一种并联踝关节康复机器人及其控制方法

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一种并联踝关节康复机器人及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说是一种并联式踝关节康复机器人及其控制方法。\n背景技术\n[0002] 脚踝关节是人体最大的负重关节之一，很容易因运动不当(如跑跳、行走)、疾病(如中风、偏瘫)、事故(车祸、意外)等原因造成关节和肌肉损伤。脚踝关节具有背屈/跖屈、内翻/外翻和内收/外展三个运动自由度。传统的脚踝康复治疗主要依赖于治疗师一对一的徒手训练，难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求。目前，国内外已有多家科研机构开展了踝关节康复机器人的研发与临床试验，并取得了一定的进展。采用机器人进行踝关节康复训练，不仅可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而且能够满足不同患者对训练方法的不同要求，故可以解决传统康复训练的一些缺陷。此外，在踝关节康复过程中，康复机器人能否完全模拟人体踝关节的运动规律(背屈/跖屈、内翻/外翻和内收/外展运动)以及能否适应不同患者进行相应的康复训练，对于患者踝关节的恢复效果有着重大的意义。\n[0003] 现有的踝关节康复机器人大多采用刚性驱动机构作为驱动器，比如直线马达或电机，这种机器人由于驱动器的刚性本质导致其柔顺性较差，容易在机器人控制中产生不可控的作用力，对患者带来康复不适甚至二次损伤。另外，很多踝关节机器人的旋转中心(主运动)与人体脚踝旋转中心不一致，在训练过程中下肢其他部位会随之一起运动，而不仅仅是踝关节，因此不能保证对踝关节的有效训练。同时，大多数踝关节康复机器人可调节的运动范围很小，仅能实现两个自由度的运动，不能契合不同患者所需要的训练姿态及对踝关节康复的全范围康复需求。\n[0004] 而且，目前的脚踝关节康复机器人多以被动训练模式为主，患者在机器人的辅助下进行重复性的被动训练，不能根据实时交互完成智能主动的训练，无法提高患者参与训练的积极性，因而限制了其所产生的康复效果。例如，中国专利200810052248.7公开了一种踝关节康复机器人，其控制部分仅实现了机器人的基本运动控制，未在训练过程中考虑患者的主动运动意图；中国专利201310006399.X公开了一种主动/被动踝关节康复训练装置，仅通过装置机构特征实现半主动式的训练，并未对脚踝关节机器人本身的主动控制策略提供更多信息。临床康复表明，有患者主动参与的康复训练将产生更好的康复效果，同时，当患者不希望主动参与训练时，还需要通过被动训练方法提高患者的肌肉活动能力。因此，研发脚踝关节机器人兼具被动和主动训练能力的智能控制方法是至关重要的。\n发明内容\n[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种气动肌肉驱动的踝关节并联康复机器人及其智能控制方法，该机器人可调以适应不同患者使用，可覆盖踝关节三个自由度的运动训练，主动和被动训练相结合，并实现智能转换，同时具有柔顺性好，质量轻便等优点。\n[0006] 本发明一方面提供一种并联踝关节康复机器人，包括底座，所述底座上插装有支撑架，该支撑架上活动卡装有调节机构，该调节机构包括主杆、前臂杆和腿部支撑杆，主杆前端与前臂杆装接，腿部支撑杆与主杆安装连接，前臂杆上装接有连杆，主杆与支撑架活动卡装；还包括驱动机构和运动机构，驱动机构前端与调节机构中的连杆装接，驱动机构末端与运动机构装接，运动机构与主杆后端活动卡装。