CN105326627B - 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法 - Google Patents

基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105326627B
CN105326627B CN201510834976.3A CN201510834976A CN105326627B CN 105326627 B CN105326627 B CN 105326627B CN 201510834976 A CN201510834976 A CN 201510834976A CN 105326627 B CN105326627 B CN 105326627B
Authority
CN
China
Prior art keywords
leg
hip
knee
trunk
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201510834976.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105326627A (zh
Inventor
史景伦
王燕芳
黄怀
袁斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201510834976.3A priority Critical patent/CN105326627B/zh
Publication of CN105326627A publication Critical patent/CN105326627A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105326627B publication Critical patent/CN105326627B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/005Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about with knee, leg or stump rests
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/007Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50Control means thereof
    • A61H2201/5007Control means thereof computer controlled
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61HPHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/62Posture
    • A61H2230/625Posture used as a control parameter for the apparatus

Abstract

本发明公开了基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法。该方法包括1)平行站立姿态的判断;2)行走触发条件的判断:控制模块分析处理传感器采集到的数据,判断是否满足以下条件:若同时满足条件C5、C7,则满足先迈右腿的触发条件;若同时满足条件C6、C8,则满足先迈左腿的触发条件;若未同时满足条件C5、C7或未同时满足条件C6、C8,控制模块持续检测传感器数据,判断用户姿态;3)行走触发控制;4)控制模块继续检测判断躯干倾角、脚底压力和拐杖压力传感器的数据,进入步态维持状态;本发明采用躯干倾角传感器,拐杖触地压力传感器判断用户的重心,在保障用户安全的前提下,实现从平行站立站状态到行走状态的触发控制。

Description

基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种康复装置行走控制方法,特别是涉及一种基于躯千重心偏移的仿 生外骨骼康复装置的行走触发控制方法,属于康复工程技术领域。可穿戴仿生外骨骼机械 腿康复装置简称康复装置。
背景技术
[0002] 近年来,由于经济技术的快速发展,交通运输工具越来越多,据相关调查数据显 示,中国的交通事故率是发达国家的8倍,因交通事故而造成神经中枢损伤或者肢体损伤的 人数一直呈上升趋势。同时,随着人民生活水平的提高,目前患心脑血管疾病或神经系统疾 病的人越来越多,而且在年龄上也呈现年轻化趋势,这类患者多数伴有偏瘫症状。对完全瘫 痪的患者而言,纯粹的药物治疗和手术治疗无法使患者彻底康复,因此,需要借助康复工程 的手段去改善或代替瘫痪病人失去的功能。可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置,穿戴在使 用者下肢及腰背部,为用户提供诸如助力、保护、身体支撑等功能,同时又融合了传感、控 制、信息获取、移动计算等机器人技术,使得该康复装置能在用户的控制下完成一定的功能 和任务,是典型人机一体化系统。