一种人体颈椎模拟装置控制系统及控制方法与流程

本发明涉及颈椎模拟器械领域，特别涉及一种人体颈椎模拟装置控制系统及控制方法。

背景技术：

旋提手法作为辅助、替代药物治疗颈椎病的有效方式被广泛应中医临床治疗，在旋提手法中，医生要求患者的头部主动水平旋转至极限角度，然后低头实现最大屈曲后再水平旋转，达到有固定感的过程称为旋转过程；医生以肘部托住患者下颌，轻轻向上牵引，然后让患者放松肌肉，同时肘部迅速用力向上提拉的过程称为提扳过程，但是该类手法受到操作不规范，临床经验匮乏，医师手法水平参差不齐的影响，容易对患者产生组织拉伤等二次伤害。中国中医科学院望京医院通过对旋提手法的深入研究，设计出用于旋提手法培训的颈椎器械模拟装置，能够对旋提手法的每个阶段进行评估，其是通过对颈椎器械模拟装置施加外力，颈椎器械模拟装置可以在外力的作用下产生相应的机械变形或者运动，来实现人体颈椎的模拟；但是由于颈椎器械模拟装置相应外力的运动轨迹是由颈椎器械模拟装置本身的材料的刚度或者颈椎器械模拟装置中传动部件间的作用力决定的，无法模拟人体颈椎运动的柔顺性，也无法实现当水平旋转超过某一角度，脖子的刚度迅速变大的模拟，在提扳过程中，无法模拟接触力和颈椎的生物力学特性决定的脖子的运动轨迹，即现有的椎器械模拟装置无法实现旋提手法下人体颈椎生物力学特性的模拟。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了实现旋提手法下人体颈椎生物力学特性的模拟，提供一种人体颈椎模拟装置控制系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种人体颈椎模拟装置控制系统，所述人体颈椎模拟装置为人体颈椎的模拟结构，包括关节，所述关节包括水平旋转关节和仰俯旋转关节，所述人体颈椎模拟装置控制系统包括力矩传感器、驱动电机和控制器，所述力矩传感器与所述控制器连接，所述控制器与所述驱动电机连接；

所述力矩传感器用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的关节产生的力矩；

所述控制器用于根据所述力矩计算得到所述接触力，并根据所述接触力控制所述驱动电机；

所述驱动电机用于驱动所述人体颈椎模拟装置的关节旋转。

可选的，所述力矩传感器包括水平旋转关节力矩传感器和仰俯旋转关节力矩传感器；

可选的，所述水平旋转关节力矩传感器与所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节同轴，用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节产生的力矩；

所述仰俯旋转关节力矩传感器与所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节同轴，用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节产生的力矩。

可选的，所述驱动电机包括水平旋转关节驱动电机和仰俯旋转关节驱动电机；

所述水平旋转关节驱动电机与所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节同轴，用于驱动水平旋转关节旋转；

所述仰俯旋转关节驱动电机与所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节同轴，用于驱动仰俯旋转关节旋转。

一种人体颈椎模拟装置控制方法，包括如下步骤：

根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第一接触力，采用基于位置的阻抗控制策略控制所述人体颈椎模拟装置旋转，使所述颈椎模拟装置处于待提扳状态；

根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第二接触力，采用力跟踪控制策略控制所述驱动电机驱动所述处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置对提扳过程中的人体颈椎生物力学特性进行模拟。

可选的，所述采用基于位置的阻抗控制策略控制所述人体颈椎模拟装置旋转的具体步骤包括：

根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第一接触力，采用基于位置的阻抗控制策略，确定所述接触力产生的位置偏差；

根据所述位置偏差驱动所述驱动电机驱动所述人体颈椎模拟装置的关节旋转。

可选的，所述采用基于位置的阻抗控制策略，确定所述接触力产生的位置偏差的具体步骤包括：

根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第一接触力，建立基于位置的阻抗控制策略方程：

其中，m、b、k分别表示所述人体颈椎模拟装置关节的惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，fext表示第一接触力；xd和x分别表示第一期望位置和实际位置，分别为第一期望位置xd关于时间的一阶导数和二阶导数，分别表示实际位置x关于时间的一阶导数和二阶导数；

令e＝xr-x,和然后对式(1)进行拉普拉斯变换得到

(ms²+bs+k)e(s)＝fext(s)(2)

