專利名稱：上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法
技術領域：
本發明涉及一種上下肢康復訓練機器人的控制方法，屬于與康復訓練機器人相關的信號采集與處理、電機控制、通信等技術領域。
背景技術：
目前，我國和世界許多國家一樣，在逐步步入老齡化社會，在老齡人群中有大量的腦血管病或神經系統疾病患者，這類患者多數有偏癱癥狀。同時，因交通事故而造成神經損傷或者肢體損傷的人數也越來越多。這兩類患者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，科學的康復訓練對于肢體損傷治療的后期運動功能恢復起到非常重要的作用。隨著這兩類病人數目的迅速增長，為節省治療時間，康復訓練機器人應運而生，它的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復訓練，如行走訓練、手臂運動訓練等。近些年來，雖然國內不斷有康復訓練機器人出現，但是這些康復訓練機器人都需要人工設定康復訓練模式為主動或者被動，而能夠根據病人的康復狀況能夠實時地自動切換康復訓練模式的康復訓練機器人卻沒有出現。基于此，本文嚴格遵循上、下肢康復訓練機器人的設計要求，設計了一種上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法。
發明內容
本發明提出了一種無需任何外部人工干預的上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案
步驟1 由建立有參考訓練模型的上位機發出康復訓練命令，康復訓練命令經由USB 通信模塊傳輸后，發送到電機控制模塊；
步驟2 電機控制微處理器模塊根據接收到的康復訓練命令，控制上下肢康復訓練機器人上的電機分級地運轉，并由電機帶動上下肢康復訓練機器人運動；
步驟3 電機控制微處理器模塊利用內設的AD轉換電路模塊采集上下肢康復訓練機器人上電機的電源電壓值，并將該電壓值發出，經由USB通信模塊傳輸后，發送回上位機；
步驟4 上位機接收電機電源電壓值，與參考訓練模型對比后計算出偏差值，并根據偏差值對上下肢康復訓練機器人進行入選主被動自適應控制
如果偏差值為0-5，則進行被動訓練模式；如果偏差值為5-10，則進行主動訓練模式； 如果偏差值大于10，則進行積極主動訓練模式，此時，上位機發出了新的康復訓練命令，經由USB通信模塊傳輸后，發送到電機控制微處理器模塊；
步驟5 電機控制微處理器模塊接收新的康復訓練命令，控制電機運轉，并由電機帶動上下肢康復訓練機器人運動，返回步驟2。一種實現上述上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法的裝置，包括上位機、USB通信微處理器模塊、光電耦合器一、光電耦合器二、電機控制微處理器模塊、AD轉換電路模塊和上下肢康復訓練機器人電機。
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與現有技術相比，本發明的有益效果如下
(1)目前，康復訓練機器人都需要醫師根據患者狀態人工設定康復訓練模式為主動或者被動，一則占用大量人力資源，二則不能很好地實時適應患者的康復訓練狀態。而本發明通過這種主被動自適應控制方法，可以在沒有醫師監護的情況下根據患者運動狀態實時切換康復訓練模式。該控制方法具有良好的人機交互功能，可靠性高。(2)不同于以往測量電機轉速來判斷患者的主被動運動狀態，上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法通過測量上下肢康復訓練機器人上電機的電源電壓值，在上位機上來產生主被動自適應控制所需要的控制偏差，并通過這種偏差來判斷患者的運動狀態，這種偏差產生方法具有很強的可靠性。(3)上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法的自適應控制在上位機上完成，運算穩定可靠。
圖1是本發明方法的工作流程圖。圖2是本發明的原理框圖。圖3是本發明的電機控制部分原理圖。
具體實施例方式
上下肢康復訓練機器人可提供患者進行主動訓練和被動訓練。主動訓練是指患者利用自身的力量克服阻力旋轉曲柄進行的訓練；被動訓練是指患者不借助自身的力量，隨著由電機帶動的曲柄進行旋轉的訓練。上下肢康復訓練機器人具有主被動自適應的控制方法 在被動訓練狀態，當患者向運動方向施加主動力時即自動轉為主動訓練；在主動訓練狀態， 當患者停止施加主動力時即自動轉為被動訓練。上下肢康復訓練機器人上的電機轉速由電機控制微處理器模塊里微處理器的PWM 寄存器控制，32位PWM從0x08到OxlF均分為8個等級，通過向PWM寄存器寫入不同的數值，就可以控制電機運行在不同的轉速下。下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步說明。如圖1所示，本發明所述的一種上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法
