CN112370305A - 一种下肢康复训练外骨骼机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

在本申请的实施例中提供了下肢康复训练外骨骼机器人以及控制方法，通过控制组件、用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件以及用于驱动所述患者下肢的驱动组件；所述控制组件固定于所述腰部组件上；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部、膝关节驱动部和踝关节驱动部。通过患者自身的运动意图实现主动式康复训练；机器人采用了轻量化的设计，使得质量更轻；并且可根据患者情况，灵活选择使用双侧外骨骼还是单侧外骨骼，从而更加轻便，穿戴也更加简单方便。

Description

一种下肢康复训练外骨骼机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种下肢康复训练外骨骼机器人及其控制方法。
背景技术
中风或者意外事故的伤害，使得人们出现肢体功能障碍，即由神经损伤以及其它疾病导致的下肢行走障碍，肢体功能障碍患者需要定期进行大量的康复训练以维持肢体的基本功能，下肢康复机器人临床上广泛用于由神经损伤以及其它疾病导致的下肢行走障碍患者，能够为因神经损伤导致行走功能障碍的患者提供了安全，有效的步行训练平台。下肢康复机器人作为智能机器人技术与康复治疗理论相结合的产物使其拥有传统人工辅助训练方法无法比拟的治疗效果和用户体验，帮助治疗医师完成重复枯燥的康复训练治疗，减轻了患者对治疗医师的依赖，且更好的帮助患者恢复其肢体运动功能。对恢复其肢体运动功能有积极的作用，能够帮助患者恢复正常的肢体运动，是脑卒中患者康复的有效方法之一。
下肢康复机器人通过机械腿带动肢体功能障碍患者完成大量重复的生理步态训练，实现重复性的康复训练，肢体功能障碍患者在早期即建立正确的运动模式。
目前，市面上现有的康复训练外骨骼机器人大多都是被动式训练，存在关节刚度较大、结构笨重、穿戴麻烦、运动僵化等问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种下肢康复训练外骨骼机器人及其控制方法。
为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种下肢康复训练外骨骼机器人包括控制组件、用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件以及用于驱动所述患者下肢的驱动组件；
所述控制组件固定于所述腰部组件上；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部、膝关节驱动部和踝关节驱动部；
当所述患者穿戴所述外骨骼机器人时，所述控制组件通过所述腰部组件固定于所述患者的后背；所述腰部组件设置在对应于所述患者腰部的位置；所述驱动组件穿套固定于所述患者的下肢；
当所述患者进行康复训练时，通过设置在对应于所述患者髋关节位置的所述髋关节驱动部、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部以及设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部分别进行独立的关节活动的驱动辅助，辅助所述患者进行下肢康复训练。
优选地，所述髋关节驱动部包括髋关节电机、用于控制所述髋关节电机转动角度的髋关节驱动器、用于降低所述髋关节电机转速的髋关节减速器、用于检测所述髋关节电机转动角度的髋关节编码器；所述髋关节电机分别与所述髋关节减速器和所述髋关节驱动器连接，所述髋关节驱动器连接所述髋关节编码器；
和/或；
所述膝关节驱动部包括膝关节电机、用于控制所述膝关节电机转动角度的膝关节驱动器、用于降低所述膝关节电机转速的膝关节减速器、膝关节编码器；所述膝关节电机分别与所述膝关节减速器和所述膝关节驱动器连接，所述膝关节驱动器连接所述膝关节编码器；
和/或；
所述踝关节驱动部包括踝关节电机、用于控制所述踝关节电机转动角度的踝关节驱动器、用于降低所述踝关节电机转速的踝关节减速器、用于检测所述踝关节电机转动角度的踝关节编码器；所述踝关节电机分别与所述踝关节减速器和所述踝关节驱动器连接，所述踝关节驱动器连接所述踝关节编码器。
优选地，所述驱动组件包括大腿组件、小腿组件和脚底组件；
