[发明专利]一种康复机器人控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及康复医疗和机械领域，尤其是涉及一种基于CAN总线的下肢外骨骼康复机器人系统和方法。

背景技术

中风、脑外伤等疾病的患者，他们由于中枢神经受损，导致下肢运动障碍给他们的生活带来了严重的不便，如果不能得到有效地治疗，他们可能永远无法站立和行走。中枢神经具有可塑性，及时和科学的康复治疗对肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。康复机器人是机器人和康复医疗相结合的新应用，可以为下肢瘫痪患者提供科学丰富的训练方法和训练效果评估指标，成为康复治疗领域除了传统治疗方法的新突破。

下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计要考虑到系统的稳定性和实时性、训练方法和人机接口丰富性等方面。

目前国内很多研究机构在下肢康复机器人领域已经取得了一些研究成果。中国专利201110456585.4公布了一种康复训练机器人控制系统及控制方法，该机器人控制系统针对踝关节的康复训练进行设计，通过采集患者足底压力信号和小腿部表面肌电信号来反映患者的主动意识进而驱动康复机器人为患者主动康复训练。

中国专利201110103103.7公布了一种步态康复训练机器人控制系统，该系统由pc机、减重装置和步态模拟发生器组成，可以提供被动模式和主动模式的康复训练，通过采集足底压力信号作为患者主动意图的反馈信号，然后采用模糊控制算法补偿驱动力来实现主动训练模式。此方案至少存在三个缺点：（1）在康复训练过程中没有解决机器人系统平衡如何保持；（2）只用足底压力传感器的信号作为患者主动训练意图的反映，这样感知信号的单一会对系统的稳定性造成影响；（3）如何实现实时控制没有明确的解决方案。

中国专利201010119319.8公布了一种助行外骨骼康复机器人系统及控制方法，该系统由悬挂支架、移动平台、骨骼关节、感知单元、中央处理模块和运动控制模块组成，可以为患者提供主动和被动训练模式，把肌电信号作为控制信号，并采用模糊神经网络算法来实现主动训练。此方案至少存在以下缺点：（1）康复机器人系统必须在悬挂支架的保护下才能保持其平衡，这样机器人系统就会占用较大的空间而且难以自由移动，就影响了康复训练的灵活性和实用性；（2）发明内容中提到的实时主动控制没有明确的解决方案。

除了上面提到的我们可以发现现有技术中虽然可以提供主动和被动的训练模式，但还存在一些其他的问题：（1）康复机器人控制系统的结构多采用集中式的，把多个关节的控制任务全部集中在主控制器中，这对控制系统的可靠性、易维护性产生不利影响；（2）此外整个系统的控制总线多采用RS232串行总线，其实时性和抗干扰能力不能满足实时控制的需要，这对系统的稳定性产生了不利影响。

发明内容

针对现有康复机器人控制系统的结构多采用集中式的，把多个关节的控制任务全部集中在主控制器中，对控制系统的可靠性、易维护性产生不利影响以及其实时性和抗干扰能力不能满足实时控制的需要的缺陷，本发明采用基于CAN的分布式控制系统体系结构，提高了系统的可靠性及易维护性，同时采用了实时性和可靠性强的CAN总线作为控制总线，以及在主控制器PC的windows操作系统下安装了RTX（real-time-extension）实时操作系统，提高了系统的可靠性及易维护性、实时性。

为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，

一种康复机器人控制系统，包括以下部分：

人机接口设备1、上位机PC2、多轴运动控制器4、电机控制单元5、感知单元6和CAN总线7，其中：

所述人机接口设备1通过串行通信总线RS232与所述上位机PC2相连，用于接收对机器人的操作指令并显示所述机器人反馈的信息；

所述上位机PC2作为所述康复机器人控制系统的主控制器，通过Ethernet通信总线与所述多轴运动控制器4相连；

所述多轴运动控制器4安装于所述机器人背部，通过所述CAN总线7与所述电机控制单元5和感知单元6分别相连，用于接收来自所述上位机PC2的数据，并通过所述CAN总线7向所述电机控制单元5发送控制指令，控制所述机器人各关节的运动；