(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011196774.8
(22)申请日 2020.10.30
(71)申请人 中国科学院自动化研究所
地址 100190 北京市海淀区中关村东路95
号
(72)发明人 王卫 侯增广 梁旭 任士鑫
石伟国
(74)专利代理机构 北京市恒有知识产权代理事
务所(普通合伙) 11576
代理人 郭文浩 尹文会
(51)Int.Cl.
A63B 23/04(2006.01)
A63B 22/08(2006.01)
A63B 21/00(2006.01)
A63B 24/00(2006.01)
A63B 71/06(2006.01)
(54)发明名称下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法和系统(57)摘要本发明属于控制技术领域，具体涉及了一种下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法和系统，旨在解决现有的康复机器人控制方法无法针对用户出现的积极性变化和恢复效果变化自适应地调节训练任务，并且无法防范用户患肢二次受 伤的问题。本发明包括：获取并执行预设的训练任务，并实时读取执行任务过程中用户对下肢康复机器人的主动交互力将所述主动交互力转换为切向力，并设置切向力的有效范围；将所述切向力转化为下肢康复机器人的角频率调整量，并基于切向力调整切向调节速度、法向调节速度和阻尼系数。本发明实现对用户康复训练的按需辅助，使得康复机器人的辅助效果更佳，真正的由用户主导，
提高了康复效果。权利要求书3页 说明书14页 附图6页CN 112274865 A 2021.01.29
C N 112274865
A
1.一种下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S100，获取并执行预设的训练任务，所述训练任务中包括用户运动的参考轨迹、参考切向速度、参考角速度、阻尼系数和训练时间； 步骤S200，实时估计执行任务过程中用户对下肢康复机器人的主动交互力；
步骤S300，通过主动力矩分解方法将所述主动交互力转换为机器人末端沿任意轨迹运动方向的切向力，并设置切向力的有效范围；将所述切向力转化为下肢康复机器人的角频率调整量；所述切向力的有效范围为运动时切向力变化认定为可以接受的合理范围；
步骤S400，基于所述切向力自适应地调节下肢康复机器人的切向调节速度；
基于所述切向力自适应地添加下肢康复机器人的法向调节速度；
基于所述切向力通过间接模糊控制方法自适应地调节阻尼系数；
步骤S500，重复步骤S200-S400的步骤实时获取最优的下肢康复机器人的切向调节速度、调节速度和阻尼系数，保证下肢康复机器人运动轨迹始终在虚拟管道内自适应地运动直至所述训练任务完成；所述虚拟管道为围绕参考轨迹运动的合理范围。
2.根据权利要求1所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，将所述主动交互力转换为机器人末端沿任意轨迹运动方向的切向力，其方法为：步骤s310A，通过雅克比矩阵J将所述主动交互力转化为机器人末端笛卡尔空间中的外部作用力，所述外部作用力的水平方向分量为F x，竖直方向的分量为F y，所述外部作用力为：
其中，τ1表示下肢康复机器人关节空间中髋关节处的主动交互力，τ2表示下肢康复机器人关节空间中膝关节处的主动交互力，T表示转置；
步骤S320A，通过所述外部作用力计算下肢康复机器人当前点沿轨迹前进方向的切向力F t：
其中，w表示此时机器人在运动轨迹近似圆弧上运动的角频率，表示所述下肢康复机器人末端从起始点运动到第一过程点所转过的近似圆弧的角度，所述第一过程点仅表示下肢康复机器人在执行训练任务时机器人末端任一时刻的位置点。
3.根据权利要求2所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，所述设置切向力的有效范围，其方法为：
步骤S310B，基于主动交互力的估计误差，设置切向力的有效范围：
其中，表示由于主动交互力估计误差导致的切向力估计误差，sgn表示符号函数，abs 表示求绝对值的函数。
4.根据权利要求2所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，将所述切向力转化为下肢康复机器人的角频率调整量，其方法为：
