CN112698567B - 一种康复设备控制方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种康复设备控制方法、装置、设备及介质，用以实现康复设备的稳定运行及停止，提高康复设备的稳定性。在本发明实施例中，根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，然后根据目标作用力和康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，采用第一速度，对康复设备进行控制，可以保证在康复设备运动到目标位置处时的速度为目标速度，通过引入虚拟弹簧模型对康复设备的运动进行控制，可以在康复训练过程中限制患者髋部的运动范围，使骨盆在期望位置附近运动，以及在训练结束后康复设备可以保持静止，避免对患者造成二次伤害，达到更好的康复训练效果。
Description
技术领域
本发明涉及康复医学领域，尤其涉及一种康复设备控制方法、装置、设备及介质。
背景技术
下肢康复机器人通过辅助患者进行科学地、有效地康复训练，来恢复患者的运动功能。目前的康复机器人训练中，基本都是采用基于三大类的运动控制算法，即位置控制算法、速度控制算法和电流控制算法。同时算法之间能够相互结合，构建改进的运动控制算法，能够有效地解决单一算法存在的问题，提高康复设备的有效性和可靠性。
目前的下肢康复机器人采用的是速度PD(Proportional-Derivative，比例微分)控制算法，所述速度PD控制算法中，可以根据固定的目标力数据和实际力数据的偏差，设计PD控制器，得到所述下肢康复机器人运动的速度，采用所述速度对所述下肢康复机器人进行运动控制。所述速度PD控制算法能够有效地运行，进行下肢训练。
但是在康复训练的使用过程中，所述下肢康复机器人存在以下问题：
问题一、所述下肢康复机器人根据髋部两侧的受力情况，确定运动的速度。在训练过程中，若某侧力数据偏大或力传感器出现故障时，会使得骨盆运动速度过快，髋部运动幅度过大，导致患者在竖直方向上运动范围过大，可能会患者造成二次伤害。
问题二、所述下肢康复机器人采用速度进行控制，因此目标力数据和实际力数据之间存在偏差，从而存在较小的作用力偏差，因此所述下肢康复机器人在训练结束后，无法停止运动保持静止，存在向上或向下的运动。
由此可见，现有技术中所述下肢康复机器人无法稳定运行或停止，影响患者的康复过程。
发明内容
本发明提供了一种康复设备控制方法、装置、设备及介质，用以解决现有技术中下肢康复机器人无法稳定运行或停止，影响患者的康复过程的问题。
第一方面，本发明提供了一种康复设备控制方法，所述方法包括：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力；
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度；
采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
进一步地，所述根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，包括：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；
根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
进一步地，所述根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力的过程满足以下公式：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
进一步地，所述根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，包括：
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；
采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度。
进一步地，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数。
进一步地，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度，包括：
采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度。
进一步地，所述采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为k-1时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为k-1时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
第二方面，本发明实施例提供了一种康复设备控制装置，所述装置包括：
确定模块，用于根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力；根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度；
控制模块，用于采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
进一步地，所述确定模块，具体用于根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
进一步地，所述确定模块，具体用于在根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力时，满足以下公式：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
进一步地，所述确定模块，具体用于根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；采用低通滤波器对所述作用力的信号偏差进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度。
进一步地，所述确定模块，具体用于在采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度时，满足以下公式：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数。
进一步地，所述确定模块，具体用于采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度。
