[发明专利]针对肩肘骨关节损伤的外骨骼康复治疗装置及其控制系统

权利要求书

1.一种针对肩肘骨关节损伤的外骨骼康复治疗装置，其特征在于，包括可穿戴外骨骼、三轴移动平台、设备底座平台，所述可穿戴外骨骼安装在三轴移动平台上，所述的三轴移动平台安装在设备底座平台；

所述可穿戴外骨骼包括背部结构(1)、肩部结构(2)、大臂结构(3)、肘部结构(4)、小臂结构(5)、手部结构；所述背部结构包括移动平台安装板(1.1)、直线轴承(1.2)、电机减速器安装部件(1.3)、限位弹簧(1.4)、限位环(1.5)；所述肩部结构包括电机减速器长连接件(2.1)、电机减速器短连接件(2.2)；所述大臂结构包括大臂上构件、大臂下部件；小臂结构包括小臂上构件(5.1)、小臂下构件(5.2)、舵机(5.3)、舵机输出端二连杆传动机构(5.4)、双摇杆四连杆机构(5.5)、二连杆机构(5.6)、舵机安装构件(5.7)和手部连接件(5.8)；所述背部结构、肩部结构、大臂结构、肘部结构、小臂结构依次通过电机减速器安装部件与M4螺钉连接连接；

所述平台安装板(1.1)通过M8螺钉固定在设备底座平台的滑块上，所述直线轴承(1.2)通过M8螺栓固定在平台安装板(1.1)，所述电机减速器安装部件(1.3)通过M4螺钉固定在背部结构(1)，所述限位弹簧(1.4)套设在限位环(1.5)伸出的轴上并且其接触端与限位环(1.5)焊接固定；所述电机减速器长连接件(2.1)与电机减速器短连接件(2.2)通过电机减速器安装部件(1.3)和M4螺钉相连接；所述大臂上构件与大臂下部件调节到位后通过M4螺栓固定；所述小臂上构件(5.1)与小臂下构件(5.2)调节到位后通过M4螺栓固定；所述舵机(5.3)通过M3螺栓与小臂构件连接，所述舵机输出端二连杆传动机构(5.4)通过M3螺栓与舵机(5.3)连接，所述双摇杆四连杆机构(5.5)与所述舵机输出端二连杆传动机构通(5.4)过两端带平键的销轴连接，所述二连杆机构(5.6)通过销轴与小型轴承与所述双摇杆四连杆机构(5.5)连接，所述舵机安装构件(5.7)通过M6螺栓与所述二连杆机构(5.6)连接，并且所述舵机安装构件(5.7)通过M3螺栓与舵机(5.3)连接，所述手部连接件(5.8)通过M3螺栓与舵机(5.3)输出端连接。

2.一种针对肩肘骨关节损伤的外骨骼康复治疗装置的控制系统，适用于权利要求1，其特征在于，包括单片机、驱动器、电机、转串口模块和工控机；每个所述单片机连接有5个驱动器和电机，并且单片机与驱动器和电机之间通过CAN通讯；单片机通过USB转串口模块与工控机进行通讯以及信息的保存和处理。

3.一种采用权利要求2项所述的一种针对肩肘骨关节损伤的外骨骼康复治疗装置的控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：运动控制时获取实时的力传感器信号和姿态的关节角度，采用卡尔曼滤波算法对信号进行滤波；

S2：根据电机自带的编码器测量到的不同的关节测量力和旋转角度构建一维卷积神经网络，完成不关节位力矩的估计；

S3:基于估计的关节力矩进行计算，通过雅克比矩阵将力矩转换为手部力，从而计算出手部速度和加速度，并且通过阻抗控制算法解算手部力，从而计算出电机所需力矩，进行连续力矩控制。

4.根据权利要求3所述的一种控制方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波算法其公式为：

公式中，和分别为k时刻的估计状态和预测估计状态，和分别为k时刻的状态协方差矩阵和预测协方差矩阵，K_k表示k时刻的卡尔曼滤波增益阵，Q为系统噪声的协方差矩阵，R为观测噪声的协方差矩阵。

5.根据权利要求3所述的一种控制方法，其特征在于，所述一维卷积神经网络；最左侧是输入序列，输入信号分别为七组力传感器信号和五组姿态角，输入信号经过第一个卷积层，经过构建的两组1×3的128个滤波器，然后经过池化层降维；降维后的信号进入第二个卷积层，在通过两组1×3的256个滤波器后，通过池化层降维；最后通过全连接后输出得到对应七组关节力矩。