本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于輔助上肢單側(cè)偏癱患者進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備和控制方法。

背景技術(shù)：

偏癱是指因腦外傷等病理原因所導(dǎo)致的，以半側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙為主要表現(xiàn)的一種常見(jiàn)的殘疾。常見(jiàn)的偏癱障礙有運(yùn)動(dòng)功能障礙、感覺(jué)障礙、言語(yǔ)障礙、認(rèn)知障礙等。

通過(guò)對(duì)偏癱患者進(jìn)行有計(jì)劃有規(guī)律的積極訓(xùn)練，能夠使患者的殘存功能和能力獲得最大限度的發(fā)揮，使得他們能夠盡可能地克服偏癱障礙，提高獲得康復(fù)的機(jī)會(huì)。通過(guò)科學(xué)調(diào)研表明，通過(guò)積極正確的康復(fù)治療，有80％的病人功能明顯改善，只有10％至20％的病人留有嚴(yán)重或中度殘疾。

針對(duì)偏癱障礙的康復(fù)器械，傳統(tǒng)的康復(fù)器械有矯形器、電刺激治療儀、電針灸儀，新型的康復(fù)器械有復(fù)合多功能康復(fù)器械和康復(fù)機(jī)器人。其中，康復(fù)機(jī)器人使得偏癱患者可以不借助醫(yī)生或他人的輔助，獨(dú)自進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，另一方面可以按照患者的病情輕重制定相適應(yīng)的訓(xùn)練計(jì)劃，而且能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄患者的康復(fù)信息、訓(xùn)練數(shù)據(jù)等，極大地提高了患者康復(fù)的質(zhì)量。

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大多數(shù)偏癱康復(fù)訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一、不具有智能性，不利于偏癱患者的科學(xué)康復(fù)。

中國(guó)公開(kāi)專(zhuān)利號(hào)：CN204863888U，名稱(chēng)：一種偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練器。該發(fā)明設(shè)計(jì)了一種偏癱患者上肢康復(fù)訓(xùn)練器，主要由底座、座椅、電動(dòng)升降立柱、叉形懸梁等部分構(gòu)成。該發(fā)明的有益效果是：通過(guò)帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右上肢同步左右擺動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)一側(cè)自主運(yùn)動(dòng)上肢帶動(dòng)另一側(cè)癱瘓上肢,無(wú)需外界動(dòng)力,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安全性高。然而，該發(fā)明雖然實(shí)現(xiàn)了患者能夠自主地進(jìn)行訓(xùn)練，但是患者帶動(dòng)有運(yùn)動(dòng)障礙手臂僅僅是通過(guò)健康手臂提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)的，只能進(jìn)行前后移動(dòng)和左右擺動(dòng)，而且沒(méi)有患者康復(fù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)記錄等，不具備智能性。

中國(guó)公開(kāi)專(zhuān)利號(hào)：CN103519966A，名稱(chēng)：便攜式偏癱上肢偏癱康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。該發(fā)明提供了一種便攜式偏癱上肢偏癱康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，主要由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械連桿系統(tǒng)、托架馬甲、控制器及電源等部分構(gòu)成。該發(fā)明的有益效果是：設(shè)置了托架馬甲，使得患者能夠不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，自由地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練；提供了主動(dòng)訓(xùn)練、從動(dòng)訓(xùn)練和阻力訓(xùn)練這三種訓(xùn)練方式，并能夠通過(guò)傳感器采集患者的信息。然而，該發(fā)明要求使用時(shí)患者需要穿戴托架馬甲，這一設(shè)置加重了患者長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練的負(fù)擔(dān)，增加了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的枯燥性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備和控制方法，使患者能夠自主地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，為患者提供了科學(xué)訓(xùn)練計(jì)劃和規(guī)范的訓(xùn)練動(dòng)作，并記錄了患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，且設(shè)備的設(shè)計(jì)具有智能化和人性化，能夠很好地改善患者肢體的運(yùn)動(dòng)功能。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備，包括固定平臺(tái)、計(jì)算機(jī)以及顯示器，所述自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備還包括控制臺(tái)和機(jī)械手臂，所述計(jì)算機(jī)、顯示器以及控制臺(tái)均固定于固定平臺(tái)上，所述計(jì)算機(jī)分別與顯示器、控制臺(tái)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接，所述機(jī)械手臂固定連接所述控制臺(tái)，其中