进一步地，所述确定模块，具体用于在采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度时，满足以下公式：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为k-1时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为k-1时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，所述电子设备至少包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述任一所述康复设备控制方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一所述康复设备控制方法的步骤。
由于在本发明实施例中，根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，然后根据目标作用力和康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，采用所述第一速度，对康复设备进行控制，可以保证在康复设备运动到所述目标位置处时的速度为所述目标速度，也就是说通过引入虚拟弹簧模型对康复设备的运动进行控制，可以在康复训练过程中限制患者髋部的运动范围，使骨盆在期望位置附近运动，以及在训练结束后康复设备可以保持静止，避免对患者造成二次伤害，达到更好的康复训练效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种康复设备控制过程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种改速度PD控制器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种PD控制器的工作原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种康复设备控制过程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种传递函数波特图；
图6为本发明实施例提供的一种传递函数波特图；
图7为本发明实施例提供的一种阶跃响应示意图；
图8为本发明实施例提供的一种阶跃响应示意图；
图9为本发明实施例提供的一种康复设备控制装置的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了实现下肢康复机器人的稳定运行和停止，本发明实施例提供了一种康复设备控制方法、装置、设备及介质。
实施例1：
图1为本发明实施例提供的一种康复设备控制过程示意图，该过程包括以下步骤：
S101：根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力。
本发明实施例应用于电子设备，所述电子设备可以为康复设备，或者可以为能够控制所述康复设备的其他设备。所述康复设备包括但不限于下肢康复设备。
所述电子设备可以获取到康复设备的当前位置和当前速度，即获取到所述康复设备的实际位置和实际运动速度。一种可能的方式中，所述电子设备可以实时获取所述康复设备的当前位置和当前速度，以对所述康复设备进行更及时准确的控制。
所述目标位置可以为所述康复设备的期望位置，所述目标速度可以为所述康复设备的期望速度，所述目标位置和所述目标速度可以用来表示不同的位置速度需求。例如，如果在康复训练过程中模拟抬腿运动时，或者在康复训练结束时，期望所述康复设备在位置50处静止，那么所述目标位置可以设置为50，所述目标速度可以设置为0。可以理解的是，在本发明实施例中康复设备的位置可以量化表示，以便于参与目标作用力的计算，从而对所述康复设备进行及时准确的控制。
在本发明实施例中可以引入虚拟弹簧模型，所述虚拟弹簧模型符合弹簧的控制原理，例如在弹簧被拉伸或被压缩时，期望回到平衡点位置，离期望的平衡点位置越远，所需的力越大，其中所述期望的平衡点可以上述目标位置。
所述电子设备在获取到所述康复设备的当前位置后，可以确定所述目标位置与所述当前位置之间的位置偏差，即所述目标位置与所述当前位置之间的位置差值。
所述电子设备在获取到所述康复设备的当前速度后，可以确定所述目标速度与所述当前速度之间的速度偏差，即所述目标速度与所述当前速度之间的速度差值。
所述电子设备可以根据所述位置偏差和所述速度偏差，确定目标作用力。例如电子设备中可以保存有位置偏差、速度偏差与作用力的对应关系。可见，在本发明实施例中，目标作用力并非固定不变，而是可以变化的，并且可以根据不同的位置速度需求以及康复设备的实际位置速度确定。
S102：根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度。
所述电子设备根据S102得到的目标作用力和所述康复设备的当前作用力，可以灵活地确定所述康复设备的第一速度。
一种可能的方式中，所述根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度的过程可以采用现有技术实现，也可以是采用新的技术手段实现，在本发明实施例中不做限定。
S103：采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
在该S103中，所述电子设备可以采用所述第一速度，控制所述康复设备运动到所述目标位置处时的速度为所述目标速度。一种可能的方式中，在下一采样时间到来时，所述第一速度可以作为所述康复设备的当前速度继续返回S101，实现对康复设备的闭环控制，直至所述康复设备运动到所述目标位置时的速度为所述目标速度。
可选的，所述电子设备还可以确定采用所述第一速度运行到的第一位置，然后在下一采样时间到来时，所述第一位置可以作为所述康复设备的当前位置继续返回S101，实现对康复设备的闭环控制，直至所述康复设备运动到所述目标位置时的速度为所述目标速度。
由于在本发明实施例中，根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，然后根据目标作用力和康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，采用所述第一速度，对康复设备进行控制，可以保证在康复设备运动到所述目标位置处时的速度为所述目标速度，也就是说通过引入虚拟弹簧模型，模拟弹簧的工作原理，能够使康复设备恢复到设定的平衡点位置，并且在患者结束训练时，基于弹簧的工作原理，使康复设备可以停留在设定的停止位置，避免设备的飘动，使整个康复设备更加安全可靠的运行。具体而言通过引入虚拟弹簧模型对康复设备的运动进行控制，可以在康复训练过程中限制患者髋部的运动范围，使骨盆在期望位置附近运动，以及在训练结束后康复设备可以保持静止，避免传感器故障或其他异常情况出现时，对患者造成二次伤害，保障康复设备的安全可靠运行，达到更好的康复训练效果。
实施例2：
为了保证康复设备的安全可靠运行，在上述实施例的基础上，本发明实施例中，所述根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，包括：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；
根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
