CN105662789A - 一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统 - Google Patents

一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统 Download PDF

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Abstract

一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息发送至助残外骨骼控制器；助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。

Description

一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统
技术领域
本发明涉及一种外骨骼系统，属于医疗器械领域。
背景技术
目前国内、外外骨骼主要分为两类，助残外骨骼和助力外骨骼。助力外骨骼主要针对健全人，使其在行走、背负重物时减轻其使用者的负担。助残外骨骼主要应用于下肢有残疾的残疾人，使重新获得正常行走能力。
通过专利可以查询到的助残外骨骼，如Rewalk助残外骨骼，该外骨骼具备为瘫痪的下肢提供外部助力，并带动其运动的功能，该外骨骼应用仍必须使用双拐。其控制算法是通过监测人体运动重心，控制外骨骼带动下肢运动，并通过双拐控制人体平衡。其最大的特点在于能使双腿残疾的残疾人能够重新站起来，在双拐的辅助下实现“四足”行走。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于健全肢体运动监测，控制残肢运动的外骨骼系统。
本发明的技术解决方案是：一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；
健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息发送至助残外骨骼控制器；
助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；
下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。
所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下：
(1)在当前控制周期，实时接收并记录健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；
(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；
(3)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制下残肢驱动装置依照健全一侧下肢的运动开始前摆、支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。
所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下：
(1)在当前控制周期，实时接收并按段记录健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；所述的按段记录为将健全一侧下肢从支撑到前摆完成为第一段，健全一侧下肢从前摆完成到下残肢与地面垂直过程为第二段，健全一侧下肢从与地面垂直到后摆完成为第三阶段；
(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；
(3)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的第一段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制下残肢驱动装置开始前摆；进入步骤(4)；
(4)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否到达与地面垂直的位置，若到达该位置，则根据当前控制周期记录的第二段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，进入步骤(5)；
(5)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始后摆，若开始后摆，则在开始后摆时刻根据当前控制周期记录的第三段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。
本发明与现有技术相比有益效果为：
1、本发明通过采集和使用健全肢体信息，触发和控制下残肢驱动装置，带动残肢或假肢运动。与现有方案相比，本发明系统架构合理，助残效果更好，使残疾人行走运动更加协调，更接近健全人行走；
2、本发明中使用的控制算法的核心是基于人体基本行走运动规律，使用驱动装置带动假肢或残肢模仿健全肢体运动，该功能适应了不同使用者的行走习惯，使得不同的使用者稍加训练，即可迅速适应该发明装置，该发明的适用性很强。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为本发明健全肢体检测装置示意图；
图3为本发明下残肢驱动装置示意图。
具体实施方式
本发明主要的针对应用人群是一个下肢瘫痪，或残缺，通过监测人体其他健全肢体运动，不需要双拐辅助，实现残疾人摆脱双拐，双足重新行走的目的。本装置在下文中简称“助残外骨骼系统”。如图1所示，本发明是一种基于健全肢体运动监测，控制残肢运动的外骨骼系统，包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；健全肢体监测装置具体包含上肢监测装置和下肢监测装置。
助残外骨骼系统的工作流程为：健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息通过数字总线发送至助残外骨骼控制器；助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。
下面分别对上述各部分进行详细说明。
(一)健全肢体监测装置
健全肢体监测装置，是一种监测健全上肢或下肢运动的监测装置。上肢监测装置是主要功能是监测上肢肩关节和肘关节的角度和角速度，并将上述信息通过数字总线传输给助残外骨骼控制器；下肢监测装置主要监测髋关节和膝关节的角度和角速度，并将上述信息通过数字总线传输给助残外骨骼控制器。健全肢体监测装置由两个角度传感器、传感器接口电路、控制电路和通讯电路组成，如下图2所示。
以上角度传感器中，选择体积和重量较轻、功耗较低的传感器为最佳，本发明中选用巨磁阻式角度传感器，其体积和重量均较小，适合作为可穿戴设备的应用，这两个角度传感器可测量肩关节、肘关节角度和角速度，也可测量膝关节和踝关节角度和角速度。此外，角度传感器还有多种实现方式，可选择电阻式角位移传感器，旋转变压器式角位移传感器、光电绝对值码盘等方法实现。传感器接口电路，根据不同传感器类型适配不同的接口电路。
控制电路的主要功能为接收角度传感器采集的关节角度和角速度信息，将该信息发送给通讯电路。控制电路由控制芯片和其外围电路构成。控制芯片可选用普通MCU或高性能DSP芯片。
通讯电路的功能为将控制电路发送的信息通过其发送给助残外骨骼控制器。本发明中通讯电路采用无线通讯的方式进行实现，具体通过WIFI的通讯方式进行，采用无线传输的方式，如此设计使各个设备之间连线最少，方便助残外骨骼系统使用。此外，通讯电路还可以选择蓝牙通讯、ZigBee通讯等无线通讯电路，或采用有线通讯方式，如CAN总线、RS485/422/232、SSI、SSC、LAN等方式进行实现。
(二)下残肢驱动装置
下残肢驱动装置是一个能够驱动残肢或替代残肢进行模仿人体正常步态行走的驱动装置，其主要功能接收助残外骨骼发出的运动控制指令，驱动本身运动，并且同时带动残疾肢体恢复正常运动的功能。下残肢驱动装置的主要组成有：通讯电路、伺服电机驱动电路、两台伺服电机、两台减速器、下肢驱动装置结构本体。两台伺服电机和两台减速器分别用于驱动下残肢膝关节和下残肢髋关节使用。如图3所示。
下残肢驱动装置中的通讯电路保持与健全肢体监测装置的通讯电路一致，其功能为与助残外骨骼控制器通讯；
伺服电机驱动电路的功能为接收通讯电路运动控制指令，并将该指令进行功率放大，驱动安装于髋关节的伺服电机1和安装于膝关节的伺服电机2运动；减速器1和减速器2分别将伺服电机1和伺服电机2输出的高转速、小转矩力转换为低转速、大扭矩力，并将该大扭矩力直接施加在下残肢驱动装置结构本体上。
下残肢驱动装置结构本体是一个可通过柔性绑带等措施固定于人体下肢的外骨骼装置。人体的髋关节和膝关节能够和下残肢驱动装置结构本体的膝关节和髋关节良好配合，且关节转向同轴固定。当下残肢驱动装置结构本体的膝关节和髋关节运动时，其能够带动残肢的髋关节和膝关节运动。当伺服电机运动时，带动下残肢驱动装置结构本体运动，其又带动或代替下残肢运动，实现该装置功能。
(三)助残外骨骼控制器
助残外骨骼控制器的功能是接收健全肢体监测装置发出的健全肢体各个关节的角度和角速度，经过对这些信息量的记录、识别、计算，得出下残肢运动指令，并将该指令发送至下残肢驱动装置。
助残外骨骼控制器由通讯电路和数据计算处理电路组成。其内部通讯电路和健全肢体监测装置、下残肢驱动装置保持一致，数据计算处理电路由高性能DSP芯片和其外围供电、时钟电路构成。此外，数据计算处理电路还可有FPGA芯片、MCU芯片、CPU芯片、ARM芯片等和其外围供电、时钟电路组成。
助残外骨骼控制器的实现是以人体行走运动的上肢、下肢的相对运动规律为基础进行设计的。以一般人正常行走的规律为例，人的左腿向前迈出，同时，右臂向前摆，左臂向后摆，右腿相对于人体躯干向后弯曲。基于此规律，监测健全肢体运动，推算残肢运动，通过残肢驱动装置运动带动实现人体残肢在正常行走过程中正确的运动，实现单腿残疾人摆脱双拐保持平衡并能够按照健全人正常步态行走。
以某左腿残疾患者为例，详细的控制步骤说明如下：
(1)在当前控制周期，实时接收并记录右下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的右上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使左下残肢驱动装置处于静止状态；
判断人体是否处于行走状态的算法在于识别右上肢右下肢的四个关节运动数据的三个特征：(a)判断右上肢和右下肢四个关节的运动速度均不为0，且运动速度在人体正常行走肢体运动速度范围内；(b)右上肢肩关节和肘关节运动信息特征符合正常摆臂运动形式，右下肢的髋关节和肘关节运动信息特征符合正常迈腿运动形式；(c)右上肢和右下肢的摆动方向相反。
(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断右下肢前摆动以及右上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；
判断当前控制周期是否为启动周期的算法在于通过采集健全肢体关节信息，识别健全肢体以下两特征。(a)右下肢呈垂直于地面的状态，而后变为右下肢前摆状态；(b)右上肢呈垂直于地面状态，而后同时跟随右下肢前摆变为右上肢后摆状态。(c)右下肢和右上肢呈垂直于地面状态的时间大于一个固定的时间段值。
(3)实时接收右上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断右上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的右下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制左下残肢驱动装置依照右下肢的正常运动开始前摆、支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。
除以上控制算法外，控制算法还可设计为以下方式：
(1)在当前控制周期，实时接收并按段记录右侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的右上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；所述的按段记录为将右下肢从支撑到前摆完成为第一段，右下肢从前摆完成到右下残肢与地面垂直过程为第二段，右下肢从与地面垂直到后摆完成为第三阶段；
(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断右下肢前摆动以及右上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至右下肢前摆动以及右上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；
(3)实时接收右上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断右上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的第一段右下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制左下残肢驱动装置开始前摆；进入步骤(4)；
判断当前右上肢是否开始前摆的的算法在于通过采集右上肢肩关节和肘关节角度和角速度符合以下特征：右臂位置处于后摆位置的状态并且右臂摆动的速度方向为向前。
(4)实时接收右上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断右上肢是否到达与地面垂直的位置，若到达该位置，则根据当前控制周期记录的第二段右下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制左下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，进入步骤(5)；
判断当前右上肢(健全一侧上肢)是否到达与地面垂直的的算法在于通过采集右上肢肩关节和肘关节角度和角速度符合以下特征：右臂位置处于和地面垂直的状态并且右臂摆动的速度方向为向前。
(5)实时接收右上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断右上肢是否开始后摆，若开始后摆，则在开始后摆时刻根据当前控制周期记录的第三段右下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制左下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。
判断当前右上肢是否到达与地面垂直的的算法在于通过采集右上肢(健全一侧上肢)肩关节和肘关节角度和角速度符合以下特征：右臂位置处于后摆位置的状态并且右臂摆动的速度方向为向后。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，其特征在于：包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；
健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息发送至助残外骨骼控制器；
助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；
下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，其特征在于：所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下：
(1)在当前控制周期，实时接收并记录健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；
(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；
(3)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制下残肢驱动装置依照健全一侧下肢的运动开始前摆、支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。
3.根据权利要求1所述的一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，其特征在于：所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下：
(1)在当前控制周期，实时接收并按段记录健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；所述的按段记录为将健全一侧下肢从支撑到前摆完成为第一段，健全一侧下肢从前摆完成到下残肢与地面垂直过程为第二段，健全一侧下肢从与地面垂直到后摆完成为第三阶段；
(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；
(3)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的第一段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制下残肢驱动装置开始前摆；进入步骤(4)；
(4)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否到达与地面垂直的位置，若到达该位置，则根据当前控制周期记录的第二段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，进入步骤(5)；
(5)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始后摆，若开始后摆，则在开始后摆时刻根据当前控制周期记录的第三段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。
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