CN110812122B - 一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统，涉及康复医疗技术领域，包括当开始跟随坐站训练时，会根据减重值、跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向；根据实时获取的扭矩传感器采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息确定患者的意向运动方向；对比指示运动方向和意向运动方向，若不一致则停止患者按照原先的意向运动方向运动；同时在患者进行跟随坐站训练时，下肢康复机器人根据压力信息进行前后移动。本发明不仅能够根据患者的不同康复时期施加不同的减重值，满足患者早期的动态减重辅助，还能够根据下肢康复机器人的指示运动方向调整患者的意向运动方向，防止患者在康复训练时期二次受伤，提高康复训练效率。

Description

一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统
技术领域
本发明涉及康复医疗技术领域，特别是涉及一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统。
背景技术
随着老龄化社会的日益加剧，越来越多的老年人由于中风、心血管疾病等原因丧失了下肢自主站立功能，给日常生活带来非常大的不便，生活质量严重下降。
目前传统的坐-站功能训练常通过普通方凳、普通座椅或一般物理治疗床进行，这些工具缺乏调节高度的功能，并且缺少合适的扶手，同时不能给于早期的患者一定的辅助减重力支撑，因此无法达到通过调节座高度、扶手和减重力而改变训练难度的目的。现有市场上的升降座椅，虽然可以调节椅座高度，但是无法实现动态减重辅助训练，又非常不便。
发明内容
本发明的目的是提供了一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统，不仅能够根据患者的不同康复时期施加不同的减重值，满足患者早期的动态减重辅助训练，还能够根据下肢康复机器人的指示运动方向调整患者的意向运动方向，防止患者在康复训练时期二次受伤，提高康复训练效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种下肢康复机器人的坐站训练方法，包括：
设置减重值和跟随坐站训练速度，开始跟随坐站训练；
根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向；
实时获取扭矩传感器采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息；
根据所述扭矩信息确定患者的意向运动方向；
对比所述指示运动方向和所述意向运动方向，若所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致，则停止患者按照原先的意向运动方向运动；
在患者进行跟随坐站训练时，实时判断由压力传感器所采集的压力信息，控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动；所述压力信息包括压力值和压力方向。
可选的，所述下肢康复机器人的坐站训练方法还包括：若所述指示运动方向与所述意向运动方向一致，则辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
可选的，所述根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向，具体包括：
根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示力矩，并当所述下肢康复机器人的指示力矩大于或者等于设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向上移动方向，当所述下肢康复机器人的指示力矩小于所述设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向下移动方向。
可选的，所述下肢康复机器人的指示力矩的计算公式为Tg＝Mg*L+T1；其中，Tg为下肢康复机器人的指示力矩；M为减重值，单位为Kg；g为重力加速度；L为患者骨盆与扭矩传感器之间的距离，L为已知固定值；T1为根据跟随坐站训练速度确定的扭矩值。
可选的，在根据所述扭矩信息确定患者的意向运动方向之前，还包括：对所述患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息依次进行滤波处理、放大处理、模拟化处理以及去除偏置处理。
一种下肢康复机器人的坐站训练系统，包括安装在下肢康复机器人的人机交互子系统、扭矩传感器、压力传感器以及控制子系统；
所述人机交互子系统、所述扭矩传感器、所述压力传感器均与所述控制子系统连接；
所述人机交互子系统包括参数设置模块以及跟随坐站训练开始虚拟按钮；其中，所述参数设置模块用于设置减重值和跟随坐站训练速度，并将所述减重值、所述跟随坐站训练速度发送至所述控制子系统，所述跟随坐站训练开始虚拟按钮为触发按钮，并当患者点击所述跟随坐站训练开始虚拟按钮后，所述坐站训练系统进入训练模式；
所述扭矩传感器用于在训练模式期间实时采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息，并将所述扭矩信息发送至所述控制子系统；
所述压力传感器用于在训练模式期间实时采集患者与下肢康复机器人之间的压力信息，并将所述压力信息发送至所述控制子系统；
所述控制子系统用于根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向；
所述控制子系统还用于根据所述扭矩信息确定患者的意向运动方向；
所述控制子系统还用于根据所述压力信息确定下肢康复机器人的前后运动方向指令，并将所述前后运动方向指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动；其中，前后移动的位移为有限值，所述有限值是根据跟随坐站训练时人体的重心变化幅度设定，所述有限值为已知固定值；
