本發(fā)明涉及一種控制康復與代步外骨骼機器人的方法，尤其是涉及了一種基于主從控制模式的康復與代步外骨骼機器人的控制方法。

背景技術：

近年來，脊椎損傷、腦卒中風等中樞神經系統(tǒng)疾病引起的下肢運動功能障礙患者呈急劇增加的趨勢，嚴重危害著人類的健康。隨著社會的發(fā)展和人民醫(yī)療、生活水平的提高，殘疾人的健康引起了全社會的關注。減重步行訓練是針對該類疾病患者步行康復治療的重要手段之一，已有大量的臨床研究證實了其有效性。傳統(tǒng)的康復治療方法主要是由護理師協助患者進行康復訓練，其康復訓練效果取決于護理師的技術水平及愛心，同時，護理師數量嚴重不足，訓練效率低，工作強度大，所以難以迅速提高患者的康復訓練效率。

近年來，機器人技術突飛猛進，醫(yī)療康復類機器人也得到充分發(fā)展，而輪椅是中風偏癱患者和老人不可或缺的代步工具，因此與輪椅結合的康復機器人系統(tǒng)的控制方法設計成為研究的熱點同時也是提升機器人康復效果的關鍵。日本Yasunobu Handa公司研發(fā)的Profhand很好的利用代步的同時進行康復訓練,可以使患者很好的參與到康復訓練過程中，提升了康復訓練的意愿。但是該設備沒有助力系統(tǒng)，不適宜于病情嚴重的患者；同時對肢體沒有很好的保護，腿腳麻木的患者在康復訓練過程中有折斷的風險。已有的康復機器人，多數忽略了患者下肢的主動運動意圖，不利于激發(fā)患者的主動意識及參與康復訓練的興趣，很難達到理想的康復訓練要求；同時，目前基本沒有集康復與代步功能于一體、利用主從式方式控制的康復機器人。

申請?zhí)枮?01010543205.6的中國專利文獻公開了一種腦血栓患者下肢康復訓練器，通過下肢康復機構中的電機驅動帶動患者腿部訓練，訓練模式分有主動、被動模式，以滿足不同患者下肢康復訓練的要求；該裝置的控制方法沒能充分利用助力幫助使用者行走，且智能型不足，無法根據使用者的情況進行自主調節(jié)，訓練過程較為單調。

申請?zhí)枮?01410599202.2的中國專利公開了一種具有力反饋的主從式控制系統(tǒng)，通過用戶通過旋轉手柄，帶動直流電機的電機軸發(fā)生旋轉運動，并通過編碼器記錄，主控制器通過讀取計數器板卡上的脈沖信號，來確定用戶操作手動觸覺設備的輸入位移量，并計算出虛擬機械臂模型運動的位移量，最終將驅動電流值輸送給直流電機，實現電機軸旋轉，并帶動旋轉手柄實現與操作者反方向的旋轉運動，使得操作者感覺到虛擬作用力。主從式控制在康復系統(tǒng)中可以使主動與被動部件不直接機械相連，在安全性上有較強的優(yōu)勢，但是目前投入使用的還很少。

技術實現要素：

針對背景技術所指出的下肢康復機器人康復運動控制存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種充分考慮使用者主觀參與性來合理訓練使用者的下肢同時實現輪椅代步功能的康復機器人控制方法。

為達上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案予以實現：

一種基于主從式控制的康復與代步外骨骼機器人，包括輪椅、外骨骼，以及中心控制器，其中

所述輪椅包括操作面板、輪椅電機驅動器和輪椅電機；在所述輪椅電機驅動器的控制下，所述輪椅電機能夠驅動所述輪椅進行移動；

所述外骨骼包括外骨骼電機驅動器、外骨骼電機，以及傳感器系統(tǒng)；在所述外骨骼電機驅動器的控制下，所述外骨骼電機能夠驅動所述外骨骼帶動使用者下肢進行運動；

所述中心控制器能夠接受來自所述操作面板的功能控制信號和來自所述傳感器系統(tǒng)的反饋信號，設定所述機器人的康復運動模式，并向輪椅和外骨骼輸出控制信號，使所述外骨骼運動與所述輪椅的移動能夠協調控制。

