一种上肢康复训练轨迹规划方法及系统

本技术涉及机器人控制，尤其涉及一种上肢康复训练轨迹规划方法及系统。

背景技术：

1、上肢康复机器人是辅助肢体运动功能障碍患者进行康复训练的重要设备。在轨迹规划方面，现有技术通常采用单一高阶多项式插值方法规划关节运动轨迹，但该类轨迹在起止点之间缺乏稳定的匀速运动阶段，患者始终处于加速或减速状态，无法获得连续均匀的等速康复刺激。在人机交互方面，现有康复机器人多采用纯位置控制模式，未考虑患者主动运动意图产生的交互力，当患者恢复部分肌力并产生主动运动趋势时，肢体与机器人之间会产生较大交互力，可能对患者造成继发性损伤。因此，现有技术存在康复训练轨迹缺乏匀速段设计且未考虑人机交互力的技术问题，导致患者无法获得均匀有效的康复刺激，同时存在因交互力过大而造成二次损伤的风险。

技术实现思路

1、本技术提供一种上肢康复训练轨迹规划方法及系统，解决了现有技术存在康复训练轨迹缺乏匀速段设计且未考虑人机交互力的技术问题。

2、为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、第一方面，提供一种上肢康复训练轨迹规划方法，包括：获取上肢康复训练的路径节点；路径节点为笛卡尔空间中预设的末端位置坐标；基于路径节点构建分段轨迹模型；分段轨迹模型包含加速段、匀速段和减速段，加速段和减速段采用满足位置、角速度和角加速度连续边界条件的不低于五次的多项式构建；匀速段采用线性函数构建，相邻段之间的过渡点满足位置、角速度和角加速度连续；基于康复安全约束和相邻段之间的角速度和角加速度连续，求解分段轨迹模型的各段持续时间和多项式系数，得到各关节的参考轨迹；康复安全约束包括关节角速度阈值、关节角加速度阈值以及急动度阈值约束；基于力传感器采集的患者肢体与外骨骼设备之间的接触力和阻抗模型，对参考轨迹进行自适应修正，得到期望轨迹；阻抗模型为包含目标惯量、目标阻尼和目标刚度的质量-阻尼-弹簧系统模型。

4、本技术实施例提供的上肢康复训练轨迹规划方法，通过构建包含匀速段的分段轨迹模型并在过渡点施加连续性约束，使康复轨迹具备运动平滑性的同时提供稳定的匀速康复刺激期；通过将康复安全约束嵌入轨迹参数求解过程，使生成的参考轨迹天然具备防痉挛、防冲击的生理安全属性；通过引入阻抗模型对参考轨迹进行自适应修正，使机器人能够感知并顺应患者的主动运动意图，在保证训练规范性的前提下增强人机交互的柔顺性，有效解决了传统刚性轨迹规划无法响应患者动态需求且可能因交互力过大造成二次损伤的技术问题。

5、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，加速段和减速段采用满足位置、角速度和角加速度连续边界条件的不低于五次的多项式构建，包括：将加速段和减速段的轨迹表达式设定为五次多项式；基于起点和终点的边界条件以及相邻段之间的过渡点的连续性条件，构建系数方程组；求解系数方程组，得到五次多项式的各项系数。

6、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，基于起点和终点的边界条件以及相邻段之间的过渡点的连续性条件，构建系数方程组，包括：基于起点时刻的位置、角速度和角加速度构建第一组边界条件；基于终点时刻的位置、角速度和角加速度构建第二组边界条件；基于相邻段之间的过渡点处加速段与匀速段，或匀速段与减速段的位置、角速度和角加速度连续条件构建第三组约束条件；联立第一组边界条件、第二组边界条件和第三组约束条件，构建六元一次方程组作为系数方程组。

7、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，基于康复安全约束和相邻段之间的角速度和角加速度连续，求解分段轨迹模型的各段持续时间和多项式系数，得到各关节的参考轨迹，包括：在笛卡尔空间设定路径节点；基于运动学逆解将笛卡尔空间的路径节点映射至关节空间，得到各关节的路径点；基于康复安全约束构建约束优化问题，联合求解分段轨迹模型的各段持续时间和多项式系数。