对式(2)进行简化，得到所述接触力fext产生的位置偏差为：

可选的，所述采用力跟踪控制策略控制所述驱动电机驱动所述处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置对提扳过程中的人体颈椎生物力学特性进行模拟的具体步骤包括：

根据所述力矩传感器获取的第二接触力，得到环境刚度估计值和环境位置估计值；

根据所述环境刚度估计值和所述环境位置估计值，结合所述力矩传感器获取的第二接触力与期望力之间的误差，采用力跟踪控制策略，确定所述人体颈椎模拟装置的旋转轨迹；

根据所述旋转轨迹对所述驱动电机进行位置伺服控制，使所述驱动电机驱动所述人体颈椎模拟装置进行模拟实际人体所具有的生物力学特性的提扳。

可选的，所述根据所述力矩传感器获取的第二接触力，得到环境刚度估计值和环境位置估计值的具体步骤包括：

建立第二接触力的估计值，与所述环境刚度估计值和所述环境位置估计值的关系式：

其中，为第二接触力的估计值，和分别表示环境刚度估计值和环境位置估计值，x为人体颈椎模拟装置末端位置，

令其中，ke为实际环境刚度，kx＝xke，具体的φk和φx为代表符号，表示估计值与实际值的偏差，则所述力矩传感器获取的第二接触力fe与第二接触力的估计值的误差值为：

调整和的值，使得得到调整后的和的值，即为所述环境刚度估计值和所述环境位置估计值。

可选的，所述采用力跟踪控制策略，确定所述人体颈椎模拟装置的旋转轨迹的具体步骤包括：

通过力矩传感器获取所述提扳过程中的第二接触力，将所述第二接触力与期望力的差值作为力跟踪误差ef；并对力跟踪误差ef进行比例、积分和微分运算，得到位置跟踪误差

根据接触力与所述人体颈椎模拟装置形变的关系，计算所述人体颈椎模拟装置的实际位置x：

其中，环境位置估计值，fr为期望力，为环境刚度估计值；

根据所述位置跟踪误差和所述实际位置，建立关于第二期望位置xr的力跟踪控制策略方程：

其中，m、b、k分别表示所述人体颈椎模拟装置关节的惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，分别表示第二期望位置xr关于时间的一阶导数和二阶导数，和分别表示实际位置x关于时间的一阶导数和二阶导数。

采用拉普拉斯变换的方式，求解所述力跟踪控制方程，得到所述第二期望位置，即所述人体颈椎模拟装置的旋转轨迹：

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种人体颈椎模拟装置控制系统及控制方法。所述控制系统包括力矩传感器、驱动电机和控制器；通过力矩传感器用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力，及所述接触力对所述人体颈椎模拟装置的关节产生的力矩；通过控制器用于根据所述力矩传感器获取的接触力和力矩控制所述驱动电机，通过驱动电机驱动人体颈椎模拟装置转动，通过控制器控制人体颈椎模拟装置的运动，可以根据需要设置不同的接触力和运动轨迹的关系，克服了现有的人体颈椎模拟装置在接触力作用下，通过所述人体颈椎模拟装置对接触力的机械响应而运动，无法控制其运动轨迹，保证运动的柔顺性，实现颈椎的生物学特性模拟的技术缺陷。

所述方法为采用基于位置的阻抗控制策略控制所述人体颈椎模拟装置旋转，使所述颈椎模拟装置处于待提扳状态，实现旋转过程模拟，保证了旋转过程的柔顺性；采用力跟踪控制策略控制所述驱动电机驱动所述处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置，实现提扳过程人体颈椎的生物力学特性的模拟，实现了关节旋转角度和外界作用力的非线性关系的模拟。采用本发明的控制系统或方法实现了旋提手法下人体颈椎生物力学特性的模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种人体颈椎模拟装置控制系统的结构框图；

图2为本发明提供的一种人体颈椎模拟装置控制系统的流程图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种人体颈椎模拟装置控制系统及控制方法，以实现旋提手法下人体颈椎生物力学特性的模拟。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种人体颈椎模拟装置控制系统，所述人体颈椎模拟装置为人体颈椎的模拟结构，包括关节，所述关节包括水平旋转关节和仰俯旋转关节，所述人体颈椎模拟装置控制系统包括力矩传感器1、驱动电机3和控制器2，所述力矩传感器1与所述控制器2连接，所述控制器2与所述驱动电机3连接；

