(shù)；注意電極片要盡量遠(yuǎn)離外骨骼的固定裝置，以免對肌電信號(hào)產(chǎn)生影響；
步驟三：設(shè)定整流子模塊與低通濾波子模塊的相關(guān)參數(shù)，開啟肌電信號(hào)處理模塊；
步驟四：將肌電信號(hào)采集模塊的輸出導(dǎo)入到肌電信號(hào)處理模塊中進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果導(dǎo)入到自適應(yīng)控制模塊中；
步驟五：根據(jù)外骨骼自由度設(shè)定子模塊，根據(jù)康復(fù)任務(wù)設(shè)定狀態(tài)變量子模塊，開啟CPG子模塊，生成參考軌跡信息；將軌跡生成模塊的輸出導(dǎo)入到自適應(yīng)控制模塊中；
步驟六：設(shè)定位置速度反饋模塊中編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊與數(shù)值差分子模塊的相關(guān)參數(shù)，將位置速度反饋模塊的信息反饋到自適應(yīng)控制模塊中；
步驟七:設(shè)定電壓轉(zhuǎn)換子模塊內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)，連接好電壓輸出子模塊的數(shù)據(jù)線；開啟力矩輸出模塊；
步驟八：開啟自適應(yīng)控制模塊；受試者先保持放松，此時(shí)沒有關(guān)節(jié)自主力矩，運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)子模塊學(xué)習(xí)機(jī)械系統(tǒng)的慣性參數(shù)；此步學(xué)習(xí)完后，受試者可隨意活動(dòng)下肢，力矩自適應(yīng)子模塊開始在線學(xué)習(xí)肌電信號(hào)與關(guān)節(jié)力矩的關(guān)系；自適應(yīng)控制模塊接受其他模塊傳來的信息，生成力矩值，并傳送給電機(jī)力矩輸出模塊。
以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。