步驟1 由建立有參考訓練模型的上位機發出康復訓練命令，康復訓練命令經由USB 通信模塊傳輸后，發送到電機控制模塊；
步驟2 電機控制微處理器模塊根據接收到的康復訓練命令，控制上下肢康復訓練機器人上的電機分級地運轉，并由電機帶動上下肢康復訓練機器人運動；
步驟3 電機控制微處理器模塊利用內設的AD轉換電路模塊采集上下肢康復訓練機器人上電機的電源電壓值，并將該電壓值發出，經由USB通信模塊傳輸后，發送回上位機；
步驟4 上位機接收電機電源電壓值，與參考訓練模型對比后計算出偏差值，并根據偏差值對上下肢康復訓練機器人進行入選主被動自適應控制
如果偏差值為0-5，則進行被動訓練模式；如果偏差值為5-10，則進行主動訓練模式； 如果偏差值大于10，則進行積極主動訓練模式，此時，上位機發出了新的康復訓練命令，經由USB通信模塊傳輸后，發送到電機控制微處理器模塊；
步驟5 電機控制微處理器模塊接收新的康復訓練命令，控制電機運轉，并由電機帶動上下肢康復訓練機器人運動，返回步驟2。如圖2所示，本發明所述的一種上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法的裝置包括上位機1、USB通信微處理器模塊2、光電耦合器一 3、光電耦合器二 4、電機控制微處理器模塊5、AD轉換電路模塊6和上下肢康復訓練機器人電機7。所述USB通信微處理器模塊2通過USB通信線接收上位機1發來的康復訓練命令，然后通過串行接口將命令發出，經由光電耦合器一 3進行信號隔離，發送到電機控制微處理器模塊5。電機控制微處理器模塊5對上下肢康復訓練機器人電機7進行相應的控制，并由電機帶動上下肢康復訓練機器人運動。同時，電機控制微處理器模塊5不斷控制AD轉換電路模塊6采集上下肢康復訓練機器人電機7的電源電壓，并將該電壓值通過串行接口發出，信號經過光電耦合器二 4進行信號隔離后，經由USB通信微處理器模塊2后發往上位機1。上位機將該電壓值與參考訓練模型運算，計算出主被動自適應控制所需要的偏差值，然后對上下肢康復訓練機器人進行主被動自適應控制。如圖3所示，電機控制微處理器模塊以及內設的AD轉換電路模塊的電路部分主要包括微處理器(型號為SSU7301)、AD轉換電路模塊、電機驅動模塊以及液晶顯示模塊。由電路原理圖可知，該采樣電壓值的16. 4倍為上下肢康復訓練機器人上電機的電源電壓值。本例中沒有使用真實電源電壓值作為有效數據，而是使用AD轉換后得到的8位二進制數作為有效數據，在上位機上與參考訓練模型運算后得到主被動自適應控制所需要的偏差值。
權利要求
1. 一種上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法，其特征為 步驟1 由建立有參考訓練模型的上位機發出康復訓練命令，康復訓練命令經由USB 通信模塊傳輸后，發送到電機控制模塊；步驟2 電機控制微處理器模塊根據接收到的康復訓練命令，控制上下肢康復訓練機器人上的電機分級地運轉，并由電機帶動上下肢康復訓練機器人運動；步驟3 電機控制微處理器模塊利用內設的AD轉換電路模塊采集上下肢康復訓練機器人上電機的電源電壓值，并將該電壓值發出，經由USB通信模塊傳輸后，發送回上位機；步驟4上位機接收電機電源電壓值，與參考訓練模型對比后計算出偏差值，并根據偏差值對上下肢康復訓練機器人進行入選主被動自適應控制如果偏差值為0-5，則進行被動訓練模式；如果偏差值為5-10，則進行主動訓練模式； 如果偏差值大于10，則進行積極主動訓練模式，此時，上位機發出了新的康復訓練命令，經由USB通信模塊傳輸后，發送到電機控制微處理器模塊；步驟5電機控制微處理器模塊接收新的康復訓練命令，控制電機運轉，并由電機帶動上下肢康復訓練機器人運動，返回步驟2。
全文摘要
本發明所述的一種上下肢康復訓練機器人的主被動自適應控制方法，其特征在于包括上位機、USB通信微處理器模塊、光電耦合器一、光電耦合器二、電機控制微處理器模塊、AD轉換電路模塊和上下肢康復訓練機器人電機。上位機建立參考訓練模型，根據參考訓練模型發出康復訓練命令，USB通信微處理器模塊通過USB通信線接收上位機發來的康復訓練命令，然后通過串行接口將命令發出，經由光電耦合器一進行信號隔離，發送到電機控制微處理器模塊。電機控制微處理器模塊根據接收到的康復訓練命令，控制上下肢康復訓練機器人上的電機分級地運轉。同時，電機控制微處理器模塊利用AD轉換電路模塊采集上下肢康復訓練機器人上電機的電源電壓值，并將該電壓值通過串行接口發出，信號經過光電耦合器二進行信號隔離后，經由USB通信微處理器模塊后發往上位機。上位機將該電壓值與參考訓練模型運算，計算出主被動自適應控制所需要的偏差值，然后對上下肢康復訓練機器人進行主被動自適應控制。
文檔編號A61H1/00GK102551986SQ20111040411
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者吳常鋮, 宋愛國, 崔建偉, 李會軍, 李曉鵬, 柯欣, 谷士鵬, 馬妍 申請人:東南大學