[发明专利]一种基于迭代阻抗的下肢康复外骨骼控制方法

说明书

本发明公开了属于锻炼或康复用器具，具体公开了一种基于迭代阻抗的下肢康复外骨骼控制方法,包括以下步骤：步骤一：建立具有模型不确定性的下肢康复外骨骼控制系统模型；步骤二：设计RBF神经网络迭代阻抗控制器，构成闭环控制系统。本发明的外骨骼控制方法，克服已有下肢康复外骨骼控制方式的训练模式单一、未能确保患肢安全以及康复效果较差的不足。

技术领域

本发明涉及锻炼用器具技术领域，具体而言，涉及一种基于迭代阻抗的下肢康复外骨骼控制方法。

背景技术

针对丧失独立运动和生活能力的患者肢体(患肢),持续的物理康复治疗对患肢运动机能的恢复至关重要。传统的治疗方法主要由人工对患者进行康复训练，不仅成本高、强度大，而且难以满足高强度和持续性的康复训练要求。随着科学技术的发展，结合先进机器人技术和临床康复医学，下肢康复外骨骼系统能够有效的弥补人工康复训练的缺点。下肢康复外骨骼系统对不同的患者可针对性的实现精确化、自动化、智能化的康复训练。目前国内外的研究人员在下肢康复外骨骼系统辅助进行运动功能重建与康复效果的论证上开展了大量的工作，但是很多技术要求并未达到临床应用的标准，需要进一步的研究与探索。

中国发明专利CN112947071A，公开了一种基于Backstepping的下肢外骨骼控制方法。该发明考虑到下肢外骨骼系统是典型的非线性系统，而Backstepping控制算法在非线性系统中具有优越性，因此应用Backstepping控制算法来控制下肢康复外骨骼系统，用以保证控制系统的精度。同时RBF神经网络对干扰项的逼近存在逼近误差，该发明进一步改进了扰动观测器，对干扰进行补偿，从而实现一个更好的角度跟踪效果。但没有考虑到下肢康复外骨骼系统是一个人-机交互系统，患者完全被动的进行康复训练，人-机之间没有力的交互，不能确保训练的安全性以及良好的康复效果。

中国发明专利CN113208866A，公开了一种可穿戴下肢康复外骨骼控制方法。该发明采用被动控制模式和主动控制模式两次控制方法，考虑到了患者参与治疗的主动性。通过肌电信号来估测患者的运动意图，下肢康复外骨骼与患者进行协作康复训练。但是肌电信号测量存在较大的测量噪声，同样不能确保患肢的安全。康复外骨骼人-机耦合系统还面临模型难以准确建立和强非线性等特性，该发明并未涉及对外部扰动的处理，康复效果不能得到有效保障。

发明内容

临床医学将康复治疗过程分为随患者病情好转逐次变迁的三个阶段：初期被动牵引训练、中期辅助牵引训练、后期主动抗阻训练，不同康复阶段的治疗方法和训练模式截然不同。在下肢康复训练后期，患者具有较强的自主运动能力，康复外骨骼需要提供一定的阻力康复训练，以增强患肢肌力，提高肌肉的募集度。不同的康复阶段，患者都需要对同一训练动作或轨迹进行反复、多次的练习，因此训练过程具有重复特性。然而在康复后期患者的主动意识参与下，患肢无法准确把握每次训练过程的主动运动时间与关节出力大小，因此重复训练具有非严格重复特性。综上所述，为了克服已有下肢康复外骨骼控制方式的训练模式单一、未能确保患肢安全以及康复效果较差的不足，本发明针对康复训练后期提供一种基于迭代阻抗的下肢康复外骨骼控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种基于迭代阻抗的下肢康复外骨骼控制方法,包括以下步骤：

步骤一：建立具有模型不确定性的下肢康复外骨骼控制系统模型；

步骤二：设计RBF神经网络迭代阻抗控制器，构成闭环控制系统；

可选地，步骤一具体包括：

建立下肢康复外骨骼动力学模型：

式(1)中，θ是关节角度向量；M(θ)、和G(θ)分别表示外骨骼动力学的惯性矩阵，科氏力和向心力矩阵，以及重力矩阵；τ_dis表示外骨骼的未建模干扰项；τ_e为外骨骼与患者之间的交互力矩；τ则代表控制器的理想输入力矩；