所述大腿组件通过所述髋关节驱动部可拆卸连接于所述腰部组件的侧边，其中，所述大腿组件跟随所述髋关节驱动部的转动进行活动；
所述小腿组件通过所述膝关节驱动部与所述大腿组件活动连接，其中，所述小腿组件跟随所述膝关节驱动部的转动进行活动；
所述脚底组件通过所述踝关节驱动部与所述小腿组件活动连接，其中，所述脚底组件跟随所述踝关节驱动部的转动进行活动。
优选地，所述大腿组件包括大腿绑腿板、可调节大腿连接件和大腿固定带；
所述可调节大腿连接件一端连接所述髋关节驱动部，另一端连接所述膝关节驱动部；所述可调节大腿连接件中部远离所述髋关节驱动部的一侧连接所述大腿绑腿板；
所述大腿绑腿板上设有用于将所述可调节大腿连接件固定在所述患者大腿位置的所述大腿固定带。
优选地，所述小腿组件包括小腿绑腿板、可调节小腿连接件和小腿固定带；
所述可调节小腿连接件一端连接所述膝关节驱动部，另一端连接所述踝关节驱动部；所述小腿连接件中部远离所述膝关节驱动部的一侧连接所述小腿绑腿板；
所述小腿绑腿板上设有用于将所述可调节小腿连接件固定在所述患者小腿位置的所述小腿固定带。
优选地，所述脚底组件包括踝关节连接部、脚底信号采集模块、脚底板和脚底固定带；
所述踝关节连接部一端连接所述踝关节驱动部，所述踝关节连接部另一端通过所述脚底信号采集模块与所述脚底板连接，所述脚底板上设有用于将所述脚底板固定在所述患者脚底位置的所述脚底固定带。
本申请还包括一种下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括：
获取所述患者当前的运动状态和所述患者通过交互输入的目标运动状态；
依据预设运动数据、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述外骨骼机器人的工作状态，其中，所述预设运动数据包括基准身体姿态、行走速度、助力等级和患侧；所述工作状态包括所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部和所述踝关节驱动部对应的电机的转动角度和转动速度。
优选地，依据所述患者当前的身体姿态校准所述外骨骼机器人的基准身体姿态。
优选地，当所述患者穿戴外骨骼机器人进行康复训练时，确定所述外骨骼机器人的当前肢体状态；其中，所述当前肢体状态包括站姿或坐姿；
依据所述当前肢体状态将所述外骨骼机器人的肢体状态调整为站姿。
优选地，依据预设运动数据、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述外骨骼机器人的工作状态的步骤，包括：
依据所述基准身体姿态、所述患侧、所述当前的运动状态和所述目标运动状态分别确定所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部和所述踝关节驱动部对应的电机的转动角度；
依据所述行走速度、所述助力等级、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部和所述踝关节驱动部对应的电机的转动速度。
本申请具体包括以下优点：
在本申请的实施例中，通过控制组件、用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件以及用于驱动所述患者下肢的驱动组件；所述控制组件固定于所述腰部组件上；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部、膝关节驱动部和踝关节驱动部；当所述患者穿戴所述外骨骼机器人时，所述控制组件通过所述腰部组件固定于所述患者的后背；所述腰部组件设置在对应于所述患者腰部的位置；所述驱动组件穿套固定于所述患者的下肢；当所述患者进行康复训练时，通过设置在对应于所述患者髋关节位置的所述髋关节驱动部、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部以及设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部分别进行独立的关节活动的驱动辅助，辅助所述患者进行下肢康复训练。通过患者的运动状态、输入的目标运动即患者自身的运动意图调整驱动器的转动角度、驱动器的转动速度、步态轨迹曲线等，从而实现主动式康复训练；机器人采用了轻量化的设计，使得质量更轻，输出力矩更大；并且可根据患者情况，灵活选择使用双侧外骨骼还是单侧外骨骼，从而更加轻便，穿戴也更加简单方便。有针对性的对患侧进行康复训练，而不用影响到患者健侧下肢的运动，单侧的外骨骼减轻了患者负担，也使患者穿戴更加方便舒适。