所述計(jì)算機(jī)用于控制用戶(hù)訓(xùn)練強(qiáng)度調(diào)節(jié)模式，包括用戶(hù)調(diào)節(jié)模式和自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式；用于控制所述機(jī)械手臂兩者之間的跟隨運(yùn)動(dòng)或者對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)；用于存儲(chǔ)患者的訓(xùn)練計(jì)劃、記錄患者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及保存相關(guān)的數(shù)據(jù)；

所述顯示器用于展示偏癱康復(fù)訓(xùn)練的規(guī)范動(dòng)作；

所述控制臺(tái)用于傳遞控制信息且將所述機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸給所述計(jì)算機(jī)；

所述機(jī)械手臂用于患者直接訓(xùn)練操作。

進(jìn)一步地，所述控制臺(tái)包括主/從動(dòng)機(jī)械手臂選擇按鈕和啟動(dòng)/停止按鈕，所述主/從動(dòng)機(jī)械手臂選擇按鈕用于選擇哪一個(gè)機(jī)械手臂作為主動(dòng)機(jī)械手臂或從動(dòng)機(jī)械手臂，所述啟動(dòng)/停止按鈕用于控制康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。

進(jìn)一步地，所述機(jī)械手臂包括轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)、可伸縮機(jī)械臂和帶球關(guān)節(jié)手柄，所述可伸縮機(jī)械臂一端固定連接所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)、另一端固定連接所述帶球關(guān)節(jié)手柄，所述轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)固定于所述控制臺(tái)上。

進(jìn)一步地，所述機(jī)械手臂分為主動(dòng)機(jī)械手臂和被動(dòng)機(jī)械手臂。

進(jìn)一步地，所述固定平臺(tái)包括4個(gè)萬(wàn)向輪和4個(gè)小支架，所述萬(wàn)向輪用于向各個(gè)方向移動(dòng)整體康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，所述小支架用于調(diào)節(jié)設(shè)備的上下高度。

進(jìn)一步地，所述自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備還包括支撐板，所述支撐板固定于所述固定平臺(tái)上，所述支撐板用于在進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練時(shí)支撐患者的雙臂。

進(jìn)一步地，所述自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備還包括手環(huán)裝置，所述手環(huán)裝置與所述計(jì)算機(jī)連接，所述手環(huán)裝置用于采集人體主動(dòng)手臂肌肉表面的肌電信號(hào)。

本發(fā)明的另一目的是，提供一種用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備控制方法，包括以下步驟：

S1、按下啟動(dòng)/停止按鈕，啟動(dòng)設(shè)備，患者根據(jù)左右手實(shí)際病患情況選擇自身的主動(dòng)手臂和從動(dòng)手臂，按下主/從動(dòng)機(jī)械手臂選擇主動(dòng)機(jī)械手臂和從動(dòng)機(jī)械手臂；

S2、患者選擇健康手臂作為主動(dòng)手臂，在健康手臂的上臂和前臂均佩戴手環(huán)裝置，手環(huán)裝置采集人體主動(dòng)手臂肌肉表面肌電信號(hào)，通過(guò)相關(guān)的信號(hào)分析及線(xiàn)性變換，提取了健康手臂的肌肉強(qiáng)度；

