CN105342808B - 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法 - Google Patents

基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105342808B
CN105342808B CN201510834977.8A CN201510834977A CN105342808B CN 105342808 B CN105342808 B CN 105342808B CN 201510834977 A CN201510834977 A CN 201510834977A CN 105342808 B CN105342808 B CN 105342808B
Authority
CN
China
Prior art keywords
leg
motor
knee
hip
user
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.)
Active
Application number
CN201510834977.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105342808A (zh
Inventor
史景伦
王燕芳
黄怀
赵伟健
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 CN201510834977.8A priority Critical patent/CN105342808B/zh
Publication of CN105342808A publication Critical patent/CN105342808A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105342808B publication Critical patent/CN105342808B/zh
Active 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
    • A61H1/00Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0255Both knee and hip of a patient, e.g. in supine or sitting position, the feet being moved in a plane substantially parallel to the body-symmetrical-plane
    • A61H1/0262Walking movement; Appliances for aiding disabled persons to walk
    • 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
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/164Feet or leg, e.g. pedal
    • 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
    • A61H2201/16Physical interface with patient
    • A61H2201/1602Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/165Wearable interfaces
    • 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
    • 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
    • A61H2201/5058Sensors or detectors
    • A61H2201/5069Angle sensors
    • 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
    • A61H2201/5058Sensors or detectors
    • A61H2201/5071Pressure sensors
    • 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
    • A61H2205/00Devices for specific parts of the body
    • A61H2205/10Leg
    • 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

本发明公开了基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法,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,判断是否同时满足条件C5、C6、C8,则满足先迈右腿的触发条件;若同时满足条件C5、C7、C9,则满足先迈左腿的触发条件;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;本发明在行走触发控制中,采用躯干倾角传感器,电机转角传感器,脚底压力传感器和拐杖触地压力传感器等多个传感器协同配合,实时检测用户的姿态,实现用户从平行站立状态到行走状态的转换。

