一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法

1.本发明属于康复领域，具体涉及一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法。


背景技术：

2.青少年脊柱侧凸是发生在青少年人群中的常见脊柱疾病，脊柱侧凸表现为脊柱三维结构畸形，包括冠状位、矢状位和轴位的脊柱椎体排列异常。近年来，我国青少年人群的脊柱侧凸发病率呈上升态势。脊柱侧凸若不及时进行有效干预及治疗，患者的侧凸角度会逐渐增加，引起躯干、胸廓变形，进而引起呼吸系统与心肺功能障碍、脊髓和脊神经损伤等。
3.目前，临床上使用的矫形支具可以分为刚性支具和柔性支具两类，其中，刚性支具的佩戴时间长，佩戴时压缩胸腔影响呼吸，佩戴者活动不便。青少年身体生长速度快，刚性支具不仅会束缚青少年的生长，还需要随着患者的体型变化频繁更换。有研究指出，一些刚性支具在使用的过程中，施加的矫正力会减小。柔性支具的矫正效果不佳，并且难以矫正重度侧凸患者。
4.外骨骼机器人与人体直接进行身体互动，人体的运动反馈会影响受控变量，可能导致系统不稳定，所以外骨骼机器人与人体的安全交互是外骨骼机器人设计的关键。
5.cn115429516a公开一种脊柱侧弯控制系统及方法，通过所述施力点确定模块根据在患者身上多个骨骼关键点处产生的动态三维运动学数据，确定最优施力点；通过所述人体运动状态检测模块基于实时获取到的人体加速度信号，确定人体的运动状态；通过所述施力值优化模块将在所述最优施力点处施加的施加力作为优化参数，基于hueter-volkmann定律，确定在人体运动状态约束作用下的最优施加力；通过所述驱动模块驱动所述施力模块，在所述最优施力点位置处施加相应的最优矫形施加力，以实现脊柱矫正。主要目的是激发患者椎旁肌肉的主动收缩，增加肌肉强度，解决医源性的肌肉萎缩的问题。


