CN102499700A - 下肢康复人-机耦合力检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种下肢康复人-机耦合力检测装置和方法。本装置包括左右两条外骨骼机械腿、电机和康复靴，所述两个外骨骼机械腿的上大腿和小腿上各安装有一个人-机耦合力检测机构。本测量装置主要是通过检测患者在主动运动模式下进行下肢康复训练时外骨骼机械腿与患者间的耦合力，用来提取运动过程中的人腿主动力。本发明系统结构简单，操作方便，测得的人-机耦合力可以作为下肢康复机器人外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制的依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种下肢康复人-机耦合力检测装置和方法。测量系统主要是通过检测患者在主动运动模式下进行下肢康复训练时外骨骼机械腿与患者间的人-机耦合力，用来提取运动过程中的人腿主动力，作为下肢康复机器人外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制依据。
背景技术
在已有下肢康复技术中，外骨骼机械腿是一种直接作用于患者，通过施加力的作用，改变患者下肢神经、肌肉系统功能特性的体外装置。它能模拟人腿在跑步机上步行，具有类似人腿的机构和动态特性。该系统具有两种工作模式，一种被动运动模式：外骨骼机械腿完全抑制患者的异常运动，带动患者按预定的生理步态轨迹训练；另一种主动运动模式，外骨骼机械腿抑制患者有限的异常运动，同时通过不断地检测人-机耦合力，帮助患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度，在此状态下外骨骼机械腿与患者间耦合力的检测非常重要，是实现外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制的基础。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种下肢康复人-机耦合力检测装置和方法，应用本人-机耦合力检测系统对人和外骨骼机械腿间的耦合力进行检测，测得的数据传输给外骨骼机械腿的控制系统作为外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制依据，使得在主动运动模式下患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度。
为达到上述目的，本发明的构思是：当在下肢康复训练机器人被训练人主动运动模式时，分析机器人系统的动力学模型得到人腿主动力的方向并估算其力的范围，选取合适的传感器，设计人-机耦合力测量装置，用于测量人腿主动力方向上的人-机耦合力，并起到联接人腿与外骨骼机械腿的作用。再根据测得的人-机耦合力，结合机器人系统的动力学模型推导出人腿主动力的大小，作为控制系统对外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力的控制依据。
根据上述的构思，本发明采用如下技术方案：
一种下肢康复人-机耦合力检测装置，包括了左右两条外骨骼机械腿、电机和康复靴，其特征在于所述两个外骨骼机械腿的上大腿和小腿上各装有一个人-机耦合力检测机构。
上述人-机耦合力检测机构包含有内卡环、外卡环、拉、压力传感器、传感器固定螺母、圆弧形金属垫块、微型直线导轨和联接导杆，所述拉、压力传感器的两端均为外螺纹杆，其一端旋入一个内螺纹块，该内螺纹块固定于内卡环上；另一端穿过圆弧形金属垫块和一个支架中间的圆孔由传感器固定螺母固定，该支架固定于外卡环上；一根联接导杆固定于外卡环上；拉、压力内卡环与外卡环间通过一对对称分布的微型直线导轨联接；拉、压力传感器与支架之间、支架与传感器固定螺母分别有一对圆弧形的金属垫块，联接导杆与所述外骨骼机械腿上大腿和小腿连接，拉、压力传感器的输出电线连接采集卡。
