基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，包括用戶?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、阻抗控制模塊以及位置控制模塊；所述肌電信號(hào)采集模塊輸入端連接所述戶?外骨骼結(jié)構(gòu)模塊，輸出端連接所述肌電信號(hào)處理模塊的輸入端；所述阻抗控制模塊的輸入端連接肌電信號(hào)處理模塊的輸出端，輸出端連接到軌跡生成模塊的輸入端；所述位置控制模塊采集位置速度反饋模塊和軌跡生成模塊的輸出信號(hào)；所述位置控制模塊的輸出端連接所述用戶?外骨骼結(jié)構(gòu)模塊。本發(fā)明專利技術(shù)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。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及下肢康復(fù)外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，具體地，涉及一種基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
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。其控制也有傳統(tǒng)的位置控制器演變到目前較普遍的阻抗控制。而對(duì)于自由度較多的外骨骼系統(tǒng)，傳統(tǒng)的阻抗控制器維數(shù)過高，控制器設(shè)計(jì)很復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用；且很容易由于參數(shù)選取不合適，而造成各關(guān)節(jié)的不協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)用戶造成傷害。本專利技術(shù)基于此，設(shè)計(jì)了一種基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)現(xiàn)存的專利與本專利技術(shù)相似，中國(guó)專利公開號(hào)CN201510079091.7，專利名稱為：基于阻抗控制的康復(fù)訓(xùn)練方法，申請(qǐng)日為2015年02月13日。該專利技術(shù)先預(yù)設(shè)定訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)檢測(cè)肢體的異常肌肉活動(dòng)，根據(jù)此活動(dòng)確定最終的運(yùn)動(dòng)軌跡。該專利與本專利技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)不同：1、未納入CPG模型，使得對(duì)于多自由度系統(tǒng)，其阻抗控制器較復(fù)雜；2、只是簡(jiǎn)單的檢測(cè)肌電信號(hào)，并未估計(jì)關(guān)節(jié)力矩；3、不能保證各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本專利技術(shù)的目的是提供一種基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外骨骼系統(tǒng)的協(xié)調(diào)阻抗控制。根據(jù)本專利技術(shù)提供的基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，包括用戶-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、阻抗控制模塊以及位置控制模塊；所述肌電信號(hào)采集模塊的輸入端連接所述戶-外骨骼結(jié)構(gòu)模塊，輸出端連接所述肌電信號(hào)處理模塊的輸入端；所述阻抗控制模塊的輸入端連接肌電信號(hào)處理模塊的輸出端，輸出端連接到軌跡生成模塊的輸入端；所述位置控制模塊采集位置速度反饋模塊和軌跡生成模塊的輸出信號(hào)；所述位置控制模塊的輸出端連接所述用戶-外骨骼結(jié)構(gòu)模塊。優(yōu)選地，所述肌電信號(hào)采集模塊包括相連接的肌電電極子模塊和肌電帶通濾波子模塊；所述肌電電極子模塊，用于對(duì)肌電信號(hào)的采集；所述肌電帶通濾波子模塊用于對(duì)肌電信號(hào)的帶通濾波。優(yōu)選地，所述肌電信號(hào)處理模塊包括相連接的整流子模塊和低通濾波子模塊；所述肌電信號(hào)處理模塊，用于對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行整流、低通濾波。優(yōu)選地，所述阻抗控制模塊包括相連的力矩估計(jì)子模塊與阻抗控制子模塊，用于從所述肌電信號(hào)處理模塊輸出的肌電信號(hào)中獲取關(guān)節(jié)力矩信息，并將關(guān)節(jié)力矩信息轉(zhuǎn)換為CPG的相關(guān)狀態(tài)變量。優(yōu)選地，軌跡生成模塊包括依次相連的自由度設(shè)定子模塊、狀態(tài)變量設(shè)定子模塊和CPG子模塊；所述軌跡生成模塊用于根據(jù)CPG的相關(guān)狀態(tài)變量生成外骨骼各主動(dòng)關(guān)節(jié)的參考軌跡曲線。