这种行走助力装置可以减少截瘫病人长期卧床或者坐轮 椅引起的压疮和肌肉萎缩等疾病,帮助他们站立和行走,提高其生活质量,并减轻患者家庭 和社会的经济负担,研究开发更符合用户体验的更安全可靠的可穿戴仿生外骨骼机械腿康 复装置具有十分重要的实际意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于为保障使用者的安全,提供一种基于躯干重心偏移的仿生外骨 骼机械腿的行走触发控制方法,对用户平行站立姿态到行走状态的转换过程进行控制。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005] 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法,包括如下步骤:
[0006] 1)平行站立姿态的判断:控制模块分析处理传感器采集到的数据,判断是否同时 满足以下4个条件:C1: Z前后=-5°〜+5°,Z站=-5°〜+5° ;C2: Z髋二170°〜180°,Z膝=170° 〜180°; C3: | Fpl-Fpr |/FP〈 10 % ; C4: Fc>0,| Fci-Fcr |/Fc〈5 % ;若控制模块检测到传感器数据满 足条件Cl、C2、C3、C4则用户处于平行站立姿态;若不满足上述4个条件中的任一条件,则不 是平行站立姿态;
[0007] 2)行走触发条件的判断:控制模块分析处理传感器采集到的数据,判断是否满足 以下条件:C5: Z前后=+5。〜+15。,Z*&amp;=+5。〜+15°或C6: Z前后=+5°〜+15。,Zse=_5。〜_ 15°; C7:Fc>0,Fcl>Fcr或C8: FC>0,Fa<Fcr;若同时满足条件C5、C7,则满足先迈右腿的触发条 件;若同时满足条件C6、C8,则满足先迈左腿的触发条件;若未同时满足条件C5、C7或未同时 满足条件C6、C8,控制模块持续检测传感器数据,判断用户姿态;
[0008] 3)行走触发控制:若控制模块检测到用户满足迈右腿的触发条件,控制模块向右 腿髋部电机和右腿膝部电机发出指令,执行迈右腿动作:右腿髋部电机开始以加速度ao从 静止匀加速至速度VQ,然后以速度VQ转动,带动用户躯干与大腿产生相对角度运动,使躯干 支架与大腿支架之间角度Z雄减小;同时右腿膝部电机开始以加速度ai从静止匀加速至速 度VI,然后以速度VI转动,带动大腿与小腿产生相对角度运动,使大腿支架与小腿支架之间 的角度Zat减小,直至控制模块检测到Z挪=145°〜140°,控制右腿膝部电机以加速度-ai 匀减速至静止;右腿髋部电机持续转动,直至控制模块检测到165。〜160。,控制右腿 膝部电机反向转动,以加速度ax匀加速至速度至^,然后以速度V1转动,带动大腿与小腿产 生相对角度运动,使大腿支架与小腿支架之间的角度Zas增大;控制模块持续检测直 至检测到/^11=160°〜155°,控制右腿髋部电机以加速度-aQ匀减速至静止;右腿膝部电机 持续以速度v:i转动,直至控制模块检测到/箱*= 170°〜175°,控制右腿膝部电机以加速度-m匀减速至静止,迈步动作结束,用户进入右脚前左脚后姿态;
[0009]若控制模块检测到用户满足迈左腿的触发条件,控制模块向左腿髋部电机和左腿 膝部电机发出指令,执行迈左腿动作,直至动作结束,进入左脚前右脚后状态;执行迈左腿 动作与迈右腿动作相同为左右腿互换,控制方式相同;
[0010] 4)控制模块继续检测判断躯千倾角、脚底压力和拐杖压力传感器的数据,进入步 态维持状态;
[0011] 所述Z前后为躯干前后倾角;所述Z姑为躯干左右倾角;Fpl为左脚单独压力;Fpr为 右脚单独压力;FP为脚底总压力;Fcl为去除拐杖自身重力后的左拐杖压力;Fcr.为去除拐杖 自身重力后的右拐杖压力;F。为去除拐杖自身重力后的两拐杖压力和;Z膝为大腿支架与小 腿支架之间的夹角;Z髓为大腿支架与躯干支架之间的夹角;Za®为左膝关节角度为 右膝关节角度;Zmi为左髋关节角度;为右髋关节角度。
[0012] 为进一步实现本发明目的,优选地,所述为以躯干垂直地面为基准,躯千前后 倾斜的角度,前倾为正,后倾为负。所述Zfie为以躯干垂直地面为基准,躯干左右倾斜的角 度;左倾为正,右倾为负。
[0013] 优选地,若初始状态不满足平行站立姿态的条件,控制中心向语音模块发出消息, 提醒用户调整姿态,直至检测到用户为平行站立姿态;用户根据语音提示中的具体操作指 引调整身体姿态;若条件C1未满足,语音模块提示用户“请保持躯干直立,不要向左右倾斜 或向前后倾斜”;若条件C2未满足,语音模块提示用户“请保持双腿直立,调整左髋左膝或右 髋右膝关节角度”;若条件C3未满足,语音模块示用户“请使双脚均匀受力”;若条件C4未满 足,语音模块提示用户“请使用拐杖,并使两拐杖均匀受力”。
[0014] ao为髋部电机开始转动的加速度,-ao为髋部电机结束转动的加速度,&amp;1为膝部电 机开始转动的加速度,-为膝部电机结束转动的加速度,vo为髋部电机的转动速度,vi为膝 部电机的转动速度,&amp;〇、&amp;1、^、^的数值均由测量下肢健全者行走过程中的关节转速所得, 且与可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置所使用的电机参数有关。优选地,所述加的取值为 3〇7s2〜4〇7s2,aj9取值为100°/s2〜120°/s2,vq的取值为30°/s〜40°/心%的取值为70°/ s〜80〇/s〇
