一种人体动作感知装置及随动式康复机器人控制

本发明涉及康复机器人控制，特别涉及一种用于人体下肢运动康复训练的机器人进行人体运动跟随的控制方法及系统。背景技术：1、康复机器人以其具有的一致性高、强度大、任务明确等优点，在辅助康复训练方面取得了多项公认成果，形成了基于神经可塑性的康复理论。但目前国内外研发的康复机器人仅从肢体力量、动作等方面考虑训练方法，无法感知患者的康复意愿，忽略了患者在康复治疗过程中的主动积极性，不能很好地将患者的自主康复想法融入到训练中，无法提供全面的个性化训练处方，进而无法实时做出训练调整。2、现有技术均专注于上肢/下肢外骨骼设备的柔顺跟随控制，所提出的算法也是基于与肢体直接接触的外骨骼电机控制算法，所提出的动力学模型与逆动力学解算方法也是外骨骼相关算法。这种算法均是通过测量人机交互力，通过逆动力学方程解算当前动作，进而通过状态估计预测下一时刻动作。无论是被动的带动上/下肢运动，还是主动式的阻尼训练，均由外骨骼完成。3、另外，目前一些许多学者所研究的康复机器人主要以被动康复形式和固定悬吊形式为主。患者在绳索的束缚下结合运动跑台进行被动形式的固定康复训练，枯燥的环境使得患者无法获得良好的训练心态。此外，常见的主动式康复训练设备为脚踏车类，该康复训练设备康复形式简单，康复效果不佳，应用对象单一，难以满足不同阶段患者复杂病情的需要。4、通过对当前康复领域患者、患者家属以及医生的需求分析可知，目前许多康复设备无法满足患者以及护理医生的应用需求，能够识别人体姿态或动作，并能跟随人体运动的移动或随动式康复机器人，更能契合提高患者在康复过程中主动积极性的需求。5、但基于外骨骼的柔顺跟随算法本质上均是对关节电机的力矩、速度、电流等的控制，而并非跟随患者运动；而基于固定式设备的控制方法，也只涉及使用动力学模型，并无跟随控制算法，也无设备跟随人体运动的方法。移动或随动式康复机器人缺乏运动学相关控制方法。技术实现思路1、针对当前康复机器人在康复领域中存在忽略患者康复意愿、无法感知患者自主康复想法、智能化与人性化康复辅助技术不足等问题，本公开意图构建一种基于对患者运动跟随的随动式下肢康复机器人控制方法与控制系统。该控制系统与控制算法，可放在可移动式平台上，用于识别人体姿态，并能控制可移动平台跟随人体运动，可移动平台的移动底盘上方搭载康复训练必要的设备和动作识别控制系统。2、首先，本公开提供了一种可以应用于这种随动式康复机器人的人体动作感知装置，包括：3、活动端，固定端，以及敏感单元，其中：4、活动端附着于人体左右两侧的活动部位，跟随人体一起运动；所述活动端通常设置于腰部两侧，与使用者腰部直接相连；如果是应用于悬吊式康复系统，则设置于两侧肩部上方，行走时肩部带动活动端运动。5、所述固定端与支撑人体、并能随人体运动一起移动的刚性框架固连；6、所述活动端与固定端之间通过弹性装置相连；7、所述敏感单元设置于所述弹性装置的形变敏感部位，用于对活动端的运动进行感知和测量；8、所述敏感单元包括：9、分设于人体左右两侧的差动半桥电路，每侧的差动半桥电路的两个可变电阻之间和两个固定电阻之间均设有开关，两侧的差动半桥电路相互并联；10、通过控制各个开关的断开或闭合，能够在同一时刻只有一侧的差动半桥电路处于导通状态，用于感知身体左侧或右侧的姿态改变，另外，两侧的差动半桥电路也可组成为差动全桥电路，用于识别人体的前进或后退。11、进一步的，所述活动端设置于腰部两侧，与使用者腰部直接相连；或者设置于两侧肩部上方，行走时肩部带动活动端运动。12、进一步的，所述弹性装置包括：13、弹簧，及呈z型或s型弯曲的金属板，其中：14、弹簧的一端连接所述活动端，另一端连接所述金属板的一端，金属板的另一端与所述固定端相连；15、所述半桥电路包含的可变电阻以及固定电阻贴附在金属板形变敏感部位上。