CN106618979A - 步态康复机器人及用于步态康复机器人的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗器械领域，具体公开了一种步态康复机器人及用于步态康复机器人的控制方法。通过可穿戴式传感器系统，实时的测量使用者在行走时的下肢二维姿态并计算用户行走速度，根据行走速度控制机器人的运行速度。本方法使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以较好的使步态康复机器人跟随用户的行走速度以及步行特点，从而达到帮助用户行走的目的，还可以避免对用户造成二次伤害，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种步态康复机器人及用于步态康复机器人的控制方法。
背景技术
步态参数是人类行走过程中的物理参数，具体包括行走速度等等，可以反映人类运动能力，拥有较大的应用价值。可穿戴传感器包括惯性测量单元，超声波传感器，微型摄像头等等，相比于大型实验室测量步态参数的设备如光学式运动捕捉系统、测力台等等，以其小巧、廉价，不受时间、空间限制、易于推广等优点被广泛应用于步态参数测量领域。
步态的测定具有重要的意义。现在有很多人研究步态康复机器人，一种能通过自身移动协助患有腿部疾病的用户行走的装置。现有的步态康复机器人大多通过遥控的方式控制运行速度，往往不能够根据用户自身的行走速度进行跟随用户行走的运动，并且很有可能因为机器人运行与用户的动作不匹配而造成二次伤害，因此非常有必要提出一种新的控制方法，使步态康复机器人能够跟随用户的行走。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中步态康复机器人不能根据用户的实际运动调整自身运动的问题，并提供一种新型的用于步态康复机器人的控制方法。
本发明中所涉及的部分名词含义如下：
行走速度是指人在行走时人的躯干向前移动的速度。
惯性传感器为一种集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪的传感器，可以测量三轴加速度以及三轴角速度，并可以由这些加速度、角速度计算其自身的姿态角度。
矢状面和铅垂线，矢状面是垂直于水平面并将人体分为左右两部分的面，人在行走时，主要运动都发生在矢状面内；铅垂线是垂直于地面的线。
步态事件是指人在行走过程中的每个步态周期中的重要时刻，主要有摆动中期、脚落地、站立中期、脚离地四个步态事件。以右腿为例，左腿与地面接触并支撑人体，右腿向前迈出的这段时间为右腿的摆动相；右腿摆到左腿附近时为摆动中期；接着右脚落地，右腿开始与地面接触并支撑人体，左腿向前迈出的这段时间，为右腿的站立相；右腿以右踝关节为旋转中心，向前移动，到达接近于与地面垂直的位置，此时为站立中期；随后右脚离地，右腿向前迈出，完成一个步态周期。
人体小腿长度为，人体静止站立时，膝关节至地面的高度；人体大腿长度为，人静止站立时，髋关节至膝关节的高度。
本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下。
步态康复机器人，包括机器人本体、驱动轮、控制单元和可穿戴传感器，所述可穿戴传感器与控制单元有线或无线连接，所述可穿戴传感器用于检测用户行走时的脚落地步态事件，并测量所述用户大腿及小腿在矢状面内站立相时的姿态角度与角速度，并计算出用户的行走速度，将用户的行走速度反馈给控制单元，所述控制单元与驱动轮电连接，控制单元根据其收集的用户行走速度，调整驱动轮的转速，所述驱动轮用于驱动机器人本体移动，从而使机器人本体的移动速度与用户的行走速度保持一致。
用于步态康复机器人的控制方法，依次包括以下步骤：
（1）可穿戴传感器测量用户实时的行走速度；
（2）可穿戴传感器将测得的行走速度反馈给步态康复机器人；
（3）步态康复机器人根据反馈的行走速度实时调整自身运行速度，使自身运行速度与用户行走速度一致。
作为一种优选方式，所述的可穿戴传感器穿戴于用户的每条大腿和每条小腿上，所述可穿戴传感器测量用户实时的行走速度依次包括以下步骤：
（1）检测用户行走时的脚落地步态事件；
（2）实时测量所绑定的大腿、小腿在站立相时的矢状面内的姿态角度、以及运动角速度、；
（3）通过如下几何关系式计算得出用户实时的行走速度：
；
式中：V为用户行走速度，LS、LT分别为用户的小腿、大腿长度，、分别为用户处于站立相时小腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度，、分别为用户处于站立相时大腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度。
作为一种优选方式，步态事件可以利用用户小腿在矢状面内的角速度特征进行检测；步态事件是指人在行走过程中的每个步态周期中的重要时刻，包括摆动中期、脚落地、站立中期和脚离地四个步态事件；小腿角速度在一个周期时间内有一高一矮的两个比较大的波峰，较高的峰对应着摆动中期，较矮的对应着站立中期；摆动中期之后有一段有很多小的负向的波峰的区域，这是脚落地造成的震动，第一个负向峰为脚落地时刻；在站立中期后，下一个摆动中期前，有一处波谷，此时对应着脚离地时刻；站立相是指从脚落地事件开始，到另一条腿脚落地事件结束，摆动相是指从站立相结束时刻开始至下次该腿脚落地事件时刻。
作为一种优选方式，可穿戴传感器测量的行走速度通过有线或无线方式实时传输给步态康复机器人。
作为一种优选方式，步态康复机器人实时接收用户行走速度数据，并根据所接收的行走速度数据实时更改其驱动电机的转速，使步态康复机器人整体的前进速度与用户实时的行走速度一致。
作为一种优选方式，所述可穿戴传感器为惯性传感器或超声波传感器。
上述各优选方式中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。
本发明相对于现有技术而言，其有益效果是：
（1）使用本发明控制步态康复机器人，廉价、方便，不受场地限制，易于推广。
（2）使用本发明控制步态康复机器人，可以使步态康复机器人跟随用户的运动速度以及运动特点，有较好的人机交互性。
（3）使用本发明控制步态康复机器人，可以避免康复训练过程中的二次伤害，拥有较好的临床价值。
本发明中部分步骤的具体效果将通过后续的具体实施方式进行详细说明。
附图说明
图1 本发明中矢状面、铅垂线示意图；
图2 本发明中传感器放置位置示意图；
图3 本发明中步态康复机器人示意图；
图4 本发明中人体行走周期示意图；
图5 本发明中步态事件检测示意图；
图6 本发明中人体二维几何模型及行走速度计算示意图；
上述图1、2、6中P表示铅垂线（Plumb line），S表示矢状面（Sagittal Plane）；
上述图2中，1、2分别为放置在左大腿、左小腿上的惯性传感器，3、4分别为放置在右大腿、右小腿上的惯性传感器；
上述图4、5中，A~D为右腿在一个步态周期内的步态事件，其中A为摆动中期步态事件，B为脚落地步态事件，C为站立中期步态事件，D为脚离地步态事件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明，因便于更好地理解。本发明以下实施例仅用于提供一种优选的方式，但其中技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中的步态康复机器人是一种轮式的移动机器人，请参阅图3，包括机器人本体、驱动轮、控制单元和可穿戴传感器，所述可穿戴传感器与控制单元有线或无线连接，所述可穿戴传感器用于检测用户行走时的脚落地步态事件，并实时测量所述用户大腿及小腿在矢状面内站立相时的姿态角度与角速度，并计算出用户的行走速度，将用户的行走速度反馈给控制单元，所述控制单元与驱动轮电连接，控制单元根据其收集的用户行走速度，调整驱动轮的转速，所述驱动轮用于驱动机器人本体移动，从而使机器人本体的移动速度与用户的行走速度保持一致。
用于步态康复机器人的控制方法，使用包括四个惯性测量传感器的可穿戴设备测量用户行走速度，并将该行走速度反馈给步态康复机器人，步态康复机器人根据该用户行走速度实时调整自身运行速度，使该机器人跟随该用户的行走速度运行。
需要说明的是，请参阅图5，步态事件可以利用该腿小腿在矢状面内的角速度特征进行检测。小腿角速度在一个周期内通常主要有一高一矮的两个比较大的波峰，较高的峰对应着摆动中期，较矮的对应着站立中期；摆动中期之后有一段有很多小的负向的波峰的区域，这是脚落地造成的震动，第一个负向峰为脚落地时刻；在站立中期后，下一个摆动中期前，有一处波谷，此时对应着脚离地时刻。可以近似的认为站立相从该腿脚落地事件开始，到另一条腿脚落地事件结束，摆动相从站立相结束时刻开始至下次该腿脚落地事件时刻；可以近似的认为左腿处于站立相时右腿处于摆动相，左腿处于摆动相时右腿处于站立相。
另外为方便描述，请参阅图6，将人体转化为二维模型，忽略脚的形状，将人体的小腿、大腿及躯干简化为杆，膝关节、髋关节简化为铰链。
目标用户穿戴惯性传感器设备，左右小腿上分别对称放置一个惯性传感器，左右大腿上也分别对称放置一个惯性传感器，如图2所示。
每一个惯性传感器都可以实时测量该用户的大腿或小腿在矢状面内实时的姿态角度以及运动角速度，并可以检测用户行走时的脚落地步态事件。请参阅图4，首先根据脚落地事件确定两腿的状态（站立相或摆动相）：从一条腿脚落地事件开始，到另一条腿脚落地事件结束，即为该腿的站立相，该腿的摆动相从站立相结束时刻开始至下次该腿脚落地事件的发生；两条腿的站立相构成整个步态周期。
在用户行走过程中，以处于站立相的小腿与地面的交点为旋转中心，如图6所示，利用几何关系以及物理关系可以计算该腿膝关节的此时的前进速度：
式中：为用户处于站立相的腿的膝关节前进速度；LS为用户的小腿长度，可由用户自行测量设定；、分别为用户此时处于站立相的小腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度，均可由可穿戴传感器获得。如图6所示，进一步可以计算用户躯干此时的前进速度，即用户的行走速度：
式中：V为用户行走速度；LT为用户的大腿长度，可由用户自行测量设定；、分别为用户此时处于站立相的大腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度，均可由可穿戴传感器获得。上述过程在用户行走时反复进行，以获得用户实时的行走速度。
通过可穿戴传感器测量的实时的行走速度可以通过蓝牙、wifi等无线方式实时传输给步态康复机器人，步态康复机器人实时接收用户行走速度数据，并实时更改驱动该机器人运行的驱动电机的转速，使该机器人整体的前进速度等于用户实时的行走速度。用户的行走速度发生改变时，步态康复机器人的前进速度也会随之改变，以此达到跟随用户行走的目的。
以上所述的实施例只是本发明的一些较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。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。例如，上述实施例也可以使用其他算法或者使用其他传感器（如超声波传感器等）来计算用户行走速度，进而控制步态康复机器人的前进。
由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.步态康复机器人，包括机器人本体、驱动轮、控制单元和可穿戴传感器，所述可穿戴传感器与控制单元有线或无线连接，所述可穿戴传感器用于检测用户行走时的脚落地步态事件，并测量用户的大腿及小腿在矢状面内站立相时的姿态角度以及运动角速度，并计算出用户的行走速度，所述控制单元与驱动轮电连接，所述驱动轮用于驱动机器人本体移动。
2.用于步态康复机器人的控制方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）可穿戴传感器测量用户实时的行走速度；
（2）可穿戴传感器将测得的行走速度反馈给步态康复机器人；
（3）步态康复机器人根据反馈的行走速度实时调整自身运行速度，使自身运行速度与用户行走速度一致。
3.如权利要求2所述的用于步态康复机器人的控制方法，其特征在于：所述的可穿戴传感器穿戴于用户的每条大腿和每条小腿上，所述可穿戴传感器测量用户实时的行走速度依次包括以下步骤：
（1）检测用户行走时的脚落地步态事件；
（2）实时测量所绑定的大腿、小腿在站立相时的矢状面内的姿态角度、以及运动角速度、；
（3）通过如下几何关系式计算得出用户实时的行走速度：
；
式中：V为用户行走速度，LS、LT分别为用户的小腿、大腿长度，、分别为用户处于站立相时小腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度，、分别为用户处于站立相时大腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度。
4.如权利要求3中所述的用于步态康复机器人的控制方法，其特征在于：步态事件可以利用用户小腿在矢状面内的角速度特征进行检测；步态事件是指人在行走过程中的每个步态周期中的重要时刻，包括摆动中期、脚落地、站立中期和脚离地四个步态事件；小腿角速度在一个周期时间内有一高一矮的两个比较大的波峰，较高的峰对应着摆动中期，较矮的对应着站立中期；摆动中期之后有一段有很多小的负向的波峰的区域，这是脚落地造成的震动，第一个负向峰为脚落地时刻；在站立中期后，下一个摆动中期前，有一处波谷，此时对应着脚离地时刻；站立相是指从脚落地事件开始，到另一条腿脚落地事件结束，摆动相是指从站立相结束时刻开始至下次该腿脚落地事件时刻。
5.如权利要求2所述的用于步态康复机器人的控制方法，其特征在于，可穿戴传感器测量的行走速度通过有线或无线方式实时传输给步态康复机器人。
6.如权利要求2所述的用于步态康复机器人的控制方法，其特征在于，步态康复机器人实时接收用户行走速度数据，并根据所接收的行走速度数据实时更改其驱动电机的转速，使步态康复机器人整体的前进速度与用户实时的行走速度一致。
7.如权利要求2-6任一项所述的用于步态康复机器人的控制方法，其特征在于，所述可穿戴传感器为惯性传感器或超声波传感器。
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