CN108543268A - 基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统及方法，涉及机器人技术领域，基于跑步机康复训练的下肢康复机器人的运动同步系统包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，悬吊装置与下肢矫形器连接，下肢矫形器与跑步机连接；基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法包括：在周期内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步。本发明优点在于：能够很好的保证患者在进行步态训练时不发生跌倒，从而达到更好的康复效果，加快康复的进程。

Description

基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体涉及基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统及方法。

背景技术

外骨骼下肢康复机器人是根据人体下肢的结构及其运动机理而设计的一种下肢助力装置，其在左右腿的髋关节与膝关节各安装一个驱动电机，通过电机驱动使偏瘫患者进行正常的步态训练，以此达到帮助偏瘫患者达到恢复行走的目的。为了充分模拟人的正常行走路况从而达到更好的康复效果，需要让患者在运行的跑步机上进行步态训练。

人的每条腿在步态训练过程中分为支撑期和摆动期，每条腿只有在支撑期时才会与跑步带接触，因而要保证同步就必须保证在支撑期时外骨骼下肢矫形器的速度与跑步机传送带的速度保持一致，但由于下肢矫形器的每条腿末端在水平方向上的速度一直都在发生变化。

在利用下肢矫形器与跑步机进行步态康复训练时，现有技术一般是直接根据跑步机的速度计算出一个步态周期的周期时间，然后根据周期时间再计算出髋关节与膝关节角位移的角频率，从而达到跑步机与下肢矫形器运行的同步。这种方法虽然保持了周期上的同步，但不能保证周期内每个时刻的同步，特别是在下肢矫形器带动患者脚尖离开跑步机的瞬间，若脚尖速度与跑步机速度不匹配，患者极容易发生绊倒摔伤。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于脚尖离开跑步机传送带时的瞬间，跑步机与脚尖的速度不一致使得人的脚尖与跑步机传送带不能顺利分从而发生绊倒现象。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，具体技术方案如下：

基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接。

基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接；在周期内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步。

优选地，所述在周期内，使得下肢矫形器与跑步机同步，计算步骤如下：

S1：计算下肢矫形器与跑步机传送带同步时的周期

在进行步态训练时，设置跑步机传送带的运行速度为V_TM，单位为Km/h，步态的步长为L_s，则能够计算出整个步态运动的周期T_s为：

S2：根据步态运动的周期T_s，计算出下肢矫形器各个关节的角频率ω_T，即：

S3：根据下肢矫形器各个关节的角频率ω_T，计算出求髋关节与膝关节的角位移分别为：

式中，q_H(t)为髋关节角位移，q_k(t)为膝关节角位移，a₁₀,a_1n,a₂₀,a_2n,b_2n(n＝1,...,5)是傅里叶级数的系数，其中，傅里叶级数的系数为常数。

S4：根据髋关节与膝关节的角位移，获得在整个步态运动周期T_s内髋关节与膝关节的运动轨迹；使得下肢矫形器满足S3中计算出的运动轨迹，则能够获得在周期T_s内，下肢矫形器的各个关节的运动速度与跑步机的速度同步。

优选地，所述在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步，则同步方法如下：

将下肢矫形器其中某支腿底中心记为A点，脚底中心A在基坐标O下的x方向位置记为P_A1，将跑步机传送带上的该点记为B点，其在下肢矫形器基坐标O下的x方向位置记为P_B1；

在支撑期开始时刻记为t₁₀，即腿脚跟与跑步机传送带接触的时刻，且P_A1＝P_B1；

在支撑期结束时刻为t₂₀，腿脚尖与跑步机传送带恰好分离的时刻，则B点在基坐标O下的位置记为P_B2，A点在基坐标系O的位置记为P_A2，为保持腿脚尖离开跑步机传送带时使下肢矫形器与跑步机传送带保持同步，则必须使P_A2＝P_B2。

优选地，所述下肢矫形器与所述跑步机同步的瞬间同步的计算步骤如下：

S5：令髋关节与膝关节的角位移为：

式中，k_p为比例因子，ω_T为周期同步时求出的关节角位移的角频率，并计算出瞬间同步的步态周期T为

S6：在t₁₀时刻，即用户的脚尖开始与跑步机传送带刚开始接触的时刻，髋关节与膝关节对应的角位置分别为q_H10与q_K10，由S5能够求出腿脚底中心A在基坐标系O下的位置P_A1，即：

P_A1＝L₁sinq_H10+L₂sin(q_H10-q_K10) (7)

其中，L₁为大腿腿长，L₂为小腿腿长；

则能够求得t₁₀时刻跑步机传送带B点的位置P_B1，即：

P_B1＝P_A1 (8)

S7：在t₂₀时刻，根据跑步机的速度V_TM求出跑步机传送带B点的位置P_B2，即：

S8：在t₂₀时刻，髋关节与膝关节的角位置分别为q_H20与q_K20，则腿脚底中心A在基坐标系O下的位置P_A2，即：

P_A2＝L₁sinq_H20+L₂sin(q_H20-q_k20) (10)

S9：若P_A2＝P_B2，则在脚尖离开跑步机传送带时，保证下肢矫形器与跑步机的瞬间同步，否则就需要改变下肢矫形器的速度即角频率ω来适应跑步机的速度。

优选地，所述S9还包括：

计算出t₂₀时刻跑步机传送带与腿脚底中心的偏差DPos，即：

DPos＝P_A2-P_B2 (11)

令error为允许误差值，若|DPos|＞error且DPos＞0，则降低下肢矫形器各关节的速度，即减小k_p，然后重复S5至S9；若|DPos|＞error且DPos＜0，则增大下肢矫形器各关节的速度，即增大k_p，然后重复S5至S9；若|DPos|＜error，则下肢矫形器各关节速度不发生变化，k_p保持不变，根据实际测试情况，将k_p的更新率定为：

k_p＝k_p-DPos (12)

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明中通过首先保证下肢矫形器的运动与跑步机传送带的运动周期同步；然后，保证在脚尖离开跑步机传送带的瞬间下肢矫形器与跑步机瞬间同步。首先进行周期同步的目的是能够减少达到自同步所需要的时间；通过已知跑步机的速度，使得下肢矫形器在满足该速度时获取下肢矫形器的运动轨迹，下肢矫形器各个关节满足所求得的运动轨迹，则在脚尖离开跑步机传送带的瞬间，保证跑步机与脚尖速度保持一致，从而使得人的脚尖与跑步机传送带顺利分离，不会发生绊倒现象，并且可以通过自动调节k_p从而达到同步的目的,从而达到更好的康复效果，加快康复的进程。

附图说明

图1为本发明实施例的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法的支撑期运动示意图。

图3是本发明实施例的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法的自同步流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统，包括：悬吊装置100、下肢矫形器200和跑步机300，悬吊装置100与下肢矫形器200连接，下肢矫形器200与跑步机300连接。基于跑步机训练的下肢机器人康复的运动同步方法，包括：在周期内，使得下肢矫形器200的运动速度与跑步机300同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器200的运动速度与跑步机300同步。本实施例子，以下肢矫形器200的右腿为例。

在周期内，使得下肢矫形器200的运动速度与跑步机300同步，计算步骤如下：

S1：计算下肢矫形器200与跑步机300传送带同步时的周期

在进行步态训练时，设置跑步机300传送带的运行速度为V_TM，单位为Km/h，步态的步长为L_s，则能够计算出整个步态运动的周期T_s为：

S2：根据步态运动的周期T_s，计算出下肢矫形器200的右腿的各个关节的角频率ω_T，即：

S3：根据下肢矫形器200的右腿的各个关节的角频率ω_T，计算出求髋关节与膝关节的角位移分别为：

式中，q_H(t)为髋关节角位移，q_k(t)为膝关节角位移，a₁₀,a_1n,a₂₀,a_2n,b_2n(n＝1,...,5)是傅里叶级数的系数，其中，傅里叶级数的系数为常数。

S4：根据髋关节与膝关节的角位移，获得在整个步态运动周期T_s内髋关节与膝关节的运动轨迹；使得下肢矫形器200满足S3中计算出的运动轨迹，则在周期T_s内，下肢矫形器200的各个关节的运动与跑步机300周期同步。

例如，而根据正常人的步态曲线经过傅立叶级数拟合后得到的傅立叶级数的各项系数为a₁₀＝0.2045，a₁₁＝0.361，b₁₁＝-0.03735，a₁₂＝-0.04442，b₁₂＝-0.04668，a₁₃＝-0.007276，b₁₃＝0.005984，a₁₄＝-0.00713，b₁₄＝-0.005962，a₁₅＝0.0006756，b₁₅＝0.001378，a₂₀＝0.4371，a₂₁＝-0.001157，b₂₁＝-0.4381，a₂₂＝-0.2562，b₂₂＝0.09762，a₂₃＝-0.01446，b₂₃＝0.04634，a₂₄＝-0.02412，b₂₄＝0.006068，a₂₅＝0.0005153，b₂₅＝0.009209，并设置跑步机300的速度V_TM为0.5Km/h，设置用户行走步长L_s为0.5m，则，

由S1可知，周期同步的步态T_s为7.2s；

由S2可知，即可求出下肢矫形器200的各个关节的角频率ω_T为0.873rad.s^-1；

由S3、S4即能够确定右腿髋关节角位移q_H(t)与膝关节角位移q_k(t)，从而保证下肢矫形器200各个关节的运动与跑步机周期同步。

如图2所示，在某个瞬间内，使得下肢矫形器200的运动速度与跑步机300同步，则同步方法如下：

将下肢矫形器200其中右腿底中心记为A点，脚底中心A在基坐标O下的x方向位置记为P_A1，将跑步机300传送带上的该点记为B点，其在下肢矫形器200基坐标O下的x方向位置记为P_B1；

在支撑期开始时刻记为t₁₀，即右腿脚跟与跑步机300传送带接触的时刻，且P_A1＝P_B1；

在支撑期结束时刻为t₂₀，右腿脚尖与跑步机300传送带恰好分离的时刻，则B点在基坐标O下的位置记为P_B2，A点在基坐标系O的位置记为P_A2，为保持右腿脚尖离开跑步机300传送带时使下肢矫形器200与跑步机300传送带保持同步，则必须使P_A2＝P_B2。

下肢矫形器200与跑步机300同步的瞬间同步的计算步骤如下：

S5：令髋关节与膝关节的角位移为：

式中，k_p为比例因子，ω_T为周期同步时求出的关节角位移的角频率，并计算出瞬间同步的步态周期T为

S6：在t₁₀时刻，即用户的脚尖开始与跑步机300传送带刚开始接触的时刻，髋关节与膝关节对应的角位置分别为q_H10与q_K10，由S5能够求出腿脚底中心A在基坐标系O下的位置P_A1，即：

P_A1＝L₁sinq_H10+L₂sin(q_H10-q_K10) (7)

其中，L₁为大腿腿长，L₂为小腿腿长；

则能够求得t₁₀时刻跑步机300传送带B点的位置P_B1，即：

P_B1＝P_A1 (8)

S7：在t₂₀时刻，根据跑步机300的速度V_TM求出跑步机300传送带B点的位置P_B2，即：

S8：在t₂₀时刻，髋关节与膝关节的角位置分别为q_H20与q_K20，则腿脚底中心A在基坐标系O下的位置P_A2，即：

P_A2＝L₁sinq_H20+L₂sin(q_H20-q_k20) (10)

S9：若P_A2＝P_B2，则在脚尖离开跑步机300传送带时，保证下肢矫形器200与跑步机300的瞬间同步，否则就需要改变下肢矫形器200的速度即角频率ω来适应跑步机300的速度。

计算出t₂₀时刻跑步机300传送带与腿脚底中心的偏差DPos，即：

DPos＝P_A2-P_B2 (11)

令error为允许误差值，若|DPos|＞error且DPos＞0，则降低下肢矫形器200各关节的速度，即减小k_p，然后重复S5至S9；若|DPos|＞error且DPos＜0，则增大下肢矫形器200各关节的速度，即增大k_p，然后重复S5至S9；若|DPos|＜error，则下肢矫形器200各关节速度不发生变化，k_p保持不变，根据实际测试情况，将k_p的更新率定为：

k_p＝k_p-DPos (12)

如图3所示，判断|DPos|＜error是否小于允许误差值error，若满足要求，则说明下肢矫形器200的运动速度与跑步机300的同步；如果不满足要求，则说明下肢矫形器200的运动速度与跑步机300不同步，则通过公式(12)自动调节k_p；调节k_p后，再判断|DPos|＜error是否小于允许误差值error，如果满足了就不用调节k_p，若不满足则需继续调节，直至满足|DPos|＜error，则通过调节k_p可以有效解决下肢矫形器200的运动速度与跑步机300的瞬间不同步问题。

例如，取髋关节与膝关节的角位移曲线的傅立叶级数的系数值与周期同步中的一样，设置步长L_s以及跑步机300速度V_TM与周期同步参数一样，设置k_p初值为1.0，并取大腿腿长L₁＝0.40m，小腿腿长L₂＝0.48m，则，

由S5可知，角频率ω为瞬间同步周期T为7.2，并取t＝0.0，t₂₀＝0.6T＝4.32，则可得q_H10＝0.383，q_K10＝0.107，q_H20＝-0.0971，q_K20＝0.516；

由S6可知，P_A1＝0.28，P_B1＝0.28；

由S7可知，P_B1＝-0.32；

由S8可知，P_A2＝-0.315；

由S9可知，DPos＝0.00464,并取error＝0.002，则|DPos|＞error，则将k_p更新为k_p＝k_p-DPos＝0.99536；

然后重复S5至S9，直至|DPos|＜error，则瞬间同步完成。

综上，通过首先保证下肢矫形器的运动与跑步机传送带的运动周期同步；然后，保证在脚尖离开跑步机传送带的瞬间下肢矫形器与跑步机瞬间同步。首先进行周期同步的目的是能够减少达到自同步所需要的时间；通过已知跑步机的速度，使得下肢矫形器在满足该速度时获取下肢矫形器的运动轨迹，下肢矫形器各个关节满足所求得的运动轨迹，则在脚尖离开跑步机传送带的瞬间，保证跑步机与脚尖速度保持一致，从而使得人的脚尖与跑步机传送带顺利分离，不会发生绊倒现象，并且可以通过自动调节k_p从而达到同步的目的,从而达到更好的康复效果，加快康复的进程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统，其特征在于，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接。

2.一种采用权利要求1所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征在于，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接；在周期内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步。

3.根据权利要2所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征于，所述在周期内，使得下肢矫形器与跑步机同步，计算步骤如下：

S1：计算下肢矫形器与跑步机传送带同步时的周期

在进行步态训练时，设置跑步机传送带的运行速度为V_TM，单位为Km/h，步态的步长为L_s，则能够计算出整个步态运动的周期T_s为：

S2：根据步态运动的周期T_s，计算出下肢矫形器各个关节的角频率ω_T，即：

S3：根据下肢矫形器各个关节的角频率ω_T，计算出求髋关节与膝关节的角位移分别为：

式中，q_H(t)为髋关节角位移，q_k(t)为膝关节角位移，a₁₀,a_1n,a₂₀,a_2n,b_2n(n＝1,...,5)是傅里叶级数的系数，其中，傅里叶级数的系数为常数。

S4：根据髋关节与膝关节的角位移，获得在整个步态运动周期T_s内髋关节与膝关节的运动轨迹；使得下肢矫形器满足S3中计算出的运动轨迹，则能够获得在周期T_s内，下肢矫形器的各个关节的运动速度与跑步机的速度同步。

4.根据权利要求2所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征于，所述在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步，则同步方法如下：

将下肢矫形器其中某支腿底中心记为A点，脚底中心A在基坐标O下的x方向位置记为P_A1，将跑步机传送带上的该点记为B点，其在下肢矫形器基坐标O下的x方向位置记为P_B1；

在支撑期开始时刻记为t₁₀，即腿脚跟与跑步机传送带接触的时刻，且P_A1＝P_B1；

在支撑期结束时刻为t₂₀，腿脚尖与跑步机传送带恰好分离的时刻，则B点在基坐标O下的位置记为P_B2，A点在基坐标系O的位置记为P_A2，为保持腿脚尖离开跑步机传送带时使下肢矫形器与跑步机传送带保持同步，则必须使P_A2＝P_B2。

5.根据权利要求4所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征于，所述下肢矫形器与所述跑步机同步的瞬间同步的计算步骤如下：

S5：令髋关节与膝关节的角位移为：

式中，k_p为比例因子，ω_T为周期同步时求出的关节角位移的角频率，并计算出瞬间同步的步态周期T为

S6：在t₁₀时刻，即用户的脚尖开始与跑步机传送带刚开始接触的时刻，髋关节与膝关节对应的角位置分别为q_H10与q_K10，由S5能够求出腿脚底中心A在基坐标系O下的位置P_A1，即：

P_A1＝L₁sinq_H10+L₂sin(q_H10-q_K10) (7)

其中，L₁为大腿腿长，L₂为小腿腿长；

则能够求得t₁₀时刻跑步机传送带B点的位置P_B1，即：

P_B1＝P_A1 (8)

S7：在t₂₀时刻，根据跑步机的速度V_TM求出跑步机传送带B点的位置P_B2，即：

S8：在t₂₀时刻，髋关节与膝关节的角位置分别为q_H20与q_K20，则腿脚底中心A在基坐标系O下的位置P_A2，即：

P_A2＝L₁sinq_H20+L₂sin(q_H20-q_k20) (10)

S9：若P_A2＝P_B2，则在脚尖离开跑步机传送带时，保证下肢矫形器与跑步机的瞬间同步，否则就需要改变下肢矫形器的速度即角频率ω来适应跑步机的速度。

6.根据权利要求5所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征于，所述S9还包括：

计算出t₂₀时刻跑步机传送带与腿脚底中心的偏差DPos，即：

DPos＝P_A2-P_B2 (11)

令error为允许误差值，若|DPos|＞error且DPos＞0，则降低下肢矫形器各关节的速度，即减小k_p，然后重复S5至S9；若|DPos|＞error且DPos＜0，则增大下肢矫形器各关节的速度，即增大k_p，然后重复S5至S9；若|DPos|＜error，则下肢矫形器各关节速度不发生变化，k_p保持不变，根据实际测试情况，将k_p的更新率定为：

k_p＝k_p-DPos (12)。