(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210470538.3 (22)申请日 2022.04.28 (71)申请人 北京邮电大 学 地址 100876 北京市海淀区西土城路10号 (72)发明人 张延恒　尹治旭　 (51)Int.Cl. A61H 1/02(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种下肢康复机 器人柔顺控制方法 (57)摘要 本发明提供了一种下肢康复机器人柔顺控 制方法。 包括患者下肢动力学参数辨识部分、 下 肢康复运动轨迹规划部分、 阻抗控制环修正期望 轨迹部分、 位置控制环跟随期望轨迹部分； 患者 下肢动力学参数辨识部分建立人机系统动力学 模型， 并给定初始化训练运动轨迹， 进而将患者 下肢惯性参数估计值作为动力学模 型输入， 由采 集的运动数据经回归算法对患者下肢惯性参数 做最优拟合， 解算出患者下肢惯性参数精确值； 下肢康复运动轨迹规划部分根据患者发出的康 复运动指令规划患者下肢康复运动轨迹； 阻抗控 制环修正期望轨迹部分搭建阻抗特性关系模型， 根据采集的下肢康复机器人末端与患者足部的 交互力与交互力期望之间的偏 差修正期望轨迹； 位置控制环跟随期望轨迹部分搭建位置控制器 模型， 根据采集到的下肢康复机器人末端位置与 末端位置期望之间的偏差输出底层电机驱动控 制信号， 驱动下肢康复机器人末端跟随期望轨迹。 本发明能够根据偏瘫患者 当前康复需求规划 合理的康复训练运动， 并通过 实时力检测反馈调 整康复训练动作， 保证康复运动过程的柔顺性， 达到更好的下肢康复 效果。 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 CN 114848391 A 2022.08.05 CN 114848391 A 1.一种下肢康复机器人柔顺控制方法， 其特征在于包括以下部分： 患者下肢动力学参 数辨识部 分、 下肢康复运动轨迹规划部 分、 阻抗控制环修正期 望轨迹部 分、 位置控制环跟随 期望轨迹部分； 所述患者下肢动力学参数辨识部分建立人机系统动力学模型， 并给定初始 化训练运动轨迹， 进而将患者下肢惯性参数估计值作为动力学模型输入， 由采集的运动数 据经回归算法对患者下肢惯性参数做最优拟合， 解算出患者下肢惯性参数精确 值； 所述下 肢康复运动轨迹规划部 分根据患者发出的康复运动指 令规划患者下肢康复运动轨迹； 所述 阻抗控制环修正期 望轨迹部 分搭建阻抗特性关系模型， 根据采集的下肢康复机器人末端与 患者足部的交互力与交互力期 望之间的偏差修正期 望轨迹； 所述位置控制环跟随期望轨迹 部分搭建位置控制器模型， 根据采集到的下肢康复机器人末端位置与末端位置期 望之间的 偏差输出底层电机驱动控制信号， 驱动下肢康复机器人末端跟随期望轨迹， 所述下肢康复 机器人全部控制流 程如下： S1、 患者发出康复运动指令； S2、 下肢动力学参数辨识部分， 对下肢康复机器人给定初始化运动轨迹， 患者在下肢康 复机器人牵引下做初始化 运动， 由采集的运动数据辨识出患者下肢惯性 参数； S3、 下肢康复运动轨迹规划部分， 依据患者康复运动指令规划下肢康复机器人康复运 动轨迹和运动速度， 解 算下肢康复机器人末端各时刻期望运动位置， 速度， 加速度； S4、 阻抗控制环修正期望轨迹部分， 由人机系统动力学模型解算下肢康复机器人末端 与患者足部的交互力期 望， 由采集的下肢康复机器人末端与患者 足部实际交互力与交互力 期望经阻抗控制关系模型修 正末端位置期望； S5、 位置控制环跟随期望轨迹部分， 由采集的下肢康复机器人末端实 际位置与下肢康 复机器人末端位置期望， 经位置控制器模型输出控制信号， 控制下肢康复机器人末端跟随 位置期望， 执 行康复训练运动； 所述患者下肢动力学参数辨识部分的回归算法， 其特征在于构建下肢康复机器人末端 与患者足部交互力与交互力期 望的代价函数， 并引入关于患者下肢惯性参数估计值的约束 项： 其中m表示患者在给定初始化运动轨迹下， 由下肢康复机器人牵引患者足部运动产生 的交互力组数， F表示采集到的下肢康复机器人末端与患者足部实际交互力， Fe表示由当前 患者下肢惯性参数的更新值经人机系统动力学模型解算得到的下肢康复机器人末端与患 者足部交互力的期望， k表示患者下肢惯性参数， ke表示患者下肢惯性参数的估计值； 患者 下肢惯性 参数的更新 值经由梯度下降方法更新， 更新方程如下： 其中k0为更新前的患者下肢惯性参数， α 为权重系数， 为代价函数关于患者下肢惯性 参数的偏导数； 其中患者下肢惯性参数更新值的初始值输入为下肢惯性参数估计值； 经 由 上述算法， 迭代更新患者下肢各惯性参数使得上述代价函数收敛至最小值， 即可解算出患 者下肢惯性 参数最接 近真实值的最优解。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114848391 A 22.如权利要求1所述的一种下肢康复机器人柔顺控制方法， 其特征在于所述患者下肢 惯性参数估计值包括大小腿质量、 质心位置以及转动惯量； 为保证患者下肢惯性参数估计 值与真实值尽可能接 近， 其估计值计算方法基于中国成年人体惯性 参数标准库数据得到 。 3.如权利要求1所述的一种下肢康复机器人柔顺控制方法， 其特征在于所述下肢康复 运动轨迹规划部 分， 根据患者当前康复指令选择控制模式， 并确定康复运动轨迹中心， 初时 刻运动曲率半径， 根据 康复强度需要确定康复运动速度； 根据上述已确定参数输入， 解算出 各时刻末端期望位置， 期望 速度， 期望加速度。 4.如权利要求1所述的一种下肢康复机器人柔顺控制方法， 其特征在于所述阻抗控制 环修正期 望轨迹部分， 为保证康复运动过程的柔顺性， 采用阻抗控制方法， 搭建阻抗特性关 系模型为 其中 Xd分别为下肢康复机器人运动末端期望加速度、 期望速度、 期望位置， X'd分别为修正期望加速度、 修正期望速度、 修正期望位置； Fd,F分别表示患者足部与 康复机器人末端交互力期 望与实际交互力； M,B,K分别表 示阻抗特性关系模型惯 性矩阵， 阻 尼矩阵， 刚度矩阵。 5.如权利要求1所述的一种下肢康复机器人柔顺控制方法， 其特征在于所述位置控制 环跟随期望轨迹部分， 为保证下肢康复机器人末端能够快速、 稳定的跟随修正后的期望轨 迹， 采用基于PID控制的位置控制方法， 其 位置控制器模型为： 其中 X'd分别为下肢康复机器人运动 末端期望速度、 期望位置， X分别为实际速度、 实际位置； Kp,Ki,Kd分别表示位置控制器模型比例参数， 积分参数， 微分参数； u表示位置控 制器输出信号， 其数值赋予一定权重后输出到底层驱动器， 驱使康复机器人运动末端跟随 给定期望 轨迹。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114848391 A 3