所述控制子系统还用于对比所述指示运动方向和所述意向运动方向，并当所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致时输出停止运动指令，并将所述停止运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以停止患者按照原先意向运动方向运动。
可选的，所述控制子系统还用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向一致输出继续运动指令，并将所述继续运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
可选的，所述控制子系统包括预处理模块、意向运动方向确定模块和指示运动方向确定模块；
所述预处理模块用于对所述患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息依次进行滤波处理、放大处理、模拟化处理以及去除偏置处理；
所述意向运动方向确定模块用于根据处理后的扭矩信息确定患者的意向运动方向；
所述指示运动方向确定模块用于根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示力矩，并当所述下肢康复机器人的指示力矩大于或者等于设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向上移动方向，当所述下肢康复机器人的指示力矩小于所述设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向下移动方向。
可选的，所述控制子系统还包括对比模块以及与下肢康复机器人的运动控制模块连接的控制命令发送模块；
所述对比模块用于对比所述指示运动方向和所述意向运动方向；
所述控制命令发送模块用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致时输出停止运动指令，并将所述停止运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以停止患者按照原先的意向运动方向继续运动；
所述控制命令发送模块还用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向一致输出继续运动指令，并将所述继续运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动；
所述控制命令发送模块还用于根据所述压力信息确定下肢康复机器人的前后运动方向指令，并将所述前后运动方向指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统，其主要步骤如下：首先，利用人机交互系统选择坐站训练模式；然后，根据患者不同的康复时期设定不同的减重值，进行实时减重状态下的坐站训练，并根据设置的减重值和跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向；接着，通过扭矩传感器采集患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息，并根据扭矩信息确定下肢康复机器人的意向运动方向；最后，对比指示运动方向和意向运动方向，若指示运动方向与意向运动方向不一致，则停止患者按照原先的意向运动方向继续运动。本发明不仅能够根据患者的不同康复时期施加不同的减重值，满足患者早期的动态减重辅助，提高了下肢偏瘫患者坐站康复训练过程中的动态调节性能和个体适应性，还能够根据下肢康复机器人的指示运动方向调整患者的意向运动方向，防止患者在康复训练时期二次受伤，有效解决了传统坐站训练的存在的一些弊端，提高康复训练效率。
同时本发明还可以根据压力信息控制下肢康复机器人前后移动量，进一步防止患者在康复训练时期二次受伤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例下肢康复机器人的部分结构示意图；
图2为本发明实施例下肢康复机器人的坐站训练方法的流程示意图；
图3为本发明实施例下肢康复机器人的坐站训练系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统，不仅能够根据患者的不同康复时期施加不同的减重值，满足患者早期的动态减重辅助训练，还能够根据下肢康复机器人的指示运动方向调整患者的意向运动方向，防止患者在康复训练时期二次受伤，提高康复训练效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在介绍本发明提供的下肢康复机器人的坐站训练方法之前，首先介绍下：下肢康复机器人，该下肢康复机器人主要由腰部机构(如图1所示)、运动控制模块、底盘机构和立柱组成。
所述腰部机构主要由扶臂、扭矩传感器1、压力传感器2和弹簧组成；所述运动控制模块主要由升降机构组成，所述底盘机构由伺服驱动电机、减速机和底盘框架等组成。
人机交互力为扭矩传感器1采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息和压力传感器2采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的压力信息；意图识别主要是根据人机交互力进行上下运动意图和前后运动意图的判断；动态减重是根据人机交互力的反馈动态调整施加给患者的减重值；上下限位主要根据患者的骨盆高度等因素进行设定，可以调节。
用户上下移动的力经过力臂产生扭矩并作用于扭矩传感器1上面，然后根据扭矩传感器1采集的扭矩信息进行上正下负的意图识别判断，确定患者的意向运动方向，由减重值和跟随坐站训练速度确定的下肢康复机器人的指示运动方向。接着根据患者的意向运动方向、下肢康复机器人的指示运动方向以及下肢康复机器人设定的上下限位确定控制指令，并将控制指令发送给下肢康复机器人的伺服驱动电机，伺服驱动电机根据输入的控制指令驱动升降机构进行上下移动。即患者在动态减重状态下，根据扭矩信息进行上下意图识别，并将意图识别信号作为输入计算出升降机构的速度，在减重状态下跟随患者上下移动。
所述前后运动意图识别为在弹簧的作用下，用户坐站训练时对压力传感器2产生力，然后将压力传感器2采集的压力信号输入到信号处理电路，控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动，同时，弹簧能够保证在没有交互力时位于中间位置。