\n[0007] 所述主杆与支撑架间设有角度定位机构，该角度定位机构包括调节手柄、前带齿定位片、前固定片、后带齿定位片、后固定片和紧固螺栓，前固定片卡装在前带齿定位片上，后固定片卡装在后带齿定位片上，紧固螺栓从前固定片、前带齿定位片、后带齿定位片和后固定片穿过，调节手柄套装在紧固螺栓上并锁紧使前带齿定位片和后带齿定位片啮合安装，主杆通过螺钉与前固定片连接，支撑架通过螺钉与后固定片连接，调节手柄的手柄部分外露在支撑架外。\n[0008] 所述前臂杆一端插装入主杆内并被设在主杆前端上的螺钉旋钮锁紧，连杆一端插装入前臂杆内并被设在前臂杆上的螺钉旋钮锁紧。\n[0009] 所述驱动机构包括驱动器、第一套筒、第一十字万向节联轴器、第二套筒、拉力传感器和第二十字万向节联轴器，第一套筒接在气动肌肉的前端，第一十字万向节联轴器与第一套筒装接，第二套筒与气动肌肉的后端装接，拉力传感器一端与第二套筒连接、另一端与第二十字万向节联轴器连接，第一十字万向节联轴器通过第一轴承与连杆装接，第二十字万向节联轴器通过第三轴承与运动机构连接，所述驱动器为气动肌肉或直线电机或气缸。\n[0010] 所述第一套筒与气动肌肉、第一十字万向节联轴器以螺纹连接方式装接，第二套筒与气动肌肉、拉力传感器以螺纹连接方式装接，拉力传感器与第二十字万向节联轴器以螺纹连接方式装接。\n[0011] 所述运动机构包括第一运动杆、第二运动杆、第三运动杆、运动平台、六轴力传感器和脚盘，主杆后端设有第二轴承和第二轴承盖，第一运动杆的端头卡装在第二轴承内，第一运动杆上设有第四轴承和第四轴承盖，第二运动杆前端卡装在第四轴承内，第二运动杆的后端装设有第五轴承和第五轴承盖，第三运动杆后端卡装在第五轴承内，运动平台和六轴力传感器从下往上依次套装在第三运动杆上，脚盘装设在第三运动杆的前端，运动平台上设有第三轴承和第三轴承盖，第二十字万向节联轴器与第三轴承装接。\n[0012] 所述第二轴承内设有第一旋转角度传感器，第四轴承内设有第二旋转角度传感器，第五轴承内设有第三旋转角度传感器。\n[0013] 所述支撑架上设有限位槽，底座上设有螺钉旋扭，该螺钉旋扭插入支撑架的限位槽中并锁紧，使支撑架与底座固定连接。\n[0014] 本发明以气动肌肉或直线电机为驱动器，再配合十字万向节联轴器传递动力，本机器人的各机构可调以适应不同患者使用，调整主杆的角度即调整了腿部支撑杆的角度，确保能够迎合不同患者的腿所能屈伸的角度，可覆盖踝关节三个自由度的运动训练，同时具有柔顺性好，质量轻便等优点；另一方面，加设的调节机构、伸缩式支撑架和运动机构能有效地扩展和控制本机器人的运动范围，提高了可控性；再一方面，加设的力传感器能有效地监测、处理和反馈患者所受或施加的力/力矩，实现了本机器人的阻抗控制，提高了本机器人康复训练效果；最后，加设的旋转角度传感器能有效地实时监测和反馈患者的运动角度，进一步提高了本机器人康复训练效果。\n[0015] 另一方面，本发明还提供了一种并联踝关节康复机器人的控制方法，包括以下步骤：\n[0016] 初始机器人的运动轨迹规划；\n[0017] 检测患者脚踝与机器人之间的实际交互作用力/力矩，将该实际交互作用力/力矩与预设的交互作用力/力矩阈值进行比较；\n[0018] 若实际交互作用力/力矩小于预设的交互作用力/力矩阈值，进入被动训练模式，保持当前运动轨迹，带动患者进行被动训练；\n[0019] 若实际交互作用力/力矩大于预设的交互作用力/力矩阈值，进入主动修正训练模式，修正当前运动轨迹和运动方向，同时保持机器人当前的运动速度和加速度不变，保证机器人运动的连续性，实现患者的主动修正训练；\n[0020] 根据上述运动轨迹，对机器人的气动肌肉进行运动闭环控制，实现对运动轨迹的精确跟踪。\n[0021] 所述主动修正训练模式中，若交互作用力与当前运动轨迹同轴，则保持当前运动轨迹的轴向，修正当前运动轨迹和运动方向；\n[0022] 若交互作用力与当前运动轨迹不在同一轴向上，则改变当前运动轨迹轴向，使当前轴向运动轨迹变换为另一轴向运动轨迹，具体为首先将当前轴向运动逆向至运动轨迹零点停止，然后在零点位置转移至另一轴向轨迹运动，完成运动轨迹轴向的变换修正。\n[0023] 所述对机器人的气动肌肉进行运动闭环控制具体包括以下步骤：\n[0024] 期望轨迹规划，确定机器人的运动修正形式，完成期望轨迹规划；\n[0025] 根据轨迹，通过运动学逆解方式计算气动肌肉的期望长度；\n[0026] 建立气动肌肉控制模型，采用公式F(p,k)＝(p+a)·eb·k+c·p·k+d·p+e建立函数模型，其中F为气动肌肉所产生的静态拉力，P为气动肌肉的内部气压；\n[0027] 根据气动肌肉控制模型，计算气动肌肉的期望长度所需要的气压值，对气动肌肉进行充气/放气操作，使气动肌肉中产生相应的气压值；\n[0028] 获取机器人的实际运动轨迹，通过运动学逆解方式计算得到气动肌肉的实际长度；\n[0029] 对气动肌肉进行闭环控制，具体为将得到的气动肌肉的实际长度与气动肌肉的期望长度进行比较，根据比较误差修正气动肌肉的气压值，控制气动肌肉长度进而控制机器人跟踪期望长度。\n[0030] 所述期望轨迹为背屈/跖屈方向轨迹、内翻/外翻方向轨迹和内收/外展方向轨迹。\n[0031] 本发明通过上述方法控制，提高机器人在辅助患者训练时的安全性和主动参与。\n所述方法能够辅助患者脚踝沿着预定轨迹函数被动训练，在此过程中，若患者与机器人间的作用力/力矩大于设定阈值，则立即切换为主动修正训练模式，改变当前轨迹状态，同时保持机器人的运动速度/加速度等参数不变，确保运动的柔顺性和连续性，使患者得到最大程度的舒适性。通过上述控制方法，实现被动训练和主动训练的智能转换，使患者得到更好的训练，有效提高康复效果。\n附图说明\n[0032] 附图1为本发明机器人的立体结构示意图；\n[0033] 附图2为本发明中角度定位机构的分解状态结构示意图；\n[0034] 附图3为本发明中主杆与前臂杆的分解状态结构示意图；\n[0035] 附图4为本发明中驱动机构的分解状态结构示意图；\n[0036] 附图5为本发明中运动机构的分解状态结构示意图；\n[0037] 附图6为本发明中方法的气动肌肉运动控制流程示意图；\n[0038] 附图7为本发明方法中气动肌肉驱动机器人的矢量示意图。\n具体实施方式\n[0039] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。\n[0040] 如附图1～5所示，本发明一方面揭示了一种并联踝关节康复机器人，包括底座2，该底座2上插装有支撑架7，该支撑架7上活动卡装有调节机构，该调节机构包括主杆9、前臂杆10和腿部支撑杆16，主杆9前端与前臂杆10装接，腿部支撑杆16与主杆9安装连接，而且该腿部支撑杆16一般装接在主杆9的中部位置，前臂杆10上装接有连杆11，主杆9与支撑架7活动卡装；还包括驱动机构和运动机构，驱动机构前端与调节机构中的连杆11装接，驱动机构末端与运动机构装接，运动机构与主杆9后端活动卡装。在具体安装的时候，部分的前臂杆\n10插装入主杆9内，主杆9上装设有螺钉旋钮，该螺钉旋钮将位于主杆9内的前臂杆10部分锁紧，从而使得前臂杆10稳固地与主杆9固定连接。连杆11一端插装入前臂杆10内，前臂杆10上设有螺钉旋钮，该螺钉旋钮将位于前臂杆10内的连杆11部分进行锁紧，从而使得连杆11与前臂杆10固定连接。松开螺钉旋钮，即可调整连杆或者前臂的安装长度，调整到合适的长度之后，再锁紧螺钉旋钮，即可使连杆与前臂杆相固定，或者使前臂杆与主杆相固定，方便操作。\n[0041] 此外，为了能有效地控制本机器人的垂直伸缩范围，提高本机器人的适应性，可将支撑架与底座以可伸缩形式安装。通过在支撑架7上设置限位槽71，底座2上设螺钉旋钮，该螺钉旋钮从底座2侧壁上锁入并插入支撑架7的限位槽71中，再继续旋紧即可将支撑架与底座锁紧，从而实现支撑架与底座的固定连接。需要调整支撑架的高度时，松开螺钉旋钮，将支撑架提起或者下沉，满足高度要求后，再旋紧螺钉旋钮即可将支撑架与底座固定连接，操作非常方便。\n[0042] 主杆9与支撑架7间设有角度定位机构，该角度定位机构包括调节手柄29、前固定片283、前带齿定位片281、后带齿定位片282、后固定片284和紧固螺栓27，前固定片283卡装在前带齿定位片281上，后固定片284卡装在后带齿定位片282上，紧固螺栓27从前固定片\n283、前带齿定位片281、后带齿定位片282和后固定片284穿过，调节手柄19套装在紧固螺栓\n27上并锁紧使前带齿定位片281和后带齿定位片282啮合安装，主杆9通过螺钉与前固定片\n283连接，支撑架7通过螺钉与后固定片284连接。调节手柄19与紧固螺栓以螺纹连接方式进行连接，调节手柄的手柄部分外露在支撑架外。该螺纹相当于起到一个“螺母”的作用，不同在于具有手柄，方便操作。在前固定片和后固定片上均设有凹凸齿，前固定片通过其上的凹凸齿与前带齿定位片连接，后固定片通过其上的凹凸齿与后带齿定位片连接，当然还可以其他方式实现固定连接，如用螺丝锁紧等，在此不再一一列举。\n[0043] 在使用过程中，前固定片283与前带齿定位片281保持贴合安装，后固定片284与后带齿定位片282也保持贴合安装。由于后固定片284是与支撑架7固定连接，前固定片283是与主杆9固定连接，因此，在确定好角度之后，将前带此定位片与后带齿定位片相互啮合安装，然后锁紧调节手柄，保证前带齿定位片与后带齿定位片的稳固贴合安装。需要重新调整角度时，扭开调节手柄，此时前带齿定位片和后带齿定位片相互脱离，转动主动，主杆带动前带齿定位片转动一定角度，调整好角度之后，再将前带齿定位片与后带齿定位片相啮合，然后再锁紧调节手柄，保证紧固安装，达到调节主杆角度的目的。通过该角度定位机构，能够对主杆的角度进行调节定位，能有效地控制本机器人的旋转范围，提高了本机器人的适应性。\n[0044] 所述驱动机构包括气动肌肉15、第一套筒14、第一十字万向节联轴器13、第二套筒\n18、拉力传感器20和第二十字万向节联轴器23，第一套筒14接在气动肌肉15的前端，第一十字万向节联轴器13与第一套筒14装接，第二套筒18与气动肌肉15的后端装接，拉力传感器\n20一端与第二套筒18连接、另一端与第二十字万向节联轴器23连接，第一十字万向节联轴器13通过第一轴承12与连杆11装接，第二十字万向节联轴器23通过第三轴承22与运动机构连接，当然，气动肌肉也可以替换为直线电机或者气缸，在本实施例中选择气动肌肉作为驱动器，并以气动肌肉为例进行说明。\n[0045] 为了便于安装，第一套筒14与气动肌肉15、第一十字万向节联轴器13以螺纹连接方式装接，第二套筒18与气动肌肉15、拉力传感器20以螺纹连接方式装接，拉力传感器20与第二十字万向节联轴器23以螺纹连接方式装接。第一轴承12装设在连杆11内，并且在连杆\n11上可安装相应的轴承盖，保证第一轴承能够稳定在设置在连杆内，轴承盖可通过相应的螺钉进行锁紧。而对于第一十字万向节联轴器和第二十字万向节联轴器的安装，可采用相应的挡板及螺钉进行锁紧固定。当然，也可以采用其他方式，只要使第一十字万向节联轴器和第二十字万向节联轴器能够稳固地与第一轴承和运动机构连接即可。本发明中通过采用气动肌肉，再配和十字万向节联轴器传递动力，提高了机器人在辅助患者进行康复时的柔顺性。\n[0046] 所述运动机构包括第一运动杆4、第二运动杆3、第三运动杆25、运动平台24、六轴力传感器19和脚盘17，主杆9后端设有第二轴承31和第二轴承盖30，第一运动杆4的端头卡装在第二轴承31内，第一运动杆4上设有第四轴承5和第四轴承盖51，第二运动杆3前端卡装在第四轴承5内，第二运动杆3的后端装设有第五轴承33和第五轴承盖32，第三运动杆25后端卡装在第五轴承33内，运动平台24和六轴力传感器19从下往上依次套装在第三运动杆25上，脚盘17装设在第三运动杆25的前端，运动平台24上设有第三轴承22和第三轴承盖，第三轴承盖通过螺钉锁紧在运动平台24上，第二十字万向节联轴器23与第三轴承22装接。其中，第二轴承31通常装在主杆9后端内，第二轴承盖30则通过螺钉固定在主杆9后端并盖住第二轴承31，第一运动杆4的端头处一般设置有一段轴，该轴插入第二轴承31内，使得第一运动杆相对于主杆可以进行转动。同理，第四轴承5也设置在第一运动杆4内，而第四轴承盖51通过螺钉装在第一运动杆4上且盖住第一轴承5，第二运动杆3前端卡装入该第四轴承5内实现第二运动杆3前端与第一运动杆4间的相对转动。而第五轴承33也一般设置在第二运动杆3后端内，第五轴承盖32通过螺钉锁紧在第二运动杆后端且盖住第五轴承，第三运动杆后端卡装在该第五轴承内实现该第三运动杆与第二运动杆间的相对活动。需要说明的是，对于轴承数量的设置，可根据实际需要和结构状态来灵活选择，如在相应的位置内可单独设置一个轴承，或者设置两个轴承，此为常规选择，在此不再详细赘述。\n[0047] 此外，还可在第三运动杆25上套装传感器托盘21，该传感器托盘21与六轴力传感器19相连接并可通过螺钉锁紧，运动平台24可通过螺钉锁紧在第三运动杆25上。通过该运动机构，实现了本机器人的三自由度(背屈/跖屈、内翻/外翻和内收/外展运动)运动，能够有效地控制脚盘和踝关节之间的距离，提高了本机器人的康复效果及适应性，并且通过运动范围的调整，能够适应不同患者的使用，适用性更加广泛。\n[0048] 此外，还可加设旋转角度传感器，用于检测各运动连杆的运动角度，第二轴承31内设有第一旋转角度传感器，第四轴承5内设有第二旋转角度传感器，第五轴承33内设有第三旋转角度传感器。该旋转角度传感器为包括磁铁端和芯片端，为公知产品，在此不再对其进行详细赘述。其中，第一旋转角度传感器的磁铁端安装在第一运动杆4插入主杆9后端的第二轴承31内的端头上，第一旋转角度传感器的芯片端安装在第二轴承盖30之内；第二旋转角度传感器的磁铁端安装在第二运动杆3插入第一运动杆4上的第四轴承5内的端头上，第二旋转角度传感器的芯片端安装在第四轴承盖51内；第三旋转角度传感器的磁铁端安装在第二运动杆3插入第三运动杆25后端上的第五轴承33内，第三旋转角度传感器的芯片端安装在第五轴承盖32内。通过该三个旋转角度传感器来实时监测三个运动杆的运动角度，也即监测了患者的运动角度，提高了本机器人康复训练效果。\n[0049] 需要说明的是，以上所述的第二轴承、第三轴承、第一套筒、第二套筒等，相应的部件结构相同，属于同一种部件，只是为了便于说明，而定义为第二轴承、第三轴承、第一套筒、第二套筒等，在此并无其他特别限定。\n[0050] 此外，在本发明中，在支撑架上左右两侧对称设置有两个主杆，并且每一个主杆上的前臂杆的两端都各自安装有一个驱动机构，即总共有四个驱动机构，也是具有四个气动肌肉。同一侧的两个气动肌肉之间的距离一般为250mm到350mm。对于脚盘，也可进行一定距离的调节，调节范围一般设置为0mm到20mm。运动平台也可进行上下调节，调节范围一般设为0mm到100mm。而脚盘与运动平台间的距离通常为0mm到120mm，前臂杆的可调范围为0mm到\n100mm，连杆的可调范围为0mm到50mm，支撑架的可调范围为0mm到300mm。本机器人所能达到的背屈/跖屈范围为40°/500。本机器人所能达到的内翻/外翻范围为40°/200。本机器人所能达到的内收/外展范围为20°/200。\n[0051] 详细运动过程如下：\n[0052] 首先，患者把受伤的脚放置在脚盘之上并固定，使得患者脚踝的运动轴与本发明的运动平台中的第二轴承运动中心对正。然后启动机器人，开始训练，首先气动肌肉根据预先设定的轨迹开始运动，气动肌肉下端带动运动平台进行运动，运动平台会根据四根气动肌肉相应的收缩和伸展进行相应的附和运动，第三运动杆也随之运动。并且气动肌肉上端带动的第一轴承12、第一十字万向节联轴器13进行相应的附和运动。在运动的时候前臂杆和主杆都是不运动的，前臂杆10的作用和连杆11是一样的，用来调节运动范围的，主杆9是用来调节整体的角度的。