技术实现要素：

6.本发明为克服现有技术，提供一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法。该方法能使外骨骼能够持续提供矫正力的同时，在突然遇到外力或佩戴者运动时能够以较低的阻抗使线缆张力重新回到预设水平，实现柔顺控制。
7.一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法包含：
8.s1、患者穿戴外骨骼
9.所述外骨骼的动力自驱张紧模块包含电机、绕丝张紧模块a和绕丝张紧模块b；所述绕丝张紧模块a和绕丝张紧模块b二者结构相同且串联设置；电机固定在下部固定模块上，所述绕丝张紧模块a包含模块外壳a、单向轴承a和涡卷弹簧a，模块外壳a带有外轮槽，外轮槽上绕有线缆，单向轴承a的外圈和涡卷弹簧a分别布置在模块外壳a的内腔中，电机的输出轴分别与单向轴承a的内圈和涡卷弹簧a的内端连接，涡卷弹簧a的外端与模块外壳a的内壁连接；
10.线缆走向布置如下：线缆的一端固定在模块外壳b的外轮槽上，矫正丝从模块外壳
b出发，依次经过滑轮f、穿线管b、滑轮b、滑轮a、穿线管a、滑轮e、滑轮h、穿线管c、滑轮c、滑轮d和穿线管d，再缠在模块外壳a的外轮槽上，线缆的另一端固定在模块外壳a的外轮槽上，所述滑轮a和滑轮e分别可转动地设置在上部固定模块1的后侧和前侧，滑轮b和滑轮c同轴设置并可转动地设置在中部固定模块的后侧，滑轮f和滑轮h同轴设置并可转动地设置在中部固定模块的前侧，滑轮d可转动地设置在下部固定模块的后侧，穿线管a固接在上部固定模块的侧部，穿线管b和穿线管c固定在中部固定模块的侧部，穿线管d固定在下部固定模块的侧部；
11.电机、绕丝张紧模块a和绕丝张紧模块b分别安装有编码器；
12.s2、穿戴完成后启动电机，开始提供张力,通过pd算法控制电机使线缆张力达到预设水平，并获取线缆的张力达到预设水平时的电机上的编码器检测的位置数据；
13.s3、如果线缆7张力始终保持在预设水平波动范围内，则电机停止转动，当外骨骼收到外力或穿戴者产生的运动，导致线缆的张力超出预设水平波动范围时，通过导纳控制算法和pd算法控制电机的转速，使线缆的张力重新回到预设水平波动范围内；
14.s4、矫正工作结束，使电机反向转动放松线缆，动力自驱张紧模块停止工作。
15.本发明相比现有技术的有益效果是：
16.本发明针对临床脊柱侧凸矫形的需求，设计一套既能持续提供合适矫正力、同时应对扰动并进行补偿的控制算法。本发明通过pd算法控制电机，使线缆张力达到预设水平；当系统受到人体扰动时，通过导纳算法减小外骨骼系统的阻抗。本发明能够实现使外骨骼能够持续提供矫正力的同时，在突然遇到外力或佩戴者运动时能够以较低的阻抗使线缆张力重新回到预设水平，实现柔顺控制。
17.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
18.图1为本发明线缆柔顺控制方法的流程图；
19.图2为本发明方法结合的矫正脊柱侧凸外骨骼的立体图；
20.图3为外骨骼的主视图；
21.图4为动力自驱张紧模块的立体图；
22.图5为绕丝张紧模块的爆炸图；
23.图6为导纳控制算法流程图；
24.图7为驱动系统的示意图。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
26.具体实施方式一：结合图2-图3说明，线缆柔顺控制方法基于的矫正脊柱侧凸的主动式外骨骼包含：穿戴于躯干部位的固定模块，其包含上部固定模块1、中部固定模块2及下部固定模块3；
27.仿生脊柱模块5，用于连接相邻的固定模块，以实现跟随人体脊柱的前后屈伸、侧弯和旋转运动；
28.动力自驱张紧模块4，布置在下部固定模块3上，以驱动矫正丝7，并通过套在矫正丝7上的穿线管组，作用于上部固定模块1、中部固定模块2和下部固定模块3的侧部，以实现对躯干施加矫正力。
29.本实施方式提供的这种用以矫正脊柱侧凸的主动式外骨骼，上部固定模块1定位在腋下，动力自驱张紧模块4固定在腰部处的下部固定模块3上。佩戴过程中，佩戴者静止直立时，电机转动控制线缆7的张力，线缆7通过侧边穿线管，施加给上中下部固定模块矫正力。
30.具体实施方式二：如图1-图5所示，基于上述实施方式一的矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法包含：
31.s1、患者穿戴外骨骼
32.所述外骨骼的动力自驱张紧模块4包含电机401、绕丝张紧模块a403和绕丝张紧模块b404；所述绕丝张紧模块a403和绕丝张紧模块b404二者结构相同且串联设置；电机401固定在下部固定模块3上，所述绕丝张紧模块a403包含模块外壳a4031、单向轴承a4032和涡卷弹簧a4033，模块外壳a4031带有外轮槽，外轮槽上绕有线缆7，单向轴承a4032的外圈和涡卷弹簧a4033分别布置在模块外壳a4031的内腔中，电机401的输出轴分别与单向轴承a4032的内圈和涡卷弹簧a4033的内端连接，涡卷弹簧a4033的外端与模块外壳a4031的内壁连接；