[0015]优选地,所述控制模块分别与左腿髋部电机角度传感器、右腿髋部电机角度传感 器、左腿膝部电机角度传感器、右腿膝部电机角度传感器、左脚脚底压力传感器、右脚脚底 压力传感器、左腿髋部电机、躯千倾角传感器、右腿髋部电机、左腿膝部电机和右腿膝部电 机连接。
[0016] 优选地,所述康复装置的躯千支架绑定在用户上身;大腿支架绑定在用户大腿上, 小腿支架绑定在用户小腿上;脚部支撑板设置在用户脚底;躯干支架与大腿支架通过髋部 电机连接;髋部电机的定子与躯干支架固定,髋部电机的转子与大腿支架固定;大腿支架与 小腿支架分别膝部电机的定子和转子连接;膝部电机连接着大腿支架与小腿支架并控制两 者相对角度运动;小腿支架与脚部支撑板活动连接。
[0017] 本发明康复装置为可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置,包括躯干支架、大腿支架、 小腿支架、髋部电机、髋部电机角度传感器、膝部电机、膝部电机角度传感器、脚底压力传感 器、躯干倾角传感器、绑带、控制模块、腕表、拐杖、触地压力传感器、脚部支撑板、语音提示 模块。本发明根据当前运动模式,采集各种传感器信号识别用户当前姿态,并驱动电机执行 一个符合用户当前姿态的动作。
[0018] 相对于现有技术,本发明具有如下优点:
[0019] 1)本发明运用躯干倾斜位置与重心偏移位置同步的原理触发行走。本发明特别增 加了拐杖触地压力传感器,该传感器通过无线通信的方式向控制模块传输数据。当控制模 块检测到躯干倾角传感器的数据满足重心偏移时,还必须判断拐杖触地压力传感器的数据 是否超过阈值,若拐杖触地压力传感器的数据也超过阈值,则判断用户满足触发条件,才对 电机发出行走指令,否则继续保持平行站立姿态。
[0020] 2)本发明采用躯干倾角传感器拐和杖触地压力传感器协同配合对用户的姿态进 行实时检测,这种双判断条件触发方法避免单一触发方式的误触发风险,保障了用户的安 全。
[0021] 3)本发明对用户从平行站立姿态到行走状态的转换进行控制的过程中,采用躯干 倾角传感器和拐杖触地压力两个判断条件,增加了触发控制的可靠性。
附图说明
[0022]图1是可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置整体机械结构图;
[0023]图2是可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置核心功能模块框图;
[0024]图3 (a)是从右前方观察的支架角度示意图;
[0025]图3⑹是从右方观察的支架角度示意图;
[0026]图4 (a)是从右方观察的躯干前倾角示意图;
[0027]图4⑹是从右方观察的躯干后倾角示意图;
[0028]图4 (c)是从前方观察的躯干左倾角与右倾角示意图;
[0029]图5是迈步动作分解图;
[0030]图6是基于躯千重心偏移的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走触发控制方 法的流程图。
[0031]图中示出:躯干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髋部电机4、髋部电机角度传感器5、 膝部电机6、膝部电机角度传感器7、脚底压力传感器8、躯干倾角传感器9、绑带10、控制模块 11、腕表12、拐杖13、触地压力传感器14、脚部支撑板15、语音模块16、左腿髋部电机角度传 感器5_1、右腿髋部电机角度传感器5_2、左腿膝部电机角度传感器7_1、右腿膝部电机角度 传感器7_2、左脚脚底压力传感器8_1、右脚脚底压力传感器8_2、左拐杖触地压力传感器14_ 1、右拐杖触地压力传感器14_2、左腿髋部电机4_1、右腿髋部电机4_2、左腿膝部电机和 右腿膝部电机6_2。
具体实施方式
[0032]下面结合附图对本发明做进一步的说明,但实施方式不构成对本发明保护范围的 限定。
[0033]图1是可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的整体机械结构示意图。如图1所示,夕卜 骨骼机械腿康复装置主要包括躯干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髋部电机4、髋部电机角 度传感器5、膝部电机6、膝部电机角度传感器7、脚底压力传感器8、躯干倾角传感器9、控制 模块11、腕表12、拐杖13、触地压力传感器14、脚部支撑板15、语音提示模块16;其中,髋部电 机4包括左腿髋部电机4_1和右腿髋部电机4_2;髋部电机角度传感器5包括左腿髋部电机角 度传感器5_1和右腿髋部电机角度传感器5_2;膝部电机6包括左腿膝部电机6 j和右腿膝部 电机6_2;膝部电机角度传感器7包括左腿膝部电机角度传感器7_1和右腿膝部电机角度传 感器7_2;脚底压力传感器8包括左脚脚底压力传感器8 j和右脚脚底压力传感器8_2;触地 压力传感器14包括左拐杖触地压力传感器14_1和右拐杖触地压力传感器14_2;拐杖13有两 根,分别通过用户的左右手握住。控制模块11设置在用户的背部。