Description

基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种康复装置的行走触发控制方法,特别是涉及一种基于脚部压力传 感器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,属于康复工程技术领域。
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,为操作者提供诸如助力、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式康复机器人外骨骼 助力装置具有十分重要的实际意义。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种基于脚部压力传感器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,使其从平行站立姿态向持续行走姿态转换。
[0004] 本发明目的通过如下技术方案实现:
[0005] 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法,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: Zf®§=-5。〜+5。,Z陆=-5°〜+5° ;C2: Z髋=170。〜180。,Z膝二 170。 〜180° ; C3: | FPi-Fpr | /FP<10 % ; C4: Fc>0,| Fci-Fcr | /Fc<5 % ;若控制模块检测到传感器数据同 时满足条件(: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;
[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。,/&amp;&amp;= -10。〜+10。; C6: FPi》Fpr或C7: Fpl<<Fpr; C8: FC>0,Fci >Fcr或C9: Fc>0,Fcl<Fcr;若同时满足条件C5、C6、C8,则满足先迈右腿的触发条件;若同时满 足条件05、07、09,则满足先迈左腿的触发条件;若未同时满足条件05、06、08或未同时满足 条件C5、C7、C9,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ai从静止匀加速至速 度乂:,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栅减小,直至控制模块检测到Z雄=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2榻=165°〜160。,控制右腿 膝部电机反向转动,以加速度ai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/¾¾增大;控制模块持续检测^様,直至 检测到2榻=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vi转动,直至控制模块检测到Z棚二170°〜175°,控制右腿膝部电机以加速度_ai 匀减速至静止,迈步动作结束,用户进入右脚前左脚后姿态;所述ao的取值为30°/s2〜40°/ s2,ai的取值为l〇〇°/s2〜120°/s2,v〇的取值为30°/s〜4〇Vs,Vi的取值为70°/s〜80°/s; [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;
[0011] 所述/前后为躯干前后倾角;所述z絲为躯千左右倾角;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;Fc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;为左膝关节角度;为 右膝关节角度;Zia为左髋关节角度;Z種为右髋关节角度。
[0012]为进一步实现本发明目的,优选地,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Zse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,语音模块提示用户“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,_a。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,-ai为膝部电机结束转动的加速度,VQ为髋部电机的转动速度,Vi为膝 部电机的转动速度,ao、ai、vq、vi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。
[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。
[0016] 优选地,所述康复装置的躯干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;大腿支架和 小腿支架分别与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]相对于现有技术,本发明具有如下优点:
[0018] 1)本发明采用了脚底压力传感器、拐杖触地压力传感器、躯干倾角传感器和电机 转角传感器同时检测用户姿态数据,实现多传感器协同触发控制。当控制模块检测到每个 传感器的数据均满足条件时,才对电机组发出指令,否则就提醒用户调整姿态。这种多传感 器协同工作的方式,有效避免单一触发方式的误触发风险,保障了用户的安全。
[0019] 2)本发明在对用户从平行站立姿态到步行姿态的转换控制的过程中,采用躯千前 倾,脚底压力对比和拐杖压力对比三个判断条件,增加了触发控制的可靠性和安全性。
[0020] 3)当用户重心不稳时,控制电机停止转动;当用户摔倒时,控制语音模块发出警报 以请求他人救援,本发明控制方法灵活、安全。
附图说明
[0021] 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;
[0022] 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;
[0023]图3 (a)是从右前方观察的支架角度示意图;
[0024]图3⑹是从右方观察的支架角度示意图;
[0025]图4 (a)是从右方观察的躯干前倾角示意图;
[0026]图4⑹是从右方观察的躯干后倾角示意图;
[0027]图4 (c)是从前方观察的躯干左倾角与右倾角示意图;
[0028]图5是迈步动作分解图。
[0029]图6是基于脚部压力传感器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。
[0030]图中示出:躯千支架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6_1和 右腿膝部电机6_2。
具体实施方式
[0031]以下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。
[0032]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,外 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 j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 j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_1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_1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。
[0033]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。
[0034]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7_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_2上;左脚脚底压力传感器8 j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 j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。
[0035]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、躯干倾斜传感器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13所受压力大小。
[0036] 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。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11通信,按钮 用于选择“站立”、“坐下”和“行走”运动模式。
[0037]为说明本方法实施的具体过程,在具体实例中作出如下定义:
[0038] 1.定义躯干倾角,前、左为正,后、右为负。躯千前后倾角为/前后,其示意图分别见 附图4 (a)与附图4⑹,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,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。 用户可通过拐杖辅助改变Z前后和Zi*。
[0039] 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Fpi,右脚单独压力Fpr。拐杖压力(己去除拐杖自身重力)记为Fc,左拐杖压力FC1, 右拐杖压力FCr.。
[0040] 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(图3 (a)和图3 (b)),左膝关节角度记为Zas,右膝关节角度记为/at,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18〇°〜90°。髋关节角度记为Z髓为大腿支 架2与躯千支架1之间的夹角左髋关节角度记为Z理I,右髋关节角度记为Z棚。
[0041] 4.定义行走过程中髋部电机转速为voAq为其开始转动的加速度,-ao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, an VQ,V1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。本实例中ao的范围为30°/s2〜40°/s2,ai的范围为100°/S2 〜120°/s2, v。的范围为 30°/s 〜40°/s,vi 的范围为 70°/s 〜80°/s。
[0042] 5.定义用户体重为G。
[0043] 6.实例中阈值均为经验值,需由用户亲身试验得出具体数值。
[0044]根据以上定义结合行走触发控制流程图6,一种仿生外骨骼机械腿康复装置的行 走触发控制方法步骤如下:
[0045] 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 至丨撤数据,判断是否同时满足以下4个条件:C1:Z緬=-5°〜+5°,/姑=_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°;C3: |Fpl-Fpr|/FP<10%,即两脚底压力近似相等;C4:Fc>0, | Fcl-Fcr|/Fc<5%,即正在使用拐杖且两拐杖触地且压力相等;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 持躯干直立,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”。