步骤S310C，通过阻尼系数控制将此沿圆弧运动方向的切向力F t转化为角频率调整量e：e＝F t/B i
其中，e表示角频率调整量，B i表示第i个关节的阻尼系数。
5.根据权利要求2所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，所述基于切向力自适应地调节下肢康复机器人的切向调节速度，其方法为：步骤S410A，当用户施加的主动交互力时，通过提高运动轨迹近似圆弧的角频率w提高切向调节速度；
当用户懈怠或偷懒不主动施加主动交互力时，通过降低运动轨迹近似圆弧的角频率w 降低切向调节速度；
当用户不主动施加主动交互力并且调节速度降低到预设的第一阈值ξ时，使下肢康复机器人以运动轨迹近似圆弧的角频率为所述第一阈值ξ进行被动地跟着参考轨迹运动；
调节切向加速度的方法可表示为：
其中，w↑表示提高运动轨迹近似圆弧的角频率，w↓表示降低运动轨迹近似圆弧的角频率，F t＞0表示用户主动施加主动交互力，F t≤0表示用户懈怠或未主动施加主动交互力；
通过角频率调整量获得w new：
w new＝w*(1+e)
其中，w new表示下一时刻调节后的角频率，调节后的切向调节速度为V t＝r*w new。
6.根据权利要求2所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，所述基于所述切向力自适应地添加下肢康复机器人的法向调节速度，其方法为：步骤S410B，当所述主动交互力大于预设的安全阈值时，基于下肢康复机器人末端当前处在的第二过程点，计算法向调节速度V r：
x p1＝l1cos(θ1)+l2cos(θ1+θ2)
y p1＝l1sin(θ1)+l2sin(θ1+θ2)
Δr＝r p1-r
V r＝Δr/Δt
其中，(x0，y0)为原点坐标，(x p1，y p1)为第二过程点的坐标，l1表示下肢康复机器人中大腿的长度，l2表示下肢康复机器人中小腿的长度，θ1表示下肢康复机器人髋关节的角度，θ2表示下肢康复机器人膝关节的角度，r p1表示第二过程点到参考轨迹近似圆弧圆心的距离，Δr表示第二过程点到参考轨迹对应点的距离，所述参考轨迹对应点为第二过程点至参考轨迹近似圆弧圆心的连线与参考轨迹的交点，r表示参考轨迹近似圆弧的半径，Δt表示机器人末端从参考轨迹上的第一过程点移动到第二过程点所经过的时间。
7.根据权利要求6所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，在步骤S410B之后，还包括：基于舍入误差Vξ，构建法向速度V r合理范围：
V r＝sgn(V r)*max[abs(V r)-Vξ]
其中，Vξ为由于计算机字长有限而导致的舍入误差，表示虚拟管道的半径，所述虚拟管道为围绕参考轨迹运动的合理范围，在此范围内运动不施加法向调节速度；sgn为符号函
数，abs为求绝对值函数。
8.根据权利要求4所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，所述基于所述切向力
通过间接模糊控制方法自适应地调节阻尼系数，其方法为：步骤s410C，将下肢康复机器人末端运动轨迹近似圆弧的角速度变化量Δθ、用户对下肢康复机器人施加的主动交互力的变化量Δτ和阻尼系数调整量ΔB通过钟型隶属度函数h (x)进行模糊化：
步骤S420C，通过预设的变阻尼系数模糊规则表获得阻尼系数调整量ΔB；
步骤S430C，通过将阻尼系数调整量ΔB作为B i代入角频率调整量e的计算公式：
e＝F t/B i
步骤S440C，当角频率调整量e处于预设的第二阈值区间时，通过角频率调整量e调整阻尼系数，当角频率调整量e超出预设的第二阈值区间时，通过第二阈值区间的边界值ξ调整阻尼系数。
9.根据权利要求1-8任一项所述的下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，其特征在于，所述方法还包括使下肢康复机器人与虚拟现实连接的步骤，包括：步骤D100，通过3Dmax进行人体建模与下肢康复机器人建模并输入预设的虚拟现实场景，通过内存共享机制实现下肢康复机器人实时运动参数的读写和信息交互基于所述下肢康复机器人的运动速度；