[0034]躯干支架1绑定在用户上身;大腿支架2绑定在用户大腿上,小腿支架3绑定在用户 小腿上;脚部支撑板15设置在用户脚底;所述的绑定通过绑带10绑定;躯干支架1与大腿支 架2通过髋部电机4连接;髋部电机4的定子与躯干支架1固定,髋部电机4的转子与大腿支架 2固定;当髋部电机4转动时,固定在定子上的躯干支架1与固定在转子上的大腿支架2被转 动的电机带动并产生相对角度运动;髋部电机4控制两者相对角度运动;大腿支架2与小腿 支架3分别膝部电机6的定子和转子连接;膝部电机6连接着大腿支架2与小腿支架3并控制 两者相对角度运动;小腿支架3与脚部支撑板15活动连接。
[0035]左腿髋部电机角度传感器5 j和右腿髋部电机角度传感器5_2分别设置在左腿髋 部电机4 j和右腿髋部电机4_2上;左腿膝部电机角度传感器乙1和右腿膝部电机角度传感 器7_2分别设置左腿膝部电机6_1和右腿膝部电机6_上;左脚脚底压力传感器8_1和右脚脚 底压力传感器8_2分别设置在左右两脚部支撑板15上;左拐杖触地压力传感器14_1和右拐 杖触地压力传感器14_2分别设置在左右两拐杖13下端。躯干倾斜传感器9安装在躯干支架1 上。
[0036]如图2所示,控制模块11分别与左腿髋部电机角度传感器5_1、右腿髋部电机角度 传感器5_2、左腿膝部电机角度传感器乙1、右腿膝部电机角度传感器乙2、左脚脚底压力传 感器8_1、右脚脚底压力传感器8_2、躯千倾斜传感器9、左拐杖触地压力传感器14_1、右拐杖 触地压力传感器14_2、腕表12连接、左腿髋部电机4_1、右腿髋部电机4_2、左腿膝部电机6_1 和右腿膝部电机6_2连接。腕表12用来手动选择运动模式;躯干倾角传感器9检测用户躯干 的倾斜角度;膝部电机角度传感器7用以检测膝部电机转角的转角;髋部电机角度传感器5 用以检测髋部电机转角;脚底压力传感器8检测脚底所受压力大小;拐杖13用于支撑身体, 行走时保持平衡等;触地压力传感器14检测拐杖I3所受压力大小。
[0037] 控制模块11可选用Freescale公司的i .MX 6系列应用处理器,与髋部电机4和膝部 电机6的通信采用USB进行,与各种传感器的通信采用CAN进行,与腕表的通信采用无线射频 进行。
[0038]腕表12主要由无线射频模块和按钮组成,无线射频模块用于与控制模块u通信, 按钮用于选择“站立”、“坐下”和“行走”运动模式。
[0039]为说明本发明方法,作出如下定义:
[0040] 1 •定义躯千倾角,前、左为正,后、右为负。躯干前后倾角为Z前后,如图4(a) h和图4 (b)所示,从用户的左方或右方观察,以躯干垂直地面为基准,躯干前后倾斜的角度。躯干左 右倾角为/*6,如图4 (c)所示,以躯干垂直地面为基准,躯干左右倾斜的角度。
[0041] 2•定义P表示脚底压力传感器,C表示拐杖触地压力传感器。脚底总压力记为FP,左 脚单独压力FP1,右脚单独压力FPr。拐杖压力(已去除拐杖自身重力)记为F。,左拐杖压力FC1, 右拐杖压力Fcr.。
[0042] 3.定义膝关节角度记为Z膝为大腿支架2与小腿支架3之间的夹角(见图3 (a)和图3 ⑹),左膝关节角度记为Z雄,右膝关节角度记为Z權,结合正常行走状态,为保证用户的 安全,我们限定行走过程中膝关节角度的范围为180°〜90°。髋关节角度记为Zti为大腿支 架2与躯干支架1之间的夹角)左髋关节角度记为Z編,右髋关节角度记为Z様。
[0043] 4•定义行走过程中髋部电机转速为VQ,aQ为其开始转动的加速度,-aQ为其结束转 动的加速度;膝部电机转速为vi,ai为其开始转动的加速度,-ai为其结束转动的加速度。ao, 均由测量下肢健全者行走过程中的关节转速所得,且与可穿戴仿生外骨骼机械腿 康复装置所使用的电机参数有关。本发明中,aQ的取值为30°/s2〜40°//,則的取值为100°/ s2 〜120°/s2,vq 的取值为 30°/s 〜40°/3,%的取值为 70°/s 〜80°/s。
[0044] 5.定义用户体重为G。
[0045] 6.具体实例中阈值及范围均为经验值,需由用户亲身试验得出具体数值。
[0046]根据以上定义结合行走触发控制流程图6,一种基于躯干重心偏移的康复装置行 走触发控制方法,包括如下步骤:
[0047] 1)平行站立姿态的判断。平行站立姿态的判断即控制模块11分析处理传感器采集 到的数据,判断是否满足以下4个条件:C1: Z前后=_5°〜+5°,Z*6=-5°〜+5°,即躯干保持 直立,没有向前后左右倾斜;C2: Z髓=170°〜180°,Z膝=170°〜180°,即双腿直立,髋关节 和膝关节角度都约为180°/3:^131-?1^|作13<10%,即两脚底压力近似相等^4而>0,|?(:1-Fcr|/Fc<5%,即正在使用拐杖且两拐杖触地且压力近似相等;若控制模块11检测到传感器 数据满足条件(:1、02、03、04则用户处于平行站立姿态。若不满足上述4个条件中的任一条 件,则不是平行站立姿态。为保证用户的安全,若初始状态不满足平行站立姿态的条件,控 制中心11向语音模块16发出消息,提醒用户调整姿态,直至检测到用户为平行站立姿态。用 户可根据语音提示中的具体操作指引调整身体姿态。若条件C1未满足,则会提示用户“请保 持躯千直立,不要向左右倾斜或向前后倾斜”;若条件C2未满足,则提示用户“请保持双腿直 立,调整左髋左膝或右髋右膝关节角度”。若条件C3未满足,则提示用户“请使双脚均匀受 力”;若条件C4未满足,则提示用户“请使用拐杖,并使两拐杖均匀受力”。