一种下肢康复机器人人-机耦合力的检测方法，采用上述装置进行检测，其特征在于具体检测步骤如下：
1) 患者的左、右脚分别穿入两条外骨骼机械腿的康复靴中，在大腿、小腿处的人-机耦合力测量装置由绑带将人腿与外骨骼机械腿联接在一起，以保证外骨骼机械腿带动人腿共同进行步行运动；
2) 打开电源，系统按照预先设定的生理步态进行程序初始化；
3) 外骨骼机械腿开始带动人腿运动按照预先设定的生理步态轨迹运动；
4) 在主动运动模式下，人腿的主动力使得传感器检测到人-机耦合力，该力信号经滤波后的数据信息输出到人-机界面，同时后台将其数据代入动力学模型进行计算求得人腿主动力；
5) 控制系统以人腿主动力的大小为依据实时调整外骨骼机械腿的步态轨迹和电机的输出驱动力大小，以保证患者总是按照预先设定的生理步态轨迹行走的；
6) 检测步骤4）中的主动运动模式指以患者为控制对象，外骨骼机械腿抑制患者有限的异常运动，通过传感器不断地检测人-机耦合力，改变外骨骼机械腿上电机的输出驱动力大小，帮助患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度；
7) 检测步骤4）中的人-机耦合力指在主动运动模式下，患者进行康复训练过程中人腿与外骨骼机械腿上的人-机耦合力检测装置间的相互作用力；
8) 检测步骤4）中的人腿主动力计算公式为： 
本发明与现有技术比较，有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
在下肢康复训练机器人系统中，通过检测患者在主动运动模式下进行下肢康复训练时外骨骼机械腿与患者间的耦合力，用来提取运动过程中的人腿主动力，作为下肢康复机器人外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制的依据，增加患者主动参与康复训练的程度。
附图说明
图1是装有人-机耦合力测量装置和康复靴的单条外骨骼机械腿右腿的三维模型图。
图2是人-机耦合力测量装置的三维模型图。
图3是髋关节驱动力臂简图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例1：本下肢康复人-机耦合力检测装置的机理为：参见附图1，图2。人的步行过程是在神经系统的控制下依靠肌肉和骨骼来实现的。从机构学的角度看，人的步行过程是一个多自由度空间机构的复杂运动，控制系统是一个复杂的自动调节系统。当人腿和外骨骼机械腿联接之后，外骨骼机械腿模仿人腿的步态带动人腿运动。
按照动力学模型假设，人腿和外骨骼机械腿均视为在矢状面上运动，即髋、膝、踝关节只是弯屈、伸展运动。在该矢状面内患者主动力可以分解为两个一维力，一个是垂直于连杆方向的力，另一个是沿着连杆方向的力。在患者主动力的提取模型中，分别将垂直于连杆方向的力和沿着连杆方向的力平移至外骨骼机械腿上，这样平移会对外骨骼的髋、膝和踝关节产生附加的力矩。因为沿着连杆方向的力沿着连杆方向通过转动关节，而由于垂直于连杆方向的力和沿着连杆方向的力平移产生的附加力矩对外骨骼机械腿产生的影响也由各关节处的轴承限制住，仅对轴承座产生附加的摩擦力，该摩擦力可忽略不计，所以均不考虑为影响关节驱动力矩的大小的因素。
假设训练过程中，患者与外骨骼机械腿间通过绷带绑得很紧、无间隙，则人腿与外骨骼机械腿始终保持同步运动。无论主动运动模式或是被动运动模式，如按一定的生理规划步态行走，则整个系统所需的驱动力矩即机械腿的驱动力矩和人腿的主动力矩之和是一定的，其大小就等于被动运动模式时的各关节驱动力矩。当患者参与主动运动时，根据动力学模型分析可推导出垂直于连杆方向的患者主动力。外骨骼机械腿各关节的驱动力的大小会根据患者主动力的增加而减小或反之，以保证患者的步行轨迹总是按照生理规划步态行走的。