S3、患者健康手臂操作主動(dòng)機(jī)械手臂，手環(huán)裝置根據(jù)操作的相關(guān)信息發(fā)給計(jì)算機(jī)；

S4、計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，通過(guò)控制臺(tái)來(lái)控制從動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)，使得從動(dòng)手臂跟隨主動(dòng)手臂做運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述步驟S4中計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，具體為：患者通過(guò)控制計(jì)算機(jī)選擇強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式或強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式，其中

所述強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式為：通過(guò)患者兩只手臂的運(yùn)動(dòng)差異建立起耦合裝置，這種耦合裝置提供的力反饋與肌肉表面肌電信號(hào)相互作用，保證了從動(dòng)機(jī)器手臂帶動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)障礙的手臂跟隨健康手臂運(yùn)動(dòng)；其中，反饋力與肌肉表面肌電信號(hào)相互作用的重要特征是力反饋是使得患者自然、直覺(jué)的產(chǎn)生增加耦合勁度系數(shù)所需的肌電信號(hào)；

所述強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式為：采用了學(xué)習(xí)算法，使得主動(dòng)機(jī)械手臂和從動(dòng)機(jī)械手臂之間的耦合勁度系數(shù)適應(yīng)具有運(yùn)動(dòng)障礙手臂的運(yùn)動(dòng)條件，當(dāng)運(yùn)動(dòng)障礙的程度大時(shí)，耦合勁度將自適應(yīng)地變小，從而使得患者較容易地跟隨健康手臂的軌跡；當(dāng)運(yùn)動(dòng)障礙的程度小時(shí)，耦合勁度將自適應(yīng)地變大，從而使具有運(yùn)動(dòng)障礙的手臂本身在一定程度上能夠自主運(yùn)動(dòng)，達(dá)到良好的康復(fù)訓(xùn)練效果。

進(jìn)一步地，所述步驟S4中從動(dòng)手臂跟隨主動(dòng)手臂做運(yùn)動(dòng)，患者通過(guò)控制計(jì)算機(jī)來(lái)選擇從動(dòng)手臂跟隨主動(dòng)手臂做相同方向且相同動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)，或者做對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了上肢單側(cè)偏癱患者的自主康復(fù)訓(xùn)練，使得患者能夠通過(guò)健康的手臂帶動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)障礙的手臂，反復(fù)科學(xué)地訓(xùn)練，可以使它恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力；因此本發(fā)明使得患者能夠在不依賴(lài)康復(fù)治療師或他人的情況下進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練；

2、本發(fā)明在主動(dòng)機(jī)器臂帶動(dòng)從動(dòng)機(jī)器臂的方法上，提供了兩種控制方式：強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式，強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式；第一種模式使得患者能夠在各個(gè)階段通過(guò)自然的方式選擇訓(xùn)練的強(qiáng)度，其調(diào)節(jié)方式的自然性提供了良好的用戶(hù)體驗(yàn)；第二種模式能夠使患者在病情較重時(shí)，能夠自適應(yīng)地減少訓(xùn)練強(qiáng)度，讓患者的手臂比較輕松地跟隨從動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)；在手臂恢復(fù)一定運(yùn)動(dòng)功能時(shí)，自適應(yīng)地增加訓(xùn)練強(qiáng)度；因此，這兩種控制方式使得設(shè)備具有智能性，使得患者能夠進(jìn)行科學(xué)地康復(fù)訓(xùn)練；

3、康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備本身具有的計(jì)算機(jī)，本身可以存儲(chǔ)著訓(xùn)練計(jì)劃信息和記錄著患者訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)，這實(shí)現(xiàn)了根據(jù)患者病情的嚴(yán)重程度和肢體功能狀況個(gè)性化地制定和執(zhí)行相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練項(xiàng)目，并記錄著患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)；此外，顯示器的引入，不但提供了科學(xué)規(guī)范的訓(xùn)練動(dòng)作，而且為患者通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)游戲進(jìn)行訓(xùn)練提供了可能，這種人機(jī)互動(dòng)的方式使得原本漫長(zhǎng)枯燥的訓(xùn)練過(guò)程容易被患者接受。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備的整體示意圖；