[0046] 2)行走触发条件的判断。行走触发条件的判断即控制模块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°,Z&amp;&amp;=-10°〜+10°。即躯干向前 倾斜的角度超过阈值,躯干左右倾斜角度在安全范围内;C6:FPi»Fpr或C7:FPi«Fpr,即两脚 底压力差超过阈值,若两脚底压力值满足(Fpi-Fpr) /FP>80%,则认为FPi»Fpr;若(Fpr-Fpi) /FP >80 %,则认为Fpl«Fpr; C8: FC>0,Fci>Fcr或C9: FC>0,Fci<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(Fci-Fcr) /Fc>40%,则认为Fci> Fcr;若两拐杖压力满足(Fcr-Fci) /Fc>40 %,则认为FCT>F<3i。若同时满足条件C5、C6、C8,则满足 先迈右腿的触发条件;若同时满足条件05、07、09,则满足先迈左腿的触发条件。若用户先迈 右腿,但未同时满足条件(:5、06、(:8,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“请将躯干向前倾斜”;若条件C6未满足,则会提示用 户“请将身体重心集中到身体左边,使左脚受力大于右脚受力”;若条件C8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(:5、(:7、(:9,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C5未满足, 则会提示用户“请将躯干向前倾斜”;若条件C7未满足,则会提示用户“请将身体重心集中到 身体右边,使右脚压力大于左脚压力”;若条件C9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。
[0047] 3)行走触发控制。若控制模块11检测到用户同时满足条件05、06、08,则表明用户 满足迈右腿的触发条件,控制模块11向右腿髋部电机4_2和右腿膝部电机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:右腿髋部电机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vo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;同时右腿膝部电机6_2开始以加速度出从 静止匀加速至速度V1 (行走过程中设置Vl = 2v〇),然后以恒定速度^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之间的角度减小,直至控制模块11检测 到Z»=145°〜140°,控制右腿膝部电机6_2以加速度-ai勾减速至静止,实现姿态1:同时 满足条件 C5、C10:Fpr= (0 〜3%)G,FPi= (60% 〜80%)G、Cll:Fc= (20% 〜40%)G、C12:Z 禰 =170°〜165°,Z權=145°〜140°。阶段二:右腿髋部电机4_2持续转动,直至控制模块11检 测到Z様=165°〜160°,Z挪=145°〜140°,控制右腿膝部电机6_2反向转动,以加速度 匀加速至速度至¥1,然后以恒定速度V1转动,带动大腿与小腿产生相对角度运动,使大腿支 架2与小腿支架3之间的角度增大,实现姿态2:同时满足条件Cl、C10、Cll、C13:Z;ai= 165°〜l6〇°,Z纖=140°〜17〇°。阶段三:控制模11块持续检测/様,直至检测到/極= 16〇°〜155°,控制右腿髋部电机4_2以加速度-ao匀减速至静止。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纖=170°〜175° (这里预留了5°的安全缓冲区),控制右腿 膝部电机6_2以加速度-ai匀减速至静止,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 C14:Z挪=170° 〜180°,Z榻=160° 〜155°,Z挪=170。〜180°, 17〇°〜180°。若控制模块检测到用户同时满足条件C5、C7、C9,则表明用户满足迈左 腿的触发条件,控制模块向左腿髋部电机4_1和左腿膝部电机6 j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C15: Z纖=170。〜180。,Z*||=160。〜155。,Z綱=170。〜180。,/趟=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。 [0048]行走过程中,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FPi= (0〜5%)G,Fpr= (60%〜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/酿=+5。〜+15。,/陆=-1〇。〜+1〇。;迈右 脚动作中脚底压力值范围Fpr= (0〜5%)G,FPi= (60%〜8〇%)G,拐杖触地压力值范围Fc>0, |FC1-Fcr I/Fc = 40%〜60%,躯干倾角值范围Z前后=+5°〜+15。,z&amp;&amp;=-10。〜+1〇。。如果压 力值、躯干倾角值等参数超出上述正常范围达到is,即判别为“异常状态”,控制模块n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发出塾报以请求他 人救援。 °
[0049]本文所述行走触发控制方法有如下优点:本发明采用了脚底压力传感器、拐杖触 地压力传感器、躯千倾角传感器和电机转角传感器同时检测用户姿态数据,实现多传感器 协同触发控制。当控制模块11检测到每个传感器的数据均满足条件时,才对电机组发出指 令,否则就提醒用户调整姿态。这种多传感器协同工作的方式,有效避免单一触发方式的误 触发风险,保障了用户的安全。
[0050]以上实施方法仅供说明本发明之用,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术 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,因此所有等同 的技术方案也应该属于本发明的范畴,应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1. 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法,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°,/姑=-5° 〜+5°;C2:Z 髋二 170° 〜180°,/膝=170° 〜 180° ; C3: | FPi-Fpr |/F〆10 % ; C4: Fc>0,| Fcl-Fcr |/Fc<5% ;若控制模块检测到传感器数据同时 满足条件(:1工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。,/陆=-10。〜+10°;C6:FPi》Fpr 或 C7:FPK〈Fpr;C8:Fc>〇,Fci>Fcr 或C9: Fc>0,Fci<Fct ;若同时满足条件C5、C6、C8,贝满足先迈右腿的触发条件;若同时满足条 件05、07、09,则满足先迈左腿的触发条件;若未同时满足条件05、06、08或未同时满足条件 C5、C7、C9,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ao从静止 匀加速至速度vo,然后以速度vo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様减小;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Z權减小,直至控制模块检测到/»=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/極=165°〜160°,控制右腿膝部 电机反向转动,以加速度a: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Zaf增大;控制模块持续检测^棚,直至检测 到/»=160°〜155°,控制右腿髋部电机以加速度-a〇匀减速至静止;右腿膝部电机持续以 速度vi转动,直至控制模块检测到170°〜175°,控制右腿膝部电机以加速度_&amp;1勾减 速至静止,迈步动作结束,用户进入右脚前左脚后姿态;所述ao的取值为30°/s2〜4〇7s2,ai 的取值为l〇〇°/s2〜120°/s2,v◦的取值为30°/s〜40°/s,vJ^取值为70°/s〜80°/s; 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Z脆为躯干前后倾角;所述Zi*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;Fc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;Z纖为右膝关 节角度;为左髋关节角度;Z様为右髋关节角度。
2. 根据权利要求1所述的基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法,其特 征在于,所述Zlg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Zse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所述的基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法,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i^示中的具体操作指引调,身 体姿态;若条件ci未满足,语音模块提示用户“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,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,语音模块提示用户“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所述的基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法,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。
5. 根据权利要求1所述的基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法,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;大腿支架和小腿支架 分别与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。
CN201510834977.8A 2015-11-25 2015-11-25 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法 Active CN105342808B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510834977.8A CN105342808B (zh) 2015-11-25 2015-11-25 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510834977.8A CN105342808B (zh) 2015-11-25 2015-11-25 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105342808A CN105342808A (zh) 2016-02-24
CN105342808B true CN105342808B (zh) 2018-05-15