8、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，基于康复安全约束构建约束优化问题，联合求解分段轨迹模型的各段持续时间和多项式系数，包括：构建以各关节角速度峰值最小化为第一优化目标的第一目标函数；构建以各关节急动度积分最小化为第二优化目标的第二目标函数；在康复安全约束的可行域内，基于第一目标函数和第二目标函数联合求解分段轨迹模型的各段持续时间和多项式系数。

9、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，基于力传感器采集的患者肢体与外骨骼设备之间的接触力和阻抗模型，对参考轨迹进行自适应修正，得到期望轨迹，包括：判断接触力是否大于预设力阈值；当接触力大于预设力阈值时，通过阻抗模型将接触力转化为位置补偿量，并将位置补偿量叠加至参考轨迹上，得到期望轨迹；当接触力不大于预设力阈值时，维持参考轨迹作为期望轨迹。

10、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，通过阻抗模型将接触力转化为位置补偿量，并将位置补偿量叠加至参考轨迹上，得到期望轨迹，包括：当接触力作用于肩关节时，通过阻抗模型得到笛卡尔空间内的位置补偿量；通过运动学逆解将笛卡尔空间内的位置补偿量转换至关节空间，得到关节空间位置补偿量；将关节空间位置补偿量叠加至参考轨迹上，得到期望轨迹。

11、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，当接触力大于预设力阈值时，通过阻抗模型将接触力转化为位置补偿量，并将位置补偿量叠加至参考轨迹上，得到期望轨迹，还包括：判断位置补偿量对应的关节角度变化量是否超过预设角度阈值；当关节角度变化量超过预设角度阈值时，对位置补偿量进行限位截断，将截断后的位置补偿量叠加至参考轨迹上，得到期望轨迹。

12、结合上述第一方面，在一种可能的实现方式中，目标惯量、目标阻尼和目标刚度的取值根据康复训练阶段和患者肢体阻抗特性进行配置；其中，目标刚度配置为大于零以提供弹性回复力，目标阻尼配置为大于零以抑制振荡并确保对参考轨迹的修正量在接触力消失后收敛至零。

13、第二方面，提供一种上肢康复训练轨迹规划系统，包括：节点获取模块，用于获取上肢康复训练的路径节点；路径节点为笛卡尔空间中预设的末端位置坐标；模型构建模块，用于基于路径节点构建分段轨迹模型；分段轨迹模型包含加速段、匀速段和减速段，加速段和减速段采用满足位置、角速度和角加速度连续边界条件的不低于五次的多项式构建；匀速段采用线性函数构建，相邻段之间的过渡点满足位置、角速度和角加速度连续；参数求解模块，用于基于康复安全约束和相邻段之间的角速度和角加速度连续，求解分段轨迹模型的各段持续时间和多项式系数，得到各关节的参考轨迹；康复安全约束包括关节角速度阈值、关节角加速度阈值以及急动度阈值约束；轨迹修正模块，用于基于力传感器采集的患者肢体与外骨骼设备之间的接触力和阻抗模型，对参考轨迹进行自适应修正，得到期望轨迹；阻抗模型为包含目标惯量、目标阻尼和目标刚度的质量-阻尼-弹簧系统模型。

14、本技术提供的上肢康复训练轨迹规划方法及系统，通过构建包含匀速段的分段轨迹模型并施加二阶连续性约束，在保证轨迹平滑的同时提供稳定的匀速康复刺激期；通过将康复安全约束嵌入参数求解过程，使轨迹天然具备防痉挛、防冲击的生理安全属性；通过引入阻抗模型对参考轨迹进行自适应修正，配合力阈值触发与角度限位保护，实现了被动训练与柔顺修正的自动切换，既响应患者主动意图又防止二次损伤，显著提升了康复训练的人机共融性与安全性。

15、应当理解的是，本技术中对技术特征、技术方案、有益效果或类似语言的描述并不是暗示在任意的单个实施例中可以实现所有的特点和优点。相反，可以理解的是对于特征或有益效果的描述意味着在至少一个实施例中包括特定的技术特征、技术方案或有益效果。因此，本说明书中对于技术特征、技术方案或有益效果的描述并不一定是指相同的实施例。进而，还可以任何适当的方式组合本实施例中所描述的技术特征、技术方案和有益效果。本领域技术人员将会理解，无需特定实施例的一个或多个特定的技术特征、技术方案或有益效果即可实现实施例。在其他实施例中，还可在没有体现所有实施例的特定实施例中识别出额外的技术特征和有益效果。