本下肢康复人-机耦合力检测装置，包括左右两条外骨骼机械腿（9）、电机（1）和康复靴（6），其特征在于所述两个外骨骼机械腿（9）的上大腿和小腿上各安装有一个人-机耦合力检测机构（2）。
上述人-机耦合力测量机构（2）包含有内卡环（11）、外卡环（13）、拉、压力传感器（17）、传感器固定螺母（16）、圆弧形金属块（15）、微型直线导轨（10）和联接导杆（18）。根据外骨骼机械腿动力学模型及人-机耦合力检测机理分析，为了测得人腿主动力提取模型中的人-机耦合力，传感器（17）安装于内卡环（11）、外卡环（13）正中间。其只能承受沿x轴方向的拉、压力，即内卡环（11）只能相对于外卡环（13）沿x轴方向运动，其余侧向力均需借助合理的外部机械结构来限制，否则会很大程度上影响人-机耦合力的测量精度。由于内卡环（11）、外卡环（13）间通过一对对称分布的微型直线导轨（10）联接，所以内卡环（11）绕x轴方向旋转运动、沿y轴上下运动、沿z轴左右运动及绕z轴方向旋转运动都被限制了。由于在实际步行康复训练过程中，外骨骼机械腿（9）与人腿间的相互作用力还可能使内卡环绕y轴方向旋转运动，导致人-机耦合力的测量精度降低，所以在传感器（17）与外卡环的联接处设计了两对圆弧形的金属块（15）来限制因内卡环绕y轴方向旋转运动而导致传感器（17）受到的弯矩影响。当传感器（17）尚未完全固定时，内卡环（11）相对于外卡环（13）可以沿着导轨（10）的方向自由滑动，且此时传感器（17）的输出信号读数为零；当传感器（17）的上端与外卡环（13）间的固定螺母（16）被拧紧，传感器（17）安装完毕，内卡环(11)、外卡环(13)之间基本无相对滑动，此时传感器(17)的输出信号读数理论值也应当为零。但由于零件加工中的误差、装配体零件之间的机械间隙等的影响，需对传感器（17）通过软件初始化进行调零。
人-机耦合力测量机构（2）通过导杆（18）固定在外骨骼机械腿（9）的大腿和小腿处，且安装位置可以通过导杆（18）与垫块（3）实现左右、前后调节。在外骨骼机械腿（9）的小腿与踝关节位置安装了康复靴（6），康复靴（6）两侧的固定板（4）通过两个连接块（5）将其与小腿处人-机耦合力测量装置的内卡环（11）联接；固定板（4）下面是康复靴（6）的旋转关节以模拟人的踝关节，且其旋转角度范围可调节，连接块（5）与内卡环（11）的连接位置要保证康复靴（6）的转动关节与外骨骼机械腿（9）的踝关节同轴，以免发生干涉；在康复靴（6）鞋体的外侧固定一连接钢板（7），用来安装联接外骨骼机械腿（9）与康复靴（6）的两根轴（8），以确保承受人体的重量。
上述的多功能数据采集卡采用DAQ-2204。
上述的拉、压力传感器17采用了HBM的U9B拉、压力传感器。
上述的直线导轨10采用了MISUMI的微型直线导轨。
实施例2：本下肢康复人-机耦合力检测方法，采用上述装置进行检测，具体检测步骤如下：
1) 患者的左、右脚分别穿入左、右两条外骨骼机械腿（9）的康复靴（6）中，在大腿、小腿处的两个人-机耦合力检测装置（2）由绑带（19）将人腿与外骨骼机械腿（9）联接在一起，以保证外骨骼机械腿（9）带动人腿共同进行步行运动；
2) 打开电源，系统按照预先设定的生理步态进行程序初始化；
3) 外骨骼机械腿（9）开始带动人腿运动按照预先设定的生理步态轨迹运动；
4) 在主动运动模式下，人腿的主动力使得传感器（17）检测到人-机耦合力，该力信号经滤波后的数据信息输出到人-机界面，同时后台将其数据代入动力学模型进行计算求得人腿主动力；
5) 控制系统以人腿主动力的大小为依据实时调整外骨骼机械腿（9）的步态轨迹和电机（1）的输出驱动力大小，以保证患者总是按照预先设定的生理步态轨迹行走的；