Family

ID=55318978

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510834977.8A Active CN105342808B (zh) 2015-11-25 2015-11-25 基于脚部压力传感器的康复装置的行走触发控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105342808B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107536613B (zh) * 2016-06-29 2021-10-08 沭阳县成基实业有限公司 机器人及其人体下肢步态识别装置和方法
CN111481405A (zh) * 2020-04-22 2020-08-04 北京海益同展信息科技有限公司 一种运动指令的触发方法、装置和外骨骼设备

Citations (4)

* 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
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
CN104490563A (zh) * 2014-12-25 2015-04-08 电子科技大学 一种基于气动肌肉的智能可穿戴下肢

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8096965B2 (en) * 2008-10-13 2012-01-17 Argo Medical Technologies Ltd. Locomotion assisting device and method

Patent Citations (4)

* 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
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
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
CN104490563A (zh) * 2014-12-25 2015-04-08 电子科技大学 一种基于气动肌肉的智能可穿戴下肢

Also Published As

Publication number Publication date
CN105342808A (zh) 2016-02-24

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
CN105456004B (zh) 外骨骼式移动步行康复训练装置及方法
CN105411813A (zh) 一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置
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
JP6175050B2 (ja) 能動的ロボティック歩行訓練システム及び方法
CN104523403B (zh) 一种判断外骨骼助行机器人穿戴者下肢行动意图的方法
CN108379038B (zh) 一种下肢康复外骨骼系统及其步行控制方法
JP5706016B2 (ja) 歩行介助ロボット
US10052252B2 (en) Control method for lower limb rehabilitation apparatus and apparatus using the method
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
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
CN103932868A (zh) 一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法
CN109758342A (zh) 外骨骼机器人及其控制方法
CN106109175A (zh) 一种外骨骼式膝关节与踝关节康复装置
CN106334265B (zh) 以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行系统
CN109568089A (zh) 一种随动式下肢步态训练康复机器人系统
CN106901949A (zh) 全下肢外骨骼及其操作方法
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
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
Gambon et al. Effects of User Intent Changes on Onboard Sensor Measurements During Exoskeleton-Assisted Walking

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant