[发明专利]康复机器人通用运动控制装置与控制方法

权利要求书

1.康复机器人通用运动控制装置，其特征在于，包括康复机器人（7）的主控制器（1）、电机驱动模块（5）、位置与速度检测模块（3）、关节力信息采集模块（2）、接触力信息采集模块（4）和康复数据分析模块（15），所述电机驱动模块（5）、所述位置与速度检测模块（3）、所述关节力信息采集模块（2）和所述接触力信息采集模块（4）均安装在康复机器人（7）上；其中，所述电机驱动模块（5）连接若干个驱动康复机器人（7）关节的关节驱动电机，所述主控制器（1）还连接有康复数据显示模块（6）；

所述主控制器（1）包括轨迹规划模块（11）、运动学计算模块（12）、动力学计算模块（13）、示教编程模块（14）、康复数据分析模块（15）、功能设置模块（16）、通讯模块（17）和力控制模块（18）。

2.根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置，其特征在于：所述关节力信息采集模块（2）包括关节转矩传感器和电机电流两种检测方式，所述综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比变换得到关节转矩信息，将两个转矩信息输入所述主控制器（1）中，结合机器人动力学、运动学进行阻抗控制与力/位混合控制，进行不同功能模式下的力闭环计算，从而进行主被动运动控制。

3.根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置，其特征在于：所述接触力信息采集模块（4）为安装在康复机器人（7）与患者接触部位之间的一维力传感器或六维力矩传感器，用于检测患者与康复机器人（7）之间的交互力，并测量力的变化量信息；变化量信息输入主控制器（1）中作为反馈力信息，并结合关节力信息、位置信息形成完整的闭环控制。

4.根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置，其特征在于：所述康复数据显示模块（6）为一个用于康复数据分析和显示的带显示屏PC机，用于记录和储存训练患者的姿体位置、方向、速度以及反馈的接触力信息，并在显示屏上显示。

5.一种根据权利要求1所述康复机器人通用运动控制装置的控制方法，其特征在于：包括位置与速度控制、模型补偿控制、综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制和多传感通用混合主被动运动控制四部分；

其中，所述位置与速度控制过程中，关节驱动电机的位置反馈与速度反馈由编码器获得，位置与速度给定由轨迹规划获得，在求得偏差后进行PID计算并输出至内控制闭环；

所述模型补偿控制过程中，模型包括机器人动力学模型中的惯性力项、离心力和哥氏力项、重力项以及摩擦力项；

所述综合关节转矩传感与接触力传感的通用力控制具有三种传感方式，分别为采用关节转矩传感器测量关节转矩、基于电机电流检测关节转矩以及采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力；

所述多传感通用混合主被动运动控制过程中，将位置控制、速度控制以及三种传感方式的力控制融合，多个闭环的控制输出在转矩部分叠加，实现具有轨迹约束的被动牵引训练、轨迹约束下的主动助力辅助训练、基于力追踪的主动抗阻训练多种运动模式。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述综合关节转矩传感器直接测量旋转关节的转矩信息，经过滤波后传输至主控制器（1）。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述基于电机电流检测关节转矩，电机电流经过电机转矩系数和减速器的减速比以及机器人模型得到关节转矩信息；基于电机电流的关节转矩检测计算公式为：

其中为各轴关节力矩，N为减速器的减速比，为电机极对数，为电机磁链，为电机q轴电流，为电机转子惯量，为机器人动力学方程。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述采用力传感器检测患者与机器人之间的交互力，传感器采用一维力传感器或六维力/力矩传感器。