6) 检测步骤4)中的主动运动模式指以患者为控制对象，外骨骼机械腿（9）抑制患者有限的异常运动，通过传感器（17）不断地检测人-机耦合力，改变外骨骼机械腿（9）上电机（1）的输出驱动力大小，帮助患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度；
7) 检测步骤4)中的人-机耦合力指在主动运动模式下，患者进行康复训练过程中人腿与外骨骼机械腿（9）上的人-机耦合力检测装置（2）间的相互作用力；
8) 检测步骤4)中的人腿主动力计算公式为：
Claims (3)
1.一种下肢康复人-机耦合力检测装置，包括左右两条外骨骼机械腿（9）、电机（1）和康复靴（6），其特征在于所述两个外骨骼机械腿（9）的上大腿和小腿上各安装有一个人-机耦合力检测机构（2）。
2.根据权利要求1所述的下肢康复人-机耦合力检测装置，其特征在于所述人-机耦合力检测机构（2）包含有内卡环（11）、外卡环（13）、拉、压力传感器（17）、传感器固定螺母（16）、圆弧形金属垫块（15）、微型直线导轨（10）和联接导杆（18），所述拉、压力传感器（17）的两端均为外螺纹杆，其一端旋入一个内螺纹块（12），该内螺纹块（12）固定于内卡环（11）上；另一端穿过圆弧形金属垫块（15）和一个支架（14）中间的圆孔由传感器固定螺母（16）固定，该支架（14）固定于外卡环（13）上；一根联接导杆（18）固定于外卡环（13）上；拉、压力内卡环（11）与外卡环（13）间通过一对对称分布的微型直线导轨（10）联接；拉、压力传感器（17）与支架（14）之间、支架（14）与传感器固定螺母（16）分别有一对圆弧形的金属垫块（15），联接导杆（18）与所述外骨骼机械腿上大腿和小腿连接，拉、压力传感器（17）的输出电线连接采集卡。
3.一种下肢康复人-机耦合力检测方法，采用根据权利要求1所述下肢康复人-机耦合力检测装置进行检测，其特征在于具体检测步骤如下：
1) 患者的左、右脚分别穿入左、右两条外骨骼机械腿（9）的康复靴（6）中，在大腿、小腿处的两个人-机耦合力检测装置（2）由绑带（19）将人腿与外骨骼机械腿（9）联接在一起，以保证外骨骼机械腿（9）带动人腿共同进行步行运动；
2) 打开电源，系统按照预先设定的生理步态进行程序初始化；
3) 外骨骼机械腿（9）开始带动人腿运动按照预先设定的生理步态轨迹运动；
4) 在主动运动模式下，人腿的主动力使得传感器（17）检测到人-机耦合力，该力信号经滤波后的数据信息输出到人-机界面，同时后台将其数据代入动力学模型进行计算求得人腿主动力；
5) 控制系统以人腿主动力的大小为依据实时调整外骨骼机械腿（9）的步态轨迹和电机（1）的输出驱动力大小，以保证患者总是按照预先设定的生理步态轨迹行走的；
6) 检测步骤4)中的主动运动模式指以患者为控制对象，外骨骼机械腿（9）抑制患者有限的异常运动，通过传感器（17）不断地检测人-机耦合力，改变外骨骼机械腿（9）上电机（1）的输出驱动力大小，帮助患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度；
7) 检测步骤4)中的人-机耦合力指在主动运动模式下，患者进行康复训练过程中人腿与外骨骼机械腿（9）上的人-机耦合力检测装置（2）间的相互作用力；
8) 检测步骤4)中的人腿主动力计算公式为： 
式中，
为被动训练模式时的驱动力矩，即按一定的生理规划步态行走时整个系统所需的驱动力矩，其大小等于外骨骼机械腿的驱动力矩和人腿的主动力矩之和；
表示人腿主动力垂直于连杆方向的分力；
为外骨骼机械腿的关节驱动力；L为关节驱动力至关节旋转点的距离；
为卡环的安装位置到关节旋转点的距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140514 Termination date: 20170929 |