[0048] 2)重心偏移的判断。重心偏移的判断即控制模块11分析处理传感器采集到的数 据,判断是否满足以下条件:C5: Z前后=+5°〜+15°,/*&amp;=+5°〜+15°或C6: Z前后=+5°〜+ 15°,Z:£6=-5°〜-15°,即躯干前倾角超过阈值,若满足条件C5则表明躯干向左倾斜,若满 足条件C6则表明躯干向右倾斜。C7: Fc>0,Fcl>Fcr或C8: Fc>0,Fa<Fcr,即两拐杖触地压力传感 器的压力值不为0,且两拐杖触地压力差超过阈值,若两拐杖压力满足(FC1-Fcr)/Fc>40%,则 认为Fci>Fcr;若两拐杖压力满足(Fcr-Fci) /Fc>40%,则认为Fcr>Fci。若同时满足条件C5、C7则 表明用户躯干重心偏移到左边,满足迈右腿的条件;若同时满足条件C6、C8则表明用户躯干 重心偏移到右边,满足迈左腿的条件。若用户先迈右腿,但未同时满足条件C5、C7,控制模块 11向语音模块16发出消息,提醒用户调整姿态,直至检测到用户满足迈右腿的条件。用户可 根据语音提示中的具体操作指引调整身体姿态,若条件C5未满足,则会提示用户“请将躯干 向左前倾斜”;若条件C7未满足,则会提示用户“请使用拐杖,并增大左拐杖压力,减小右拐 杖压力”。若用户先迈左腿,但未同时满足条件C6、C8,控制模块11向语音模块16发出消息, 提醒用户调整姿态,直至检测到用户满足迈左腿的条件。用户可根据语音提示中的具体操 作指引调整身体姿态,若条件C6未满足,则会提示用户“请将躯干向右前倾斜”;若条件C8未 满足,则会提示用户“请使用拐杖,并增大右拐杖压力,减小左拐杖压力”。若用户不执行迈 腿动作,则保持平行站立状态,控制模块11持续检测传感器数据,判断用户姿态。在用户使 用该装置初期,我们会对用户做培训,防止用户误触发。
[0049] 3)行走触发控制。若控制模块11检测到用户同时满足条件C5、C7,则表明用户躯干 重心偏移到左边,满足迈右腿的触发条件,控制模块11向右髋电机4_2和右膝电机6_2发出 指令,执行迈右腿动作,如图5所示迈腿动作经过三个阶段。阶段一:髋部电机4_2开始以加 速度ao从静止匀加速至速度VQ,然后以恒定速度VQ转动,带动用户躯干与大腿产生相对角度 运动,使躯干支架1与大腿支架2之间角度减小;同时膝部电机6_2开始以加速度ai从静 止匀加速至速度7:(行走过程中设置V1 = 2vQ),然后以恒定速度¥1转动,带动大腿与小腿产 生相对角度运动,使大腿支架2与小腿支架3之间的角度Za*减小,直至控制模块11检测到 /纖=145°〜140°,控制膝部电机6_2以加速度-ai匀减速至静止,实现姿态1:同时满足条 件 C5、C9:FPi= (0 〜3%)G,Fpr= (60% 〜80%)G、C10:Fc = 20% 〜40%G、Cll:Z;fi||=170°〜 165°,Z挪=145°〜140°。阶段二:髋部电机持续4_2转动,直至控制模块11检测到Z右髓= 165°〜160°,145°〜140°,控制膝部电机6_2反向转动,以加速度&amp;1匀加速至速度至 vi,然后以恒定速度〃1转动,带动大腿与小腿产生相对角度运动,使大腿支架2与小腿支架3 之间的角度Z挪增大,实现姿态2:同时满足条件C1、C9、C10、C12:Z;_=165°〜160°,Z:» =140°〜170°。阶段三:控制模11块持续检测/様,直至检测到Z極=160°〜155°,控制髋 部电机4_2以加速度-ao勾减速至静止。膝部电机持续以恒定速度V1转动,直至控制模块11检 测到Z挪=170 °〜175 ° (这里预留了 5 °的安全缓冲区),控制膝部电机6_2以加速度-ai勾减 速至静止,迈步动作结束,用户进入右脚前左脚后即姿态3,同时满足条件C1、C3、C4和C13: Z纖=170。〜180。,Z繊=170。〜180。,160。〜155。,/纖=170。〜180。。若控制模 块检测到用户同时满足条件C6、C8,则表明用户满足迈左腿的触发条件,控制模块向左髋电 机4 j和左膝电机6_1发出指令,执行迈左腿动作(与迈右腿动作相同),直至动作结束,进入 左脚前右脚后状态即同时满足条件C1、C3、C4和C14:Zaj*=170°〜180°,Z權=170°〜 180°,/纖=160°〜155°,/様=170°〜180°。控制模块11继续检测判断躯干倾角、脚底压 力和拐杖压力传感器的数据,进入步态维持状态。
[0050] 迈步过程中,控制模块11在迈步动作执行中除了会实时检测电机角度,判断其是 否达到阈值以停止电机转动之外,同时还会持续监控各个传感器的值是否在正常范围。迈 左脚动作:脚底压力值范围Fp1= (0〜5%)G,Fpr= (70%〜80%)G,拐杖触地压力值范围Fc> 0, |Fcr-Fci |/Fc = 40%〜60%,躯干倾角值范围Z前后=+5°〜+15°,/姑=_10°〜+10°;迈右 脚动作中脚底压力值范围Fpr= (0〜5%)G,Fpl= (70%〜80%)G,拐杖触地压力值范围Fc>0, Fci-Fcr |/Fc = 40% 〜60%,躯干倾角值范围〜+1〇。。如果压 力值、躯干倾角值等参数超出上述正常时间范围达到1S,即判别为“异常状态,’,控制模块U 将对用户执行保护措施,直至收到进一步的指令以解除“异常状态”。这些保护措施包括但 不限于:用户重心不稳时,控制电机停止转动;用户摔倒时,控制语音模块16发出警报以请 求他人救援。