圖2為本發(fā)明用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備的整體正視圖；

圖3為本發(fā)明用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備的機(jī)器手臂自由度示意圖；

圖4為本發(fā)明用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備的手環(huán)示意圖；

圖5為本發(fā)明用于上肢單側(cè)偏癱患者自主康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備主動(dòng)臂和從動(dòng)臂之間由質(zhì)量-彈簧-阻尼構(gòu)成的導(dǎo)納模型示意圖。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如附圖1、圖2所示，一種用于上肢偏癱康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，主要由計(jì)算機(jī)1、固定平臺(tái)2、顯示器6、控制臺(tái)4、機(jī)器手臂7和支撐板9等部分組成。支撐板作用于在進(jìn)行自主康復(fù)訓(xùn)練時(shí)支撐患者的雙臂，減少具有運(yùn)動(dòng)障礙手臂的負(fù)擔(dān)。

所述的機(jī)器人移動(dòng)/固定結(jié)構(gòu)，主要由輪子5、支架10的交替使用實(shí)現(xiàn)的，其中輪子5的高度是固定的，支架10的位置可通過(guò)螺母的調(diào)節(jié)進(jìn)行上下移動(dòng)。

所述的高度可調(diào)節(jié)平臺(tái)，主要是通過(guò)固定平臺(tái)2的圓柱形套筒實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)需要固定住控制臺(tái)或計(jì)算機(jī)及顯示器的高度時(shí)，則需擰緊圓柱形套筒的螺母；當(dāng)需要移動(dòng)它們的高度時(shí)，則調(diào)節(jié)圓柱形套筒的螺母，移動(dòng)到合適的高度時(shí)再次擰緊。

所述的實(shí)時(shí)顯示/記錄跟蹤系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)1和顯示器6組成。其中計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)患者的訓(xùn)練計(jì)劃，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)記錄患者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并保存相關(guān)的數(shù)據(jù)；顯示器用于展示偏癱康復(fù)訓(xùn)練的規(guī)范動(dòng)作，為患者做出科學(xué)的指導(dǎo)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)1也決定著訓(xùn)練的方式與機(jī)器手臂7運(yùn)動(dòng)的方式：通過(guò)計(jì)算機(jī)選擇強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式和強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式這兩種控制方式的一種；通過(guò)計(jì)算機(jī)1選擇主動(dòng)臂和從動(dòng)臂之間是做跟隨運(yùn)動(dòng)還是對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)。

所述的控制臺(tái)，具有啟動(dòng)/停止按鈕，主/從動(dòng)機(jī)械手臂選擇按鈕3。控制臺(tái)一方面用于實(shí)時(shí)跟蹤主動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，另一方面實(shí)時(shí)地為從動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)傳遞控制信號(hào)，使得從動(dòng)機(jī)械手臂跟隨主動(dòng)機(jī)器手臂運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制臺(tái)也接受主動(dòng)機(jī)械手臂和從動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)記錄。

所述的主動(dòng)機(jī)械手臂或從動(dòng)機(jī)機(jī)械手臂，如附圖3所示，它們由轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)、可伸縮機(jī)械臂和帶球關(guān)節(jié)的手柄8組成，因此這兩個(gè)機(jī)械手臂具有4個(gè)自由度。當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行指定主動(dòng)和從動(dòng)的從屬關(guān)系。

通過(guò)控制主動(dòng)機(jī)械手臂帶動(dòng)從動(dòng)機(jī)械手臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的算法設(shè)計(jì)是本發(fā)明的核心部分，它提供了兩種控制方式，強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式和強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式。在這兩種模式下，主動(dòng)機(jī)械手臂和從動(dòng)機(jī)械手臂之間的運(yùn)動(dòng)有兩種，跟隨運(yùn)動(dòng)和對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)，即從動(dòng)機(jī)械手臂發(fā)生與主動(dòng)機(jī)械手臂相同的運(yùn)動(dòng)或?qū)ΨQ(chēng)的運(yùn)動(dòng)。用模型描述它們之間的關(guān)系如圖5所示，由質(zhì)量-彈簧-阻尼構(gòu)成的模型。