所述力矩传感器1用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的关节产生的力矩；

所述控制器2用于根据所述力矩计算所述接触力，并根据所述接触力控制所述驱动电机；

所述驱动电机3用于驱动所述人体颈椎模拟装置的关节旋转。

可选的，所述力矩传感器1包括水平旋转关节力矩传感器和仰俯旋转关节力矩传感器；

可选的，所述水平旋转关节力矩传感器与所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节同轴，用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节产生的力矩；

所述仰俯旋转关节力矩传感器与所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节同轴，用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节产生的力矩。

可选的，所述驱动电机3包括水平旋转关节驱动电机和仰俯旋转关节驱动电机；

所述水平旋转关节驱动电机与所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节同轴，用于驱动水平旋转关节旋转；

所述仰俯旋转关节驱动电机与所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节同轴，用于驱动仰俯旋转关节旋转。

如图2所示，一种人体颈椎模拟装置控制方法，包括如下步骤：

步骤201根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第一接触力，采用基于位置的阻抗控制策略控制所述人体颈椎模拟装置旋转，使所述颈椎模拟装置处于待提扳状态；具体的，所述步骤201实现的是旋提手法中的旋转过程的模拟，所述第一接触力为医生使所述人体颈椎模拟装置旋转时施加的接触力，所述第一接触力包括水平旋转接触力和仰俯旋转接触力。

步骤202根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第二接触力，采用力跟踪控制策略控制所述驱动电机驱动所述处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置对提扳过程中的人体颈椎生物力学特性进行模拟；具体的，所述步骤202实现的是旋提手法中的提扳过程的模拟，所述第二接触力为医生对处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置进行提扳使施加的接触力。

可选的，步骤201所述采用基于位置的阻抗控制策略控制所述人体颈椎模拟装置旋转的具体步骤包括：

根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第一接触力，采用基于位置的阻抗控制策略，确定所述接触力产生的位置偏差；

根据所述位置偏差驱动所述驱动电机驱动所述人体颈椎模拟装置的关节旋转。

具体的，使所述颈椎模拟装置处于待提扳状态的具体步骤包括：

在接触力的作用下，采用基于位置的阻抗控制策略，使所述人体颈椎模拟装置水平旋转至设定的极限角度，然后俯仰旋转至设定的极限角度，然后再水平旋转至仰俯旋转极限角度下的水平旋转极限角度。

可选的，所述采用基于位置的阻抗控制策略，确定所述第一接触力产生的位置偏差的具体步骤包括：

根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第一接触力，建立基于位置的阻抗控制策略方程：

其中，m、b、k分别表示所述人体颈椎模拟装置关节的惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，fext表示第一接触力；xd和x分别表示第一期望位置和实际位置，分别为第一期望位置xd关于时间的一阶导数和二阶导数，分别表示实际位置x关于时间的一阶导数和二阶导数；具体的，所述第一期望位置为所述控制器通过控制策略得到的第一接触力作用下希望达到的位置，所述实际位置为所述颈椎模拟装置响应控制器的控制而实际实现的位置；

令e＝xr-x,和然后对式(1)进行拉普拉斯变换得到

(ms²+bs+k)e(s)＝fext(s)(2)

对式(2)进行简化，得到所述接触力fext产生的位置偏差为：

可选的，所述采用力跟踪控制策略控制所述驱动电机驱动所述处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置对提扳过程中的人体颈椎生物力学特性进行模拟的具体步骤包括：

根据所述力矩传感器获取的第二接触力，得到环境刚度估计值和环境位置估计值；

根据所述环境刚度估计值和所述环境位置估计值，结合所述力矩传感器获取的第二接触力与期望力之间的误差，采用力跟踪控制策略，确定所述人体颈椎模拟装置的旋转轨迹；

根据所述旋转轨迹对所述驱动电机进行位置伺服控制，使所述驱动电机驱动所述人体颈椎模拟装置进行模拟实际人体所具有的生物力学特性的提扳。

可选的，所述根据所述力矩传感器获取的第二接触力，得到环境刚度估计值和环境位置估计值的具体步骤包括：

建立第二接触力的估计值，与所述环境刚度估计值和所述环境位置估计值的关系式：

其中，为第二接触力的估计值，和分别表示环境刚度估计值和环境位置估计值，x为，人体颈椎模拟装置末端位置，

令其中，ke为实际环境刚度，kx＝xke，具体为φk和φx为代表符号，表示估计值与实际值的偏差；则所述力矩传感器获取的第二接触力fe与第二接触力的估计值的误差值为：