附图说明
图1是本发明的一种下肢康复训练外骨骼机器人的结构示意图；
图2是本发明的一种下肢康复训练外骨骼机器人的正视结构示意图；
图3是本发明的一种下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法的步骤流程图；
图4是本发明的一种下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法的柔顺控制算法和步态自适应算法原理示意图。
1、控制组件；11、吊环；12、急停开关；13、扩展端口；14、电源开关；15、接线端口；2、腰部组件；21、扶手；22、可调节腰部连接件；23尾板；24、吊钩；3、髋关节驱动部；4、大腿组件；5、膝关节驱动部；6、小腿组件；7、踝关节驱动部；8、脚底组件；81、踝关节连接部；82、脚底信号采集模块；83、脚底板。
具体实施方式
为使本申请的所述目的、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申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的任一实施例用于肢体功能障碍患者的下肢康复训练，肢体功能障碍患者需要定期进行大量的康复训练以维持肢体的基本功能，下肢康复外骨骼机器人为因神经损伤导致行走功能障碍的患者提供了安全，有效的步行训练平台，使得患者在早期即建立正确的运动模式，辅助患者完成训练。
参照图1，示出了本发明的一种下肢康复训练外骨骼机器人的结构示意图，具体可以包括如下结构：控制组件1、用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件2以及用于驱动所述患者下肢的驱动组件；所述控制组件1固定于所述腰部组件2上；所述腰部组件2的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件1电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部3、膝关节驱动部5和踝关节驱动部7；当所述患者穿戴所述外骨骼机器人时，所述控制组件1通过所述腰部组件2固定于所述患者的后背；所述腰部组件2设置在对应于所述患者腰部的位置；所述驱动组件穿套固定于所述患者的下肢；当所述患者进行康复训练时，通过设置在对应于所述患者髋关节位置的所述髋关节驱动部3、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5以及设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5分别进行独立的关节活动的驱动辅助，辅助所述患者进行下肢康复训练。
在本申请的实施例中，通过控制组件1、用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件2以及用于驱动所述患者下肢的驱动组件；所述控制组件1固定于所述腰部组件2上；所述腰部组件2的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件1电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部3、膝关节驱动部5和踝关节驱动部7；当所述患者穿戴所述外骨骼机器人时，所述控制组件1通过所述腰部组件2固定于所述患者的后背；所述腰部组件2设置在对应于所述患者腰部的位置；所述驱动组件穿套固定于所述患者的下肢；当所述患者进行康复训练时，通过设置在对应于所述患者髋关节位置的所述髋关节驱动部3、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5以及设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5分别进行独立的关节活动的驱动辅助，辅助所述患者进行下肢康复训练。通过患者的运动状态、输入的目标运动即患者自身的运动意图调整驱动器的转动角度、驱动器的转动速度、步态轨迹曲线等，从而实现主动式康复训练；机器人采用了轻量化的设计，使得质量更轻，输出力矩更大；并且可根据患者情况，灵活选择使用双侧外骨骼还是单侧外骨骼，从而更加轻便，穿戴也更加简单方便。有针对性的对患侧进行康复训练，而不用影响到患者健侧下肢的运动，单侧的外骨骼减轻了患者负担，也使患者穿戴更加方便舒适。
下面，将对本示例性实施例中一种下肢康复训练外骨骼机器人作进一步地说明。
下肢康复训练外骨骼机器人包括控制组件1，其中，所述控制组件1包括吊环11、急停开关12、扩展端口13、电源开关14、接线端口15、背部固定带。
进一步地，所述控制组件1上部两端分别设有吊环11，其中，吊环11用于连接减重支架；所述控制组件1远离所述患者的一面依次设有所述急停开关12、所述拓展端口、所述电源开关14以及所述接线端口15；所述控制组件1对应所述肢体功能障碍患者背部的位置贴合固定设有所述背部固定带。
进一步地，所述急停开关12用在当患者需要紧急关闭外骨骼机器人时，可通过快速按下急停开关12来达到关闭外骨骼机器人的目的。所述外接端口用于连接各种外部设备的接口，通过外接端口能实现外骨骼机器人与外部的互连。所述接线端口15用于与所述驱动组件电性连接，从而使得所述驱动组件与所述控制组件1电性连接。所述背部之间通过卡扣连接，且所述背部固定带的长度可根据患者进行调节。
用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件2，所述控制组件1固定于所述腰部组件2上，其中，所述腰部组件2包括扶手21、可调节腰部连接件22、尾板23、腰部固定带。
进一步地，所述腰部连接件两侧分别连接所述扶手21，所述扶手21远离所述腰部连接件一端设有吊钩24，其中，吊钩24用于连接减重支架；所述可调节腰部连接件22底部连接所述尾板23；所述可调节腰部连接件22对应所述患者腰部的位置设置有所述腰部固定带。
进一步地，所述扶手21包括水平扶手21和与水平扶手21垂直连接的竖直扶手21，所述水平扶手21的一端连接所述可调节腰部连接件22，另一端设置有所述吊钩24。所述可以调节腰部连接件可调节宽度长度以适应所述患者腰部宽度。
本申请实施例中，当所述患者穿戴所述外骨骼机器人时，所述控制组件1通过所述腰部组件2固定于所述患者的后背；所述腰部组件2设置在对应于所述患者腰部的位置；所述驱动组件穿套固定于所述患者的下肢。
本申请实施例中，当所述患者进行康复训练时，通过设置在对应于所述患者髋关节位置的所述髋关节驱动部3、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5以及设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5分别进行独立的关节活动的驱动辅助，辅助所述患者进行下肢康复训练。
所述腰部组件2的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件1电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部3、膝关节驱动部5和踝关节驱动部7。
进一步地，髋关节驱动部3、膝关节驱动部5和踝关节驱动部7驱动通过的柔顺控制算法和步态自适应算法实现。
柔顺控制算法和步态自适应算法原理示意图如图4所示，包括内置于机器人背包部件中的参考轨迹、步态自适应控制器，内置于各关节驱动部件中的力/力矩控制器和重力、摩擦补偿。其中柔顺控制算法就体现在关节驱动部件的力/力矩控制器上。
具体控制过程如下为：将参考轨迹qd发送到各关节驱动部件内置的力/力矩控制器后，得到参考关节力矩τd，并重力、摩擦补偿τg,f进行前馈补偿后，得到机器人各关节输出力矩τ＝τd+τg,f，q,F分别是机器人各关节实际测量的轨迹和力矩，将实际测量的到的q,F，以及参考轨迹qd输入到步态轨迹自适应算法中，对参考轨迹进行优化，得到优化后的参考轨迹变化量：Δq＝Φ(qd,q,F)，让后对参考轨迹进行优化：qd(k+1)＝qd(k)+Δq，k表示当前控制时刻，k+1表示下一控制时刻。
本申请实施例中，所述髋关节驱动部3包括髋关节电机、用于控制所述髋关节电机转动角度的髋关节驱动器、用于降低所述髋关节电机转速的髋关节减速器、用于检测所述髋关节电机转动角度的髋关节编码器；所述髋关节电机分别与所述髋关节减速器和所述髋关节驱动器连接，所述髋关节驱动器连接所述髋关节编码器。
进一步地，所述髋关节减速器降低所述髋关节电机转速通过增加转矩达到减速所述髋关节电机的目的。所述髋关节驱动器集成了用于检测所述髋关节电机转动角度以及用于无刷电机的电刷换向的所述髋关节编码器；所述髋关节驱动器通过运行的电机控制算法，输出三相电压控制所述髋关节电机运行。
进一步地，当所述髋关节电机需要转动预设角度时，所述控制组件1发送脉冲信号至所述髋关节驱动器，所述髋关节驱动器驱动所述髋关节电机转动所述预设角度。当所述髋关节电机转动所述预设角度时，所述控制组件1发送检测信号至所述髋关节编码器，所述髋关节编码器通过检测所述髋关节驱动器得到所述髋关节电机的转动的实际角度。当所述髋关节电机的转速不处于预设转速范围的情况下，所述控制组件1发送调节信号至所述髋关节减速器，降低所述髋关节电机的当前的转速。
本申请实施例中，所述大腿组件4通过所述髋关节驱动部3可拆卸连接于所述腰部组件2的侧边，其中，所述大腿组件4跟随所述髋关节驱动部3的转动进行活动。
本申请实施例中，所述大腿组件4包括大腿绑腿板、可调节大腿连接件和大腿固定带；所述可调节大腿连接件一端连接所述髋关节驱动部3，另一端连接所述膝关节驱动部5；所述可调节大腿连接件中部远离所述髋关节驱动部3的一侧连接所述大腿绑腿板；所述大腿绑腿板上设有用于将所述可调节大腿连接件固定在所述患者大腿位置的所述大腿固定带。
进一步地，所述大腿固定带之间通过卡扣连接，且所述大腿固定带的长度可根据患者进行调节。所述大腿固定带安装在大腿组件4的绑腿板上，处于所述患者的大腿的中间部位，用于将大腿连接件固定在所述患者的大腿位置。
本申请实施例中，所述膝关节驱动部5包括膝关节电机、用于控制所述膝关节电机转动角度的膝关节驱动器、用于降低所述膝关节电机转速的膝关节减速器、膝关节编码器；所述膝关节电机分别与所述膝关节减速器和所述膝关节驱动器连接，所述膝关节驱动器连接所述膝关节编码器。
进一步地，所述膝关节减速器降低所述膝关节电机转速通过增加转矩达到减速所述膝关节电机的目的。所述膝关节驱动器集成了用于检测所述膝关节电机转动角度以及用于无刷电机的电刷换向的所述膝关节编码器；所述膝关节驱动器通过运行的电机控制算法，输出三相电压控制所述膝关节电机运行。
进一步地，当所述膝关节电机需要转动预设角度时，所述控制组件1发送脉冲信号至所述膝关节驱动器，所述膝关节驱动器驱动所述膝关节电机转动所述预设角度。当所述膝关节电机转动所述预设角度时，所述控制组件1发送检测信号至所述膝关节编码器，所述膝关节编码器通过检测所述膝关节驱动器得到所述膝关节电机的转动的实际角度。当所述膝关节电机的转速不处于预设转速范围的情况下，所述控制组件1发送调节信号至所述膝关节减速器，降低所述膝关节电机的当前的转速。
本申请实施例中，所述小腿组件6通过所述膝关节驱动部5与所述大腿组件4活动连接，其中，所述小腿组件6跟随所述膝关节驱动部5的转动进行活动；所述小腿组件6包括小腿绑腿板、可调节小腿连接件和小腿固定带。
进一步地，所述小腿固定带之间通过卡扣连接，且所述小腿固定带的长度可根据患者进行调节。所述小腿固定带安装在小腿组件6的绑腿板上，处于患者的小腿的中间部位，用于将小腿连接件固定在所述患者的小腿位置。
本申请实施例中，所述可调节小腿连接件一端连接所述膝关节驱动部5，另一端连接所述踝关节驱动部7；所述小腿连接件中部远离所述膝关节驱动部5的一侧连接所述小腿绑腿板；所述小腿绑腿板上设有用于将所述可调节小腿连接件固定在所述患者小腿位置的所述小腿固定带。
本申请实施例中，所述踝关节驱动部7包括踝关节电机、用于控制所述踝关节电机转动角度的踝关节驱动器、用于降低所述踝关节电机转速的踝关节减速器、用于检测所述踝关节电机转动角度的踝关节编码器；所述踝关节电机分别与所述踝关节减速器和所述踝关节驱动器连接，所述踝关节驱动器连接所述踝关节编码器。
进一步地，所述踝关节减速器降低所述踝关节电机转速通过增加转矩达到减速所述踝关节电机的目的。所述踝关节驱动器集成了用于检测所述踝关节电机转动角度以及用于无刷电机的电刷换向的所述踝关节编码器；所述踝关节驱动器通过运行的电机控制算法，输出三相电压控制所述踝关节电机运行。
进一步地，当所述踝关节电机需要转动预设角度时，所述控制组件1发送脉冲信号至所述踝关节驱动器，所述踝关节驱动器驱动所述踝关节电机转动所述预设角度。当所述踝关节电机转动所述预设角度时，所述控制组件1发送检测信号至所述踝关节编码器，所述踝关节编码器通过检测所述踝关节驱动器得到所述踝关节电机的转动的实际角度。当所述踝关节电机的转速不处于预设转速范围的情况下，所述控制组件1发送调节信号至所述踝关节减速器，降低所述踝关节电机的当前的转速。
本申请实施例中，所述脚底组件8通过所述踝关节驱动部7与所述小腿组件6活动连接，其中，所述脚底组件8跟随所述踝关节驱动部7的转动进行活动。
本申请实施例中，所述脚底组件8包括踝关节连接部81、脚底信号采集模块82、脚底板83和脚底固定带；所述踝关节连接部81一端连接所述踝关节驱动部7，所述踝关节连接部81另一端通过所述脚底信号采集模块82与所述脚底板83连接，所述脚底板83上设有用于将所述脚底板83固定在所述患者脚底位置的所述脚底固定带。
进一步地，所述脚底固定带之间通过卡扣连接，且所述脚底固定带的长度可根据患者进行调节。所述脚底固定带安装于所述脚底组件8的所述脚底板83上，设有前后两条，用于将所述脚底板83固定在所述患者的脚部。
在一具体实施例中，外骨骼机器人由左腿外骨骼和右腿外骨骼组成，左腿外骨骼由左腿驱动组件组成；左腿驱动组件包括依次连接的左腿髋关节驱动部3、左侧大腿组件4、左腿膝关节驱动部5、左侧小腿组件6、左腿踝关节驱动部7、左侧脚底组件8组成；右腿驱动组件包括依次连接的右腿髋关节驱动部3、右侧大腿组件4、右腿膝关节驱动部5、右侧小腿组件6、右腿踝关节驱动部7、右侧脚底组件8组成。
所述左腿外骨骼和所述右腿外骨骼中任意一侧均可以单独拆卸，形成单腿外骨骼。单腿外骨骼可用于脑卒中后单侧偏瘫的下肢康复训练，只保留患侧的外骨骼，拆掉健侧的外骨骼。单腿外骨骼穿戴简单方便，在使用过程中重量减轻，并且更加舒适。
在一具体实施例中，外骨骼机器人由控制组件1、腰部组件2、驱动组件构成。在所述驱动组件中有六个主动自由度，分别是左右两侧的髋关节、膝关节、踝关节的矢状面运动自由度，涉及到的组件有：驱动组件中的髋关节驱动部3、膝关节驱动部5以及踝关节驱动部7；两个被动自由度，分别是两侧踝关节的内外翻转自由度，涉及到的组件有两侧脚底组件8中的脚底板83。
在本申请的实施例中，通过控制组件1、用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件2以及用于驱动所述患者下肢的驱动组件；所述控制组件1固定于所述腰部组件2上；所述腰部组件2的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件1电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部3、膝关节驱动部5和踝关节驱动部7；当所述患者穿戴所述外骨骼机器人时，所述控制组件1通过所述腰部组件2固定于所述患者的后背；所述腰部组件2设置在对应于所述患者腰部的位置；所述驱动组件穿套固定于所述患者的下肢；当所述患者进行康复训练时，通过设置在对应于所述患者髋关节位置的所述髋关节驱动部3、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5以及设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部5分别进行独立的关节活动的驱动辅助，辅助所述患者进行下肢康复训练。通过患者的运动状态、输入的目标运动即患者自身的运动意图调整驱动器的转动角度、驱动器的转动速度、步态轨迹曲线等，从而实现主动式康复训练；机器人采用了轻量化的设计，使得质量更轻，输出力矩更大；并且可根据患者情况，灵活选择使用双侧外骨骼还是单侧外骨骼，从而更加轻便，穿戴也更加简单方便。有针对性的对患侧进行康复训练，而不用影响到患者健侧下肢的运动，单侧的外骨骼减轻了患者负担，也使患者穿戴更加方便舒适。
下面，将对本示例性实施例中一种下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法作进一步的说明。
参照图1，示出了本发明的一种下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法实施例的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：
步骤S100，获取所述患者当前的运动状态和所述患者通过交互输入的目标运动状态。
步骤S200，依据预设运动数据、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述外骨骼机器人的工作状态，其中，所述预设运动数据包括基准身体姿态、行走速度、助力等级和患侧；所述工作状态包括所述髋关节驱动部3、所述膝关节驱动部5和所述踝关节驱动部7对应的电机的转动角度和转动速度。
如上述步骤S100所述，获取所述患者当前的运动状态和所述患者通过交互输入的目标运动状态。
进一步地，所述患者当前的运动状态为患者自身实时的运动状态，所述外骨骼机器人可根据患者自身实时的运动状态进行调整，自适应调整所述髋关节驱动部3、膝关节驱动部5以及踝关节驱动部7的控制刚度、步态运动速度、步态轨迹曲线等，从而实现主动式康复训练，实现了智能训练模式。
进一步地，所述患者通过交互输入的目标运动状态包括平衡训练、单步行走、连续行走、智能行走、单步踏步、连续踏步、摆腿训练。
在本申请的实施例中，依据所述患者当前的身体姿态校准所述外骨骼机器人的基准身体姿态。
进一步地，在所述患者穿戴所述机器人时，调整机器人的系统设置，其中，所述系统设置包括用于系统维护的软件版本、用于出厂时校准各关节零点位置的零点校准。
在本申请的实施例中，当所述患者穿戴外骨骼机器人进行康复训练时，确定所述机器人的当前肢体状态；其中，所述当前肢体状态包括站姿或坐姿；依据所述当前肢体状态将所述外骨骼机器人的肢体状态调整为站姿。
如上述步骤S200所述，依据所述基准身体姿态、所述患侧、所述当前的运动状态和所述目标运动状态分别确定所述髋关节驱动部3、所述膝关节驱动部5和所述踝关节驱动部7对应的电机的转动角度；
依据所述行走速度、所述助力等级、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述髋关节驱动部3、所述膝关节驱动部5和所述踝关节驱动部7对应的电机的转动速度。
在一具体实施例中，外骨骼机器人的整机控制方案具体如下，开机之后显示开机界面，自动跳转到交互输入界面，交互输入界面有开始使用选项，开始使用选项即当所述患者穿戴外骨骼机器人进行康复训练时，确定所述外骨骼机器人的当前肢体状态；其中，所述当前肢体状态包括站姿或坐姿；依据所述当前肢体状态将所述外骨骼机器人的肢体状态调整为站姿。
交互输入界面还设有系统设置选项，在系统设置选项中有三个设置项，软件版本、零点校准和惯性测量校准，其中软件版本用于读取当前机器人内部固件版本号，用于系统维护；零点校准用于出厂时校准各关节零点位置；惯性测量校准用于校准人体穿戴上外骨骼机器人之后的身体姿态，即依据所述患者当前的身体姿态校准所述外骨骼机器人的基准身体姿态。
当患者选择开始使用选项后，交互输入界面显示当前机器人是处于站姿或坐姿，若为是坐姿，先将所述机器人调整为站姿再进行后续训练。当外骨骼机器人正常站立之后，就可以进入模式设置选项，可以选择多种模式进行训练即目标运动状态，其中，所述目标运动状态包括平衡训练、单步行走、连续行走、智能行走、单步踏步、连续踏步、摆腿训练；在模式设置中，可以设置各种模式的参数即预设运动数据：行走速度、助力等级和患侧。
患者选择设置好输入的目标运动状态后，所述机器人开始训练，训练过程中随时可以暂停训练，也可以继续训练。若训练完成后，可以在选择停止训练后，使所述外骨骼机器人恢复坐姿，从而完成整个使用过程。
需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种下肢康复训练外骨骼机器人及其控制方法，进行了详细介绍，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 (10)

1.一种下肢康复训练外骨骼机器人，应用于肢体功能障碍患者的康复训练，其特征在于，包括控制组件、用于辅助支撑所述患者腰部的腰部组件以及用于驱动所述患者下肢的驱动组件；
所述控制组件固定于所述腰部组件上；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有一组所述驱动组件，且所述驱动组件与所述控制组件电性连接；所述驱动组件分别设有能够独立转动角度且对应于所述患者下肢关节的髋关节驱动部、膝关节驱动部和踝关节驱动部；
当所述患者穿戴所述外骨骼机器人时，所述控制组件通过所述腰部组件固定于所述患者的后背；所述腰部组件设置在对应于所述患者腰部的位置；所述驱动组件穿套固定于所述患者的下肢；
当所述患者进行康复训练时，通过设置在对应于所述患者髋关节位置的所述髋关节驱动部、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部以及设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部分别进行独立的关节活动的驱动辅助，辅助所述患者进行下肢康复训练。
2.根据权利要求1所述的下肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于，所述髋关节驱动部包括髋关节电机、用于控制所述髋关节电机转动角度的髋关节驱动器、用于降低所述髋关节电机转速的髋关节减速器、用于检测所述髋关节电机转动角度的髋关节编码器；所述髋关节电机分别与所述髋关节减速器和所述髋关节驱动器连接，所述髋关节驱动器连接所述髋关节编码器；
