CN111773037A - 单下肢康复外骨骼装置及其控制方法 - Google Patents

单下肢康复外骨骼装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单下肢康复外骨骼装置及其控制方法，该装置控制器，以及与控制器通信连接的健侧下肢组件和患侧下肢组件；控制器用于通过健侧下肢组件确定健侧下肢的当前状态，以及通过患侧下肢组件确定患侧下肢的当前状态；健侧下肢组件用于在健侧下肢处于抬起状态时，采集健侧下肢的运动数据，并将运动数据发送给控制器；控制器用于根据健侧下肢的运动数据确定患侧下肢组件对应的步态数据，并将步态数据发送给患侧下肢组件；患侧下肢组件用于在健侧下肢处于支撑状态时，根据步态数据带动患侧下肢进行运动。本发明可以较好地实现患者自主的步态操控，还可以实现患者与单下肢康复外骨骼装置的信息交互，从而实现个性化的物理康复训练。

Description

单下肢康复外骨骼装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，尤其是涉及一种单下肢康复外骨骼装置及其控制方法。
背景技术
康复外骨骼机器人为一种可穿戴的康复装置，目前，康复外骨骼机器人通常是通过控制患者双下肢的运动来对患者进行物理康复训练的，诸如，患者通过上肢控制机器人控制器来操控下肢的行走，亦或通过选定前期预设程序来对下肢进行操控，从而实现患者的康复行走练习，但是现有的康复外骨骼机器人无法学习患者的步态并自主的对患者步态操控，缺乏患者与康复外骨骼机器人之间的信息交互，无法实现个性化的物理康复训练。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单下肢康复外骨骼装置及其控制方法，可以较好地实现患者自主的步态操控，还可以实现患者与单下肢康复外骨骼装置的信息交互，从而实现个性化的物理康复训练。
第一方面，本发明实施例提供了一种单下肢康复外骨骼装置，包括：控制器，以及与所述控制器通信连接的健侧下肢组件和患侧下肢组件；其中，所述健侧下肢组件用于安装于用户的健侧下肢处，所述患侧下肢组件用于安装于所述用户的患侧下肢处；所述控制器用于通过所述健侧下肢组件确定所述健侧下肢的当前状态，以及通过所述患侧下肢组件确定所述患侧下肢的当前状态；所述当前状态包括抬起状态或支撑状态；所述健侧下肢组件用于在所述健侧下肢处于抬起状态时，采集所述健侧下肢的运动数据，并将所述运动数据发送给所述控制器；所述运动数据包括健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧髋关节角度值中的一种或多种；所述控制器用于根据所述健侧下肢的运动数据确定所述患侧下肢组件对应的步态数据，并将所述步态数据发送给所述患侧下肢组件；所述步态数据包括行走步长、行走步高、行走步频、患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值中的一种或多种；所述患侧下肢组件用于在所述健侧下肢处于支撑状态时，根据所述步态数据带动所述患侧下肢进行运动。
在一种实施方式中，所述健侧下肢组件包括健侧踝关节传感器、健侧膝关节传感器和健侧髋关节传感器；所述健侧踝关节传感器用于采集所述用户的健侧踝关节角度值；所述健侧膝关节传感器用于采集所述用户的健侧膝关节角度值；所述健侧髋关节角度值用于采集所述用户的健侧膝关节角度值。
在一种实施方式中，所述运动数据还包括健侧脚底压力值；所述健侧下肢组件还包括多个健侧压力传感器，每个所述健侧压力传感器均用于采集所述用户的健侧脚底压力值；所述控制器还用于根据所述健侧脚底压力值确定所述健侧下肢的当前状态；所述患侧下肢组件还包括多个患侧压力传感器，每个所述患侧压力传感器均用于采集所述用户的患侧脚底压力值；所述控制器还用于根据所述患侧脚底压力值确定所述患侧下肢的当前状态。
在一种实施方式中，所述患侧下肢组件包括患侧踝关节驱动电机、患侧膝关节驱动电机和患侧髋关节驱动电机的一个或多个关节驱动电机；所述关节驱动电机用于根据所述步态数据控制所述患侧下肢的对应的关节运动至患侧关节角度值。
在一种实施方式中，所述患侧下肢组件还包括与所述关节驱动电机相连的对应关节供电电源和对应关节电源按钮；所述关节供电电源用于向患侧对应关节驱动电机供电；所述膝关节电源按钮用于基于所述用户的操作改变所述对应关节供电电源的开闭状态。
在一种实施方式中，所述健侧下肢组件和所述患侧下肢组件均包括固定单元；所述健侧下肢组件内的固定单元用于固定所述健侧下肢和所述健侧下肢组件；所述患侧下肢组件内的固定单元用于固定所述患侧下肢和所述患侧下肢组件。
在一种实施方式中，所述装置还包括存储单元。
在一种实施方式中，所述装置还包括显示组件，所述显示组件包括液晶触摸屏、电源指示灯和运行指示灯；所述液晶触屏用于显示所述运动数据和所述步态数据；所述电源指示灯用于指示关节供电电源的电量；所述运行指示灯用于指示所述单下肢康复外骨骼装置的运行状态。
第二方面，本发明实施例还提供一种单下肢康复外骨骼装置的控制方法，所述方法应用于如第一方面提供的任一项所述的单下肢康复外骨骼装置，所述方法包括：利用健侧下肢组件确定用户的健侧下肢的当前状态，以及利用患侧下肢组件确定所述用户的患侧下肢的当前状态；其中，所述当前状态包括抬起状态或支撑状态；接收所述健侧下肢组件在所述健侧下肢处于抬起状态时采集的所述健侧下肢的运动数据；其中，所述运动数据包括健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧髋关节角度值中的一种或多种；根据所述健侧下肢的运动数据确定所述患侧下肢组件对应的步态数据；其中，所述步态数据包括行走步长、行走步高、行走步频、患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值中的一种或多种；将所述步态数据发送给所述患侧下肢组件，以通过所述患侧下肢组件在所述健侧下肢处于支撑状态时，根据所述步态数据带动所述用户的患侧下肢进行运动。
在一种实施方式中，所述根据所述健侧下肢的运动数据确定所述患侧下肢组件对应的步态数据的步骤，包括：根据所述健侧髋关节角度值、所述健侧膝关节角度值和所述健侧踝关节角度值确定所述用户的行走步长和行走步高；根据所述健侧下肢处于所述抬起状态的时长，确定所述用户的行走步频；根据所述健侧下肢运动所确定的所述用户的步态数据，包括所述行走步长、行走步高和行走步频，确定所述用户的患侧下肢组件对应的步态数据，包括所述行走步长、行走步高和行走频率；根据所述健侧下肢运动所确定的所述用户的步态数据，包括所述行走步长、行走步高和行走步频，确定所述用户的患侧下肢组件对应的步态数据，包括患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值；或，根据所述健侧踝关节角度值确定所述用户的患侧踝关节角度值、根据所述健侧膝关节角度值确定所述用户的患侧膝关节角度值、根据所述健侧髋关节角度值确定所述用户的患侧髋关节角度值。
本发明实施例提供的一种单下肢康复外骨骼装置及其控制方法，该装置包括控制器，以及与控制器通信连接的健侧下肢组件和患侧下肢组件；其中，健侧下肢组件用于安装于用户的健侧下肢处，患侧下肢组件用于安装于用户的患侧下肢处；控制器用于通过健侧下肢组件确定健侧下肢的当前状态，以及通过患侧下肢组件确定患侧下肢的当前状态；当前状态包括抬起状态或支撑状态；健侧下肢组件用于在健侧下肢处于抬起状态时，采集健侧下肢的运动数据，并将运动数据发送给控制器；运动数据包括健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧髋关节角度值中的一种或多种；控制器用于根据健侧下肢的运动数据确定患侧下肢组件对应的步态数据，并将步态数据发送给患侧下肢组件；步态数据包括行走步长、行走步高、行走步频、患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值中的一种或多种；患侧下肢组件用于在健侧下肢处于支撑状态时，根据步态数据带动患侧下肢进行运动。上述装置在健侧下肢处于抬起状态时通过健侧下肢组件采集健侧下肢的运动数据，并通过控制器根据运动数据确定患侧下肢的步态数据，以使患侧下肢组建根据步态数据控制患侧下肢运动，较好地实现了用户自主的步态操控，还可以实现用户与单下肢康复外骨骼装置的信息交互，从而根据用户的运动数据实现了个性化的物理康复训练。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种单下肢康复外骨骼装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用户下肢示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种单下肢康复外骨骼装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种压力传感器的排布示意图；
图5为本发明实施例提供的一种单下肢康复外骨骼装置的框架示意图；
图6为本发明实施例提供的一种单下肢康复外骨骼装置的控制方法的流程示意图；
图7为本发明实施例提供的一种运动求解示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种运动求解示意图。
图标：1-腰带；2-大腿固定绑带；3-小腿固定绑带；4-脚腕固定绑带；5-脚底压力传感器整列；5.1-第一健侧压力传感器；5.2-第二健侧压力传感器；5.3-第三健侧压力传感器；6-脚底支撑件；7-健侧踝关节传感器；8-小腿支撑件；9-健侧膝关节传感器；10-大腿支撑件；11-健侧髋关节传感器；100-控制器；200-健侧下肢组件；300-患侧下肢组件；13-1-健侧下肢；13-2-患侧下肢。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
目前，现有的康复外骨骼机器人产品都不提供在线的步态学习功能，亦即，患者的双下肢完全由机器人控制，通过康复外骨骼机器人预制的程序来操纵下肢的运动。这种操控方式无法让患者拥有实际走路的步伐感和学习感；另外，机械步伐的合适度、舒适度也很难让患者接受，在康复训练实践中，这种操控方式会让患者出现操控不易，步率失调等情况，甚至出现跌倒的风险；再者，由于健康一侧下肢的行走同样受机器人程序操控，使偏瘫患者的物理康复受到生理和心理的双重限制。基于此，本发明实施提供了一种单下肢康复外骨骼装置及其控制方法，可以较好地实现患者自主的步态操控，还可以实现患者与单下肢康复外骨骼装置的信息交互，从而实现个性化的物理康复训练。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种单下肢康复外骨骼装置进行详细介绍，参见图1所示的一种单下肢康复外骨骼装置的结构示意图，该装置包括：控制器100，以及与控制器100通信连接的健侧下肢组件200和患侧下肢组件300，其中，健侧下肢组件200用于安装于用户的健侧下肢处，患侧下肢组件300用于安装于用户的患侧下肢处。
其中，控制器用于通过健侧下肢组件确定健侧下肢的当前状态，以及通过患侧下肢组件确定患侧下肢的当前状态，当前状态包括抬起状态或支撑状态。在一种实施方式中，可通过健侧下肢组件采集健侧脚底压力值，从而根据脚底压力值确定健侧下肢的当前状态，同理，可通过患侧下肢组件采集健侧脚底压力值，从而根据脚底压力值确定患侧下肢的当前状态。
健侧下肢组件用于在健侧下肢处于抬起状态时，采集健侧下肢的运动数据，并将运动数据发送给控制器，运动数据包括健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值、健侧髋关节角度值和健侧脚底压力值中的一种或多种。在一种实施方式中，健侧下肢组件可包含多个角度传感器，并将各个角度传感器分别设置于用户的健侧踝关节、健侧膝关节和健侧髋关节，从而采集到用户的健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧髋关节角度值等。
控制器用于根据健侧下肢的运动数据确定患侧下肢组件对应的步态数据，并将步态数据发送给患侧下肢组件。其中，步态数据包括行走步长、行走步高、行走步频、患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值中的一种或多种。在一种实施方式中，可以根据健侧髋关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧踝关节角度值确定用户的行走步长和行走步高；根据健侧下肢处于抬起状态的时长，确定用户的行走步频；根据健侧下肢运动所确定的用户的步态数据(包括行走步长、行走步高和行走步频)，确定用户的患侧下肢组件对应的步态数据(包括行走步长、行走步高和行走频率)。另外，在一些实施方式中，可以根据健侧下肢运动所确定的用户的步态数据(包括行走步长、行走步高和行走步频)，确定用户的患侧下肢组件对应的步态数据，诸如患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值；也可以根据健侧踝关节角度值确定用户的患侧踝关节角度值、根据健侧膝关节角度值确定用户的患侧膝关节角度值、根据健侧髋关节角度值确定用户的患侧髋关节角度值，在具体实现时，可基于实际情况从上述两种方案中选择一种用于计算患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值。
患侧下肢组件用于在健侧下肢处于支撑状态时，根据步态数据带动患侧下肢进行运动。在一种实施方式中，患侧下肢组件可以包括多个关节驱动电机，并将各个关节驱动电机分别设置于用户的患侧踝关节、患侧膝关节和患侧髋关节，以根据步态数据带动用户的患侧踝关节、患侧膝关节和患侧髋关节进行运动。
本发明实施例提供的上述单下肢康复外骨骼装置，在健侧下肢处于抬起状态时通过健侧下肢组件采集健侧下肢的运动数据，并通过控制器根据运动数据确定患侧下肢的步态数据，以使患侧下肢组建根据步态数据控制患侧下肢运动，较好地实现了用户自主的步态操控，还可以实现用户与单下肢康复外骨骼装置的信息交互，从而根据用户的运动数据实现了个性化的物理康复训练。
基于上述实施例提供的单下肢康复外骨骼装置，本发明实施例提供的单下肢康复外骨骼装置的健侧下肢组件还包括健侧踝关节传感器、健侧膝关节传感器、健侧髋关节传感器和多个健侧压力传感器，患侧下肢组件还包括患侧踝关节驱动电机、患侧膝关节驱动电机、患侧髋关节驱动电机和多个患侧压力传感器，另外，健侧下肢组件和患侧下肢组件还均包括固定单元，固定单元可以包括多个绑带。
其中，健侧踝关节传感器用于采集用户的健侧踝关节角度值，健侧膝关节传感器用于采集用户的健侧膝关节角度值，健侧髋关节角度值用于采集用户的健侧膝关节角度值，每个健侧压力传感器均用于采集用户的健侧脚底压力值。
患侧关节驱动电机用于根据步态数据控制患侧下肢的对应的关节运动至所述患侧关节角度值。具体的，患侧踝关节驱动电机用于根据步态数据控制患侧下肢的踝关节运动至患侧踝关节角度值，患侧膝关节驱动电机用于根据步态数据控制患侧下肢的膝关节运动至患侧膝关节角度值，患侧髋关节驱动电机用于根据步态数据控制患侧下肢的髋关节运动至患侧髋关节角度值，每个患侧压力传感器均用于采集用户的患侧脚底压力值。
另外，控制器还用于根据健侧脚底压力值确定健侧下肢的当前状态，以及根据患侧脚底压力值确定患侧下肢的当前状态。
为便于对上述实施例进行理解，本发明实施例提供了如图2所示的一种用户下肢示意图，示例性标注了用户的健侧下肢13-1和患侧下肢13-2，本发明实施例以健侧下肢13-1为例对上述单下肢康复外骨骼装置进一步解释，参见图3所示的另一种单下肢康复外骨骼装置的结构示意图，腰带1将控制器和髋关节角度传感器(也即，上述健侧髋关节传感器11)一端安装在用户腰部合适位置，髋关节角度传感器另一端固定在大腿支撑件靠近腰部一端上，髋关节角度传感器位于髋关节回转中心附近；膝关节角度传感器(也即，上述健侧膝关节传感器9)一端固定在大腿支撑件靠近脚底的另一端上，另一端固定在小腿支撑件靠近腰部一端上，膝关节角度传感器位于膝关节回转中心附近；踝关节角度传感器(也即，上述健侧踝关节传感器7)一端固定在小腿支撑件靠近脚底的另一端上，另一端固定在脚底支撑件上，踝关节角度传感器位于踝关节回转中心附近。另外，图3中还示意出健侧下肢组件内的固定单元还包括大腿固定绑带2、小腿固定绑带3和脚腕固定绑带4，用于绑定用户的健侧下肢和健侧下肢组件。进一步的，图3中还示意出了健侧下肢组件还包括脚底支撑件6、小腿支撑件8和大腿支撑件等支撑件。
应当注意的是，患侧下肢组件中的固定单元也包括大腿固定绑带、小腿固定绑带和脚腕固定绑带，用于绑定用户的患侧下肢和患侧下肢组件。另外，患侧下肢组件同样也包括脚底支撑件、小腿支撑件和大腿支撑件等支撑件。
另外，本发明实施例提供了一种压力传感器的排布示意图，以健侧下肢组件内包含有3个健侧压力传感器为例进行说明，如图4所示，健侧下肢组件内包含脚底压力传感器整列5，该脚底压力传感器整列5设置有第一健侧压力传感器5.1、第二健侧压力传感器5.2和第三健侧压力传感器5.3，第一健侧压力传感器5.1、第二健侧压力传感器5.2、第三健侧压力传感器5.3分别位于脚底的左前侧、右前侧、脚跟侧。
在实际应用中，上述第一健侧压力传感器5.1、第二健侧压力传感器5.2、第三健侧压力传感器5.3、踝关节角度传感器、膝关节角度传感器、髋关节角度传感器通过数据线或者无线方式同控制器进行运动数据的传入和输出。
在上述实施例提供的单下肢康复外骨骼装置的基础上，本发明实施例进一步提供一种单下肢康复外骨骼装置的框架示意图，如图5所示，该单下肢康复外骨骼装置包括微控制单元(也即，上述控制器)、传感器模块、驱动电机模块、设置与显示模块、电源管理模块、安全保护模块、Flash模块和USB模块。
在一种实施方式中，微处理器单元(MCU，Microcontroller Unit)可以采用基于ARM Cortex-M4内核的STM32F429芯片，由于该STM32F429芯片拥有浮点处理器(FloatingPoint Unit，FPU)和DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)库，能够更好的进行算法运算，以同时满足低功耗和较高的运算能力。
在一种实施方式中，设置与显示模块(也即，上述显示组件)包括液晶触摸屏、电源指示灯和运行指示灯，液晶触屏用于显示运动数据和步态数据，电源指示灯用于指示关节供电电源的电量，例如，分别指示踝关节供电电源、膝关节供电电源和髋关节供电电源的电量，运行指示灯用于指示单下肢康复外骨骼装置的运行状态。其中，电源状态灯和运行状态灯均为红绿双色LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)，当红绿双色LED同时点亮时，将显示为黄色。在开机状态下，电源状态灯在电量少于10％显示为红灯，电量大于10％显示为绿色；当单下肢康复外骨骼机器人系统充电时，电源状态灯在电量少于10％显示为红灯，电量10％以上显示为黄色，充满时显示为绿色。运行状态灯在单下肢康复外骨骼机器人系统进行步态学习过程中显示为绿色，若出现触碰电路限位、按下急停开关等故障时显示为红色。液晶触摸屏主要用于设置患侧下肢的大腿长度、小腿长度、初始步态特征参数等，除此之外，液晶触摸屏还需要显示具体的故障状态、设备型号、软件版本信息等，以便于在遇到系统故障时进行故障排除。
在一种实施方式中，驱动电机模块包括患侧膝关节驱动电机和患侧髋关节驱动电机，分别安装在患侧下肢的髋关节与膝关节处，能够根据步态学习算法精准的控制转动角度，并具有绝对值角度反馈、电流反馈、软件限位设置等功能。
在一种实施方式中，电源管理模块包含充电管理芯片和充电保护电路等，需要定制的充电器进行充电，其中，患侧下肢组件还包括与所述患侧关节驱动电机相连的对应关节供电电源和对应关节电源按钮，所述关节供电电源用于向所述患侧对应关节驱动电机供电；所述关节电源按钮用于基于所述用户的操作改变所述对应关节供电电源的开闭状态。具体的，分别以患侧膝关节驱动电机和髋关节驱动电机为例，与患侧膝关节驱动电机相连的膝关节供电电源用于向患侧膝关节驱动电机供电，与患侧髋关节驱动电机相连的髋关节供电电源用于向患侧髋关节驱动电机供电，在具体实现时，可以通过MCU采集膝关节供电电源和髋关节供电电源的当前电量与充电状态。具体的，上述供电电源可以采用锂电池。
在一种实施方式中，安全保护模块主要由机械限位、硬件电路限位、软件限位以及急停开关等安全保护措施组成，其中，机械限位主要通过结构限制的方式实现；硬件电路限位可通过设置电源按钮实现，患侧下肢组件还包括与患侧膝关节驱动电机相连的膝关节电源按钮，用于基于用户的操作改变膝关节供电电源的开闭状态，患侧下肢组件还包括与患侧髋关节驱动电机相连的髋关节电源按钮，用于基于用户的操作改变髋关节供电电源的开闭状态，在具体实现时，硬件电路限位与通过在关节位置安装按键电路等方式切断驱动电机的供电电源，MCU仅能检测到按键电路的开闭状态，而不能其进行控制；软件限位是在步态运动算法解出患侧髋关节角度值与患侧膝关节角度值后，对角度值进行限制；急停开关也是直接切断驱动电机的供电电源，MCU仅能检测到急停开关的开闭状态。
在一种实施方式中，传感器模块可以包括两个绝对值编码器与两个压力传感器。例如，两个绝对值编码器分别安装在健侧下肢的髋关节与膝关节处，用于实时采集健侧下肢的步态运动轨迹；两个压力传感器分别安装在健侧下肢与患侧下肢的脚底，用于确定用户是否站稳，压力传感器反馈的数据也将结合到步态运动算法中。
在一种实施方式中，Flash模块(也可称之为，存储单元)用保存患侧下肢的基本信息，如大腿长度、小腿长度以及初始步态特征参数等，此外还将记录患者的累计步态特征参数和产品日志等。
在一种实施方式中，USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)模块用于设置各种参数、获取患者步态特征与产品日志查询等。
本发明实施例提供的上述单下肢康复外骨骼装置，通过对每名用户自身健侧下肢(简称，健肢)相关数据的采集，来用于控制用户患侧下肢(简称，患肢)的康复行走，解决了用户在康复行走过程中因个体差异化带来的行走舒适性以及协调性问题，以实现个性化康复治疗的目的。
基于上述实施例提供的单下肢康复外骨骼装置，本发明实施例提供了一种单下肢康复外骨骼装置的控制方法，该方法应用于前述实施例提供的单下肢康复外骨骼装置，参见图6所示的一种单下肢康复外骨骼装置的控制方法的流程示意图，该方法主要包括以下步骤S602至步骤S608：
步骤S602，利用健侧下肢组件确定用户的健侧下肢的当前状态，以及利用患侧下肢组件确定用户的患侧下肢的当前状态。其中，当前状态包括抬起状态或支撑状态。在一种实施方式中，可以基于健侧下肢组件中压力传感器采集的健侧脚底压力值确定健侧下肢的当前状态，具体的，在水平平整地面行走时，在一个行走周期内，当用户的患侧下肢着地支撑，健侧下肢迈出且足底脚跟处慢慢触地，此时位于足底脚跟处的第三健侧压力传感器5.3检测到压力P3i逐步递增，待健侧下肢足掌也开始接触地面时，位于足底脚掌处的第一健侧压力传感器5.1和第二健侧压力传感器5.2检测到压力P1i和P2i逐步递增，待P1i+P2i+P3i大于用户体重G/2且接近用户体重G时，确定健侧下肢处于支撑状态，预示用户支撑重心开始转移，健侧下肢逐渐支撑身体体重至全部重量，此时，患侧下肢外骨骼康复机器才能控制用户患肢下肢开始抬腿迈步。而在P1i+P2i+P3i小于用户体重G/2时，确定用户健侧下肢处于抬起状态。
步骤S604，接收健侧下肢组件在健侧下肢处于抬起状态时采集的健侧下肢的运动数据。其中，运动数据包括健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧髋关节角度值中的一种或多种。在一种实施方式中，可以通过健侧踝关节传感器采集用户的健侧踝关节角度值，通过健侧膝关节传感器采集用户的健侧膝关节角度值，以及通过健侧髋关节角度值采集用户的健侧膝关节角度值。
步骤S606，根据健侧下肢的运动数据确定患侧下肢组件对应的步态数据。其中，步态数据包括行走步长、行走步高、行走步频、患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值中的一种或多种。在一种实施方式中，可以根据健侧髋关节角度值、健侧膝关节角度值和所述健侧踝关节角度值确定用户的行走步长和行走步高；根据健侧下肢处于抬起状态的时长，确定用户的行走步频；根据健侧下肢运动所确定的用户的步态数据(包括行走步长、行走步高和行走步频)，确定用户的患侧下肢组件对应的步态数据(包括行走步长、行走步高和行走频率)；根据健侧下肢运动所确定的用户的步态数据(包括行走步长、行走步高和行走步频)，确定用户的患侧下肢组件对应的步态数据，诸如患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值。在另一种实施方式中，也可以根据健侧踝关节角度值确定用户的患侧踝关节角度值、根据健侧膝关节角度值确定用户的患侧膝关节角度值、根据健侧髋关节角度值确定用户的患侧髋关节角度值。
步骤S608，将步态数据发送给患侧下肢组件，以通过患侧下肢组件在健侧下肢处于支撑状态时，根据步态数据带动用户的患侧下肢进行运动。在一种实施方式中，患侧下肢组件接收到步态数据后，可以通过患侧踝关节驱动电机根据步态数据控制患侧下肢的踝关节运动至患侧踝关节角度值，通过患侧膝关节驱动电机根据步态数据控制患侧下肢的膝关节运动至患侧膝关节角度值，以及通过患侧髋关节驱动电机根据步态数据控制患侧下肢的髋关节运动至患侧髋关节角度值。
本发明实施例提供的上述单下肢康复外骨骼装置的控制方法，在健侧下肢处于抬起状态时通过健侧下肢组件采集健侧下肢的运动数据，并通过控制器根据运动数据确定患侧下肢的步态数据，以使患侧下肢组建根据步态数据控制患侧下肢运动，较好地实现了用户自主的步态操控，还可以实现用户与单下肢康复外骨骼装置的信息交互，从而根据用户的运动数据实现了个性化的物理康复训练。
基于上述步骤S606，本发明实施例提供了一种确定步态数据的具体实施方式。首先参见图7所示的一种运动求解示意图，请参见图7，O1为髋关节拍动转动中心位置；O2为膝关节拍动转动中心位置；O3为踝关节拍动转动中心位置；A1为位于地面上的下肢脚跟上一周期着地点；A2为位于地面上的下肢脚跟本周期内的着地点；A3为位于下肢足底的脚跟与地面接触点；A4为位于下肢足底的脚掌处与地面接触点；L1为大腿摆动关节有效长度；L2为小腿摆动关节有效长度；
Figure BDA0002582044480000151
为大腿与垂直方向夹角(也即，上述健侧髋关节角度值)；
Figure BDA0002582044480000152
为小腿与大腿之间夹角(也即，上述健侧膝关节角度值)；
Figure BDA0002582044480000153
为足底平面法线与小腿轴向方向之间的夹角(也即，上述健侧踝关节角度值)；Xi为O3在任意时刻的横坐标；Yi为O3在任意时刻的纵坐标，此时计算得到O3在任意时刻的坐标为：
Figure BDA0002582044480000154
在实际应用中，单下肢康复外骨骼装置的控制器中可以存储有用户初始穿戴外骨骼康复机器人步态数据S0＝F(f10,f20,f30,f40)。其中，
Figure BDA0002582044480000155
为患者髋关节与大腿长度L1、髋关节角度
Figure BDA0002582044480000156
髋关节扭矩TN1、时间t等参数之间的函数关系；
Figure BDA0002582044480000157
为患者膝关节与大腿长度L1、小腿长度L2、健侧膝关节角度值
Figure BDA0002582044480000158
膝关节扭矩TN2、时间t等参数之间的函数关系；
Figure BDA0002582044480000159
为患者踝关节与小腿长度L2、足底长度L2、踝关节角度
Figure BDA00025820444800001510
踝关节扭矩TN3、时间t等参数之间的函数关系；
Figure BDA00025820444800001511
为患者足底长度L3、足底长度L4、足底长度L5、踝关节角度
Figure BDA0002582044480000161
足底压力函数PN0、时间t等参数之间的函数关系。进一步的，足底压力函数PN0＝S(P1,P2,P3)，其中，P1为第一健侧压力传感器5.1采集的脚底压力值，P2为第二健侧压力传感器5.2采集的脚底压力值，P3为第三健侧压力传感器5.3采集的脚底压力值。在实际应用中，外部个康复机器人(也即，上述单下肢康复外骨骼装置)的初始步态参数S0可以通过穿戴用户试验统计得出，或者通过临床试验数据得出。
对于任意t＝i时刻，患者穿戴外骨骼康复机器人步态数据：Si＝F(f1i,f2i,f3i,f4i)。其中，
Figure BDA0002582044480000162
为在t＝i时刻患者髋关节与大腿长度L1、髋关节角度
Figure BDA0002582044480000163
髋关节扭矩TN1、时间t等参数之间的函数关系；
Figure BDA0002582044480000164
为在t＝i时刻患者膝关节与大腿长度L1、小腿长度L2、膝关节角度
Figure BDA0002582044480000165
膝关节扭矩TN2、时间t等参数之间的函数关系；
Figure BDA0002582044480000166
为在t＝i时刻患者踝关节与小腿长度L2、足底长度L2、踝关节角度
Figure BDA0002582044480000167
踝关节扭矩TN3、时间t等参数之间的函数关系；
Figure BDA0002582044480000168
为在t＝i时刻患者足底长度L3、足底长度L4、足底长度L5、踝关节角度
Figure BDA0002582044480000169
足底压力函数PN0、时间t等参数之间的函数关系。另外，PNi＝S(P1i+P2i+P3i)，P1i为在t＝i时刻第一健侧压力传感器5.1采集的脚底压力值，P2i为在t＝i时刻第二健侧压力传感器5.2采集的脚底压力值，P2i为在t＝i时刻第三健侧压力传感器5.3采集的脚底压力值。其中，当患者静止站立(也即，处于支撑状态)，患侧下肢处于站立支撑，且健侧下肢处于抬起未受支撑状态时，满足P1i+P2i+P3i近似等于用户体重G。
进一步的，参见图8所示的另一种运动求解示意图，并结合图7和图8，可以得知，通过位于足底的压力传感器，可以检测足部的触底时间，同一足底相邻两次触地时间间隔时长，即为单个瞬时步态周期时间T，并进一步求得步频
Figure BDA0002582044480000171
取O3点横坐标
Figure BDA0002582044480000172
的最大绝对值得到步长L，也即步长
Figure BDA0002582044480000173
取O3点纵坐标Yi-Yj的最大值绝对值得到步高H，也即步高H＝|Yi-Yj|；患者行走步速
Figure BDA0002582044480000174
选取患者静止站立时，垂直于地面方向的垂线为关节转动参考，腿部关节向前转动为正，腿部关节向后转动为负，在一个步行周期内，可以测量出患者行走时髋关节角度
Figure BDA0002582044480000175
膝关节角度
Figure BDA0002582044480000176
和踝关节角度
Figure BDA0002582044480000177
等信息，以及髋关节扭矩TN1、膝关节扭矩TN2、踝关节扭矩TN3、单步周期时间T、压力传感器数据PNi等，通过计算可以得出患者行走步长L、步高H、步速V、腿部摆动频率η等信息。
此时可以得到患者的目标步态数据：
Figure BDA0002582044480000178
其中，S为患者目标步态数据(行走步长L、髋关节角度
Figure BDA0002582044480000179
膝关节角度
Figure BDA00025820444800001710
和踝关节角度
Figure BDA00025820444800001711
及行走摆动频率η)采集数据平均值矩阵；S1为第一次患者步态(行走步长L、髋关节角度
Figure BDA00025820444800001712
膝关节角度
Figure BDA00025820444800001713
和踝关节角度
Figure BDA00025820444800001714
及行走腿部摆动频率η等)采集数据矩阵；S2为第二次患者步态(行走步长L、髋关节角度
Figure BDA00025820444800001715
膝关节角度
Figure BDA00025820444800001716
和踝关节角度
Figure BDA00025820444800001717
及行走腿部摆动频率η等)采集数据矩阵；Si为第i次患者步态参数(行走步长L、髋关节角度
Figure BDA00025820444800001718
膝关节角度
Figure BDA00025820444800001719
和踝关节角度
Figure BDA00025820444800001720
及行走腿部摆动频率η等)采集数据矩阵；n为采集患者步态周期的次数。
在实际应用中，为了提高单下肢康复外骨骼装置的实时性，本方案采用一个轻量级的操作系统(FreeRTOS)，这样可以更合理、更有效地利用CPU的资源，更好地保证系统的实时性和可靠性。在一种具体的实施方式中，单下肢康复外骨骼装置每5ms采集一次健肢髋关节与膝关节的绝对值编码器角度，并在这些参数经过平均滤波、中值滤波等算法后通过大腿长度、小腿长度等数据解出健肢踝关节的运动轨迹。与此同时，通过健肢踝关节的运动轨迹解析出健肢步态特征(如步速、步高、步长及踝关节运动曲线特征等)，并将这些数据实时反馈给患肢的控制算法(根据运动特征计算出患肢踝关节的运动轨迹，并反解成患肢髋关节与膝关节需要运动的角度)。除此之外，为了防止患肢步态失调或者出现跌倒的现象，还在单下肢康复外骨骼机器人的健肢与患肢下方安装了压力传感器用于确定患者是否站稳，压力传感器反馈的数据也将结合到步态运动算法中。
另外，为了提高单下肢康复外骨骼装置的安全性，本发明实施例中采用了机械限位、硬件电路限位、软件限位以及急停开关等安全措施保护患肢的安全，具体可参见前述实施例，本发明实施例在此不再赘述。
应到注意的是，为了确保自主学习患者独特的步态，在最开始会建立一个标准的步态模型，然后随着患者的行走，不断更新步态模型直到与患肢的步态特征一致为止，故在同一设备更换使用患者时，需要在液晶屏幕中设置更换患者的选择。当用户初次使用时，单下肢康复外骨骼装置患肢一侧将先按照初始预设的步态信息(行走步长、髋关节摆动角度、膝关节摆动角度、踝关节摆动角度及行走摆动频率等)进行行走，同时，通过单下肢康复外骨骼装置健肢数据采集系统采集健肢一侧行走的相关信息参数(也即，上述运动数据)，输入到控制器，控制器对运动数据进行统计和分析得到患者步态数据(行走步长、髋关节摆动角度、膝关节摆动角度、踝关节摆动角度及行走摆动频率等)采集数据平均值矩阵，控制器将采集到的健肢一侧的运动数据用于控制康复外骨骼机器人患肢一侧行走，使得用户患肢一侧的行走步长、髋关节摆动角度、膝关节摆动角度、踝关节摆动角度及行走摆动频率与健肢一侧周期性的协调一致，并且上述健肢一侧的行走数据采集过程和对采集输出到患肢一侧过程是持续进行的。
综上所述，本发明实施例提供的上述单下肢康复外骨骼装置的控制方法，可以通过自主学习来建立患者独特的步态，让患肢与健肢保持一种符合患者自身特性的步态，如步速、步高、步长及踝关节运动曲线特征等，能够更加舒适、快捷、安全的给患者进行个性化的物理康复训练。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单下肢康复外骨骼装置，其特征在于，包括：控制器，以及与所述控制器通信连接的健侧下肢组件和患侧下肢组件；其中，所述健侧下肢组件用于安装于用户的健侧下肢处，所述患侧下肢组件用于安装于所述用户的患侧下肢处；
所述控制器用于通过所述健侧下肢组件确定所述健侧下肢的当前状态，以及通过所述患侧下肢组件确定所述患侧下肢的当前状态；所述当前状态包括抬起状态或支撑状态；
所述健侧下肢组件用于在所述健侧下肢处于抬起状态时，采集所述健侧下肢的运动数据，并将所述运动数据发送给所述控制器；所述运动数据包括健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧髋关节角度值中的一种或多种；
所述控制器用于根据所述健侧下肢的运动数据确定所述患侧下肢组件对应的步态数据，并将所述步态数据发送给所述患侧下肢组件；所述步态数据包括行走步长、行走步高、行走步频、患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值中的一种或多种；
所述患侧下肢组件用于在所述健侧下肢处于支撑状态时，根据所述步态数据带动所述患侧下肢进行运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述健侧下肢组件包括健侧踝关节传感器、健侧膝关节传感器和健侧髋关节传感器；
所述健侧踝关节传感器用于采集所述用户的健侧踝关节角度值；所述健侧膝关节传感器用于采集所述用户的健侧膝关节角度值；所述健侧髋关节角度值用于采集所述用户的健侧膝关节角度值。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运动数据还包括健侧脚底压力值；
所述健侧下肢组件还包括多个健侧压力传感器，每个所述健侧压力传感器均用于采集所述用户的健侧脚底压力值；所述控制器还用于根据所述健侧脚底压力值确定所述健侧下肢的当前状态；
所述患侧下肢组件还包括多个患侧压力传感器，每个所述患侧压力传感器均用于采集所述用户的患侧脚底压力值；所述控制器还用于根据所述患侧脚底压力值确定所述患侧下肢的当前状态。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述患侧下肢组件包括患侧踝关节驱动电机、患侧膝关节驱动电机和患侧髋关节驱动电机的一个或多个关节驱动电机；所述关节驱动电机用于根据所述步态数据控制所述患侧下肢的对应的关节运动至患侧关节角度值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述患侧下肢组件还包括与所述关节驱动电机相连的对应关节供电电源和对应关节电源按钮；
所述关节供电电源用于向患侧对应关节驱动电机供电；所述关节电源按钮用于基于所述用户的操作改变所述对应关节供电电源的开闭状态。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述健侧下肢组件和所述患侧下肢组件均包括固定单元；
所述健侧下肢组件内的固定单元用于固定所述健侧下肢和所述健侧下肢组件；
所述患侧下肢组件内的固定单元用于固定所述患侧下肢和所述患侧下肢组件。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括存储单元。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括显示组件，所述显示组件包括液晶触摸屏、电源指示灯和运行指示灯；
所述液晶触摸屏用于显示所述运动数据和所述步态数据；
所述电源指示灯用于指示关节供电电源的电量；
所述运行指示灯用于指示所述单下肢康复外骨骼装置的运行状态。
9.一种单下肢康复外骨骼装置的控制方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-8任一项所述的单下肢康复外骨骼装置，所述方法包括：
利用健侧下肢组件确定用户的健侧下肢的当前状态，以及利用患侧下肢组件确定所述用户的患侧下肢的当前状态；其中，所述当前状态包括抬起状态或支撑状态；
接收所述健侧下肢组件在所述健侧下肢处于抬起状态时采集的所述健侧下肢的运动数据；其中，所述运动数据包括健侧踝关节角度值、健侧膝关节角度值和健侧髋关节角度值中的一种或多种；
根据所述健侧下肢的运动数据确定所述患侧下肢组件对应的步态数据；其中，所述步态数据包括行走步长、行走步高、行走步频、患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值中的一种或多种；
将所述步态数据发送给所述患侧下肢组件，以通过所述患侧下肢组件在所述健侧下肢处于支撑状态时，根据所述步态数据带动所述用户的患侧下肢进行运动。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述健侧下肢的运动数据确定所述患侧下肢组件对应的步态数据的步骤，包括：
根据所述健侧髋关节角度值、所述健侧膝关节角度值和所述健侧踝关节角度值确定所述用户的行走步长和行走步高；
根据所述健侧下肢处于所述抬起状态的时长，确定所述用户的行走步频；
根据所述健侧下肢运动所确定的所述用户的步态数据，包括所述行走步长、行走步高和行走步频，确定所述用户的患侧下肢组件对应的步态数据，包括所述行走步长、行走步高和行走频率；
根据所述健侧下肢运动所确定的所述用户的步态数据，包括所述行走步长、行走步高和行走步频，确定所述用户的患侧下肢组件对应的步态数据，包括患侧踝关节角度值、患侧膝关节角度值、患侧髋关节角度值；或，根据所述健侧踝关节角度值确定所述用户的患侧踝关节角度值、根据所述健侧膝关节角度值确定所述用户的患侧膝关节角度值、根据所述健侧髋关节角度值确定所述用户的患侧髋关节角度值。
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