優(yōu)選地，所述操作面板包括搖桿、急停開關、主動康復模式開關、系統(tǒng)總開關、外骨骼動力電開關、主被動融合康復模式開關、被動康復模式開關、自動調節(jié)康復模式開關，以及輪椅速度自動調節(jié)開關。

優(yōu)選地，所述傳感器系統(tǒng)包括腿部表面肌電傳感器。

優(yōu)選地，所述傳感器系統(tǒng)包括足部力傳感器。

優(yōu)選地，所述輪椅的移動速度用如下公式確定：

V=K₁·ΔF+ΔS

其中K₁為設定的比例系數，ΔF為足部力傳感器檢測到的力的大小，ΔS為使用者通過操作所述的操作面板對輪椅速度的控制信息。

優(yōu)選地，所述外骨骼康復運動模式的判定過程通過康復比例系數K值來表示：

其中F₀為腳蹬車運動需要的力大小，ΔF_u為使用者腳蹬車時力的變化量；

如果康復者腿部沒有力量，此時通過控制，判定K=0，則通過控制電機，帶動人腿完成康復訓練，此時為完全被動康復訓練；

如果人體下肢力量足夠，判定K≥1，則當K=1時外骨骼只輔助人腿運動而不提供助力，當K>1時通過電機反轉提供部分阻力供使用者鍛煉，此時為完全主動訓練狀態(tài)；

當使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成腳蹬車運動時，判定0<K<1，此時可為患者提供部分助力，此時為主被動融合的康復模式。

一種使用根據以上任一項技術方案所述的基于主從式控制的康復與代步外骨骼機器人進行康復訓練的方法，包括以下步驟：

（1）使用者坐上輪椅后，腳放在腳踏板上，系好綁帶使外骨骼與使用者下肢固定在一起，準備康復鍛煉；

（2）康復鍛煉模式及輪椅速度選擇與校準；在使用者放松的情況下及開始按照自我意識開始蹬腳踏板，記錄這兩種情況下腳底力傳感器的力的變化情況，并確定康復訓練模式；同時按照康復者意愿選擇輪椅速度；

（3）開始康復訓練；腳蹬腳踏板，根據步驟（2）中的選擇的康復模式和輪椅速度，開始康復鍛煉并且輪椅開始行進，通過操作桿控制輪椅的前進后退轉彎運動；

（4）停止康復訓練與輪椅行進；當使用者想停止康復訓練時，則停止腳蹬運動或者通過操作面板操作強行停止康復電機的轉動從而停止外骨骼的運動；康復運動停止情況下，使用者通過停止對操作桿的操作即能夠停止輪椅的運動；康復運動進行過程中，使用者通過在操作面板對按鍵的操作完成停止輪椅運動的控制。

優(yōu)選地，所述其中康復訓練模式包括以下方面：

（1）被動訓練模式：使用者下肢運動完全由外骨骼帶動；

（2）主動康復訓練模式：使用者自己完成康復鍛煉，外骨骼電機不提供主動力；

（3）主被動融合助力訓練模式：使用者及康復電機各自分別提供部分力量完成康復訓練；

（4）智能模式：該模式下根據實時監(jiān)測的使用者生理信號和人機交互力的大小實現機器人在主動康復訓練模式和主被動融合助力康復訓練模式的自動切換；在智能模式下，若所施加力的大小可以維持主觀意識強度的康復訓練，則保持或切換至主動康復訓練模式；若施加力的大小不能夠維持康復訓練，則保持或切換至主被動融合訓練模式；

（5）非訓練模式：該模式下外骨骼電機抱閘停止外骨骼運動，使用者通過操作面板控制輪椅的移動；

（6）狀態(tài)檢測模式：該模式下控制輪椅電機為抱閘狀態(tài)，即整體機器人不進行移動。使用者穿戴好外骨骼和傳感器后用力蹬踏使外骨骼轉動。

與現有技術相比較，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1.本發(fā)明可通過輪椅與外骨骼的高效有機結合，可同時完成代步與運動康復功能。

2.通過外骨骼康復運動和輪椅移動的協調控制，能夠充分調動使用者參與康復訓練的主動性和積極性，消除了其對醫(yī)療器械的恐懼心理，在實現輪椅代步的情況下，實現了對使用者下肢的康復性鍛煉。