強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式的工作原理：

首先患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，在他健康手臂的上臂和前臂需要各佩戴一個(gè)圖4的手環(huán)裝置。康復(fù)訓(xùn)練時(shí)手環(huán)裝置采集了人體主動(dòng)手臂肌肉表面肌電信號(hào)，通過(guò)相關(guān)的信號(hào)分析及線(xiàn)性變換，提取了健康手臂的肌肉強(qiáng)度。

相關(guān)的轉(zhuǎn)換公式為：

其中，F(xiàn)和K都為三維向量，分別為人體手臂末端的力和剛度在笛卡爾空間的投射。F₀和K₀都為三維向量，分別為保持一個(gè)固定姿勢(shì)時(shí)，人體手臂固有的力和剛度，為常數(shù)；P是從主動(dòng)肌/拮抗肌對(duì)的表面肌電信號(hào)提取的肌肉活性向量，是一個(gè)n維向量，其中n表示涉及的肌肉數(shù)量；T_F、T_K為轉(zhuǎn)換矩陣，它們將肌肉的活性向量分別轉(zhuǎn)換為力、剛度。

接下來(lái)將使用帶有力反饋的阻抗控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)從動(dòng)機(jī)械手臂的控制。在圖5的模型中，主動(dòng)機(jī)械手臂帶動(dòng)從動(dòng)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，從動(dòng)機(jī)械手臂也給主動(dòng)機(jī)械手臂提供一個(gè)反饋力F_f。當(dāng)從動(dòng)機(jī)械手臂跟不上主動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)時(shí)，反饋力F_f就會(huì)增大，從而使得主動(dòng)機(jī)械手臂將要產(chǎn)生更大的力去帶動(dòng)從動(dòng)機(jī)械手臂。此時(shí)，患者健康手臂因使用了較大的力，使得手臂肌肉表面肌電信號(hào)增大，從而通過(guò)主動(dòng)臂給從動(dòng)機(jī)械手臂施加了更大的力，讓它跟上主動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器手臂的剛體模型與患者的手臂進(jìn)行交互時(shí)，可用下式來(lái)描述：

其中，M(q)為機(jī)械手臂的質(zhì)量矩陣，為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩矢量，與離心力，科氏力，重力和摩擦力有關(guān)，τ_u是關(guān)節(jié)的力矩矢量，由機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生，即F_q，是機(jī)械手臂與患者的手臂進(jìn)行交互時(shí)產(chǎn)生的力，v是電動(dòng)機(jī)輸出變換或系統(tǒng)本身的躁動(dòng)。

現(xiàn)在討論在某一個(gè)自由度上，主動(dòng)機(jī)械手臂和從動(dòng)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)情況：設(shè)主動(dòng)機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角為q_m，從動(dòng)機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角為q_f，當(dāng)主動(dòng)機(jī)械手臂與從動(dòng)機(jī)械手臂之間做跟隨運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)二者之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為：

Δq＝q_m-q_f (3)

當(dāng)從動(dòng)機(jī)械手臂與主動(dòng)機(jī)械手臂之間做對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)二者之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角為：

Δq＝|q_m|-|q_f| (4)

在圖5的模型中，作用在主動(dòng)機(jī)械手臂上的反饋力矩為τ_f，它與相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角Δq的關(guān)系為：

其中，M_f、D_f、K_f分別為模型虛擬的慣量、阻尼和剛度，它們可以由患者健康的手臂所調(diào)整，分別是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)位移Δq的一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)。

主動(dòng)機(jī)械手臂與人體健康手臂的控制器由反饋力矩τ_f和重力補(bǔ)償項(xiàng)τ_g疊加，為：

τ_m＝τ_f+τ_g (6)