调整和的值，使得得到调整后的和的值，即为所述环境刚度估计值和所述环境位置估计值，具体为：

采用李雅普诺夫方法，得到正定二次李雅普诺夫函数为

v＝φ^tpφ

其中，p表示对称正定常数矩阵；

令通过李雅普诺夫函数的微分是否为负半正定，判断控制系统的稳定性，即若满足式(9)，则系统稳定；

在系统稳定的条件下，通过计算得到环境与刚度的估计值：

其中，η1和η2为正标量常数，和分别表示积分产生的常数项。

可选的，步骤202所述采用力跟踪控制策略，确定所述人体颈椎模拟装置的旋转轨迹的具体步骤包括：

通过力矩传感器获取所述提扳过程中的第二接触力，将所述第二接触力与期望力的差值作为力跟踪误差ef；对力跟踪误差ef进行比例、积分和微分运算，得到位置跟踪误差具体的，所述期望力为控制系统设定的所述人体颈椎模拟装置在模拟人的颈椎在第二接触力作用下表现出的反作用力。

根据接触力与所述人体颈椎模拟装置形变的关系，计算所述人体颈椎模拟装置的实际位置x：

其中，环境位置估计值，fr为期望力，为环境刚度估计值；

根据所述位置跟踪误差和所述实际位置，建立关于第二期望位置xr的力跟踪控制策略方程：

其中，m、b、k分别表示所述人体颈椎模拟装置关节的惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，分别表示第二期望位置xr的关于时间的一阶导数和二阶导数，和分别表示实际位置x的关于时间的一阶导数和二阶导数，所述第二期望位置为所述控制器通过控制策略得到的第二接触力作用下希望达到的位置。

采用拉普拉斯变换的方式，求解所述力跟踪控制方程，得到所述第二期望位置，即所述人体颈椎模拟装置的旋转轨迹：

具体的，所述求解所述力跟踪方程，得到所述期望位置的具体步骤包括：

将(6)的一二阶导数带入式(7)得

并利用模糊规则，节整kp、ki、kd，以提高控制系统的性能；

根据式(12)进行拉普拉斯变换并得到稳态误差为

如果要求稳态误差为0，那么必须要求分子为零，得到最后将得到的规划轨迹

所述利用模糊规则，节整kp、ki、kd，以提高控制系统的性能的具体步骤包括：

当控制系统输出超过设定值时，减小ki，当系统上升时间大于要求的上升时间时，增加ki；

在稳态时，控制系统输出产生波动现象，增加kd，系统输出对干扰信号反应灵敏，减小kd；

控制系统上升时间过长，增加kp，控制系统输出发生振荡现象，减小kp。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种人体颈椎模拟装置控制系统及控制方法。所述控制系统包括力矩传感器、驱动电机和控制器；通过力矩传感器用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力，及所述接触力对所述人体颈椎模拟装置的关节产生的力矩；通过控制器用于根据所述力矩传感器获取的接触力和力矩控制所述驱动电机，通过驱动电机驱动人体颈椎模拟装置转动，通过控制器控制人体颈椎模拟装置的运动，可以根据需要设置不同的接触力和运动轨迹的关系，克服了现有的人体颈椎模拟装置在接触力作用下，通过所述人体颈椎模拟装置对接触力的机械响应而运动，无法控制其运动轨迹，保证运动的柔顺性，实现颈椎的生物学特性模拟的技术缺陷。

所述方法为采用基于位置的阻抗控制策略控制所述人体颈椎模拟装置旋转，使所述颈椎模拟装置处于待提扳状态，实现旋转过程模拟，保证了旋转过程的柔顺性；采用力跟踪控制策略控制所述驱动电机驱动所述处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置，实现提扳过程人体颈椎生物力学特性的模拟，实现了关节旋转角度和外界作用力的非线性关系的模拟。采用本发明的控制系统或方法实现了旋提手法下人体颈椎生物力学特性的模拟。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅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。