第一运动杆由运动平台直接带动，或者第二运动杆带动，或者由第三运动杆和第二运动杆一起带动，视运动轨迹而定；同样的第二运动杆是由下平台直接带动，或者由第三运动杆带动；第三运动杆是由运动平台带动的。主杆和第一运动杆直之间是通过轴承连接的。具体来而言，在训练过程中，气动肌肉提供相应的运动的力，其他部件都是做附和运动从而实现预定的运动轨迹，此外气动肌肉上端的连杆11是固定不动的，连杆\n11的作用只是用来调节运动范围，在气动肌肉运动时是固定的。需要调节运动范围时，松开连杆的螺钉旋扭，将连杆调整到相应位置再锁紧即可。\n[0053] 本发明机器人通过气动肌肉作为驱动器，改变传统的刚性驱动，提高机器人的柔顺性，使得人机交互时能够据患者的状态及时产生柔顺变化，最大程度地在康复训练环境中保证患者的安全和舒适。并且，在上述机器人的基础之上，还通过设定相应的控制方法，使得患者在训练的过程中，能够兼具被动训练和主动训练，可根据患者的意图在被动训练和主动训练中转换，能够满足不同康复阶段患者的训练需求。\n[0054] 对此，本发明揭示了一种基于上述以气动肌肉为驱动器的并联踝关节机器人，具体是基于上述以气动肌肉为驱动器的并联踝关节机器人的主、被动智能控制方法，包括以下步骤：\n[0055] 步骤1，初始机器人的运动轨迹规划。为了便于轨迹函数的变换及保证其位置/速度/加速度的连续性，以正弦函数为例作为康复机器人的初始轨迹，此方法也适用于其他复合正余弦函数轨迹。以初始运动轨迹沿着x轴为例，采用如下公式进行机器人初始轨迹的规划：\n[0056] xinit(t)＝Axsin(2πft)。\n[0057] 步骤2，检测患者脚踝与机器人之间的实际交互作用力/力矩，将该实际交互作用力/力矩与预设的交互作用力/力矩阈值进行比较。利用装设在机器人的运动平台和脚盘间的六轴力/力矩传感器，持续检测在在训练患者脚踝与机器人间的交互作用力/力矩，将该交互作用力/力矩与预设的交互作用力/力矩阈值相比较，作为修正机器人运动模式的判断条件。\n[0058] 步骤3，若实际交互作用力/力矩小于预设的交互作用力/力矩阈值，进入被动训练模式，保持当前运动轨迹，带动患者进行被动训练。\n[0059] 步骤4，若实际交互力/力矩大于预设的阈值，进入主动修正训练模式，修正当前运动轨迹和运动方向，同时保持机器人当前的运动速度和加速度不变，保证机器人运动的连续性，实现患者的主动修正训练。\n[0060] 在主动修正训练模式中，包含两种情况。一是主动修正训练模式-同轴；另外一种是主动修正训练模式-异轴。\n[0061] 主动修正训练模式-同轴，即实际交互作用力/力矩与当前运动轨迹同轴，此时保持当前运动轨迹的轴向，同时保持机器人当前的运动速度/加速度不变，保证其连续性，修正当前运动轨迹和运动方向，实现患者的主动修正训练。\n[0062] 在时刻t1患者主动交互作用力/力矩(Fint/τint)大于预设交互作用阈值F0/τ0，若交互作用力/力矩与当前轨迹同轴，则根据患者意图改变当前轨迹方向，同时保证其运动速度/加速度的连续，通过修正轨迹函数的相位来实现：\n[0063] xadap(t)＝xinit(t+φxadap)＝Axsin(2πf(t+φxadap))\n[0064] 其中\n[0065] 式中x1为轨迹修正前位置，x1'为轨迹修正前速度，φxadap为相位修正量。\n[0066] 主动修正训练模式-异轴，即交互作用力/力矩与当前运动轨迹不在同一轴向上，则改变当前运动轨迹轴向，使当前轴向运动轨迹变换为另一轴向运动轨迹，具体为首先将当前轴向运动逆向至运动轨迹零点停止，然后在零点位置转移至另一轴向轨迹运动，完成运动轨迹轴向的变换修正。