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专利号: 2018110861999
申请人: 山东建筑大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 医学或兽医学;卫生学
更新日期:2025-11-12
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,包括:传感器模块,所述传感器模块检测主从式上肢外骨骼康复机器人工作时关节处的主从臂姿态信息、表征患者的运动意图的信息及防止从臂各关节运动超出范围的开关信息;所述传感器模块包括安装在机器人主臂执行机构的各个关节处的压力传感器,用于检测患者健肢接触力,获取患者的运动意图;

底层运动控制器,接收传感器模块所检测的各种信息并上传至上层主控计算机;

上层主控计算机,通过传感器模块获得的数据进行处理得到控制力矩,形成控制指令下发至底层运动控制器,控制机器人从臂驱动机构进行运动,从而驱动机器人从臂执行机构完成相应动作;

控制系统设置生理指标检测及接近开关,将训练运动在患者能够承受的范围之内,从臂接近开关用于防止从臂各关节运动超出范围,防止对患肢的二次伤害,采用智能的控制算法,根据检测的运动数据控制从臂的精确运动,康复机器人从臂根据患者运动意图跟随主臂运动,防止抖动误动,避免对患肢的二次伤害;

其中,上层主控计算机通过主从臂各关节角度信号得到主从臂位姿:上层主控计算机通过角位移传感器获得主从臂各个关节角度,测得主臂各关节位置,得到主臂各关节位姿;

主臂位姿通过空间映射得到从臂期望位姿,从臂期望位姿通过逆解计算从而得到从臂各关节期望位姿点和期望角度,其中从臂期望角度与当前从臂各关节角度进行对比,得到角度差值q~(t);

得到从臂各关节期望位姿点后,与从臂各关节当前位姿点对比进行从臂轨迹规划,将期望位姿点与当前位姿点带入三次样条函数,利用三次样条函数对当前两点间路径进行规划,使从臂运动平稳;

设计模糊逼近系统 由量化过后上肢与康复机器人主臂之间的交互力矩τm组成,对于每个自由度的输入变量 定义ji个模糊集合 采用条规则来构造系统 对得到的模糊规则选用乘积推理机中心平均法进行反模糊化,得到系统的输出为: 设计控制律,得到最终控制力矩,控制律为:通过检测康复机器人从臂各关节速度变化和电机转矩变化体现患肢状态,构造函数e=δ+T,其中δ为传感器模块速度传感器检测到的速度信号,T=9.55UI/n为从臂关节电机转矩,U为电机电压,I为电机电流,n为电机转速;当构造函数e大于系统设定阈值时,发出警报,机器人停机待命。

2.如权利要求1所述的主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,所述传感器模块包括安装在机器人主、从臂执行机构的各个关节处的角位移传感器和速度传感器,用于检测训练过程中主从臂各个关节的位置得到姿态信息;

安装在机器人从臂执行机构的各个关节处的接近开关,用于防止从臂各关节运动超出范围。

3.如权利要求1所述的主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,还包括生理指标检测模块,用于在训练过程中患者的生理指标并实时上传至上层主控计算机,当生理指标超过正常范围,上层主控计算机向底层运动控制器下达停机指令,停止训练。

4.如权利要求1所述的主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,所述主从式上肢外骨骼康复机器人的机器人主臂、机器人从臂执行机构分别有五个自由度,分别为肩部部屈/伸关节、肩部内/外旋关节、肘部屈/伸关节、肘部内/外旋关节以及腕关节屈/伸关节;

所述主从式上肢外骨骼康复机器人的机器人从臂驱动机构为驱动机器人从臂执行机构的驱动电机,电机的数量与关节的数量一一对应。

5.如权利要求1所述的主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,还包括:获取主从臂各个关节运动时的角度信号、速度信号,获取主臂各个关节运动时压力信号和从臂各关节运动时的接近信号;

上述获得的信号由底层运动控制器通过无线局域网上传至上层主控计算机,与此同时生将患者运动时的生理指标上传至上层主控计算机;

上层主控计算机通过主从臂各关节角度信号得到主从臂位姿,通过速度信号判断目前主从臂位姿偏离程度且判断从臂是否在安全速度范围内,从臂各关节接近开关信号判断从臂是否超出活动范围,患者生理指标是否在安全范围内,通过主臂压力信号计算出主臂运动意图,从而计算从臂控制力矩,形成控制指令;

所形成的控制指令下达至底层运动控制器,底层运动控制器驱动机器人从臂驱动机构按照上层主控计算机所形成的指令运动;

机器人从臂驱动机构按照指令运动带动机器人从臂执行机构运动。

6.如权利要求1所述的主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,通过主臂压力信号计算出主臂运动意图,具体过程为:主臂各关节设置的成对压力传感器在患者健肢带动主臂运动过程中形成向内的接触力和向外的接触力,最终各关节的最终交互力为两者的差值,方向由两者中较大的那个决定;

得到主臂各关节交互力后对主臂运动意图进行量化,由于主臂压力传感器安装的位置固定,所以得到的交互力到各自关节旋转轴距离也为固定值,利用测得的交互力信号与到旋转轴距离相乘得到的力矩可作为主臂运动意图。

7.如权利要求1所述的主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,利用主臂运动意图,计算从臂控制力矩,形成控制指令,具体为:设计模糊逼近系统,由量化过后上肢与康复机器人主臂之间的交互力矩组成,构造模糊系统,对于每个自由度的输入变量,定义模糊集合.采用规则来构造系统:对得到的模糊规则选用乘积推理机中心平均法进行反模糊化,得到系统的输出;

得到模糊逼近系统后,设置控制律,得到最终控制力矩。

8.如权利要求1所述的主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统,其特征是,上层主控计算机实时监测患者生理指标,当血氧饱和度或者心率超出正常范围,向底层运动控制器下达停机指令,机器人停机待命。