为了保证康复设备的安全可靠运行，在本发明实施例中，电子设备可以建立虚拟弹簧模型，即电子设备可以根据期望点位置与实际位置的差值，期望点速度与实际速度的差值，选择合适的弹簧刚度K和阻尼B，从而得到合适的输出作用力，即目标作用力。
可以理解的是，虚拟弹簧的目标作用力可以根据实际情况进行分析，例如可以按照本实施例提供的方式确定目标作用力，也可以根据直接确定期望输出的作用力(例如为0)。在一些可能的场景下，本实施例所示的步骤可省略，此时，可以直接确定所述虚拟弹簧的目标作用力为0。
所述电子设备中可以预先保存有位置偏差、速度偏差，与虚拟弹簧的刚度和阻尼的对应关系，因此所述电子设备可以根据所述位置偏差和所述速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼。
一种可能的方式中，所述电子设备中可以预先保存有虚拟弹簧的刚度和阻尼，与虚拟弹簧期望输出的作用力的对应关系。例如所述电子设备中保存有对应关系表，通过查表可以直接查找确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
另一种可能的方式，所述电子设备可以根据预先保存的公式确定所述虚拟弹簧的目标作用力。例如所述根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力的过程满足以下公式(1)：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，(xd-x)为位置偏差，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为速度偏差，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
在本发明实施例中，电子设备通过建立虚拟弹簧模型，根据位置偏差和速度偏差，可以选择合适的虚拟弹簧的刚度和阻尼，从而计算合适的目标作用力，可以保证康复设备的稳定运行和停止，进而实现康复设备的安全可靠运行。
实施例3：
为了避免康复设备抖动，进一步保证康复设备的稳定运行和停止，在上述各实施例的基础上，本发明实施例中，所述根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，包括：
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；
采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度。
目前的康复设备中力传感器采集到的力数据信号中存在较明显的噪声信号，康复设备无法消除偏差信号的干扰，在作用力偏差的信号(以下简称为力偏差信号或偏差信号)发生突变时，康复设备存在微小抖动，稳定性差。为了进一步提高康复设备的稳定性，在本发明实施例中，电子设备可以引入低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)，消除噪声信号带来的干扰，提高康复设备的抗干扰能力，使康复设备稳定运行，改善康复设备的动态性能。
所述电子设备根据计算得到的目标作用力，和所述康复设备的当前作用力，可以确定作用力偏差，然后通过低通滤波器对作用力偏差的信号进行滤波处理，以消除作用力偏差的信号中的噪声信号。可以理解的是，在本发明实施例中也可以使用其他技术手段消除噪声信号，在本发明实施例中不做限定。
所述康复设备的当前作用力可以为所述康复设备中的力传感器采集到的力数据。
一种可能的方式中，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式(2)：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数。
低通滤波器可以滤掉不必要的噪声和干扰信号。
在本发明实施例中，电子设备通过引入低通滤波器消除噪声信号带来的干扰，提高康复设备的抗干扰能力，使康复设备稳定运行，避免康复设备的抖动。
实施例4：
为了进一步提高康复设备的稳定性，在上述各实施例的基础上，本发明实施例中，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度，包括：
采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度。
本发明实施例中电子设备可以对力偏差进行滤波处理和离散化处理，从而进一步提高康复设备的稳定性。
所述电子设备在对所述作用力偏差的信号进行离散化处理时，需要根据采样时间间隔，确定k时刻的速度和作用力偏差，以及确定(k-1)时刻的速度和作用力偏差，然后进行离散化处理。其中k时刻和(k-1)时刻之间的时间间隔即为T。
一种可能的方式中，离散化处理时，公式(2)中的所述采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式(3)：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为(k-1)时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为(k-1)时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
在本发明实施例中，电子设备可以对作用力偏差的信号进行滤波处理，并进行离散化处理，可以进一步提高康复设备的稳定性。
实施例5：
下面以一个具体的实施例对上述各实施例进行说明，本发明实施例提供了一种改进型速度PD控制器。参见图2所示，为所述改进型速度PD控制器的软件控制结构示意图，包括虚拟弹簧模型(Virtual Spring Model)、PD控制器(PD Controller)和电机模型(MotorModel)。其中所述虚拟弹簧模型主要用于根据位置偏差和速度偏差，确定合适的输出作用力(即目标作用力)。PD控制器主要用于根据输出作用力与实际力之间的力偏差，确定合适的速度(即第一速度)，其中在微分项中，还加入了低通滤波器的设计。所述电机模型主要用于根据PD控制器输出的速度，实现电机的速度控制。通过这三者的配合，能够有效实现康复设备的运动控制，可以更好地解决康复设备中存在的问题，提高康复设备的可靠性和安全性。
在图2中，xd为目标位置，为目标速度(一些可能的场景，设置为0)，x为当前位置(即实际位置)，sx为当前速度(即实际运行速度)，K为虚拟弹簧的刚度，B为虚拟弹簧的阻尼，FImp为目标作用力(即虚拟弹簧模型输出作用力)，Fe为当前作用力(即环境作用力，通常为力传感器采集到的数据)，Kp为比例系数，Kd为微分系数，w为低通滤波器的频率(例如低通滤波器截至频率)，s为拉斯变换系数，Vcmd为第一速度(即PD控制器输出的期望速度)，Kpv为速度比例系数，Kiv为速度微分系数，Kg为常量(具体取值可以为参考电机技术手册)，M为系统质量，D为系统阻尼。
虚拟弹簧模型的表达式如上述公式(1)所示，其中虚拟弹簧的刚度K和阻尼B一般在选定之后，设定为常量。