[0051]本发明行走触发控制方法有如下优点:基于躯干重心偏移的行走控制方法运用躯 干倾斜位置与重心偏移位置同步的原理触发行走。本方法特别增加了拐杖触地压力传感 器,该传感器通过无线通信的方式向控制模块11传输数据。当控制模块11检测到躯干倾角 传感器的数据满足重心偏移时,还必须判断拐杖触地压力传感器的数据是否超过阈值,若 拐杖触地压力传感器的数据也超过阈值,则判断用户满足触发条件,才对电机发出行走指 令,否则继续保持平行站立姿态,本控制方法采用躯干倾角传感器拐和杖触地压力传感器 协同配合对用户的姿态进行实时检测,这种双判断条件触发方法避免单一触发方式的误触 发风险,保障了用户的安全。
[0052]需要说明的是,本技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下, 还可以作出各种变换或变型,属于本发明的等同技术方案。

Claims (6)

1. 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法,其特征在于包括如下步骤: 1) 平行站立姿态的判断:控制模块分析处理传感器采集到的数据,判断是否同时满足 以下4个条件:C1: Z前后=-5°〜+5。,5°〜+5° ;C2: Z髋=170°〜180°,Z膝=170°〜 180°;C3: |FPi-Fpr|/FP<10%;C4:Fc>0, |?。1-&amp;|作。<5%;若控制模块检测到传感器数据满足 条件(:1/2、03、04则用户处于平行站立姿态;若不满足上述4个条件中的任一条件,则不是 平行站立姿态; 2) 行走触发条件的判断:控制模块分析处理传感器采集到的数据,判断是否满足以下 条件:C5: Z前后=+5°〜+15°,/站=+5°〜+15°或C6: Z前后=+5°〜+15°,/姑=-5°〜-15°; C7: Fc>0,Fci>Fcr或C8: FC>0,Fci<Fcr;若同时满足条件C5、C7,则满足先迈右腿的触发条件;若 同时满足条件C6、C8,则满足先迈左腿的触发条件;若未同时满足条件C5、C7或未同时满足 条件C6、C8,控制模块持续检测传感器数据,判断用户姿态; 3) 行走触发控制:若控制模块检测到用户满足迈右腿的触发条件,控制模块向右腿髋 部电机和右腿膝部电机发出指令,执行迈右腿动作:右腿髋部电机开始以加速度a。从静止 匀加速至速度vQ,然后以速度VQ转动,带动用户躯干与大腿产生相对角度运动,使躯干支架 与大腿支架之间角度减小;同时右腿膝部电机开始以加速度m从静止匀加速至速度V1, 然后以速度V1转动,带动大腿与小腿产生相对角度运动,使大腿支架与小腿支架之间的角 度Z挪减小,直至控制模块检测到Z纖=145°〜140°,控制右腿膝部电机以加速度-ai句减 速至静止;右腿髋部电机持续转动,直至控制模块检测到2雄=165°〜160°,控制右腿膝部 电机反向转动,以加速度3:匀加速至速度至V1,然后以速度V1转动,带动大腿与小腿产生相 对角度运动,使大腿支架与小腿支架之间的角度增大;控制模块持续检测Zai,直至检 测到Z榻=160°〜155°,控制右腿髋部电机以加速度-a〇勾减速至静止;右腿膝部电机持续 以速度vi转动,直至控制模块检测到/槭=170°〜175°,控制右腿膝部电机以加速度-&amp;1匀 减速至静止,迈步动作结束,用户进入右脚前左脚后姿态; 若控制模块检测到用户满足迈左腿的触发条件,控制模块向左腿髋部电机和左腿膝部 电机发出指令,执行迈左腿动作,直至动作结束,进入左脚前右脚后状态;执行迈左腿动作 与迈右腿动作相同为左右腿互换,控制方式相同; 4) 控制模块继续检测判断躯干倾角、脚底压力和拐杖压力传感器的数据,进入步态维 持状态; 所述为躯干前后倾角;所述/:¾为躯干左右倾角;Fpl为左脚单独压力;Fpr为右脚单 独压力;FP为脚底总压力;Fu为去除拐杖自身重力后的左拐杖压力;Fa为去除拐杖自身重 力后的右拐杖压力;F。为去除拐杖自身重力后的两拐杖压力和;Z膝为大腿支架与小腿支架 之间的夹角;Z髓为大腿支架与躯干支架之间的夹角;Zaf为左膝关节角度;/様为右膝关 节角度;为左髋关节角度;Z樣为右髋关节角度。
2. 根据权利要求1所述的基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法,其特征在 于,所述Z前后为以躯干垂直地面为基准,躯干前后倾斜的角度,前倾为正,后倾为负;所述 Zi*为以躯干垂直地面为基准,躯干左右倾斜的角度;左倾为正,右倾为负。
3. 根据权利要求1所述的基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法,其特征在 于,若初始状态不满足平行站立姿态的条件,控制中心向语音模块发出消息,提醒用户调整 姿态,直至检测到用户为平行站立姿态;用户根据语音提示中的具体操作指引调整身体姿 态;若条件Cl未满足,语音模块提示用户“请保持躯干直立,不要向左右倾斜或向前后倾 斜”;若条件C2未满足,语音模块提示用户“请保持双腿直立,调整左髋左膝或右髋右膝关节 角度”;若条件C3未满足,语音模块示用户“请使双脚均匀受力”;若条件C4未满足,语音模块 提示用户“请使用拐杖,并使两拐杖均匀受力”。
