CN105456000B - 一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法 - Google Patents

一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法。该方法包括第一步迈出左或右脚和持续行走控制,第一步迈出左或右脚是控制模块根据收到倾角传感器和脚底的压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足切换条件C1或C2,控制模块控制电机转动,带动大腿支架和小腿支架迈出左脚或右脚;持续行走控制包括控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足切换条件C3或C5,以及满足状态切换条件C4或C6,或者不满足上述条件的处理。对于下肢重度瘫痪的用户,本发明能让用户重新用自己的双脚站起来,进行简单的散步,具备一定的自理能力,还能帮助用户减缓腿部肌肉的萎缩;帮助下肢正常功能的恢复。

Description

一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种康复装置的行走控制方法,特别是涉及一种可穿戴仿生外骨骼机 械腿康复装置的行走控制方法;是一种基于传感器数据识别用户姿态及其行走意愿从而帮 助其行走的方法。
背景技术
[0002]据相关调查数据显示,目前世界上的截瘫用户人数逐年增多,不仅给用户造成较 大的经济负担,同时也造成了一定的心理负担。因此,截瘫助行与康复已经成为一个日益严 峻的社会问题。近年来,由于各种各样的原因(例如地震等自然灾害),我国下肢瘫痪的人数 己经达到了数十万。对于那些完全瘫痪的用户而言,纯粹的药物治疗和手术治疗无法使用 户彻底康复,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。康复型外 骨骼是一种穿戴在下肢,由电机关节带动下肢运动功能障碍用户相应关节运动,达到训练/ 代偿行走功能的机械装置。为了解决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,帮助他们站立和彳丁走,提局其生活质量,并减轻用户家庭和社会的经济负担,研究 开发具有高科技含量和自主知识产权的康复型外骨骼和相应的协同外骨骼骼模式控制具 有十分重要的实际意义。
发明内容
[0003]本发明目的在于提供一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,对 外骨骼机械腿进行控制,使其在不同站立状态下向前带动用户稳定、安全行走,利用可穿戴 仿生外骨骼机械腿康复装置带动下肢瘫痪病人行走。
[0004]本发明中,可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置简称康复装置。
[0005] 本发明目的通过如下技术方案实现:
[0006] —种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,包括如下步骤:
[0007] 1)第一步迈出左或右脚:
[0008]控制模块根据收到倾角传感器和脚底的压力传感器传来的数据,判断系统目前状 态满足切换条件C1或C2,控制模块控制电机转动,带动大腿支架和小腿支架迈出左脚或右 脚;若在指定时间T内没有同时检测到倾角传感器和双脚压力传感器大小的变化,控制模块 根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态不满足切换条件,则初始化 步态的进程停止,用户继续维持在双脚平行站立状态;
[0009] 所述Cl: Z膝=170〜180。,Z髋=170〜180。,Z前后二+5。〜+15。,/姑=-1〇。〜+ 10°,(Fpr-Fpl)/Fpl>80%,Fc>0且 | Fcl-Fcr |/Fc>40 % ; C1 表示双脚平行状态下跨左脚;
[0010] 所述C2:Z膝=170 〜180。,/髋=170 〜180。,/前后=+5。〜+ 15°,z*&=-10。〜+ 10°,(FPi-Fpr) /Fpr>80%,FC>0且 |Fci-Fcr | /FC>40% ;C2表示双脚平行状态下跨右脚;
[0011] 所述指定时间T由用户的熟练度来决定,T的取值为2-5S;
[0012] 2)持续行走控制:
[0013] 如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足 切换条件C3或C5,控制模块将控制髋部电机和膝部电机转动,带动大腿支架和小腿支架向 前迈出右脚或左脚;所述C3: Z膝=170〜180°,Z髋=170〜180°; Z前后=+5°〜+15°, 10。〜+10°; (Fpl-Fpr)/Fpr80%) ;FC>0且仏1+。1|作。>40%<3表示处于左脚前右脚后状态跨 右脚;所述C5: Z膝=170〜180。,Z髋=170〜180。; Zf®g=+5。〜+15。,/姑=-10。〜+10。; (Fpr-?1>1)瓜1>80%;?。>0且|匕1十。^爪>40%;05表示处于右脚前左脚后状态跨左脚;
[0014] 如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足 状态切换条件C4或C6,则步态维持进程停止,控制模块将控制左腿髋部电机、右腿髋部电 机、左腿膝部电机和右腿膝部电机转动,带动大腿支架和小腿支架向后收回左或右脚,使用 户回到双脚平行站立姿;所述C4: Z膝=170〜180 °,/髓=170〜180 °,0 ° < Z膝_ Z髓<5 ° ; Z酿 = -5°〜+5°,Zfe6=-10。〜^+10° ; (Fpr-Fpi) /FPi>80% ;FC>0且 | Fci-Fcr | /Fc>40% ;C4表不处于 左脚前右脚后状态收左脚;所述C6: /膝=170〜180°,Z髓=170〜180°,0°<Z膝-Z髋<5°; Z嘛=+5。〜+10。,ZS6=-10〜〇。;(FPi-Fpr) /Fpr>80% ;FC>0且 | Fci-Fcr | /Fc>40% ; C6表示处 于右脚前左脚后状态收右脚;
[0015] 如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统不满足C1-C6 中任一个状态切换条件,控制模块停止步态初始化进程或者步态维持进程,发出警报;
[0016] 所述/髓为躯千支架与大腿支架之间角度;所述Z膝为大腿支架与小腿支架之间角 度;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;Zse为 以躯千垂直地面为基准,躯干左右倾斜的角度,左倾为正,右倾为负;G为用户体重;FC为去 除拐杖自身重力,左右拐杖触地端所受总压力;Fa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;Fp为左右脚底总压力;FPi为左脚单独压力;Fpr为 右脚单独压力。
[0017] 为进一步实现本发明目的,优选地,所述控制模块根据收到倾角传感器和脚底的 压力传感器传来的数据是在用户使用腕表选择“站立”运动模式后进行。
[0018] 优选地,所述控制模块控制电机转动,带动大腿支架和小腿支架迈出左或右脚通 过如下方式实现:
[0019] 1)迈右脚:控制模块控制右腿髋部电机以加速度a0从静止匀加速至速度v〇,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Z極减小;同时右腿膝部电 机开始以加速度31从静止匀加速至速度V1,以恒定速度V1转动,带动大腿与小腿产生相对角 度运动,使Z様减小,直至控制模块检测到/1145〜140°,控制右腿膝部电机以加速度-ai匀减速至静止;
[0020] 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ai匀加速至速度Vl,以恒定速度V1转动,带动大腿与小腿产生相对角 度运动,使Zas增大;
[0021] 控制模块持续检测Z榻,直至检测到/= 160〜157 °,控制右腿髋部电机以加速 度-a。勾减速至静止;膝部电机持续以恒定速度V1转动,直至控制模块检测到/機=no〜 180°,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;
[0022] 2)迈左脚:迈出左脚与迈出右脚不同之处在于迈出左腿时转动的电机是用户左腿 髋部电机和左腿膝部电机,检测的角度为用户左腿髋关节角度和膝关节角度。
[0023] 优选地,所述带动大腿支架和小腿支架向后收回左或右脚通过如下方式实现: [0024] 1)收左脚:左腿膝部电机以加速度al从静止匀加速至vl,然后恒定速度vl转动,使 Z挪减小,直至控制模块检测到Za§= 145〜140°时,左腿膝部电机以加速度-al减速至静 止并随后以加速度al加速至vl后以恒定速度vl转动,直至控制模块检测到/雄二170〜 180°,左腿膝部电机以加速度_al减速至静止;在左腿膝部电机转动的同时,左腿髋部电机 以加速度a0加速至v0后保持速度不变,直至控制模块检测到Z趨=170〜180°时,左腿髋部 电机以加速度-a0减速至静止;
[0025] 2)收右脚:收右脚与收左脚不同之处在于收右脚时转动的电机是用户右腿髋部电 机和右腿膝部电机,检测的角度为用户右腿髋关节角度和膝关节角度。
[0026] 优选地,所述判断系统不满足C1-C6中任一个状态切换条件表示用户正处于跌倒 姿态或者其他未定义姿态;压力值、躯干倾角值或电机转角值参数超出界定范围达到ls,控 制模块判别为“异常状态”,控制模块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”;所述保护措施包括:用户重心不稳时,控制电机停止转动,或反向转动使用 户重新变回坐姿;用户摔倒时,控制语音模块发出警报以请求他人救援。
[0027] 优选地,所述传感器包括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 感器和躯干倾角传感器;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 底压力传感器和躯干倾角传感器连接;所述控制模块还分别与左腿髋部电机、右腿髋部电 机、左腿膝部电机和右腿膝部电机连接。
[0028]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;大腿支架与 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。
[0029] 优选地,所述aO取值为15°〜20°/s2;所述vO取值为15°〜20°/s;所述al取值为60° 〜65°/s2;所述vl取值为20°〜25°/s。
[0030]相对于现有技术,本发明具有如下优点:
[0031] 1、触发方式双保险。若用户未通过腕表12上的按钮操作选择“行走”模式,则其身 体动作不会触发外骨骼机械腿装置的站立动作;用户通过按钮操作选择“行走”模式后,腕 表12中的无线射频模块与控制模块11进行通信,通知后者用户选择了“行走”模式,后者随 即根据传感器组采集的数据,开始实时判别用户身体姿态是否满足触发条件。一旦控制模 块11检测到用户身体姿态动作满足触发条件,则向电机组发出相应指令,控制电机组转动 完成相应动作,触发“迈脚”。也就是说,用户必须既通过腕表12的按钮选择了“行走”模式, 同时身体姿态又满足了一定触发条件,才会触发机械腿“迈脚”。这样即可避免单一触发方 式的误触发风险,提高安全系数。
[0032] 2、用户使用安全。控制模块11通过传感器组对用户身体姿态的数据(包括躯干倾 角、脚底压力等)进行实时监控和分析,判断上述数据是否超出正常范围。当用户出现重心 不稳或摔倒等突发情况,控制模块11会检测到上述数据超出正常范围,这时将立即米取应 对措施,确保用户安全。譬如,重心不稳时会控制机械腿停止动作,摔倒时会通过语音模块 16发出警报求助。
[0033] 3、可以支持特殊用户。现有下肢康复装置大多只起辅助承力作用,需要用户有一 定下肢力量,而本发明所述的外骨骼机械腿康复装置可支撑用户整个身体,下肢无力的用 户亦可使用。本发明“行走”运动模式,对于下肢重度瘫痪的用户,一则能让用户重新用自己 的双脚站起来,进行简单的散步,具备一定的自理能力,二则能帮助用户减缓腿部肌肉的萎 缩;对于下肢轻度瘫痪用户,该行走模式有助于其下肢正常功能的恢复。
[0034] 4、可以实现多种功能。现有下肢康复装置只为用户的主动动作提供辅助,而本发 明的外骨骼机械腿康复装置可根据用户的重心偏移等姿态触发并带动用户的身体完成站 立、坐下、行走等动作。
[0035] 5、安全保证性高。本发明的康复装置行走控制方法中,定义的所有状态处于一个 闭环当中,所有其他未定义状态均为异常状态,其稳定性和安全性得到很大保障。
附图说明
[0036]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。
[0037]图2是图1中控制模块与相关部件的连接关系图。
[0038]图3(a)是图1康复装置正向示意简图。
[0039]图3⑹是图1康复装置右向示意简图。
[0040]图4 (a)是躯干前倾角示意图。
[0041]图4⑹是躯干后倾角示意图。
[0042]图4(c)是躯干左右倾角示意图。
[0043]图5是穿戴该外骨骼机械腿康复装置的用户从双脚平行站立状态向一脚前一脚后 状态转换的流程图,即步态初始化进程。
[0044]图6是穿戴该外骨骼机械腿康复装置的用户处于一脚前一脚后状态时,步态维持 进程的流程图。
[0045]图中示出:躯干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髋部电机4、髋部转角传感器5、膝部 电机6、膝部转角传感器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、躯干倾斜传感器9、左拐杖触地压力 传感器14 j、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、右腿膝部电机6_2。
[0046]具体实现方式
[0047]为更好地理解本发明,下面结合附图对本发明作进一步的说明,但实施方式不构 成对本发明保护范围的限定。
[0048]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,可 穿戴仿生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_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_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。
[0049] 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,固定在定子上的躯千支架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。脚部支撑板15承受着用户身体的 重量,脚部支撑板15下安装了脚底压力传感器8;脚底压力传感器产生的信号代表有力施加 于它,其压力值取决于用户的姿态。
[0050]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_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安装在躯千支架1 上。
[0051]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 j 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。
[0052] 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。
[0053]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。
[0054] 在正常的行走过程中,用户会在两种状态中切换,包括:双脚平行站立和一脚前一 脚后状态,第二种状态包括左脚在前站立以及右脚在前站立。本发明中,“步态初始化进程” 即为用户从双脚平行站立状态向一脚前一脚后状态的转换;“步态维持进程”即为用户从 “左脚前右脚后”状态向“右脚前左脚后”状态或者从“右脚前左脚后”状态向“左脚前右脚 后”状态的转换。一个完整的行走过程由“步态初始化进程”开始,接着是“步态维持进程,,的 循环,最后随着“步态维持进程”的终止,即收回前脚恢复双脚平行站立状态,而结束。图5和 图6说明了这两个进程的具体流程。
[0055]下面定义的内容是以下面五条假设为基础:
[0056] 1)定义躯干倾角,前、左为正,后、右为负。躯干前后倾角为/前后,如图4 (a)和图4 〇3)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,图4(a) 是躯干前倾角度,图4⑹是躯干后倾角度。躯干左右倾角为Z&amp;&amp;,如图4(c)所示,以躯千垂 直地面为基准,躯干左右倾斜的角度。
[0057] 2) 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 独压力为FP1,右脚单独压力为FPr。拐杖压力(已去除拐杖自身重力)记为Fc,左拐杖压力FC1, 右拐杖压力FCr.。
[0058] 3)如图3 (a)和图3⑹所示,膝关节角度Z膝为大腿支架2与小腿支架3之间的夹角, 左膝关节角度记为Z雄结,右膝关节角度记为Za*,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Z髓为大腿支架2与躯 干支架1之间的夹角,左髋关节角度记为Zist,右髋关节角度记为
[0059] 4)本发明中,VQ为髋部电机转速;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;vi为膝部电机转速,为膝部电机开始转动的加速度,-m为膝部电机结 束转动的加速度。3〇,&amp;1,%,^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,助的取值为30°/s2〜40°/ s2,ai 的取值为 100°/s2 〜120°/s2,vq 的取值为 30°/s 〜40°/s,vi 的取值为 7〇°/s 〜8〇°/s。 [0060] 5)定义用户体重为G。
[0061]下面定义用户行走过程中的两种状态S1和S2:
[0062] S1:双脚平行状态
[0063] Z膝=170〜180。,Z髋二 170〜180。,Z膝—Z髋〜0。,
[0064] /前后=-5 ° 〜+5 °,/姑=-5 ° 〜+5 °,
[0065] FPi-FPr | /FP< 10 % , F〇>0, | Fd-Fcr | /Fc<5 % ;
[0066] S2:—脚前一脚后状态
[0067] Z膝=170〜180。,Z髋=170〜180。髋<5。,
[0068] Z 前后=_5。〜+5。,2站=-10。〜+1〇。;
[0069] | Fpi-Fpr | /FP< 10 % , Fc>0, | Fci-Fcr | /Fc<5 %
[0070] 状态切换条件定义:
[0071] Cl:处于双脚平行状态下跨左脚 [0072]初始状态(切换条件)
[0073] Z膝=170〜180°,Z髋=170〜180°;
[0074] Z前后=+5。〜+15。,Z姑=-1〇。〜+1〇。,
[0075] FPi«Fpr (即满足(Fpr-FPi) /FPi>80%),
[0076] Fc>0且Fci<Fcr (即满足 | Fci-Fcr | /Fc>40%)
[0077] 结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0078] C2:处于双脚平行状态下跨右脚
[0079] 初始状态(切换条件)
[0080] Z 膝=170 〜180。,/髋=170 〜180。;
[0081] /前后=+5。〜+15。,幺絲=一 10°〜+10°,
[0082] Fpr《Fpi (即满足(Fpi-Fpr)/Fpr>80%),
[0083] Fc>0且Fcr<Fcl (即满足 I Fci-Fcr | /Fc>40%)
[0084] 结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0085] C3:处于左脚前右脚后状态跨右脚
[0086] 初始状态(切换条件)
[0087] Z 膝=170 〜180。,/髋=17〇 〜180。;
[0088] Z前后=+5。〜+15。,Z陆=-1〇。〜+1〇。,
[0089] Fpr«FPi (即满足(FPi—Fpr) /Fpr>80%),
[0090] Fc>0且Fcr<Fci (即满足 I Fci-Fa I /Fc>40%)
[0091] 结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0092] C4:处于左脚前右脚后状态收左脚
[0093] 初始状态(切换条件) 。
[0094] Z膝=170〜180。,Z髋=17〇〜180。,0。</膝-Z髓<5。; Z緬=_5。〜+5。,1〇。 〜+10。;
[0095] FPi〈〈Fpr (即满足(Fpr-FPi) /FPi>80 %),
[0096] Fc>0且Fci<Fcr (即满足 | Fci-Fcr | /Fc>40 %)
[0097] 结束状态,即双脚平行状态SI
[0098] C5:处于右脚前左脚后状态跨左脚
[0099] 初始状态(切换条件)
[0100] Z膝=170〜180。,Z髋=170〜180。;
[0101] Ziig=+5°〜+15°,/站=-10°〜+10°;
[0102] FPi«Fpr (即满足(Fpr-FPi) /FPi>80%),
[0103] Fc>0且Fci〈Fcr (即满足 | Fci-Fcr | /Fc>40%)
[0104] 结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0105] C6:处于右脚前左脚后状态收右脚
[0106] 初始状态(切换条件)
[0107] Z膝=170 〜180°,Z髓=170 〜180°,0°〈2,/髓<5。;
[0108] Zr后=+5。〜+i〇°,z姑=-1〇 〜〇。;
[0109] Fpr«Fpi (即满足(FPi-Fpr) /Fpr>80%),
[0110] Fc>0且Fcr<Fci (即满足 | Fci-Fcr | /Fc>40%)
[0111] 结束状态,即双脚平行状态SI
[0112] 根据以上定义结合行走控制流程图5、6,一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置 的行走控制方法,包括如下步骤:
[0113] 1)第一步迈出左或右脚(初始化);图5说明了用户从双脚平行站立向一脚前一脚 后状态转换的流程图。当一个用户通过腕表I2选择了“行走”模式之后,控制系统11开始通 过躯干倾角传感器9和脚掌支架处的压力传感器8以及拐杖的触地压力传感器14检测用户 是否前倾、重心是否移动;若在指定时间T之内,用户上身前倾,并将重心往右侧移动,则右 脚脚底的压力会增大,左脚的压力则会减小,倾角传感器9和压力传感器8采集到信号并将 数据传输给控制模块11。控制模块11根据收到倾角传感器9和脚底的压力传感器8传来的数 据,判断系统目前状态满足切换条件C1或C2,便会成功初始化步态;控制模块11控制左腿髋 部电机4_1、右腿髋部电机4_2、左腿膝部电机6_1、右腿膝部电机6_2按照设定好的速度和角 度转动,带动大腿支架2和小腿支架3迈出左或右脚,系统随即会记录下目前的状态为“迈出 左(右)脚”,接下来进行步态的维持;若在指定时间T内没有同时检测到倾角传感器和双脚 压力传感器大小的变化,即控制模块11根据倾角传感器9和压力传感器8传来的数据,判断 系统目前状态不满足切换条件,则初始化步态的进程停止,用户继续维持在双脚平行站立 状态;
[0114] 所述迈出左或右脚的具体方式相同,只是迈出左脚时,转动的电机是用户左腿髋 部电机和左腿膝部电机,检测的角度为用户左腿髋关节角度和膝关节角度;而迈出右脚时, 转动的电机是用户的右腿髋部电机和右腿膝部电机,检测的角度为用户右腿髋关节角度和 膝关节角度。下面以迈出右脚为例,其具体实现方式如下:
[0115] 控制模块11控制右腿髋部电机4_2以加速度a0从静止匀加速至速度vO,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,使躯千支架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ai从静止匀加速至速度V1 (行走过程中设 置vi = 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Z様减小,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_&amp;1匀减速至静止。
[0116] 右腿髋部电机4_2持续转动,直至控制模块11检测到Zai=165〜160°,控制右腿 膝部电机6_2反向转动,以加速度ai匀加速至速度V1,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Z棚增大。
[0117] 控制模块11持续检测/棚,直至检测到Z*fl=160〜157°,控制右腿髋部电机4_2 以加速度-ao匀减速至静止;右腿膝部电机持续以恒定速度^转动,直至控制模块11检测到 Za*=170〜180°,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。
[0118] 2)持续行走控制
[0119] 图6说明了用户处于一脚前一脚后状态时的步态维持进程。当用户成功迈出左或 右脚后,用户处于左或右脚在前姿态,在迈出新的一步前,即迈出右或左脚前,控制模块11 继续通过倾角传感器9、压力传感器8以及触地传感器14检测用户的躯干是否前倾、重心是 否偏移;若在指定时间T内,用户上身倾斜并将重心侧移至左(或右)脚,倾角传感器9和压力 传感器8采集到信号并将数据传输给控制模块11;控制模块11根据倾角传感器9和压力传感 器8传来的数据,将判断系统目前状态满足切换条件C3 (或C5),此时,控制模块将控制髋部 电机和膝部电机按照设定好的速度和角度转动,带动大腿支架和小腿支架向前迈出右(或 左)脚;
[0120] 所述迈出左或右脚的具体方式与步骤1)中迈出左或右脚的具体方式只有一个不 同之处。以迈出右脚为例,当用户的右侧两个电机按照步骤1)中的步骤迈出右脚的同时,左 腿髋部电机4_1以加速度aO由静止加速至速度vO并保持匀速转动,直至检测到175〜 178°时,控制左腿髋部电机4_1以加速度-a〇匀减速至静止。其余迈右脚方式与步骤1)中所 述相同。
[0121] 如果在指定时间T内系统未检测到上身前倾以及重心转移,即控制模块根据倾角 传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足状态切换条件C4 (或C6),则步态 维持进程停止,控制模块11将控制左腿髋部电机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按照设定好的速度和角度转动,带动大腿支架2和小腿支架3向后收回 左(或右)脚,使用户回到双脚平行站立姿态。(收脚)
[0122] 上述的收脚动作(以收左脚为例)具体过程如下:
[0123] 左腿膝部电机6_1以加速度al从静止匀加速至vl,然后恒定速度vl转动,使/纖减 小,直至控制模块11检测到Zas=145〜140°时,左腿膝部电机以加速度-al减速至静止并 立即以加速度al加速至vl后以恒定速度vl转动,直至控制模块11检测到/纖=170〜180°, 左腿膝部电机6_1以加速度_al减速至静止。在左腿膝部电机转动的同时,左腿髋部电机4_1 以加速度_a0加速至-vO后保持速度不变,直至控制模块11检测到/益|= 170〜180°时,左腿 髋部电机4_1以加速度aO减速至静止。期间,两个电机同时转动,且设定vl二2v0。
[0124]步骤1)、2)中所述“指定时间T”由用户的熟练度来决定,用户对这套设备的使用越 熟练,“指定时间”可取更小的值。T的一般取值范围为2s-5s。
[0125] 3)异常处理
[0126]倘若在初始化步态及步态维持过程中,控制模块11通过传感器返回的数据判断系 统不满足C1-C6中任一个状态切换条件(用户正处于跌倒姿态或者其他未定义姿态),则系 统会立即停止步态初始化进程或者步态维持进程,系统的警报装置也会发出警报。例如,压 力值、躯干倾角值或电机转角值等参数超出上述正常范围达到ls,即判别为“异常状态”,控 制模块11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,或反向转动使用户重新变回坐姿; 用户摔倒时,控制语音模块16发出警报以请求他人救援。
[0127]本发明站立控制方法有如下优点:
[0128] 1、触发方式双保险。若用户未通过腕表12上的按钮操作选择“行走”模式,则其身 体动作不会触发外骨骼机械腿装置的站立动作;用户通过按钮操作选择“行走”模式后,腕 表12中的无线射频模块与控制模块11进行通信,通知后者用户选择了“行走”模式,后者随 即根据传感器组采集的数据,开始实时判别用户身体姿态是否满足触发条件。一旦控制模 块11检测到用户身体姿态动作满足触发条件,则向电机组发出相应指令,控制电机组转动 完成相应动作,触发“迈脚”。也就是说,用户必须既通过腕表12的按钮选择了“行走”模式, 同时身体姿态又满足了一定触发条件,才会触发机械腿“迈脚”。这样即可避免单一触发方 式的误触发风险,提高安全系数。
[0129] 2、用户使用安全。控制模块11通过传感器组对用户身体姿态的数据(包括躯干倾 角、脚底压力等)进行实时监控和分析,判断上述数据是否超出正常范围。当用户出现重心 不稳或摔倒等突发情况,控制模块11会检测到上述数据超出正常范围,这时将立即采取应 对措施,确保用户安全。譬如,重心不稳时会控制机械腿停止动作,摔倒时会通过语音模块 16发出警报求助。
[0130] 3、可以支持特殊用户。现有下肢康复装置大多只起辅助承力作用,需要用户有一 定下肢力量,而本发明所述的外骨骼机械腿康复装置可支撑用户整个身体,下肢无力的用 户亦可使用。
[0131] 4、可以实现多种功能。现有下肢康复装置只为用户的主动动作提供辅助,而本发 明的外骨骼机械腿康复装置可根据用户的重心偏移等姿态触发并带动用户的身体完成站 立、坐下、行走等动作。
[0132] 5、安全保证性高。本发明的康复装置行走控制方法中,定义的所有状态处于一个 闭环当中,所有其他未定义状态均为异常状态,其稳定性和安全性得到很大保障。
[0133]以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通 技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1. 一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征在于包括如下步 骤: 1) 第一步迈出左或右脚: 控制模块根据收到倾角传感器和脚底的压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满 足切换条件C1或C2,控制模块控制电机转动,带动大腿支架和小腿支架迈出左脚或右脚;若 在指定时间T内没有同时检测到倾角传感器和双脚压力传感器大小的变化,控制模块根据 倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态不满足切换条件,则初始化步态 的进程停止,用户继续维持在双脚平行站立状态; 所述 C1:Z膝=170 〜180。,/髋=170 〜180。,/前后=+5。〜+15。,/姑=_1〇° 〜+1〇°, (Fpr-FPi)/FPi>80%,Fc>〇且 |Fci-Fc r |/FC>40% ;C1 表示双脚平行状态下跨左脚; 所述C2: Z膝=170〜180°,Z髋=170〜180°,/前后=+5。〜+15。,/絲=-1〇° 〜+1〇°, (FPi-Fpr) /Fpr>80%,FC>0且 iFcd-Fcr | /Fg>40% ;C2表示双脚平行状态下跨右脚; 所述指定时间T由用户的熟练度来决定,T的取值为2-5s; 2) 持续行走控制: 如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足切换 条件C3或C5,控制模块将控制髋部电机和膝部电机转动,带动大腿支架和小腿支架向前迈 出右脚或左脚;所述C3: Z膝=170〜180°,Z髋=170〜180°; Z前后=+5°〜+15°,Z站=_1〇° 〜+10°; (Fpi-Fpr)/Fpr 80%) ;Fc>〇且|?。1呼^/?。>40%<3表示处于左脚前右脚后状态跨右 脚;所述C5: Z膝=170〜180°,/髋=170〜180°; /前后=+5° 〜+15°,Z&amp;&amp;=-10° 〜+10°; (Fpr_ FPi) /FPi>80 % ; Fc>0且| Fci-Fcr | /Fc>40 % ; C5表示处于右脚前左脚后状态跨左脚; 如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足状态 切换条件C4或C6,则步态维持进程停止,控制模块将控制左腿髋部电机、右腿髋部电机、左 腿膝部电机和右腿膝部电机转动,带动大腿支架和小腿支架向后收回左或右脚,使用户回 到双脚平行站立姿;所述C4: Z膝=170〜180°,Z髋二170〜180°,0°<Z膝髋<5° ; Z齡=-5° 〜+5°,Z&amp;&amp;=-10°〜+10° ; (Fpr-FPi) /FPi>80% ;FC>0且 | Fcd-Fcr | /Fc>40% ; C4表示处于左脚 前右脚后状态收左脚;所述C6: Z膝=170〜180°,Z髋=170〜180°,0°<Z膝-Z髋<5°; Z前后=+ 5°〜+10°,/:^=-10〜0°; (FPi-Fpr) /Fpr>80% ;FC>0且 |Fci-Fcr | /Fc>40% ;C6表示处于右脚 前左脚后状态收右脚; 如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统不满足C1-C6中任 一个状态切换条件,控制模块停止步态初始化进程或者步态维持进程,发出警报; 所述ZtS为躯干支架与大腿支架之间角度;所述Z膝为大腿支架与小腿支架之间角度; 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;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;G为用户体重;Fc为去除 拐杖自身重力,左右拐杖触地端所受总压力;Fa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;FP为左右脚底总压力;FPi为左脚单独压力;Fpr为右脚 单独压力。
2. 根据权利要求1所述的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征 在于,所述控制模块根据收到倾角传感器和脚底的压力传感器传来的数据是在用户使用腕 表选择“站立”运动模式后进行。
3. 根据权利要求1所述的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征 在于,所述控制模块控制电机转动,带动大腿支架和小腿支架迈出左或右脚通过如下方式 实现: 1) 迈右脚:控制模块控制右腿髋部电机以加速度aO从静止匀加速至速度vO,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Z纖减小;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,以恒定速度V1转动,带动大腿与小腿产生相对角度运 动,使减小,直至控制模块检测到/様=145〜140°,控制右腿膝部电机以加速度^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Z;ai=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,以恒定速度vi转动,带动大腿与小腿产生相对角度运 动,使Z繊增大; 控制模块持续检测Z權,直至检测到160〜157°,控制右腿髋部电机以加速度-ao 匀减速至静止;膝部电机持续以恒定速度V1转动,直至控制模块检测到/様=170〜180°, 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; 2) 迈左脚:迈出左脚与迈出右脚不同之处在于迈出左腿时转动的电机是用户左腿髋部 电机和左腿膝部电机,检测的角度为用户左腿髋关节角度和膝关节角度。
4. 根据权利要求1所述的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征 在于,所述带动大腿支架和小腿支架向后收回左或右脚通过如下方式实现: 1) 收左脚:左腿膝部电机以加速度al从静止匀加速至vl,然后恒定速度vl转动,使 减小,直至控制模块检测到Zaf= 145〜140°时,左腿膝部电机以加速度_al减速至静止并 随后以加速度al加速至vl后以恒定速度vl转动,直至控制模块检测到Zaf=170〜180°,左 腿膝部电机以加速度-al减速至静止;在左腿膝部电机转动的同时,左腿髋部电机以加速度 aO加速至vO后保持速度不变,直至控制模块检测到Zai=170〜180°时,左腿髋部电机以加 速度-aO减速至静止; 2) 收右脚:收右脚与收左脚不同之处在于收右脚时转动的电机是用户右腿髋部电机和 右腿膝部电机,检测的角度为用户右腿髋关节角度和膝关节角度。
5. 根据权利要求1所述的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征 在于,所述判断系统不满足C1-C6中任一个状态切换条件表示用户正处于跌倒姿态或者其 他未定义姿态;压力值、躯干倾角值或电机转角值参数超出界定范围达到1 s,控制模块判别 为“异常状态”,控制模块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”;所述保护措施包括:用户重心不稳时,控制电机停止转动,或反向转动使用户重新变回 坐姿;用户摔倒时,控制语音模块发出警报以请求他人救援。
6. 根据权利要求1所述的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征 在于,所述传感器包括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和躯干 倾角传感器;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 和躯千倾角传感器连接;所述控制模块还分别与左腿髋部电机、右腿髋部电机、左腿膝部电 机和右腿膝部电机连接。
7. 根据权利要求1所述的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征 在于,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;大腿支架与小腿支架分 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。
8. 根据权利要求4所述的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,其特征 在于,所述aO取值为15°〜2〇°/s2;所述vO取值为15°〜20°/s;所述al取值为60°〜657s2;所 述vl取值为20°〜25°/s。
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