PD控制器的工作原理示意图如图3所示，在图3中，PD控制器输入的作用力偏差的信号为ForceErr，所述ForceErr根据目标作用力TragetForce和当前作用力ActualForce确定，PD控制器中包括速度PID控制器Vel-PID，所述速度PID控制器的输入为作用力偏差ForceErr，输出为第一速度TargetVel，表示期望电机按照所述第一速度运行。其中所述康复设备按照所述第一速度TargetVel和加速度FixedAcc运行，可选得，所述加速度的大小固定，即所述加速度恒定。
所述PD控制器的表达式如公式(4)所示：TargetVel＝KP*ForceErr+Kd*s*ForceErr(4)。在公式(4)的基础上，考虑引入低通滤波器来滤掉一些不必要的噪声和干扰信号，所述低通滤波器的关系为引入低通滤波器后的PD控制器的输出公式如公式(2)所示。
实际使用过程中，还可以进行离散化处理，其中在公式(2)的基础上，进行离散化后得到的关系式如公式(3)所示。
参照图2所示，PD控制器部分的关系方程式如公式(5)所示：电机部分的关系方程式如公式(6)和公式(7)所示：
结合公式(5)、(6)和(7)，可以确定整个改进速度PD控制器的输入输出关系式。
在不考虑虚拟弹簧模型时，FImp＝0，速度PD控制器的输入为当前作用力，输出为位置信息，力与位置之间的传递函数表达式如公式(8)所示：
其中表示不考虑虚拟弹簧模型时，力与位置之间的传递函数，即该传递函数关系式中，根据输入的当前作用力，可以确定以PD控制器输出的速度所运行到的位置。
在考虑虚拟弹簧模型时，在康复训练结束场景下，xd＝0，速度PD控制器的输入为当前作用力，输出为位置信息，力与位置之间的传递函数表达式如公式(9)所示：
其中表示考虑虚拟弹簧模型时，力与位置之间的传递函数。
下面结合图2对康复设备的控制流程进行具体说明，参见图4所示，包括以下步骤：
获取实际位置速度，即获取到康复设备的当前位置和当前速度。
建立虚拟弹簧模型，将所述实际位置速度输入到所述虚拟弹簧模型，所述虚拟弹簧模型根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，作为合适的输出作用力。
获取力传感器数据，即获取到所述康复设备的当前作用力。
建立PD控制器，将所述作用力与所述当前作用力的力偏差数据，输入到所述PD控制器，设计合适的比例系数及微分系数，同时在微分环节中引入低通滤波器，选择合适的滤波频率，可以有效消除噪声的影响，得到期望的第一速度。
根据期望的所述第一速度，建立电机速度运动模型(即上述电机模型)，所述电机速度运动模型中涉及的运行模型参数可以通过电机技术手册确定。根据所述电机速度运动模型的输出结果，可以控制所述康复设备的运动。同时可以将所述电机速度运动模型输出的运动速度和运动位置反馈到虚拟弹簧模型，构成整个控制闭环，直至所述康复设备在所述目标位置时的速度为所述目标速度为止。
需要通过理论分析方法对康复设备控制方法进行验证，在保证康复设备的稳定性时，才可以更加全面地应用到实际产品(即康复设备，如下肢康复机器人)中。
为了更进一步分析改进型算法的性能，同时了解PD控制器参数对整个PD控制器的影响，可以将整个PD控制器的传递函数转换为输入力与输出速度之间的关系，根据来计算输出速度v和输入力x之间的传递函数，其中根据公式(8)得到的力与速度之间的传递函数表达式如公式(10)所示： 为未考虑虚拟弹簧模型时，力与速度之间的传递函数；根据公式(9)得到的力与速度之间的传递函数表达式如公式(11)所示：
为考虑虚拟弹簧模型时，力与速度之间的传递函数。
此外，还可以考虑分析改进型算法对康复设备的稳定性是否产生变化，例如一种可能方式可以是通过分析传递函数的伯德图(Bode)，通过频域的分析方法来判定康复设备的稳定性。算法仿真测试中涉及到的所有参数，可以通过电机手册和辨识方法得到。可以通过修改PD控制器中比例系数和微分系数来判定康复设备的稳定性。
图5和图6示出了在不同比例系数Kp下，力与速度传递函数的波特图，图5和图6中Kp包括Kp0，Kp1，Kp2，Kp0取值为0.02，Kp1取值为0.2，Kp2取值为2。图5和图6中的横轴为康复设备的运动频率Frequency，单位为角频率/秒(rad/s)，纵轴分别为幅度Magnitude，单位为分贝(db)，及相位角Phase，单位为度(deg)。其中图5为未添加虚拟弹簧模型时的传递函数波特图，图6为添加虚拟弹簧模型时的传递函数波特图。根据图5和图6的对比可知，在添加虚拟弹簧模型后，康复设备的幅值裕度(即幅度)和相位裕度(即相位角)均为正值，康复设备处于稳定状态。在低频段，比例增益越大，幅度越高，所以能够得到较小的静态摩擦力。在幅值曲线中，康复设备有两个地方幅值开始下降，通过分析，在低频段区域，主要是积分控制起作用，而在高频区域，主要是微分控制器起作用。
此外，还可以考虑阶跃响应，即康复设备在阶跃信号的作用下产生的响应。图7和图8示出了在不同比例系数Kp下，康复设备的阶跃响应，图7和图8中Kp包括Kp0，Kp1，Kp2，Kp0取值为0.02，Kp1取值为0.2，Kp2取值为2。图7和图8的横坐标为时间Time，单位为秒(s)，纵坐标为位置Position，单位为米(m)，在本发明实施例中主要以康复设备在竖直方向上的运动进行说明。图7为未添加虚拟弹簧模型时的阶跃响应示意图，整个PD控制器输入的力信号，输出的位置信息，当给康复设备输入一个阶跃作用力，康复设备会处于飘动状态，产生向上或向下的运动。图8为添加虚拟弹簧模型时的阶跃响应示意图，整个PD控制器输入的力信号，输出的位置信息，当给康复设备输入一个阶跃作用力，康复设备的运动位置会收敛到设定的期望目标位置，说明了虚拟弹簧模型对整个康复设备的控制起到了积极的作用，能够有效解决康复设备的飘动问题，使康复设备一直停留在理想的位置。
在本发明实施例中，增加虚拟弹簧模型，能够有效地解决设康复备在无人训练的状态下飘动的情况，通过设定期望的目标位置和目标位置速度，使康复设备维持在理想的位置，提高康复设备的安全性和可靠性，并且增加虚拟弹簧模型，对整个系统的运动控制有积极的作用，通过设定康复训练中的理想位置，将患者的运动康复训练的运动范围，能够限定在有效地安全运动范围之内，从而能够更好地保障康复训练，有效地避免力传感器故障或异常情况对整个训练的影响。以及在比例微分控制器中的微分部分，加入低通滤波器，对力偏差信号进行滤波处理，能够有效地降低康复设备噪声信号的干扰，使设备运行更加地平稳，减少康复设备的微小抖动。在误差信号突变时，能够提高康复设备的抗干扰能力，使康复设备稳定运行，改善康复设备的动态性能。
综上可见，本发明实施例提供的康复设备控制方法可以有效的提高康复设备的稳定性，消除设备的微小抖动和无人状态下的设备飘动问题，同时能够将髋关节的康复训练运动范围进行合理地限制，能够更好地提升康复训练的交互性，同时能够消除康复设备的安全隐患，让患者能够更加放心地投入到康复训练中。
实施例6：
图9为本发明实施例提供的一种康复设备控制装置的结构示意图，该装置包括：
确定模块901，用于根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力；根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度；