这里以x轴向轨迹转向y轴为例：\n[0067]\n[0068] 通过上式改变x轴向轨迹并在t2时刻运动至零点，然后通过下式在零点重新规划y轴向轨迹：\n[0069] yadap(t)＝Aysin(2πf(tyadap+φyadap)),whenxadap(t)＝0\n[0070] 其中tyadap＝t-t3,\n[0071] 上式中，为保证其运动时间和轨迹的连续性，其时间和相位值都进行了修正。\n[0072] 步骤5，根据上述运动轨迹，对机器人的气动肌肉进行运动闭环控制，实现对运动轨迹的精确跟踪。在根据患者意图规划出新的轨迹之后，根据该控制方法实现对轨迹的精确稳定跟踪。在此后过程中，若患者不主动施加力产生足够大的交互作用力/力矩，则机器人带动患者进行被动运动训练；若患者主动施加力/力矩，则按照上述步骤重新规划轨迹函数，进而实现被动模式与主动修正模式对接的机器人智能控制。\n[0073] 此外，在对机器人的气动肌肉的运动控制，还具体包括以下步骤：\n[0074] 步骤5.1期望轨迹规划，确定机器人的修正形式，完成期望轨迹规划。由脚踝康复训练的需求确定机器人的运动方向和期望位移，计算所期望运动的位置坐标并进行在线的轨迹规划。这里利用正余弦函数拟合运动曲线进行规划轨迹。期望轨迹为背屈/跖屈方向轨迹、内翻/外翻方向轨迹和内收/外展方向轨迹。\n[0075] 步骤5.2，根据期望轨迹，通过运动学逆解方式计算气动肌肉的期望长度。下面以具体例子进行说明。如附图7所示，定义运动平台和固定平台的连接点分别为mpi和fsi，fO为固定平台上的中心位置向量，fRm是运动平台相对于原始坐标系统的旋转矩阵，而运动平台的位置向量可通过此矩阵和固定平台的信息计算，如下式：\n[0076] fPi＝fRm·mPi\n[0077]\n[0078] A12＝-sinθzcosθx+cosθzsinθysinθx\n[0079] A22＝cosθzcosθx+sinθzsinθysinθx\n[0080] A31＝-cosθzsinθx+sinθzsinθycosθx\n[0081] A23＝sinθzsinθx+cosθzsinθycosθx\n[0082] fLi＝fO+fRm·mPi-fSi\n[0083] 位置向量fLi即为气动肌肉的长度向量，其长度值可由下式计算：\n[0084]\n[0085] 步骤5.3，建立气动肌肉控制模型，采用公式F(p,k)＝(p+a)·eb·k+c·p·k+d·p+e建立函数模型，其中F为气动肌肉所产生的静态拉力，P为气动肌肉的内部气压，k,a,b,c,d,e等参数是通过气动肌肉气压、长度、拉力之间的关系实验获得的系数。\n[0086] 气动肌肉的收缩力取决于收缩率和内部气压。基于此通过实验获取经验数据，在充气和放气两种不同情形下建立静力学模型。\n[0087] 步骤5.4，根据气动肌肉控制模型，计算气动肌肉的期望长度所需要的气压值，对气动肌肉进行充气/放气操作，使气动肌肉中产生相应的气压值。此处一般通过气阀控制实现，过配置的气压控制比例阀，对气动肌肉进行充气/放气操作，使气动肌肉中产生相应的气压值。\n[0088] 步骤5.5，获取机器人的实际运动轨迹，通过运动学逆解方式计算得到气动肌肉的实际长度。一般情况是通过设置在机器人上的角度传感器获取机器人的实际运动轨迹，从而根据该实际运动轨迹，利用运动学逆解方式计算得到气动肌肉的实际长度。\n[0089] 步骤5.6，对气动肌肉进行闭环控制，具体为将得到的气动肌肉的实际长度与气动肌肉的期望长度进行比较，根据比较误差修正气动肌肉的气压值，控制气动肌肉长度进而控制机器人跟踪期望轨迹。在这种情况下，机器人动平台即可最大限度跟踪预定踝关节运动轨迹。这里采用先进PID控制方法实现气动肌肉闭环控制，以保证机器人运动的准确性和稳定性。\n[0090] 通过以上控制方法，可实现踝关节机器人的主被动训练模式无缝自由切换。在患者不希望主动训练时由机器人带动患肢进行被动运动，在患者希望主动训练时，通过其交互作用力/力矩修正轨迹运动状态，体现其对机器人的主动控制能力，可大大提高患者在训练中的主动参与和恢复水平。