優(yōu)選地，位置速度反饋模塊包括相連的編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊和數(shù)值差分子模塊；子編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊用于反饋位置信息，數(shù)值差分子模塊用于反饋速度信息。優(yōu)選地，所述位置控制模塊包括PID控制子模塊，用于根據(jù)參考軌跡曲線、外骨骼的位置和速度信息模塊完成對(duì)外骨骼的軌跡追蹤。優(yōu)選地，所述肌電電極子模塊采用兩個(gè)個(gè)商用生物測(cè)定學(xué)電極片；所述肌電帶通濾波子模塊的頻帶范圍為20～500Hz。優(yōu)選地，所述整流子模塊用于取肌電信號(hào)的絕對(duì)值；低通濾波子模塊的截止頻率設(shè)定為10Hz。優(yōu)選地，所述位置控制模塊采用PID控制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下的有益效果：1、本專利技術(shù)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，所能更好地體現(xiàn)受試者的自主運(yùn)動(dòng)意圖；2、本專利技術(shù)能夠保證外骨骼各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，確保用戶安全，由于CPG模塊的加入，使得外骨骼各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)一直處于協(xié)調(diào)自然狀態(tài)，有利于保證用于的安全和舒適性；3、本專利技術(shù)測(cè)量單關(guān)節(jié)處的交互力矩，阻抗控制器簡(jiǎn)單，用于將CPG模型嵌入到了阻抗控制器中，使得對(duì)于N個(gè)自由度的系統(tǒng)，只需一維的阻抗控制器，因此只需要測(cè)量系統(tǒng)中某個(gè)關(guān)節(jié)的交互力信息，這也使得控制器參數(shù)設(shè)定非常簡(jiǎn)單。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本專利技術(shù)的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：圖1為本專利技術(shù)的模塊示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)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)一步理解本專利技術(shù)，但不以任何形式限制本專利技術(shù)。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本專利技術(shù)構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。在本實(shí)施例中，本專利技術(shù)提供發(fā)基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，包括用戶-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、阻抗控制模塊5以及位置控制模塊6；所述肌電信號(hào)采集模塊1的輸入端連接所述戶-外骨骼結(jié)構(gòu)模塊0，輸出端連接所述肌電信號(hào)處理模塊2的輸入端；所述阻抗控制模塊5的輸入端連接肌電信號(hào)處理模塊2的輸出端，輸出端連接到軌跡生成模塊3的輸入端；所述位置控制模塊6采集位置速度反饋模塊4和軌跡生成模塊3的輸出信號(hào)；所述位置控制模塊6的輸出端連接所述用戶-外骨骼結(jié)構(gòu)模塊0。所述肌電信號(hào)采集模塊1包括相連接的肌電電極子模塊11和肌電帶通濾波子模塊12；所述肌電電極子模塊11，用于對(duì)肌電信號(hào)的采集；所述肌電帶通濾波子模塊12用于對(duì)肌電信號(hào)的帶通濾波。肌電信號(hào)處理模塊2包括相連接的整流子模塊21和低通濾波子模塊22；所述肌電信號(hào)處理模塊2，用于對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行整流、低通濾波；所述阻抗控制模塊5包括相連的力矩估計(jì)子模塊51與阻抗控制子模塊52，用于從所述肌電信號(hào)處理模塊2輸出的肌電信號(hào)中獲取關(guān)節(jié)力矩信息，并將關(guān)節(jié)力矩信息轉(zhuǎn)換為CPG的相關(guān)狀態(tài)變量；軌跡生成模塊3包括依次相連的自由度設(shè)定子模塊31、狀態(tài)變量設(shè)定子模塊32和CPG子模塊33；所述軌跡生成模塊3用于根據(jù)CPG的相關(guān)狀態(tài)變量生成外骨骼各主動(dòng)關(guān)節(jié)的參考軌跡曲線；位置速度反饋模塊4包括相連的編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊41和數(shù)值差分子模塊42，用于反饋外骨骼的位置和速度信息模塊；子編碼器脈沖計(jì)數(shù)子模塊41用于反饋位置信息，數(shù)值差分子模塊42用于反饋速度信息。