如图2所示，本实施例提供了一种下肢康复机器人的坐站训练方法，具体为：
步骤101：设置减重值和跟随坐站训练速度，开始跟随坐站训练；所述减重值和跟随坐站训练速度的大小根据患者的康复时期以及训练的强度进行设定。
步骤102：根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向。
步骤103：实时获取扭矩传感器采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息。
步骤104：根据所述扭矩信息确定患者的意向运动方向。
步骤105：对比所述指示运动方向和所述意向运动方向。
步骤106：若所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致，则停止患者按照原先的意向运动方向运动。
步骤107：若所述指示运动方向与所述意向运动方向一致，则辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
步骤108：在患者进行跟随坐站训练时，实时判断由压力传感器所采集的压力信息，控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动；所述压力信息包括压力值和压力方向。
执行步骤104之前，还包括：对所述患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息依次进行滤波处理、放大处理、模拟化处理以及去除偏置处理。然后采用处理后的扭矩信息确定患者的意向运动方向。
步骤102具体包括：
根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示力矩，并当所述下肢康复机器人的指示力矩大于或者等于设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向上移动方向，当所述下肢康复机器人的指示力矩小于所述设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向下移动方向。
所述下肢康复机器人的指示力矩的计算公式为Tg＝Mg*L+T1；其中，Tg为下肢康复机器人的指示力矩；M为减重值，单位为Kg；g为重力加速度；L为患者骨盆与扭矩传感器之间的距离，L为已知固定值；T1为根据跟随坐站训练速度确定的扭矩值。
本发明还提供了一种下肢康复机器人的坐站训练系统，如图3所示，包括包括安装在下肢康复机器人的人机交互子系统、扭矩传感器、压力传感器以及控制子系统。
所述人机交互子系统、所述扭矩传感器、所述压力传感器均与所述控制子系统连接。
所述人机交互子系统包括参数设置模块以及跟随坐站训练开始虚拟按钮。其中，所述参数设置模块用于设置减重值和跟随坐站训练速度，并将所述减重值、所述跟随坐站训练速度发送至所述控制子系统，所述跟随坐站训练开始虚拟按钮为触发按钮，并当患者点击所述跟随坐站训练开始虚拟按钮后，所述坐站训练系统进入训练模式。
所述扭矩传感器用于在训练模式期间实时采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息，并将所述扭矩信息发送至所述控制子系统。
所述压力传感器用于在训练模式期间实时采集患者与下肢康复机器人之间的压力信息，并将所述压力信息发送至所述控制子系统。
所述控制子系统用于根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向。
所述控制子系统还用于根据所述扭矩信息确定患者的意向运动方向。
所述控制子系统还用于根据所述压力信息确定下肢康复机器人的前后运动方向指令，并将所述前后运动方向指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动；其中，前后移动的位移为有限值，所述有限值是根据跟随坐站训练时人体的重心变化幅度设定，所述有限值为已知固定值。
所述控制子系统还用于对比所述指示运动方向和所述意向运动方向，并当所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致时输出停止运动指令，并将所述停止运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以停止患者按照原先意向运动方向运动。
所述控制子系统还用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向一致输出继续运动指令，并将所述继续运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
具体为，本发明提供的控制子系统包括预处理模块、意向运动方向确定模块、指示运动方向确定模块、对比模块以及与下肢康复机器人的运动控制模块连接的控制命令发送模块。
所述预处理模块用于对所述患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息依次进行滤波处理、放大处理、模拟化处理以及去除偏置处理。
所述意向运动方向确定模块用于根据处理后的扭矩信息确定患者的意向运动方向。
所述指示运动方向确定模块用于根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示力矩，并当所述下肢康复机器人的指示力矩大于或者等于设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向上移动方向，当所述下肢康复机器人的指示力矩小于所述设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向下移动方向。
所述对比模块用于对比所述指示运动方向和所述意向运动方向。
所述控制命令发送模块用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致时输出停止运动指令，并将所述停止运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以停止患者按照原先的意向运动方向继续运动。