33.所述绕丝张紧模块b404包含模块外壳b4041、单向轴承b4042和涡卷弹簧b4043；模块外壳b4041带有外轮槽，外轮槽上绕有矫正丝7，单向轴承b4042的外圈和涡卷弹簧b4043分别布置在模块外壳b4041的内腔中，电机401的输出轴分别与单向轴承b4042的内圈和驱动模块402连接，涡卷弹簧b4043的内端与驱动模块402连接，涡卷弹簧b4043的外端与模块外壳b4041的内壁连接；
34.线缆7走向布置如下：线缆7的一端固定在模块外壳b4041的外轮槽上，矫正丝7从模块外壳b4041出发，依次经过滑轮f806、穿线管b902、滑轮b802、滑轮a801、穿线管a901、滑轮e805、滑轮h807、穿线管c903、滑轮c803、滑轮d804和穿线管d904，再缠在模块外壳a4031的外轮槽上，线缆7的另一端固定在模块外壳a4031的外轮槽上，所述滑轮a801和滑轮e805分别可转动地设置在上部固定模块1的后侧和前侧，滑轮b802和滑轮c803同轴设置并可转动地设置在中部固定模块2的后侧，滑轮f806和滑轮h807同轴设置并可转动地设置在中部固定模块2的前侧，滑轮d804可转动地设置在下部固定模块3的后侧，穿线管a901固接在上部固定模块1的侧部，穿线管b902和穿线管c903固定在中部固定模块2的侧部，穿线管d904固定在下部固定模块3的侧部；
35.电机401、绕丝张紧模块a403和绕丝张紧模块b404分别安装有编码器；
36.s2、穿戴完成后启动电机401，开始提供张力，通过pd算法控制电机401使线缆7张力达到预设水平(预设数值)，并获取线缆7的张力达到预设水平时的电机401上的编码器检测的位置数据l0；
37.s3、如果线缆7张力始终保持在预设水平波动范围内，则电机停止转动，当外骨骼收到外力或穿戴者产生的运动，导致线缆7的张力超出预设水平波动范围时，通过导纳控制算法和pd算法控制电机401转速，使线缆7的张力重新回到预设水平波动范围内；
38.s4、矫正工作结束，使电机反向转动放松线缆7，动力自驱张紧模块4停止工作。
39.本实施方式的柔顺控制方法基于导纳控制算法和pd控制算法相结合，通过拉压传
感器的变化数据，接收人体与外骨骼的交互情况，从而控制电机转动使其以较小的阻抗应对干扰，实现柔顺控制；其中导纳控制算法建立了总力f
ext
与期望位置xd之间的方程，pd控制算法控制电机转速，使实际位置x尽快收敛于xd。
40.进一步地，如图6所示，
41.步骤s3中导纳控制算法为：
42.其中，f
ext
为外骨骼受到的外力或穿戴者由于运动对外骨骼施加的力，例如，该外力f
ext
由拉压传感器的变化量计算得到，线缆7上任意一段处相连有拉压传感器，md，dd，pd分别为预设的惯性系数、阻尼系数和刚度系数，ff表示线缆所产生的总摩擦力，x0表示电机旋转初始位置，xd表示电机希望达到的旋转位置。
43.所述步骤s2和步骤s3中的pd算法为：x(t)＝k
p
·
e(t)+kd·
de(t)/dt；
44.其中，k
p
和kd分别为预设的比例系数和微分系数，x(t)表示电机旋转的实际位置，e(t)为设定值与实际值的偏差随时间变化的曲线。
45.步骤2中，例如，电机401以一定速度正向转动，直至线缆7紧贴外骨骼，开始提供张力。步骤s4穿戴结束之后，电机401逆向转动，使线缆7放松，以便穿戴者取下外骨骼。
46.基于pd算法使线缆张力达到预设数值附近，其中，pd算法的k
p
值与kd值均通过优化算法设置为符合穿戴者运动的值。
47.进一步地，参照图7所示，电机401与涡卷弹簧串联的系统可视为一组弹性驱动器(sfa)，建立适合外骨骼系统的弹性驱动器(sea)的动力学方程；包含电机与涡卷弹簧构成的驱动系统的动力学方程(动力学方程根据电机位移与绕丝张紧模块位移和涡卷弹簧性质建立)为：
[0048][0049]
f1＝ks(x
1-x2)
[0050]
其中，x1为电机位移，通过耦合在电机上的编码器(例如绝对式编码器)直接获得，x2为绕丝张紧模块a403或绕丝张紧模块b404位移，通过耦合在张紧装置上的编码器(例如绝对式编码器)直接获得，ks为涡卷弹簧的弹性系数，b1为电机与绕丝张紧模块a403或绕丝张紧模块b404之间的阻尼系数，f
l
为线缆所在绕丝张紧模块产生的摩擦力，f1为线缆张力，m1表示驱动系统等效质量。
[0051]
由于x1与x2均为位移数据，通过耦合在电机上的编码器数据通过积分得到，其数值可能会随着使用时间的增加积累误差造成数据变得不准确。所以f1不仅通过公式f1＝ks(x
1-x2)计算得出，同时也根据串联在线缆7上的拉压传感器的数据进行矫正。
[0052]
由此，x1＝l0+∫w1(t)r1dt；
[0053]
x2＝∫w2(t)r2dt；
[0054]
其中，w1(t)表示电机上的编码器获取的角速度，w2(t)表示绕丝张紧模块上的编码器获取的角速度，r1＝r2表示模块外壳等效外径，l0表示线缆7的张力达到预设水平时的电机401上的编码器检测的位置数据。
[0055]
基于上述控制方法使外骨骼能够持续提供矫正力的同时，在突然遇到外力或佩戴者运动时能够以较低的阻抗使线缆张力重新回到预设水平。
[0056]
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业
的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