步骤D200，通过CAN通讯协议与下肢康复机器人进行髋关节和膝关节运动数据实时交换，并转换成虚拟现实场景中的髋关节和膝关节的运动数据，使虚拟现实场景中的人物进行相应的运动。
10.一种下肢康复机器人的按需辅助自适应控制系统，其特征在于，所述系统包括：任务执行模块、交互力获取模块、交互力解析模块、自适应调节模块和实时调节模块；
所述任务执行模块，用于获取并执行预设的训练任务，所述训练任务中包括用户运动的参考轨迹、参考切向速度、参考角速度、阻尼系数和训练时间；
所述交互力获取模块，用于实时估计执行任务过程中用户对下肢康复机器人的主动交互力；
所述交互力解析模块，通过主动力矩分解方法将所述主动交互力转换为机器人末端沿任意轨迹运动方向的切向力，并设置切向力的有效范围；将所述切向力转化为下肢康复机器人的角频率调整量；所述切向力的有效范围为运动时切向力变化认定为可以接受的合理范围；
所述自适应调节模块，用于基于所述切向力自适应地调节下肢康复机器人的切向调节速度；还用于基于所述切向力自适应地添加下肢康复机器人的法向调节速度；还用于基于所述切向力通过间接模糊控制方法自适应地调节阻尼系数；
所述实时调节模块，用于重复所述任务执行模块-自适应调节模块的功能获取最优的下肢康复机器人的切
向调节速度、调节速度和阻尼系数，保证下肢康复机器人运动轨迹始终在虚拟管道内以参考切向速度和参考角速度运动直至所述训练任务完成；所述虚拟管道为围绕参考轨迹运动的合理范围。
下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法和系统技术领域
[0001]本发明属于控制技术领域，具体涉及了一种下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法和系统。
背景技术
[0002]研究表明，相比于长时间机械重复式的被动训练，需要用户积极参与和主动输出的康复训练才能有效促进神经可塑性和运动功能恢复。因此，利用机器人为用户提供康复训练，不应只是增加训练时间与重复次数，还应该尽可能促进用户在训练中的主动参与度。为了激励用户的主动参与度，“按需辅助”康复训练控制方法被提出，并成为康复机器人控制的研究热点。
[0003]“按需辅助”主动康复训练强调由用户主导康复训练过程，机器人根据用户的运动意图和实际表现实时调整辅助力或运动轨迹。一方面通过机器人引导来纠正其错误的运动模式，另一方面通过机器人辅助来补偿其运动能力的不足，完成训练任务。此外，康复机器人集成虚拟现实场景，可增强用户与机器人之间的互动性、娱乐性，使用户身临其境，激发用户主动参与运动训练的积极性。例如，提供由用户自身努力即可完成的游戏任务，可以使用户更有成就感，进而增强康复的信心与决心。在得到精确的人机
交互力之后，可以根据人机交互力进行主动柔顺训练，使得用户可以自主控制训练强度，提高用户参与训练的积极性。
发明内容
[0004]为了解决现有技术中的上述问题，即现有的康复机器人控制方法只能按照预设的任务进行康复训练，无法针对用户出现的积极性变化和恢复效果的变化自适应地调节训练任务，并且无法防范用户患肢二次受伤的问题，本发明提供了一种下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法，所述控制方法包括：
[0005]步骤S100，获取并执行预设的训练任务，所述训练任务中包括用户运动的参考轨迹、参考切向速度、参考角速度、阻尼系数和训练时间；
[0006]步骤S200，实时估计执行任务过程中用户对下肢康复机器人的主动交互力；
[0007]步骤S300，通过主动力矩分解方法将所述主动交互力转换为机器人末端沿任意轨迹运动方向的切向力，并设置切向力的有效范围；将所述切向力转化为下肢康复机器人的角频率调整量；所述切向力的有效范围为运动时事切向力变化认定为可以接受的合理范围；
[0008]步骤S400，基于所述切向力自适应地调节下肢康复机器人的切向调节速度；
[0009]基于所述切向力自适应地添加下肢康复机器人的法向调节速度；
[0010]基于所述切向力通过间接模糊控制方法自适应地调节阻尼系数；
[0011]步骤S500，重复步骤S200-S400的步骤实时获取最优的下肢康复机器人的切向调节速度、调节速度和阻尼系数，保证下肢康复机器人运动轨迹始终在虚拟管道内自适应地
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