一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统

摘要

本发明公开了一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，包括外部框架、竖向手柄、二维力传感器、移动板、Y向滑轨、Y向导轮、Y向柔索、Y向伺服电机、移动架、X向滑轨、X向导轮、X向柔索和X向伺服电机；在主动模式控制过程中，维持系统实际输出力矩恒定，通过二维力传感器检测用户施加力矩的方向，调整电机输出力矩和用户施加力矩的方向一致；调节力矩限制，使得电机输出力矩为力矩限制与最大额定输出力矩的乘积。本发明相对于通过读取传感器的数据来进行速度和力矩控制的方法来说，不会出现过冲或者明显的震荡现象。

权利要求

1.一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，其特征在于：所述桌面上平面上肢康复机器人包括外部框架(1)、竖向手柄(2)、二维力传感器(3)、移动板(4)、Y向滑轨(5)、Y向导轮(6)、Y向柔索(7)、Y向伺服电机(8)、移动架(9)、X向滑轨(10)、X向导轮(11)、X向柔索(12)和X向伺服电机(13)；

所述竖向手柄(2)安装在二维力传感器(3)的感应头上，二维力传感器(3)安装在移动板(4)上，移动板(4)安装在Y向滑轨(5)上，Y向滑轨(5)安装在移动架(9)上；移动架(9)安装在X向滑轨(10)上；

所述Y向滑轨(5)、Y向导轮(6)和Y向伺服电机(8)安装在移动架(9)上，Y向柔索(7)缠绕在Y向导轮(6)上，通过Y向伺服电机(8)牵引Y向柔索(7)，移动板(4)与Y向柔索(7)连接，Y向柔索(7)与Y向滑轨(5)平行；所述X向滑轨(10)、X向导轮(11)和X向伺服电机(13)安装在外部框架(1)上，X向柔索(12)缠绕在X向导轮(11)上，通过X向伺服电机(13)牵引X向柔索(12)，移动架(9)与X向柔索(12)连接，X向柔索(12)与X向滑轨(10)平行；

以竖向手柄(2)的手持末端作为分析点，作用点在X向和Y向上的力矩各自均满足T实际＝T电机+T用户，其中：T实际表示桌面上平面上肢康复机器人实际在作用点输出的力矩，T电机表示电机转动后通过传动机构传输到作用点上的力矩，T用户表示用户作用在作用点上的力矩；T电机＝T摩擦+T负载+T转动，其中：T摩擦表示无负载时系统机械摩擦导致作用点的力矩损耗，T负载表示有负载时负载引起的机械摩擦导致作用点的力矩损耗，T转动表示电机转动产生的力矩；

在主动模式控制过程中，维持T实际恒定，通过二维力传感器(3)检测T用户的方向，调整T电机和T用户的方向一致；设计力矩限制β，使得T电机＝β×T额定，通过β的变动维持T实际＝T电机+T用户恒定；其中：T额定表示电机的额定最大输出力矩，β表示限定电机的实际输出力矩为额定最大输出力矩的百分比。

2.根据权利要求1所述的桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，其特征在于：所述Y向伺服电机(8)和X向伺服电机(13)均采用立即速度模式，即电机速度实时改变，不设置电机加速度，不设置位置环的位置偏离限制。

3.根据权利要求1所述的桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，其特征在于：在进行主动模式控制训练前，先固定T实际，再设定T用户等级，然后再进行主动模式控制训练，所述设定T用户等级的含义为：预先估计T用户的大小。

4.根据权利要求1所述的桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，其特征在于：所述Y向伺服电机(8)和X向伺服电机(13)均为步科伺服电机。

说明书

一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，是一种多电机协同的控制系统。

背景技术

[0002] 在临床上出现的一些患者，比如脑卒中、脊髓损伤、骨折术后等引起的上下肢运动功能障碍的恢复期患者，需要进行康复训练，以保持或恢复人体机能。但是，目前临床上并
没有太多的训练设备，康复不断扩大的需求和专业康复人员的缺乏形成了极大的矛盾；同
时，专业康复人员的帮助耗时耗力。为解决这些康复训练过程中出现的问题，急需安全、定
量、有效及可进行重复训练的新技术。

发明内容

[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，该系统可以对电机的输入输出力矩和速度进行控制，是一
种可调节的运动辅助方法，基于该系统医护人员只需要定制方法，患者训练过程无需看护，
能够节省大量的人力资源；同时，该方法能够使得电机与外部输入相协同，患者体验舒适不
滞涩。

[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0005] 一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，所述桌面上平面上肢康复机器人包括外部框架、竖向手柄、二维力传感器、移动板、Y向滑轨、Y向导轮、Y向柔索、Y向伺
服电机、移动架、X向滑轨、X向导轮、X向柔索和X向伺服电机；