3.通過實時監(jiān)測反饋使用者的運動意圖對機器人進行主從式控制，提前預估了使用者主觀需求的康復訓練強度，提升了使用者在進行康復訓練中的參與感，有助于增強康復訓練的效果。

4.輪椅與外骨骼的運動二者之前沒有機械連接，通過主從式控制的方式實現代步與運動康復功能，保證了患者的安全。

附圖說明

下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明

圖1是本發(fā)明的機器人示意圖及主要部件。

圖2是本發(fā)明操作面板示意圖。

圖3是本發(fā)明的控制系統(tǒng)框圖。

圖4是輪椅框架示意圖。

圖5是外骨骼骨架示意圖。

1 輪椅電機驅動器，2 力傳感器，3 外骨骼電機，4 外骨骼電機驅動器，5 輪椅電機，6 STM32主控制器，7 操作面板，8 輪椅框架，9 外骨骼骨架，10 搖桿，11 急停開關，12 主動康復模式開關，13 系統(tǒng)總開關，14 外骨骼動力電開關，15 主被動融合康復模式開關，16 被動康復模式開關，17 自動調節(jié)康復模式開關，18 輪椅速度自動調節(jié)開關。

具體實施方式

圖1所示的是本發(fā)明的基于主從式控制的康復與代步外骨骼機器人，所述機器人通過代步功能的輪椅與康復性外骨骼高效組合，實現代步功能的同時，對使用者下肢進行有效的康復訓練運動。該機器人由輪椅框架8、外骨骼骨架9、力傳感器2及操作面板7等部分組成，其中輪椅框架8中的動力部件為輪椅電機5及輪椅電機驅動器1，外骨骼中的動力部件為外骨骼電機3及外骨骼電機驅動器4。

輪椅電機驅動器1安裝在輪椅框架8中，并與輪椅電機5通過電線相連接，用于控制輪椅電機5的啟停和運轉。

力傳感器2安裝在腳踏板上，通過導線與安裝在輪椅框架8上的STM32主控制器6相連，其檢測到的使用者的腿部力量變化大小通過STM32主控制器6轉化為電信號控制機器人中所述外骨骼電機3及輪椅電機5的運動，從而控制機器人的啟停、運動速度的快慢及主動、被動、主被動融合的康復訓練模式。

外骨骼電機3是外骨骼的動力部件，其與外骨骼的運動部件機械連接，從而驅動外骨骼產生運動，帶動使用者的下肢運動。

外骨骼電機驅動器4固定在輪椅框架8上，通過導線與外骨骼電機3及STM32主控制器6相連，通過接收STM32主控制器6的控制信號，控制外骨骼電機3的運動；同時將外骨骼電機3的運動的反饋信息，反饋給STM32主控制器6。

輪椅電機5及輪椅電機驅動器1固定在輪椅框架8上，是輪椅框架的動力部件，通過雙電機控制輪椅框架的前進、后退、轉彎等運動。

STM32主控制器6固定在輪椅框架8上，通過導線與力傳感器2、外骨骼電機驅動器4、輪椅電機驅動器1連接及操作面板7連接。其接收力傳感器2的力信號及操作面板7輸入的使用者操作信號，從而輸出信號控制外骨骼電機驅動器4與輪椅電機驅動器1的轉動；同時接收外骨骼電機驅動器4與輪椅電機驅動器1的反饋信號，調節(jié)運動控制，從而實現反饋控制。

圖2所示的是本發(fā)明的操作面板，包括搖桿10、急停開關11、主動康復模式開關12、系統(tǒng)總開關13、外骨骼動力電開關14、主被動融合康復模式開關15、被動康復模式開關16、自動調節(jié)康復模式開關17、輪椅速度自動調節(jié)開關18。

操作面板7安裝在輪椅框架上，通過導線與外骨骼電機驅動器4、輪椅電機驅動器1及STM32主控制器6相連接，用于向輪椅電機驅動器1輸入控制信息及向外骨骼電機驅動器輸4入外骨骼康復信息。