所述位置控制模塊6包括PID控制子模塊61，用于根據(jù)參考軌跡曲線、外骨骼的位置和速度信息模塊完成對(duì)外骨骼的軌跡追蹤。所述肌電電極子模塊11采用兩個(gè)個(gè)商用生物測(cè)定學(xué)電極片。兩個(gè)電極片用于貼在與膝關(guān)節(jié)力矩相關(guān)的兩塊肌肉表面并采集肌電信號(hào)；其中，這兩塊肌肉分別為股直肌和股四頭肌，這些肌肉顯著反應(yīng)膝關(guān)節(jié)的力矩，并且方便貼放電極片；所述肌電帶通濾波子模塊12的頻帶范圍為20～500Hz，從而既可以消除運(yùn)動(dòng)尾跡對(duì)肌電信號(hào)的影響，也能更真實(shí)的反應(yīng)人體的信號(hào)。所述整流子模塊21用于取肌電信號(hào)的絕對(duì)值；低通濾波子模塊22的截止頻率設(shè)定為10Hz；從而能夠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，方便估計(jì)關(guān)節(jié)力矩值。所述軌跡生成模塊3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)；所述模塊3可保證各關(guān)節(jié)參考軌跡的平滑連續(xù)性，并保持各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，確保用戶安全。所述力矩估計(jì)子模塊51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；所述阻抗模型子模塊52輸入是估計(jì)的關(guān)節(jié)自主力矩值，輸出是CPG的狀態(tài)變量，兩者間的傳遞函數(shù)是穩(wěn)態(tài)二階系統(tǒng)，其有助于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；所述CPG子模塊33根據(jù)調(diào)整后的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括用戶?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)、阻抗控制模塊(5)以及位置控制模塊(6)；所述肌電信號(hào)采集模塊(1)的輸入端連接所述戶?外骨骼結(jié)構(gòu)模塊(0)，輸出端連接所述肌電信號(hào)處理模塊(2)的輸入端；所述阻抗控制模塊(5)的輸入端連接肌電信號(hào)處理模塊(2)的輸出端，輸出端連接到軌跡生成模塊(3)的輸入端；所述位置控制模塊(6)采集位置速度反饋模塊(4)和軌跡生成模塊(3)的輸出信號(hào)；所述位置控制模塊(6)的輸出端連接所述用戶?外骨骼結(jié)構(gòu)模塊(0)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括用戶-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)、阻抗控制模塊(5)以及位置控制模塊(6)；所述肌電信號(hào)采集模塊(1)的輸入端連接所述戶-外骨骼結(jié)構(gòu)模塊(0)，輸出端連接所述肌電信號(hào)處理模塊(2)的輸入端；所述阻抗控制模塊(5)的輸入端連接肌電信號(hào)處理模塊(2)的輸出端，輸出端連接到軌跡生成模塊(3)的輸入端；所述位置控制模塊(6)采集位置速度反饋模塊(4)和軌跡生成模塊(3)的輸出信號(hào)；所述位置控制模塊(6)的輸出端連接所述用戶-外骨骼結(jié)構(gòu)模塊(0)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述肌電信號(hào)采集模塊(1)包括相連接的肌電電極子模塊(11)和肌電帶通濾波子模塊(12)；所述肌電電極子模塊(11)，用于對(duì)肌電信號(hào)的采集；所述肌電帶通濾波子模塊(12)用于對(duì)肌電信號(hào)的帶通濾波。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述肌電信號(hào)處理模塊(2)包括相連接的整流子模塊(21)和低通濾波子模塊(22)；所述肌電信號(hào)處理模塊(2)，用于對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行整流、低通濾波。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于協(xié)調(diào)阻抗控制的下肢外骨骼康復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，所述阻抗控制模塊(5)包括相連的力矩估計(jì)子模塊(51)與阻抗控制子模塊(52)，用于從所述肌電信號(hào)處理模塊(2)輸...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張定國(guó)，桂凱，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31