[0006] 所述竖向手柄安装在二维力传感器的感应头上，二维力传感器安装在移动板上，移动板安装在Y向滑轨上，Y向滑轨安装在移动架上；移动架安装在X向滑轨上；

[0007] 所述Y向滑轨、Y向导轮和Y向伺服电机安装在移动架上，Y向柔索缠绕在Y向导轮上，通过Y向伺服电机牵引Y向柔索，移动板与Y向柔索连接，Y向柔索与Y向滑轨平行；所述X
向滑轨、X向导轮和X向伺服电机安装在外部框架上，X向柔索缠绕在X向导轮上，通过X向伺
服电机牵引X向柔索，移动架与X向柔索连接，X向柔索与X向滑轨平行；

[0008] 以竖向手柄的手持末端作为分析点，作用点在X向和Y向上的力矩各自均满足T实际＝T电机+T用户，其中：T实际表示桌面上平面上肢康复机器人实际在作用点输出的力矩，T电机表示
电机转动后通过传动机构传输到作用点上的力矩，T用户表示用户作用在作用点上的力矩；
T电机＝T摩擦+T负载+T转动，其中：T摩擦表示无负载时系统机械摩擦导致作用点的力矩损耗，T负载表示
有负载时负载引起的机械摩擦导致作用点的力矩损耗，T转动表示电机转动产生的力矩；

[0009] 在主动模式控制过程中，维持T实际恒定，通过二维力传感器检测T用户的方向，调整T电机和T用户的方向一致；设计力矩限制β，使得T电机＝β×T额定，通过β的变动维持T实际＝T电机+T用户
恒定；其中：T额定表示电机的额定最大输出力矩，β表示限定电机的实际输出力矩为额定最大
输出力矩的百分比。

[0010] 所述电机为对应方向的伺服电机，即Y向伺服电机或X向伺服电机；对于Y向来说，对于X向来说，

[0011] 优选的，所述Y向伺服电机和X向伺服电机均采用立即速度模式，即电机速度实时改变，不设置电机加速度，不设置位置环的位置偏离限制。

[0012] 优选的，在进行主动模式控制训练前，先固定T实际，再设定T用户等级(预先估计T用户的大小)，然后再进行主动模式控制训练。

[0013] 优选的，所述柔索为钢丝绳。

[0014] 优选的，所述Y向伺服电机和X向伺服电机均为步科伺服电机。

[0015] 有益效果：本发明提供的桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，是一种便利安全的上肢康复系统，可以使患者在保持安全的情况下依靠本系统进行康复训练，
以解放医护人员或者康复师；本发明相对于通过读取传感器的数据来进行速度和力矩控制
的方法来说，不会出现过冲或者明显的震荡现象；本发明能够避免传感器部分数据处理的
不确定性，减少了多输入器件的数据统一协作的问题；鉴于高精度高质量传感器的高昂价
格，本发明大大节约了系统成本；另外，本发明通过对电机的输出力矩和速度进行控制，在
主动模式下，抵消了系统结构本身具有的系统阻力，因而能够使用户使用时能够有在光滑
表面上运动的感觉。

附图说明

[0016] 图1为本发明的立体结构示意图；

[0017] 图2为本发明的俯视结构示意图；

[0018] 图3为本发明的控制原理框图；

[0019] 图4为桌面上平面上肢康复机器人的使用示意图；

[0020] 图中包括：1‑外部框架；2‑竖向手柄；3‑二维力传感器；4‑移动板；5‑Y向滑轨；6‑Y向导轮；7‑Y向柔索；8‑Y向伺服电机；9‑移动架；10‑X向滑轨；11‑X向导轮；12‑X向柔索；13‑X
向伺服电机；14‑患者。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

[0022] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为
基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对
重要性。

[0023] 本发明适用于上肢肌力水平丧失或较低以及不能准确控制上肢运动的病人，可以对于此类病人采用进行性的康复作业；通过改变电机输出的力矩和速度，使病人使用时感
觉顺滑不滞涩，以实现一种自由活动关节的体感。

[0024] 如图1、图2所示为一种桌面上平面上肢康复机器人的主动模式控制系统，所述桌面上平面上肢康复机器人包括外部框架1、竖向手柄2、二维力传感器3、移动板4、Y向滑轨5、
Y向导轮6、Y向柔索7、Y向伺服电机8、移动架9、X向滑轨10、X向导轮11、X向柔索12和X向伺服
电机13。所述竖向手柄2安装在二维力传感器3的感应头上，二维力传感器3安装在移动板4
上，移动板4安装在Y向滑轨5上，Y向滑轨5安装在移动架9上；移动架9安装在X向滑轨10上。
所述Y向滑轨5、Y向导轮6和Y向伺服电机8安装在移动架9上，Y向柔索7缠绕在Y向导轮6上，
通过Y向伺服电机8牵引Y向柔索7，移动板4与Y向柔索7连接，Y向柔索7与Y向滑轨5平行；所
述X向滑轨10、X向导轮11和X向伺服电机13安装在外部框架1上，X向柔索12缠绕在X向导轮
11上，通过X向伺服电机13牵引X向柔索12，移动架9与X向柔索12连接，X向柔索12与X向滑轨
10平行。

