[发明专利]一种基于手部康复训练装置的训练方法

权利要求书

1.一种基于手部康复训练装置的训练方法，所述手部康复训练装置包括分别对手掌托盘进行三自由度姿态控制的第一减速电机、第二减速电机、第三减速电机；其特征在于，所述第一减速电机、第二减速电机、第三减速电机上设有测量各自由度上的旋转角度θ₁、θ₂、θ₃与的角度传感器，所述第一减速电机、第二减速电机、第三减速电机及各角度传感器均与工控机电连接，所述工控机设有电机驱动及控制电路，其与上位机电连接或无线连接：

所述旋转角度在康复训练时的定义如下：

θ₁：掌屈背伸运动方向；

θ₂：尺偏桡偏运动方向；

θ₃：前臂旋前/旋后运动方向；

具体算法如下：

1)上位机提示用户进行手腕训练的运动方向，诱导训练者手腕在指定自由度方向上进行运动，并通过以下公式产生每一时刻的期望角度θ_d、期望角速度

其中，θ_d：期望角度，为θ₁、θ₂、θ₃其中之一的期望角度；

t：期望角度函数的时间自变量，训练开始时刻t＝0；

l_a：启动段起点至停止段起点的角度，根据康复训练需求由用户设定；

t_a：l_a对应的运动时长；所述t_a可根据康复训练需求由用户设定；

其中，期望角速度可由式(1)求导获得；

2)工控机判断是否t≤t_a，若是，跳转至步骤3)按顺序执行；若否，跳转至步骤6)按顺序执行；

3)实时检测训练者手腕在指定的自由度上实际的已转过的当前角度θ与当前角速度

4)计算当前角度与期望角度、当前角速度与期望角速度的偏差：

5)根据自适应控制率计算当前指定自由度的驱动电机输出力矩τ_m：

5.1)根据手部康复训练装置的物理特性计算以下参数：

θ：当前指定自由度的当前角度，选自θ₁、θ₂、θ₃；

τ_f：手腕康复训练装置在当前指定自由度方向上活动部分的库伦摩擦力；

A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂：库伦摩擦力模型参数，该参数可以通过在当前指定自由度的方向上进行摩擦力参数辨识实验获得；

τ_g(θ)＝M_agL_bcos(θ) (3)

τ_g(θ)：当前指定自由度驱动电机承受的重力力矩；

g：重力加速度；

θ：当前指定自由度的角度；

M_a：手腕康复训练装置在当前指定自由度活动部分的质量；

L_b：手腕康复训练装置在当前指定自由度活动部分质心至旋转中心的距离；

τ_w＝M_bgL_bcos(θ) (4)

τ_w：用户手部在不需要手腕康复训练装置辅助情况下进行当前指定自由度活动需要提供的力矩；

M_b：用户手部在当前指定自由度上活动部分的质量；

L_b：用户手部在当前指定自由度上活动部分的质心距腕部活动中心点的距离；

其中M_b、L_b可根据依据用户年龄与性别不同，参考国标GB10000-1988中的人体数据，计算用户手部的平均物理数值；

I：手腕康复训练装置在当前指定自由度方向上活动部分的转动惯量；

γ：根据理想状态计算手腕康复训练装置在当前指定自由度方向上驱动电机所需提供的力矩；

5.2)计算自适应轨迹跟踪电机力矩τ₁：

对真实物理系统参数a的估计值，其初始值为1，控制算法开始后即进行估计；

a:物理系统数学模型输出与真实物理系统输出的之比，该值反应了物理系统与真实物理系统的逼真程度，当其值为1时表示物理系统数学模型的仿真数值与真实物理系统的输出值完全相同；

真实物理系统参数估计值的变化速率，其初始值为0，控制算法开始后即进行更新；

c：滑模面参数，由用户指定；

β(E_s)：奖惩因子，初始值为10000；

5.3)计算柔顺控制力矩τ₂：

k：柔顺控制中的刚度参数，可由用户调整；

b：柔顺控制中的阻尼参数，可由用户调整；

计算当前指定自由度方向上驱动电机综合输出力矩τ_m、当前时刻用户所施加的力矩τ_s：

τ_m＝τ₁+τ₂ (11)

τ_s＝γ-τ_m (12)

公式(10)用来估算当前时刻训练者所施加的力矩，它的原理在于

6)计算用户本次训练用户手腕付出能量E_s:

E_s＝∫τ_sdθ

7)更新下次训练奖惩因子β(E_s)：

8)使用更新后的奖惩因子β(E_s)开始下一次训练。

2.根据权利要求1所述的基于手部康复训练装置的训练方法，其特征在于，将手腕康复训练装置手掌托盘处于水平向前方向定义为θ₁、θ₂、θ₃均为0的初始状态。