所述控制命令发送模块还用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向一致输出继续运动指令，并将所述继续运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
所述控制命令发送模块还用于根据所述压力信息确定下肢康复机器人的前后运动方向指令，并将所述前后运动方向指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动。
将经过以上处理的信息输入到下肢康复机器人中，进行在线运动控制，结合设定的限位、减重信息以及采集的扭矩信息、压力信息，控制各伺服电机实现期望转动，最终实现基于下肢康复机器人的坐站训练。
本发明提供的一种下肢康复机器人的坐站训练方法及系统主要优点是可以动态添加减重辅助，能够适用不同时期的康复患者，还能够根据下肢康复机器人的指示运动方向调整患者的意向运动方向，防止患者在康复训练时期二次受伤，提高康复训练效率。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种下肢康复机器人的坐站训练系统，其特征在于，包括安装在下肢康复机器人的人机交互子系统、扭矩传感器、压力传感器以及控制子系统；
所述人机交互子系统、所述扭矩传感器、所述压力传感器均与所述控制子系统连接；
所述人机交互子系统包括参数设置模块以及跟随坐站训练开始虚拟按钮；其中，所述参数设置模块用于设置减重值和跟随坐站训练速度，并将所述减重值、所述跟随坐站训练速度发送至所述控制子系统，所述跟随坐站训练开始虚拟按钮为触发按钮，并当患者点击所述跟随坐站训练开始虚拟按钮后，所述坐站训练系统进入训练模式；
所述扭矩传感器用于在训练模式期间实时采集的患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息，并将所述扭矩信息发送至所述控制子系统；
所述压力传感器用于在训练模式期间实时采集患者与下肢康复机器人之间的压力信息，并将所述压力信息发送至所述控制子系统；
所述控制子系统用于根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向；
所述控制子系统还用于根据所述扭矩信息确定患者的意向运动方向；
所述控制子系统还用于根据所述压力信息确定下肢康复机器人的前后运动方向指令，并将所述前后运动方向指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动；其中，前后移动的位移为有限值，所述有限值是根据跟随坐站训练时人体的重心变化幅度设定，所述有限值为已知固定值；
所述控制子系统还用于对比所述指示运动方向和所述意向运动方向，并当所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致时输出停止运动指令，并将所述停止运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以停止患者按照原先意向运动方向运动；
其中，所述根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示运动方向，具体包括：根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示力矩，并当所述下肢康复机器人的指示力矩大于或者等于设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向上移动方向，当所述下肢康复机器人的指示力矩小于所述设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向下移动方向；
所述下肢康复机器人的指示力矩的计算公式为Tg＝Mg*L+T1；其中，Tg为下肢康复机器人的指示力矩；M为减重值，单位为Kg；g为重力加速度；L为患者骨盆与扭矩传感器之间的距离，L为已知固定值；T1为根据跟随坐站训练速度确定的扭矩值。
2.根据权利要求1所述的一种下肢康复机器人的坐站训练系统，其特征在于，所述控制子系统还用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向一致输出继续运动指令，并将所述继续运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
3.根据权利要求1所述的一种下肢康复机器人的坐站训练系统，其特征在于，所述控制子系统包括预处理模块、意向运动方向确定模块和指示运动方向确定模块；
所述预处理模块用于对所述患者骨盆与下肢康复机器人之间的扭矩信息依次进行滤波处理、放大处理、模拟化处理以及去除偏置处理；
所述意向运动方向确定模块用于根据处理后的扭矩信息确定患者的意向运动方向；
所述指示运动方向确定模块用于根据所述减重值、所述跟随坐站训练速度确定下肢康复机器人的指示力矩，并当所述下肢康复机器人的指示力矩大于或者等于设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向上移动方向，当所述下肢康复机器人的指示力矩小于所述设定阈值时所述下肢康复机器人的指示运动方向确定为向下移动方向。
4.根据权利要求2所述的一种下肢康复机器人的坐站训练系统，其特征在于，所述控制子系统还包括对比模块以及与下肢康复机器人的运动控制模块连接的控制命令发送模块；
所述对比模块用于对比所述指示运动方向和所述意向运动方向；
所述控制命令发送模块用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向不一致时输出停止运动指令，并将所述停止运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以停止患者按照原先的意向运动方向继续运动；
所述控制命令发送模块还用于当所述指示运动方向与所述意向运动方向一致输出继续运动指令，并将所述继续运动指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动；
所述控制命令发送模块还用于根据所述压力信息确定下肢康复机器人的前后运动方向指令，并将所述前后运动方向指令发送至下肢康复机器人的运动控制模块以控制下肢康复机器人根据所述压力信息进行前后移动。
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