圖3所示的是本發(fā)明機器人的控制系統(tǒng)框圖。其中展示了本發(fā)明機器人控制系統(tǒng)各部分之間的關系。

中心控制器接收來自控制面板的功能控制信號，以及來自傳感器系統(tǒng)、外骨骼電機驅動器的反饋信號?；谑褂谜邔Σ僮髅姘宓牟僮鬟M行運行模式的選擇，在實現外骨骼運動與輪椅移動之間的協調控制的同時，通過力傳感器實時對使用者下肢的運動狀態(tài)進行檢測，充分考慮使用者的主觀參與性，根據用戶功能選擇，規(guī)劃各驅動器控制，通過阻抗控制及反饋完成不同康復訓練模式，實現康復與代步外骨骼機器人人機系統(tǒng)的實時協同、柔順控制。

控制面板由用戶操作，包括手柄和功能按鍵，其向所述中心控制器輸出功能控制信號，向輪椅電機控制器輸出輪椅轉向信號。

輪椅電機驅動器與左右兩側的輪椅電機電連接，根據從控制面板接收到的輪椅轉向信號、從中心控制器接收到的輪椅轉速信號，控制兩側的輪椅電機，從而調整輪椅的轉速和轉向。

外骨骼電機驅動器能夠驅動外骨骼電機伺服運動，其從中心控制器接收控制信號，并向中心控制器發(fā)送反饋信號，包括速度、電流、阻抗的信號。

傳感器系統(tǒng)能夠向中心控制器發(fā)送反饋信號。其中，傳感器系統(tǒng)可以包括腿部表面肌電信號傳感器，能夠測量腿部表面的肌電信號。傳感器系統(tǒng)還可以包括足部力傳感器，能夠測量足部的力量。

圖4是輪椅框架示意圖。在一優(yōu)選的實施例中，該輪椅框架包括輪椅支架、輪椅坐墊、輪椅靠背、輪椅左右扶手、轉向輪、左輪椅后輪、右輪椅后輪。在優(yōu)選的實施例中，該輪椅框架還可以包括輪椅坐墊位置調整機構，以用于根據使用者的身體情況對輪椅坐墊的高度位置和/或前后位置進行調整，從而使得使用者的能夠感覺更加舒適。

圖5是外骨骼骨架示意圖。在一優(yōu)選的實施例中，該外骨骼框架包括外骨骼固定件、左右大腿桿件、左右小腿桿件、左右髖關節(jié)連接軸、左右膝關節(jié)連接軸、左右踝關節(jié)連接軸，以及左右腳踏板。左右腳踏板的軸分別通過一連接桿基本對稱地連接到一共同旋轉軸上，該共同旋轉軸安裝在上述輪椅框架的轉向輪上方。左右髖關節(jié)連接軸基本安裝在上述輪椅框架的左右扶手位置。

根據本發(fā)明的機器人具有三種康復運動模式，包括主動訓練模式、被動訓練模式，以及主被動融合的康復訓練模式。

在優(yōu)選的實施例中，對于康復運動模式判定過程通過比例系數K值來表示。使用者坐上輪椅，腳蹬外骨骼踏板，通過腳底力傳感器檢測到的力的變化情況確定使用者康復前初始力量大小，從而判定K值的大小。假設腳蹬車運動需要的力大小為F₀，使用者腳蹬車時力的變化量為ΔF_u，則

如果患者腿部沒有力量（K=0），則通過控制電機，帶動人腿完成康復訓練，此時為完全被動康復訓練。

如果人體下肢力量足夠（K≥1），則外骨骼只輔助人腿運動不提供助力（K=1），必要時還可以通過電機反轉提供部分阻力供使用者鍛煉（K>1），此時為完全主動訓練狀態(tài)。

當使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成腳蹬車運動時（0<K<1），此時可為患者提供部分助力，此時為主被動融合的康復模式。

在優(yōu)選的實施例中，腳蹬車運動的速度與輪椅行進的速度之間包含正相關的反饋調節(jié)，即使用者腳蹬車越快，輪椅前進速度越快，反之亦然，使用者腳蹬車停止，輪椅停止運動，由此讓使用者感覺到是自己蹬車前進的,可有效提升使用者參與感及康復鍛煉意愿。該過程是通過康復過程中力的控制來實現的?？赏ㄟ^如下公式描述：

F_r=(1-K)·ΔF_m+KΔF_u (0≤K)

其中，F_r為康復運動過程所需力的大小，ΔF_m為康復電機提供的力的大小，ΔF_u為患者腿部提供的力的大小。由此可見，該康復運動過程是人機相互協調運動控制的結果。

