基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法及系統(tǒng)，包括以下步驟，以機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練過(guò)程中患肢運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置來(lái)表征其肌力恢復(fù)水平，并將運(yùn)動(dòng)起始與目標(biāo)位置之間的行程距離劃分為行程區(qū)域、和；產(chǎn)生與區(qū)域狀態(tài)切換及患者安全相關(guān)的離散事件、、、；基于混雜理論設(shè)計(jì)離散事件決策控制器，定義離散控制狀態(tài)、、、、和決策控制規(guī)則，并通過(guò)離散/連續(xù)轉(zhuǎn)換接口產(chǎn)生相應(yīng)控制輸出向量、、、、；設(shè)計(jì)機(jī)器人輔助訓(xùn)練比例()-微分()力跟蹤控制器，使得機(jī)器人末端施加給患肢的實(shí)際阻力能更好地逼近于離散決策控制器所確定的目標(biāo)阻力。該治療控制方法及系統(tǒng)可提高康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的控制柔順性和安全性。
【專利說(shuō)明】基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會(huì)隨著世界各國(guó)相繼進(jìn)入老齡化，在老齡化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的腦卒中或中風(fēng)病患者，此類患者通常由于腦血管血栓或腦血管破裂出血而導(dǎo)致腦供血中斷，從而使相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)和認(rèn)知等功能遭到喪失或受到損害?，F(xiàn)代神經(jīng)康復(fù)醫(yī)學(xué)及其臨床研究結(jié)果表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有高度的可塑性，對(duì)因腦卒中等疾病引起的肢體功能障礙，通過(guò)科學(xué)合理的康復(fù)治療訓(xùn)練可以在一定程度上恢復(fù)其受損的肢體功能。
[0003]中風(fēng)康復(fù)治療的最終目的除改善患者肢體運(yùn)動(dòng)功能外，最重要的就是通過(guò)抗阻訓(xùn)練增強(qiáng)肌力，使患者盡早恢復(fù)基本日常生活能力?？祻?fù)機(jī)器人技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)康復(fù)治療技術(shù)，在機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練過(guò)程中，肢體功能康復(fù)訓(xùn)練方法如何通過(guò)機(jī)器人治療控制策略得以實(shí)現(xiàn)，是提高肌力訓(xùn)練效果的關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)康復(fù)機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練的治療控制方法已開(kāi)展了較多的研究，并在肌力訓(xùn)練效果方面取得了一定的成效，但治療控制方法大多是分別從機(jī)器人連續(xù)變量運(yùn)動(dòng)控制或醫(yī)師離散事件決策控制角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，未能將機(jī)器人輔助康復(fù)系統(tǒng)這種非純一特性，即混雜特性，融于統(tǒng)一框架內(nèi)，易受人機(jī)交互行為復(fù)雜程度制約，具有一定的局限性。
[0004]上述問(wèn)題是在使用康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行傳感與治療控制的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)予以考慮并解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法及系統(tǒng)解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的治療控制方法大多是分別從機(jī)器人連續(xù)變量運(yùn)動(dòng)控制或醫(yī)師離散事件決策控制角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，未能將機(jī)器人輔助康復(fù)系統(tǒng)這種非純一特性，即混雜特性，融于統(tǒng)一框架內(nèi)，易受人機(jī)交互行為復(fù)雜程度制約，具有一定的局限性的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，包括以下步驟，
步驟1:以機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練過(guò)程中患肢運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置^來(lái)表征其肌力恢復(fù)水平，定義運(yùn)動(dòng)起始與目標(biāo)位置之間的行程距離為z，并將行程距離Z分若干連續(xù)運(yùn)動(dòng)區(qū)域；
步驟2:根據(jù)患肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與行程區(qū)域之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及機(jī)器人系統(tǒng)工作參數(shù)是否超過(guò)事先定義的閾值，定義并通過(guò)連續(xù)/離散轉(zhuǎn)換接口P (ψ:Σ^Ι^σ)將患肢肌力/機(jī)器人工作連續(xù)狀態(tài)JT轉(zhuǎn)換為與區(qū)域狀態(tài)切換及患者安全相關(guān)的離散事件CT: 步驟3:基于混雜理論設(shè)計(jì)離散事件決策控制器；
步驟4:使機(jī)器人末端施加給患肢的實(shí)際阻力更逼近步驟3離散決策控制器所確定的目標(biāo)阻力，設(shè)計(jì)機(jī)器人輔助訓(xùn)練比例(P)-微分⑶力跟蹤控制器:
【權(quán)利要求】
1.一種基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟1:以機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練過(guò)程中患肢運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置^來(lái)表征其肌力恢復(fù)水平，定義運(yùn)動(dòng)起始與目標(biāo)位置之間的行程距離為z，并將行程距離2分若干連續(xù)運(yùn)動(dòng)區(qū)域； 步驟2:根據(jù)患肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與行程區(qū)域之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及機(jī)器人系統(tǒng)工作參數(shù)是否超過(guò)事先定義的閾值，定義并通過(guò)連續(xù)/離散轉(zhuǎn)換接口燹(ψ:Μ^σ)將患肢肌力/機(jī)器人工作連續(xù)狀態(tài)JT轉(zhuǎn)換為與區(qū)域狀態(tài)切換及患者安全相關(guān)的離散事件CT: 步驟3:基于混雜理論設(shè)計(jì)離散事件決策控制器； 步驟4:使機(jī)器人末端施加給患肢的實(shí)際阻力更逼近步驟3離散決策控制器所確定的目標(biāo)阻力，設(shè)計(jì)機(jī)器人輔助訓(xùn)練比例(P)-微分⑶力跟蹤控制器:
2.如權(quán)利要求1所述的基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，其特征在于:步驟I中，將行程距離2分為和三個(gè)連續(xù)運(yùn)動(dòng)區(qū)域，
3.如權(quán)利要求1所述的基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，其特征在于:步驟2中，將患肢肌力/機(jī)器人工作連續(xù)狀態(tài)Z轉(zhuǎn)換為與區(qū)域狀態(tài)切換及患者安全相關(guān)的離散事件O"具體為: 患肢承受阻力過(guò)大事件:Ζι€ I機(jī)器人末端施加的阻力大于患肢當(dāng)前的承受能力； 患肢承受阻力正常事件^機(jī)器人末端施加的阻力匹配于患肢當(dāng)前的承受能力; 患肢承受阻力過(guò)小事件^機(jī)器人末端施加的阻力小于患肢當(dāng)前的承受能力； 與患者安全相關(guān)的機(jī)器人系統(tǒng)工作異常事件機(jī)器人系統(tǒng)工作參數(shù)超過(guò)事先定義的閾值范圍時(shí)。
4.如權(quán)利要求3所述的基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，其特征在于，轉(zhuǎn)換為與患者安全相關(guān)的機(jī)器人系統(tǒng)工作異常事件中，機(jī)器人系統(tǒng)工作參數(shù)包括工作電壓末端運(yùn)行速度匕、末端負(fù)載超過(guò)事先定義的閾值范圍具體為>55V30V,F1 ^ IJ m/s、l^ -2,5 Kg0
5.如權(quán)利要求1所述的基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，其特征在于，步驟3中，基于混雜理論設(shè)計(jì)離散事件決策控制器的具體步驟為: 首先，定義離散事件決策控制器控制狀態(tài)0,并通過(guò)離散/連續(xù)轉(zhuǎn)換接口⑤(S:)產(chǎn)生控制輸出向量C; 其次，當(dāng)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中患肢肌力/機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)督模塊監(jiān)測(cè)到所定義的離散事件時(shí)，根據(jù)離散事件性質(zhì)和離散事件決策控制器控制狀態(tài)，設(shè)計(jì)決策控制規(guī)則。
6.如權(quán)利要求5所述的基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，其特征在于:定義離散事件決策控制器控制狀態(tài)G，并通過(guò)離散/連續(xù)轉(zhuǎn)換接口^產(chǎn)生控制輸出向量￡7具體為: 控制狀態(tài)β:隨機(jī)確定施加在機(jī)器人末端的初始阻力;控制向量^:康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)以初始阻力開(kāi)始工作； 控制狀態(tài)02:增大施加在機(jī)器人末端的阻力;控制向量:康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)增加阻力; 控制狀態(tài)β3:減小施加在機(jī)器人末端的阻力;控制向量h:康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)減小阻力; 控制狀態(tài):保持施加在機(jī)器人末端的阻力；控制向量^:康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)保持當(dāng)前阻力； 控制狀態(tài)&:機(jī)器人系統(tǒng)停止工作;控制向量^:康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)停止工作。
7.如權(quán)利要求5所述的基于混雜理論的機(jī)器人輔助肌力訓(xùn)練控制方法，其特征在于:根據(jù)離散事件性質(zhì)和離散事件決策控制器控制狀態(tài)，設(shè)計(jì)決策控制規(guī)則具體為: 當(dāng)監(jiān)測(cè)到患肢承受阻力過(guò)大事件^時(shí)，應(yīng)激活離散控制狀態(tài)減小施加在機(jī)器人末端的阻力； 當(dāng)監(jiān)測(cè)到患肢承受阻力過(guò)小事件^時(shí)，應(yīng)激活離散控制狀態(tài)02，增大施加在機(jī)器人末端的阻力； 當(dāng)監(jiān)測(cè)到患肢承受阻力正常事件^時(shí)，應(yīng)激活離散控制狀態(tài)04,保持施加在機(jī)器人末端的阻力； 當(dāng)監(jiān)測(cè)到機(jī)器人系統(tǒng)工作狀態(tài)異常事件^時(shí)，應(yīng)激活離散控制狀態(tài)&，機(jī)器人系統(tǒng)停止工作。
8.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述肌力訓(xùn)練控制方法的控制系統(tǒng)，其特征在于:包括離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、連續(xù)變量控制系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)換接口， 在連續(xù)變量控制系統(tǒng)中，根據(jù)患肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置與行程區(qū)域之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及機(jī)器人系統(tǒng)工作參數(shù)是否超過(guò)事先定義的閾值，定義并通過(guò)連續(xù)/離散轉(zhuǎn)換接口F(ψ.ΧχΧ^σ)將患肢肌力/機(jī)器人工作連續(xù)狀態(tài)Jf轉(zhuǎn)換為與區(qū)域狀態(tài)切換及患者安全相關(guān)的離散事件Cl ； 在離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，基于混雜理論設(shè)計(jì)離散事件決策控制器； 在連續(xù)變量控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)下述機(jī)器人輔助訓(xùn)練比例(P)-微分(D)力跟蹤控制器:
【文檔編號(hào)】G05B13/00GK103926831SQ201410066073
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】徐國(guó)政, 茅晨, 高翔, 梁志偉 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)