4. 根据权利要求1所述的基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法,其特征在 于,所述ao的取值为30°/s2〜40°/82,&amp;1的取值为100°/s2〜12〇7s2,vq的取值为30°/s〜 40°/s,vi 的取值为 70°/s 〜80°/s。
5. 根据权利要求1所述的基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法,其特征在 于,所述控制模块分别与左腿髋部电机角度传感器、右腿髋部电机角度传感器、左腿膝部电 机角度传感器、右腿膝部电机角度传感器、左脚脚底压力传感器、右脚脚底压力传感器、左 腿髋部电机、躯干倾角传感器、右腿髋部电机、左腿膝部电机和右腿膝部电机连接。
6. 根据权利要求1所述的基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法,其特征在 于,所述康复装置的躯千支架绑定在用户上身;大腿支架绑定在用户大腿上,小腿支架绑定 在用户小腿上;脚部支撑板设置在用户脚底;躯千支架与大腿支架通过髋部电机连接;髋部 电机的定子与躯干支架固定,髋部电机的转子与大腿支架固定;大腿支架与小腿支架分别 膝部电机的定子和转子连接;膝部电机连接着大腿支架与小腿支架并控制两者相对角度运 动;小腿支架与脚部支撑板活动连接。
CN201510834976.3A 2015-11-25 2015-11-25 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法 Expired - Fee Related CN105326627B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510834976.3A CN105326627B (zh) 2015-11-25 2015-11-25 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510834976.3A CN105326627B (zh) 2015-11-25 2015-11-25 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105326627A CN105326627A (zh) 2016-02-17
CN105326627B true CN105326627B (zh) 2018-04-13

Family

ID=55277541

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510834976.3A Expired - Fee Related CN105326627B (zh) 2015-11-25 2015-11-25 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105326627B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108379038B (zh) * 2018-01-15 2019-07-09 浙江大学 一种下肢康复外骨骼系统及其步行控制方法
CN108416276A (zh) * 2018-02-12 2018-08-17 浙江大学 基于人的侧面步态视频的异常步态检测方法
CN110721055A (zh) * 2019-10-17 2020-01-24 深圳市迈步机器人科技有限公司 下肢助行外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人
CN110974609A (zh) * 2019-12-09 2020-04-10 宿州学院 一种用于下肢康复训练的外骨骼装置的脚底压力传感系统
CN111419652B (zh) * 2020-06-12 2020-09-29 上海傅利叶智能科技有限公司 一种无动力源膝关节机构

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102499859A (zh) * 2011-11-08 2012-06-20 上海交通大学 下肢外骨骼行走康复机器人
CN103200909A (zh) * 2010-09-27 2013-07-10 范德比尔特大学 行动辅助设备
CN103932868A (zh) * 2014-04-21 2014-07-23 清华大学 一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法
CN104302251A (zh) * 2012-03-22 2015-01-21 埃克苏仿生公司 用于下肢体矫正器的人机界面