定義K為主從臂耦合勁度系數(shù)，即K是主動(dòng)臂與從動(dòng)臂之間的耦合勁度系數(shù)。在強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式下，它與通過(guò)肌肉表面肌電信號(hào)轉(zhuǎn)換得到患者健康手臂的肌肉剛度是等效的。D為主動(dòng)機(jī)械手臂與從動(dòng)機(jī)械手臂之間的耦合阻尼系數(shù)，它與K之間成正比例，而且比率是固定的。

同樣考慮到重力補(bǔ)償，利用PD控制器對(duì)從動(dòng)臂輸入力矩τ_u為：

因此，強(qiáng)度用戶(hù)調(diào)節(jié)模式在患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)對(duì)患者健康手臂的肌肉表面肌電信號(hào)進(jìn)行提取分析，并把信號(hào)的變化通過(guò)變換成為主從機(jī)械手臂耦合勁度系數(shù)的變化，從而改變了主動(dòng)機(jī)械手臂帶動(dòng)從動(dòng)機(jī)械手臂的勁度，使得患者能夠自然、直覺(jué)地按照具有運(yùn)動(dòng)障礙手臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式的工作原理：

這種控制方法是從人類(lèi)的手臂與環(huán)境的交互的原理中得到的運(yùn)動(dòng)模型。該運(yùn)動(dòng)模型認(rèn)為，人類(lèi)手臂的肌肉與環(huán)境進(jìn)行交互時(shí)所使用的運(yùn)動(dòng)命令是由前饋和反饋組成的。本發(fā)明專(zhuān)利并將這種計(jì)算模型應(yīng)用到機(jī)器人的控制器，即從動(dòng)機(jī)械手臂的控制器中，使得從動(dòng)機(jī)械手臂與主動(dòng)機(jī)械手臂之間的耦合勁度達(dá)到自適應(yīng)的效果。

在強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)模式下，對(duì)從動(dòng)機(jī)械手臂控制輸入的力矩τ_u為：

τ_u(t)＝-(k₀(t)+k(t))ε(t)-τ(t)(8)

其中，-k₀ε為最小的反饋，τ為學(xué)習(xí)到的前饋，-kε為機(jī)械手臂與患者的手臂交互得到的反饋。ε是跟蹤誤差，與位置誤差,e(t)和速度誤差有關(guān)：

根據(jù)以上的定義，主動(dòng)機(jī)械手臂與從動(dòng)機(jī)械手臂之間的耦合勁度系數(shù)為K，通過(guò)公式(8)、(9)，可以得到耦合勁度系數(shù)自適應(yīng)的算法為：

Kⁱ⁺¹(t)＝Kⁱ(t)+Q_K(εⁱ(t)e^iT(t)-yⁱ(t)Kⁱ(t))，i＝0,1,2… (10)

其中，

通過(guò)公式(10)的算法實(shí)現(xiàn)了耦合勁度系數(shù)的自適應(yīng)。因此，這種強(qiáng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的模式下，借鑒了人類(lèi)手臂與環(huán)境交互的運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)學(xué)習(xí)算法，使得從動(dòng)機(jī)械手臂的耦合勁度系數(shù)具有運(yùn)動(dòng)障礙手臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)障礙的程度較大時(shí)，主動(dòng)機(jī)械手臂與從動(dòng)機(jī)械手臂之間的耦合勁度較大；運(yùn)動(dòng)障礙的程度較小時(shí)，主動(dòng)機(jī)械手臂與從動(dòng)機(jī)械手臂之間的耦合勁度也變得較小，從而使得機(jī)器手臂施加在偏癱手臂的力矩會(huì)根據(jù)偏癱手臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自適應(yīng)地輔助偏癱手臂關(guān)節(jié)跟隨健康手臂關(guān)節(jié)的軌跡。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。