控制模块902，用于采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
在一种可能的实施方式中，所述确定模块901，具体用于根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
在一种可能的实施方式中，所述确定模块901，具体用于在根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力时，满足以下公式：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
在一种可能的实施方式中，所述确定模块901，具体用于根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；采用低通滤波器对所述作用力的信号偏差进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度。
在一种可能的实施方式中，所述确定模块901，具体用于在采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度时，满足以下公式：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数。
在一种可能的实施方式中，所述确定模块901，具体用于采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度。
在一种可能的实施方式中，所述确定模块901，具体用于在采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度时，满足以下公式：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为k-1时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为k-1时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
实施例7：
在上述各实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种电子设备，如图10所示，为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，包括：处理器1001、通信接口1002、存储器1003和通信总线1004，其中，处理器1001，通信接口1002，存储器1003通过通信总线1004完成相互间的通信；
所述存储器1003中存储有计算机程序，当所述程序被所述处理器1001执行时，使得所述处理器1001执行如下步骤：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力；
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度；
采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
在一种可能的实施方式中，所述根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，包括：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；
根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力的过程满足以下公式：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，包括：
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；
采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度。
在一种可能的实施方式中，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数。
在一种可能的实施方式中，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度，包括：
采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度。
在一种可能的实施方式中，所述采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为k-1时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为k-1时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
由于上述电子设备解决问题的原理与康复设备控制方法相似，因此上述电子设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口1002用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选地，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字指令处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路、现场可编程门陈列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
实施例8：
在上述各实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有可由处理器执行的计算机程序，当所述程序在所述处理器上运行时，使得所述处理器执行时实现如下步骤：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力；
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度；
采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
在一种可能的实施方式中，所述根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，包括：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；
根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力的过程满足以下公式：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，包括：
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；