輪椅的速度是使用者的意愿與所述腳底傳感器檢測到的運動過程中力的變化大小共同決定的，該過程可用如下公式描述：

V=K₁·ΔF+ΔS

其中K₁為設定的比例系數，ΔF為檢測到的傳感器的力的大小，ΔS為使用者通過操作所述的操作面板對輪椅速度的控制信息，通過上述兩者的協調運動，實現對輪椅速度的控制。

在優(yōu)選的實施例中，輪椅的運動與外骨骼的康復運動在機構上是彼此獨立的，通過主從式控制的方式將其高效結合實現代步與康復的功能，因此所述機器人可根據使用者意圖完成下述功能：原地康復鍛煉、只代步而不進行康復鍛煉、代步與康復鍛煉同時進行。

在優(yōu)選的實施例中，3種模式可根據力傳感器的反饋信息進行相互切換。在所述的主動康復模式下，若檢測到使用者主觀參與意識減弱時，機器人可自動切換至主被動融合康復模式運行。在主被動融合康復模式下，使用者可調節(jié)所需助力的大小以適應不同強度的康復訓練；同時，若檢測到使用者主動運動意識增強時，機器人可切換至主動康復模式；若檢測到主動運動意識減弱，則自動切換到被動康復模式下。在被動康復模式下，若外骨骼檢測到使用者主觀的康復運動意識增強，則機器人可切換至主被動融合助力訓練模式下運行。

在所述的主從式控制方法中，主動運動是指使用者的運動意圖，通過腳底力傳感器感知到；從動運動是輪椅與康復外骨骼的運動。通過所述的力傳感器檢測使用者的力量變化大小控制機器人的啟停，運動速度的快慢及主動、被動、主被動融合的康復訓練模式。所述的機器人上的操作面板可供使用者對輪椅部分進行前進、后退、轉向的控制以及康復訓練模式的選擇和調節(jié)。

其具體實施過程包括：

（1）使用者坐上輪椅后，腳放在腳踏板上，系好綁帶使外骨骼與使用者下肢固定在一起，準備康復鍛煉。

（2）康復鍛煉模式及輪椅速度選擇與校準。在使用者放松的情況下及開始按照自我意識開始蹬腳踏板，記錄這兩種情況下腳底力傳感器的力的變化情況，并確定康復訓練模式即確定所述K值的大?。煌瑫r按照康復者意愿選擇輪椅速度。

（3）開始康復訓練。腳蹬腳踏板，根據（2）中的選擇的康復模式和輪椅速度，開始康復鍛煉并且輪椅開始行進，通過操作桿控制輪椅的前進后退轉彎運動。

（4）停止康復訓練與輪椅行進。當使用者想停止康復訓練時，可停止腳蹬運動或者通過操作面板操作強行停止康復電機的轉動從而停止外骨骼的運動?？祻瓦\動停止情況下，使用者只需要停止對操作桿的操作即可停止輪椅的運動；康復運動進行過程中，使用者可在操作面板對按鍵的操作完成停止輪椅運動的控制。

其中主從式控制康復模式包括以下方面：

（1）被動訓練模式：使用者下肢運動完全由外骨骼帶動。

（2）主動康復訓練模式：使用者自己完成康復鍛煉，外骨骼電機不提供主動力。

（3）主被動融合助力訓練模式：使用者及康復電機各自分別提供部分力量完成康復訓練。

（4）智能模式：該模式下根據實時監(jiān)測的使用者生理信號和人機交互力的大小實現機器人在主動康復訓練模式和主被動融合助力康復訓練模式的自動切換。在智能模式下，若所施加力的大小可以維持主觀意識強度的康復訓練，則保持或切換至主動康復訓練模式；若施加力的大小不能夠維持康復訓練，則保持或切換至主被動融合訓練模式。

（5）非訓練模式：該模式下外骨骼電機抱閘停止外骨骼運動，使用者通過操作面板控制輪椅的移動。

（6）狀態(tài)檢測模式：該模式下控制輪椅電機為抱閘狀態(tài)，即整體機器人不進行移動。使用者穿戴好外骨骼和傳感器后用力蹬踏使外骨骼轉動。