技术特征：
1.一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，其特征在于：所述控制方法包含：s1、患者穿戴外骨骼所述外骨骼的动力自驱张紧模块(4)包含电机(401)、绕丝张紧模块a(403)和绕丝张紧模块b(404)；所述绕丝张紧模块a(403)和绕丝张紧模块b(404)二者结构相同且串联设置；电机(401)固定在下部固定模块(3)上，所述绕丝张紧模块a(403)包含模块外壳a(4031)、单向轴承a(4032)和涡卷弹簧a(4033)，模块外壳a(4031)带有外轮槽，外轮槽上绕有线缆(7)，单向轴承a(4032)的外圈和涡卷弹簧a(4033)分别布置在模块外壳a(4031)的内腔中，电机(401)的输出轴分别与单向轴承a(4032)的内圈和涡卷弹簧a(4033)的内端连接，涡卷弹簧a(4033)的外端与模块外壳a(4031)的内壁连接；线缆(7)走向布置如下：线缆(7)的一端固定在模块外壳b(4041)的外轮槽上，矫正丝(7)从模块外壳b(4041)出发，依次经过滑轮f(806)、穿线管b(902)、滑轮b(802)、滑轮a(801)、穿线管a(901)、滑轮e(805)、滑轮h(807)、穿线管c(903)、滑轮c(803)、滑轮d(804)和穿线管d(904)，再缠在模块外壳a(4031)的外轮槽上，线缆(7)的另一端固定在模块外壳a(4031)的外轮槽上，所述滑轮a(801)和滑轮e(805)分别可转动地设置在上部固定模块(1)的后侧和前侧，滑轮b(802)和滑轮c(803)同轴设置并可转动地设置在中部固定模块(2)的后侧，滑轮f(806)和滑轮h(807)同轴设置并可转动地设置在中部固定模块(2)的前侧，滑轮d(804)可转动地设置在下部固定模块(3)的后侧，穿线管a(901)固接在上部固定模块(1)的侧部，穿线管b(902)和穿线管c(903)固定在中部固定模块(2)的侧部，穿线管d(904)固定在下部固定模块(3)的侧部；电机(401)、绕丝张紧模块a(403)和绕丝张紧模块b(404)分别安装有编码器；s2、穿戴完成后启动电机(401)，开始提供张力,通过pd算法控制电机(401)使线缆(7)张力达到预设水平，并获取线缆(7)的张力达到预设水平时的电机(401)上的编码器检测的位置数据；s3、如果线缆(7)张力始终保持在预设水平波动范围内，则电机停止转动，当外骨骼收到外力或穿戴者产生的运动，导致线缆(7)的张力超出预设水平波动范围时，通过导纳控制算法和pd算法控制电机(401)的转速，使线缆(7)的张力重新回到预设水平波动范围内；s4、矫正工作结束，使电机反向转动放松线缆(7)，动力自驱张紧模块(4)停止工作。2.根据权利要求1所述一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，其特征在于：步骤s3中导纳控制算法为：其中，f
ext
为外骨骼受到的外力，m
d
，d
d
，p
d
分别为预设的惯性系数、阻尼系数和刚度系数，f
f
表示线缆所产生的总摩擦力，x0表示电机旋转初始位置，x
d
表示电机希望达到的旋转位置。3.根据权利要求1所述一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，其特征在于：所述步骤s2中pd算法为：x(t)＝k
p
·
e(t)+k
d
·
de(t)/dt；其中，k
p
和k
d
分别为预设的比例系数和微分系数，x(t)表示电机旋转的实际位置，e(t)为设定值与实际值的偏差随时间变化的曲线。4.根据权利要求1所述一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，其特征在于：包含电机与涡卷弹簧构成的驱动系统的动力学方程为：
f1＝k
s
(x
1-x2)；其中，x1为电机位移，x2为绕丝张紧模块a(403)或绕丝张紧模块b(404)的位移，k
s
为涡卷弹簧的弹性系数，b1为电机与绕丝张紧模块a(403)或绕丝张紧模块b(404)之间的阻尼系数，f
l
为线缆所在绕丝张紧模块产生的摩擦力，f1为线缆张力，m1表示驱动系统等效质量。5.根据权利要求4所述一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，其特征在于：x1＝l0+∫w1(t)r1dt；x2＝∫w2(t)r2dt；其中，w1(t)表示电机上的编码器获取的角速度，w2(t)表示绕丝张紧模块上的编码器获取的角速度，r1＝r2表示模块外壳等效外径，l0表示线缆7的张力达到预设水平时的电机(401)上的编码器检测的位置数据。6.根据权利要求1所述一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，其特征在于：所述编码器为绝对式编码器。7.根据权利要求2所述一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，其特征在于：线缆7上任意一段处相连有拉压传感器，f
ext
由拉压传感器的变化量得到。

技术总结
一种矫正脊柱侧凸外骨骼的线缆柔顺控制方法，它包含：患者穿戴外骨骼；穿戴完成后启动电机，开始提供张力，通过PD算法控制电机使线缆张力达到预设水平，并获取线缆的张力为零时的电机上的编码器检测的位置数据；如果线缆张力始终保持在预设水平波动范围内，当外骨骼收到外力或穿戴者产生的运动，导致线缆的张力超出预设水平波动范围时，通过导纳控制算法和PD算法控制电机的转速，使线缆的张力重新回到预设水平波动范围内；矫正工作结束，使电机反向转动放松线缆，动力自驱张紧模块停止工作。本发明能使外骨骼能够持续提供矫正力的同时，在突然遇到外力或佩戴者运动时能够以较低的阻抗使线缆张力重新回到预设水平，实现柔顺控制。制。制。


技术研发人员：关鑫宇 蒯声政 樊瑜波 盛震明 龙海洋 时雨晴 马晨晓
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/10/11