采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度。
在一种可能的实施方式中，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数。
在一种可能的实施方式中，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度，包括：
采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度。
在一种可能的实施方式中，所述采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为k-1时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为k-1时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
由于上述提供的计算机可读取介质解决问题的原理与康复设备控制方法相似，因此处理器执行上述计算机可读取介质中的计算机程序后，实现的步骤可以参见上述其他实施例，重复之处不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种康复设备控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力；
根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度；
其中，所述根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度，包括：根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度；
所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数；
采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力，包括：
根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；
根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力的过程满足以下公式：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度，包括：
采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度；
其中，所述采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度的过程满足以下公式：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为k-1时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为k-1时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
5.一种康复设备控制装置，其特征在于，所述装置包括：
确定模块，用于根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定目标作用力；根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定所述康复设备的第一速度；
所述确定模块，具体用于根据所述目标作用力和所述康复设备的当前作用力，确定作用力偏差；采用低通滤波器对所述作用力的信号偏差进行滤波处理，确定所述康复设备的第一速度；
所述确定模块，具体用于在采用低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波，确定所述康复设备的第一速度时，满足以下公式：
其中，TargetVel为所述第一速度，ForceErr为所述作用力偏差，w为所述低通滤波器的频率，KP为比例系数，Kd为微分系数，s为拉斯变换系数；
控制模块，用于采用所述第一速度，对所述康复设备进行控制。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于根据目标位置与康复设备的当前位置之间的位置偏差，和目标速度与所述康复设备的当前速度之间的速度偏差，确定虚拟弹簧的刚度和阻尼；根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于在根据所述虚拟弹簧的刚度和阻尼，确定所述虚拟弹簧的目标作用力时，满足以下公式：
其中，FImp为所述虚拟弹簧的目标作用力，K为所述虚拟弹簧的刚度，B为所述虚拟弹簧的阻尼，xd为所述目标位置，x为所述当前位置，为所述目标速度，sx为所述当前速度。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定模块，具体用于采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度；
所述确定模块，具体用于在采用所述低通滤波器对所述作用力偏差的信号进行滤波处理，并对所述作用力偏差的信号进行离散化处理，确定所述康复设备的第一速度时，满足以下公式：
其中，TargetVelk为k时刻的第一速度，TargetVelk-1为k-1时刻的速度，ForceErrk为k时刻的作用力偏差，ForceErrk-1为k-1时刻的作用力偏差，T为采样时间间隔。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备至少包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现根据权利要求1-4中任一所述康复设备控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-4中任一所述康复设备控制方法的步骤。
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Application publication date: 20210423 Assignee: SHANGHAI ELECTRIC INTELLIGENT REHABILITATION MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Contract record no.: X2023310000146 Denomination of invention: A rehabilitation equipment control method, device, device, and medium License type: Exclusive License Record date: 20230919 |
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