[0025] 所述Y向伺服电机8和X向伺服电机13均采用立即速度模式，即电机速度实时改变，不设置电机加速度，不设置位置环的位置偏离限制。

[0026] 主动模式是一种体感上较轻便柔顺阻力较小的训练模式；我们希望在主动模式下，不同的速度时，用户的体感是一致的，均能体验均顺。由于设计目标是使用过程中不出
现明显的力波动，我们将系统中受力以及力输入输出做如下分析，以竖向手柄2的手持末端
作为分析点，作用点在X向和Y向上的力矩各自均满足：

[0027] T实际＝T电机+T用户

[0028] 其中：T实际表示桌面上平面上肢康复机器人实际在作用点输出的力矩，T电机表示电机转动后通过传动机构(导向轮及柔索等)传输到作用点上的力矩，T用户表示用户作用在作
用点上的力矩。T电机是由多种力矩组合而成：

[0029] T电机＝T摩擦+T负载+T转动

[0030] 其中：T摩擦表示无负载时系统机械摩擦导致作用点的力矩损耗(无负载时是系统的静摩擦导致的力矩损耗，有负载并产生机械运动时静摩擦转换为动摩擦，是动摩擦导致的
力矩损耗，静摩擦和动摩擦均为系统机械摩擦力)，T负载表示有负载时负载引起的机械摩擦
导致作用点的力矩损耗，T转动表示电机转动产生的力矩。

[0031] 本案提供的方法中，在主动模式控制过程时，维持T实际恒定，通过二维力传感器3检测T用户的方向，调整T电机和T用户的方向一致；设计力矩限制β，使得T电机＝β×T额定，通过β的变动
维持T实际＝T电机+T用户恒定；其中：T额定表示电机的额定最大输出力矩，β表示限定电机的实际输
出力矩为额定最大输出力矩的百分比。

[0032] 本案在实施前，需要测量的参数包括：

[0033] ①电机在相同负载下，不同速度产生的力矩T转动，T转动为系统值；

[0034] ②测量无负载时系统机械摩擦力f摩擦，据此计算T摩擦，T摩擦为系统值，与竖向手柄的位置相关；

[0035] ③测量有负载时增加的机械摩擦力f负载，据此计算T负载，T负载为系统值，一般来说是固定值，用户正常使用时为固定值，不添加额外负载；

[0036] 本案在实施过程中，需要采集的参数包括：

[0037] ①二维力传感器检测到的正负值，本案中二维力传感器采集到的数据仅用于判断施力方向，其施力大小不作为输入参数进行控制；

[0038] ②电机的实际速度，通过电机的实际速度可以计算出T转动；

[0039] 本案在实施过程中，为了维持T实际恒定，需要实时计算T电机，而T电机会随着T转动和T摩擦的变化而变化。在主动模式(速度模式下)，给予电机的控制量为电机的目标速度和力矩限
制β；在系统工作时，根据二维力传感器所测的施力方向，给予电机相同方向的目标速度，给
予的目标速度远大于电机当前的实际速度(目标速度为系统允许的最大速度)；由于有力矩
限制β的存在，分析点不会达到目标速度，当电机的力矩限制β逐渐随着电机实际速度增大
而增大时，电机的实际速度逐渐接近目标速度。

[0040] 根据上述两个公式，本案实际控制的是T电机，力矩限制β作为控制系统的输入量，该控制系统的目的是：在系统使用过程中，随着电机实际速度的变化，实时改变电机的力矩限
制β，以满足T实际＝T电机+T用户。改变T电机，以使得用户保持体感柔顺(T用户基本不变)；控制框图如
图3所示。二维力传感器和电机的实际速度共同决定电机的力矩限制β，二维力传感器决定
方向，电机的实际速度决定大小，目标速度作为输入系统的固定量，目标速度方向与二维力
传感器测量方向一致。

[0041] 本案中，使用的各个模块系统均采用CAN总线进行通讯，完成数据间的传输和互相调用；其中，竖向手柄末端的实时位置和二维力传感器数据未采用电机PDO通讯交互。综上，
本案的实现需要满足几点基本要求。

[0042] 1、机械结构在各轴上需要较为均匀的阻力，在单一轴内需要在全部行程中，结构阻力不会变化很大，波动量在10％以下。

[0043] 2、所用电机支持立即速度模式，即要求电机支持在速度环内没有位置环的参数，不会出现位置过冲回零的现象。

[0044] 3、被控参数之一是电机的额定最大输出力矩限制，此参数作用是限制电机最大的输出力矩，超出该限制电机不做反应。

[0045] 4、对二维力传感器精度不做高要求，仅需要能够准确判断用户力的方向即可。

[0046] 本案中，影响电机输出力矩的因素如下：

[0047] 1、电机转速，转速越大，输出力矩越大。

[0048] 2、结构阻力，结构机械阻力越大，使系统运动的最小力矩越大。

[0049] 3、电机阻力系数，此系数影响电机在转速增大过程中，输出力矩增大的变化量。

[0050] 在本发明中，通过不断改变电机力矩限制，以保证用户输出力矩保持在较低的程度，同时以改变实际电机速度。本发明应用在主动模式，核心方法是保持用户输出力矩在较
低的水平上，使用户感觉不到阻力的变化，同时实现实际手柄运动速度的变化。

[0051] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0052] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何
的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0053] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的
技术方案，均落在本发明的保护范围内。