一种应用上述装置的随动式康复机器人运动控制方法，主要包括以下步骤：16、s1，患者带动所述人体动作感知装置运动，动作感知装置通过不同的电路结构形式，获取用于动作辨识的数据；17、s2，基于获取的数据，识别患者运动姿态；18、s3，根据得出的患者位姿，依据运动学方程，解算出驱动轮下一时刻速度，并向机器人驱动单元发送驱动指令；19、s4，驱动单元根据接收到的指令，分别调节机器人两侧驱动电机的速度环、位置环，依据运动学方程稳定、快速跟随患者运动。20、进一步的，所述步骤s1具体包括；21、以周期循环的方式，对人体动作感知装置能够形成的3种电路结构进行依次扫描、并读取输出的数据，每完成1次3种电路结构的数据采集为一个周期；22、其中，所述对人体动作感知装置能够形成的3种电路结构进行依次扫描，指通过控制敏感单元的差动半桥电路中各个开关的断开或闭合，使得敏感单元分别以左侧差动半桥、右侧差动半桥或差动全桥电路的形式输出数据。23、进一步的，所述步骤s2具体包括：24、读取两侧差动半桥电路的数据，得到左侧或右侧位移变化量，并对比两侧数据大小，识别人体左转或右转姿态，以及左转与右转的速度和角度；25、读取全桥电路的数据，得出使用者整体位置姿态变化情况，识别前进或后退姿态，以及前进/后退速度。26、进一步的，所述步骤s3中的运动学方程包括：27、28、其中，表示机器人整体在局部坐标系下的姿态，包括速度和角度，r为驱动轮半径，l为两侧驱动轮之间距离的为两侧驱动轮旋转角速度。29、一种应用上述方法的随动式康复机器人运动控制系统，包括：30、人体动作感知装置，用于感知患者的运动，获取用于动作辨识的数据；31、主控单元，用于对人体动作感知装置能够形成的不同电路结构形式进行扫描，读取其输出的数据信息，识别患者的运动位姿，并向驱动单元发送驱动指令；32、驱动单元，用于根据主控单元的指令，依据运动学方程，调节机器人两侧驱动电机的速度环和位置环，以驱动机器人跟随患者运动。33、与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)能够实时感知患者姿态，提高了运动识别的速度和精度；(2)能够识别左转与右转姿态，以及前进与后退姿态，并能通过主控单元分别控制两侧驱动单元跟随患者姿态；(3)能够通过对一套电路的快速扫描切换，实现三种电路结构形式，简化了整体的采集电路；(4)适应性强、可移植性强，能适应不同设备和不同身体情况的患者。技术特征：1.一种人体动作感知装置，其特征在于，包括：2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述活动端设置于腰部两侧，与使用者腰部直接相连；或者设置于两侧肩部上方，行走时肩部带动活动端运动。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述弹性装置包括：4.一种应用权利要求1-3中任一所述装置的随动式康复机器人运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括；6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括：7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中的运动学方程包括：8.一种应用权利要求4-7中任一所述方法的随动式康复机器人运动控制系统，其特征在于，包括：技术总结一种应用于随动式下肢康复机器人的人体动作感知装置及机器人控制方法，该感知装置能够由一套电路，通过主控单元的控制，形成三种不同电路结构，感知人体不同的动作姿态；根据采集到的人体动作，控制机器人随同人体运动。该系统能够帮助患者实现主动式康复运动，有效提高康复效果。技术研发人员：赵鹏,高学山,苗明达,张鹏飞,刘开源受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/26