[发明专利]按患者运动所需辅助的下肢康复机器人自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种按患者运动所需辅助的下肢康复机器人自适应控制方法，通过实时采集患者下肢的关节角度和关节角速度信号，利用鲁棒变结构控制方法实现期望的轨迹自适应跟踪控制；然后，借助人机动力学系统模型，利用RBF神经网络实时学习患者的康复程度和主动运动能力，进而估算出下肢康复机器人的前馈助力；接着，基于轨迹跟踪误差自适应地衰减机器人的实时助力，实现连续自适应地按患者康复所需的辅助控制；最后，将经过按患者康复需求辅助自适应控制修正后的轨迹输入到下肢康复机器人关节运动控制器中，进行在线运动控制，实现连续无缝的按患者康复所需辅助的下肢康复机器人自适应控制。

主权项

1.一种按患者运动所需辅助的下肢康复机器人，其特征在于，包括传感数据采集模块、中央控制模块、运动控制模块及下肢康复装置，其中：传感数据采集模块由光电角度编码器(1)、信号处理电路(2)和数据采集卡(3)组成，中央控制模块由工控机(4)和人机界面(5)组成，运动控制模块由运动控制卡(6)和伺服驱动器(7)组成，下肢康复装置由机械结构本体和伺服控制电机组成；数据采集卡(3)通过光电角度编码器(1)实时采集下肢康复机器人髋关节和膝关节的关节角度及关节角速度，通过信号处理电路(2)对采集到的关节转角和关节角速度信号进行滤波和放大预处理；然后，把采集到的各种信号发送到工控机(4)；通过中央控制模块由工控机(4)对采集到的信号进行调理，采用鲁棒变结构控制方法，获得轨迹跟踪的自适应控制率，实现期望的轨迹自适应跟踪控制；建立人机系统的动力学模型如下：式中，M(θ)、G(θ)分别表示人机系统的转动惯量、离心力系数和重力项，表示人机系统的角加速度和角速度，T_rob和T_h分别表示机器人的前馈力矩和患者产生的主动力矩；进而，计算出下肢康复机器人的前馈助力：式中：γβ表示前馈助力，v和分别表示虚拟的参考轨迹和速度；基于人机系统的动力学模型，利用RBF神经网络学习患者的康复程度和主动运动能力，进而估计下肢康复机器人的前馈助力基于位置跟踪误差，利用梯度法计算出按需辅助的衰减自适应率；根据衰减自适应率实时衰减估计的前馈助力，实现实时的按需辅助控制；下肢康复装置中机械结构本体的几何尺寸通过运动反解，综合得出伺服控制电机的动作命令，运动控制卡(6)接受人机界面(5)输出的动作命令对下肢康复装置中伺服控制电机的运动进行规划，并输出至伺服驱动器(7)，伺服驱动器(7)生成脉冲信号至下肢康复装置中的伺服控制电机，驱动伺服控制电机将经过按患者康复需求辅助自适应控制修正后的轨迹输入到下肢康复机器人关节运动控制器中，进行在线运动控制，控制各关节的伺服电机实现期望的运转，最终实现连续无缝的按患者运动所需辅助的自适应控制下肢康复机器人。