CN105073069A (zh) * 2013-03-13 2015-11-18 埃克苏仿生公司 用于实现释放双手的稳定性的步态矫正系统及方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102122856B1 (ko) * 2013-12-17 2020-06-15 삼성전자주식회사 보행 보조 장치 및 그 제어 방법
KR102119536B1 (ko) * 2014-01-15 2020-06-05 삼성전자주식회사 착용형 로봇 및 그 제어 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103200909A (zh) * 2010-09-27 2013-07-10 范德比尔特大学 行动辅助设备
CN102499859A (zh) * 2011-11-08 2012-06-20 上海交通大学 下肢外骨骼行走康复机器人
CN104302251A (zh) * 2012-03-22 2015-01-21 埃克苏仿生公司 用于下肢体矫正器的人机界面
CN105073069A (zh) * 2013-03-13 2015-11-18 埃克苏仿生公司 用于实现释放双手的稳定性的步态矫正系统及方法
CN103932868A (zh) * 2014-04-21 2014-07-23 清华大学 一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105326627A (zh) 2016-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105326627B (zh) 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法
CN105456000B (zh) 一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法
CN106137489B (zh) 交互式外骨骼膝关节机器系统
CN105411813A (zh) 一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置
CN105456004B (zh) 外骨骼式移动步行康复训练装置及方法
CN105455819B (zh) 可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的站立模式控制方法
CN104394806B (zh) 用于股骨截肢者的技术辅助
JP5706016B2 (ja) 歩行介助ロボット
JP2014509919A (ja) 能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法
JP2006314670A (ja) 歩行補助装置及びリハビリテーションシステム
JP5507224B2 (ja) 歩行介助ロボット
CN105662789B (zh) 一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统
CN108379038B (zh) 一种下肢康复外骨骼系统及其步行控制方法
CN103932868A (zh) 一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法
CN105342808B (zh) 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法
CN106109175A (zh) 一种外骨骼式膝关节与踝关节康复装置
CN109758342A (zh) 外骨骼机器人及其控制方法
CN109195565B (zh) 步行动作辅助装置
CN106511031B (zh) 一种下肢多功能辅助康复仪
CN205412080U (zh) 多功能健康运动组合装置
CN105326625B (zh) 可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的坐下模式控制方法
CN106901949B (zh) 全下肢外骨骼及其操作方法
CN105287164B (zh) 一种基于躯干晃动的康复装置行走速度控制方法
CN205586203U (zh) 可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置
Miura et al. A clinical trial of a prototype of wireless surface FES rehabilitation system in foot drop correction

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C06 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C10 Entry into substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180413

Termination date: 20181125

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee