CN106859928A - 步态康复训练机器人及用于该机器人的力反馈控制方法 - Google Patents

步态康复训练机器人及用于该机器人的力反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗器械领域，具体公开了步态康复训练机器人及用于该机器人的力反馈控制方法。通过在步态康复训练机器人上设置三维力传感器，实时的测量使用者在行走时与步态康复训练机器人之间的作用力，并将其用于反馈调控步态康复机器人的运动。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训练机器人跟随用户的行走速度以及输出足够的牵引力，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

步态康复训练机器人及用于该机器人的力反馈控制方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及步态康复训练机器人及用于该机器人的力反馈控制方法。
背景技术
步态康复训练机器人是一类能够自动提供减负帮助以及行走辅助的智能器械。传统的步态康复过程需要大量的康复治疗专家参与，这极大的消耗了人力以及国家财力，因此步态康复训练机器人具有非常大的研究价值。国内外有许多步态康复训练机器人的研究，但是大多数机器人的运动轨迹是预先编好的，不能够主动识别人的运动意图并按照人的运动意图辅助人的运动。并且这些机器人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，使步态康复训练机器人能够跟随用户的行走并提供合适的辅助作用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中步态康复训练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训练机器人的力反馈控制方法。
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躯干向前移动的速度，可以通过放置在用户下肢的可穿戴传感器系统进行测量。
竖直方向是指重力加速度的方向，水平方向是指与重力加速度垂直的方向。
牵引力是指步态康复训练机器人在水平方向上拉动用户前进的力，牵引力与用户作用于机器人水平方向的分力为相互作用力。
支撑力是指机器人在竖直方向上提供给用户上肢的支撑作用力，从而减少用户下肢受力，支撑力与用户作用于机器人竖直方向的分力为相互作用力。
本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：
步态康复训练机器人，其特征在于，包括：本体、控制单元、扶手、用于测量用户作用于扶手上作用力的力传感器、用于检测用户行走速度的可穿戴传感器和用于驱动本体移动的驱动机构，所述扶手设置于本体上部，所述驱动机构设置于本体下部，所述力传感器设置于所述扶手的上部、内部或扶手与所述本体连接的位置；所述控制单元与所述力传感器及驱动机构电连接，所述可穿戴传感器与所述控制单元有线或无线连接。
通过上述技术方案，步态康复训练机器人可根据用户行走速度调节自身运行速度，并根据用户作用于其上的作用力大小提供给用户竖直方向的支撑力及水平方面的牵引力，反馈调节步态康复训练机器人的运行速度，使用户能轻松地步行。
用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，包括以下步骤：
（1）可穿戴传感器测量用户实时的行走速度，力传感器测量本体与用户之间的作用力；
（2）所述可穿戴传感器及将其所测得的行走速度反馈给步态康复机器人的控制单元，所述力传感器将其测得的作用力反馈给步态康复训练机器人的控制单元；
（3）步态康复训练机器人的控制单元根据所反馈的用户行走速度调整本体运行速度，使本体运行速度与用户行走速度一致，并根据所反馈的作用力反馈调节本体运行速度，使本体跟随用户的行走速度运行并提供给用户牵引力。
通过上述技术方案，所述可穿戴传感器穿戴于用户的每条大腿和小腿上，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。
用户双手作用于扶手上时，会对扶手产生作用力，扶手上的力传感器测量出该作用力，并反馈给步态康复机器人的控制单元，控制单元根据该作用力反馈调节本体运行速度。
作为本发明的进一步改进，所述力传感器测得的作用力包括竖直方向上步态康复训练机器人提供给用户上肢的支撑力以及水平方向上提供给用户的实际牵引力。通过上述技术方案，通过三维力传感器，可以测量步态康复训练机器人提供给用户的支撑力：
式中：为步态康复训练机器人的本体通过扶手为用户提供的支撑力，为左手一侧三维力传感器测量的支撑力，为右手一侧三维力传感器测量的支撑力。
步态康复训练机器人提供给用户的牵引力也可以由两个三维力传感器获得：
式中：为步态康复训练机器人为用户提供的牵引力，为左手一侧三维力传感器测量的牵引力，为右手一侧三维力传感器测量的牵引力。
作为本发明的进一步改进，可穿戴传感器测量的用户行走速度作为基础速度设定量发送给步态康复训练机器人的控制单元，控制单元控制本体的驱动机构的运行速度，使本体的运行速度与用户行走速度一致，步态康复训练机器人计算的理论牵引力作为牵引力设定值发送给该机器人的控制单元，通过与力传感器测量的实际牵引力比较，反馈调节本体的运行速度。
作为本发明的进一步改进，步态康复训练机器人通过其提供给用户上肢的支撑力以及用户的行走速度计算本体提供给用户的理论牵引力大小：
式中：为理论牵引力，为通过对用户行走速度微分得到的用户行走加速度，为步态康复训练机器人提供给用户的支撑力，为重力加速度，为用户在步态康复训练机器人的帮助下静止站立时步态康复训练机器人提供给用户的牵引力，由力传感器测得。
作为本发明的进一步改进，所述理论牵引力小于所述实际牵引力时，则步态康复训练机器人在本体现有运行速度的基础上反馈调节本体运行速度以降低速度，适应用户的行走；步所述理论牵引力大于所述实际牵引力时，则步态康复训练机器人在本体现有运行速度的基础上反馈调节本体运行速度以增大速度，适应用户的行走。通过上述技术方案，步态康复训练机器人的控制单元根据实际牵引力与理论牵引力的比较反馈调节本体的驱动机构的运行速度。
作为本发明的进一步改进，反馈调节本体运行速度的调节范围为-0.15m/s至+0.15m/s。通过上述技术方案，步态康复训练机器人不致于过快及过慢。
作为本发明的进一步改进，所述力传感器为两个，所述两个力传感器分别设置于扶手与人双手相互作用的相应位置。
作为本发明的进一步改进，步态康复训练机器人的控制单元根据用户左右两手对应的实际牵引力的差值来调节本体的转向。
作为本发明的进一步改进，左手一侧对应实际牵引力大于右手一侧对应的实际牵引力时，则根据差值大小控制本体向右旋转角度；右手一侧对应的实际牵引力大于左手一侧对应的实际牵引力时，则根据差值大小控制本体向左旋转角度。
上述各方案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训练机器人，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训练机器人，可以使步态康复训练机器人跟随用户的运动速度以及提供用户所需要的牵引力，还可根据用户需要进行转向控制，有较好的人机交互性。
（3）使用本发明控制步态康复训练机器人，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：本发明一个实施例中力传感器放置位置示意图；
图中，A为用户，B为步态康复训练机器人本体，C为力传感器，D为扶手，E为驱动机构。
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。
本发明使用可穿戴传感器测量用户实时的行走速度，使用放置在机器人上的三维力传感器测量机器人与用户之间的作用力；随后将该行走速度以及作用力反馈给步态康复训练机器人；步态康复训练机器人该根据用户的行走速度以及作用力调整自身运行速度，使该机器人跟随该用户的行走速度运行并提供该用户一定的牵引力。
以某一用户为例，本发明具体实施过程如下：
本实施例中，可穿戴传感器穿戴于用户的每条大腿和小腿上，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。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，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。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。
可穿戴传感器将用户的行走速度反馈给控制单元，控制单元根据其收集的用户行走速度，调整驱动机构的转速，从而使本体的移动速度与用户的行走速度保持一致。需要说明的是，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；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。矢状面是垂直于水平面并将人体分为左右两部分的面。
步态康复训练机器人如图1所示，该机器人运动靠两个电机驱动的主动轮运动，力传感器采用三维力传感器，两个三维力传感器分别放置在机器人的扶手左右两侧下方。目标用户穿戴可穿戴设备于下肢，并将上肢放置在机器人的扶手上，并在机器人的帮助下行走。通过三维力传感器，可以测量机器人提供给用户的支撑力：
式中：为机器人为用户提供的支撑力，为左侧力传感器测量的支撑力，为右侧力传感器测量的支撑力。
机器人本体提供给用户的实际牵引力也可以由两个三维力传感器获得：
式中：为机器人为用户提供的牵引力，为左侧力传感器测量的牵引力，为右侧力传感器测量的牵引力。
在用户行走过程中，步态康复训练机器人对用户下肢有一定的减负作用，减掉的这部分负重质量可以根据支撑力计算：
式中：为重力加速度，为用户在机器人的帮助下，下肢受到的减负作用而减掉的负重质量。
同时步态康复训练机器人也将提供这部分负重质量运动过程中所需要的牵引力，理论上该牵引力大小为：
式中：为理论牵引力，为通过对用户行走速度微分得到的用户行走加速度，为用户在机器人的帮助下静止站立时机器人提供给用户的牵引力。
随后可以根据用户的行走速度以及理论牵引力对机器人进行控制：用户行走速度作为基础速度设定量发送给步态康复训练机器人的控制单元使该机器人以用户的行走速度前进；步态康复训练机器人计算的理论牵引力作为牵引力设定值发送给该机器人的控制单元，通过该机器人测量的实际提供给用户的牵引力，利用PID算法在用户行走速度调控的前进速度的基础上在±0.15m/s的幅度内反馈调节该机器人的前进速度，使该机器人能够跟随用户行走速度并提供合适的牵引力。
具体地，所述理论牵引力小于所述实际牵引力时，则步态康复训练机器人在本体现有运行速度的基础上反馈调节本体运行速度以降低速度，适应用户的行走；步所述理论牵引力大于所述实际牵引力时，则步态康复训练机器人在本体现有运行速度的基础上反馈调节本体运行速度以增大速度，适应用户的行走。
步态康复训练机器人的转向由用户左右两侧的实际牵引力的差值控制：左手一侧实际牵引力大于右手一侧实际牵引力，则根据差值大小控制机器人向右旋转一定角度；相反，如果右手一侧实际牵引力大于左手一侧实际牵引力，则根据差值大小控制机器人向左旋转一定角度。
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方法来计算用户行走速度，也可以使用其他传感器来测量用户与机器人之间的相互作用力。
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 (10)

1.步态康复训练机器人，其特征在于，包括：本体、控制单元、扶手、用于测量用户作用于扶手上作用力的力传感器、用于检测用户行走速度的可穿戴传感器和用于驱动本体移动的驱动机构，所述扶手设置于本体上部，所述驱动机构设置于本体下部，所述力传感器设置于所述扶手的上部、内部或扶手与所述本体连接的位置；所述控制单元与所述力传感器及驱动机构电连接，所述可穿戴传感器与所述控制单元有线或无线连接。
2.用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）可穿戴传感器测量用户实时的行走速度，力传感器测量本体与用户之间的作用力；
（2）所述可穿戴传感器及将其所测得的行走速度反馈给步态康复机器人的控制单元，所述力传感器将其测得的作用力反馈给步态康复训练机器人的控制单元；
（3）步态康复训练机器人的控制单元根据所反馈的用户行走速度调整本体运行速度，使本体运行速度与用户行走速度一致，并根据所反馈的作用力反馈调节本体运行速度，使本体跟随用户的行走速度运行并提供给用户牵引力。
3.如权利要求2所述的用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于：所述力传感器测得的作用力包括竖直方向上步态康复训练机器人提供给用户上肢的支撑力以及水平方向上提供给用户的实际牵引力。
4.如权利要求3所述的用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于：可穿戴传感器测量的用户行走速度作为基础速度设定量发送给步态康复训练机器人的控制单元，控制单元控制本体的驱动机构的运行速度，使本体的运行速度与用户行走速度一致，步态康复训练机器人计算的理论牵引力作为牵引力设定值发送给该机器人的控制单元，通过与力传感器测量的实际牵引力比较，反馈调节本体的运行速度。
5.如权利要求4所述的用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于：步态康复训练机器人通过其提供给用户上肢的支撑力以及用户的行走速度计算本体提供给用户的理论牵引力大小：
式中：为理论牵引力，为通过对用户行走速度微分得到的用户行走加速度，为步态康复训练机器人提供给用户的支撑力，为重力加速度，为用户在步态康复训练机器人的帮助下静止站立时步态康复训练机器人提供给用户的牵引力，由力传感器测得。
6.如权利要求4所述用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于，所述理论牵引力小于所述实际牵引力时，则步态康复训练机器人在本体现有运行速度的基础上反馈调节本体运行速度以降低速度，适应用户的行走；步所述理论牵引力大于所述实际牵引力时，则步态康复训练机器人在本体现有运行速度的基础上反馈调节本体运行速度以增大速度，适应用户的行走。
7.如权利要求6所述的用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于：反馈调节本体运行速度的调节范围为-0.15m/s至+0.15m/s。
8.如权利要求3所述的用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于：所述力传感器为两个，所述两个力传感器分别设置于扶手与人双手相互作用的相应位置。
9.如权利要求8所述的用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于：步态康复训练机器人的控制单元根据用户左右两手对应的实际牵引力的差值来调节本体的转向。
10.如权利要求9所述的用于步态康复训练机器人的力反馈控制方法，其特征在于：左手一侧对应实际牵引力大于右手一侧对应的实际牵引力时，则根据差值大小控制本体向右旋转角度；右手一侧对应的实际牵引力大于左手一侧对应的实际牵引力时，则根据差值大小控制本体向左旋转角度。
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