和/或；
所述膝关节驱动部包括膝关节电机、用于控制所述膝关节电机转动角度的膝关节驱动器、用于降低所述膝关节电机转速的膝关节减速器、膝关节编码器；所述膝关节电机分别与所述膝关节减速器和所述膝关节驱动器连接，所述膝关节驱动器连接所述膝关节编码器；
和/或；
所述踝关节驱动部包括踝关节电机、用于控制所述踝关节电机转动角度的踝关节驱动器、用于降低所述踝关节电机转速的踝关节减速器、用于检测所述踝关节电机转动角度的踝关节编码器；所述踝关节电机分别与所述踝关节减速器和所述踝关节驱动器连接，所述踝关节驱动器连接所述踝关节编码器。
3.根据权利要求1所述的下肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于，所述驱动组件包括大腿组件、小腿组件和脚底组件；
所述大腿组件通过所述髋关节驱动部可拆卸连接于所述腰部组件的侧边，其中，所述大腿组件跟随所述髋关节驱动部的转动进行活动；
所述小腿组件通过所述膝关节驱动部与所述大腿组件活动连接，其中，所述小腿组件跟随所述膝关节驱动部的转动进行活动；
所述脚底组件通过所述踝关节驱动部与所述小腿组件活动连接，其中，所述脚底组件跟随所述踝关节驱动部的转动进行活动。
4.根据权利要求3所述的下肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于，所述大腿组件包括大腿绑腿板、可调节大腿连接件和大腿固定带；
所述可调节大腿连接件一端连接所述髋关节驱动部，另一端连接所述膝关节驱动部；所述可调节大腿连接件中部远离所述髋关节驱动部的一侧连接所述大腿绑腿板；
所述大腿绑腿板上设有用于将所述可调节大腿连接件固定在所述患者大腿位置的所述大腿固定带。
5.根据权利要求3所述的下肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于，所述小腿组件包括小腿绑腿板、可调节小腿连接件和小腿固定带；
所述可调节小腿连接件一端连接所述膝关节驱动部，另一端连接所述踝关节驱动部；所述小腿连接件中部远离所述膝关节驱动部的一侧连接所述小腿绑腿板；
所述小腿绑腿板上设有用于将所述可调节小腿连接件固定在所述患者小腿位置的所述小腿固定带。
6.根据权利要求3所述的下肢康复训练外骨骼机器人，其特征在于，所述脚底组件包括踝关节连接部、脚底信号采集模块、脚底板和脚底固定带；
所述踝关节连接部一端连接所述踝关节驱动部，所述踝关节连接部另一端通过所述脚底信号采集模块与所述脚底板连接，所述脚底板上设有用于将所述脚底板固定在所述患者脚底位置的所述脚底固定带。
7.一种如权利要1-6所述下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括：
获取所述患者当前的运动状态和所述患者通过交互输入的目标运动状态；
依据预设运动数据、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述外骨骼机器人的工作状态，其中，所述预设运动数据包括基准身体姿态、行走速度、助力等级和患侧；所述工作状态包括所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部和所述踝关节驱动部对应的电机的转动角度和转动速度。
8.根据权利要求7所述的下肢康复训练外骨骼机器人的康复训练方法，其特征在于，还包括：
依据所述患者当前的身体姿态校准所述外骨骼机器人的基准身体姿态。
9.根据权利要求7所述的下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，还包括：
当所述患者穿戴外骨骼机器人进行康复训练时，确定所述外骨骼机器人的当前肢体状态；其中，所述当前肢体状态包括站姿或坐姿；
依据所述当前肢体状态将所述外骨骼机器人的肢体状态调整为站姿。
10.根据权利要求7所述的下肢康复训练外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，依据预设运动数据、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述外骨骼机器人的工作状态的步骤，包括：
依据所述基准身体姿态、所述患侧、所述当前的运动状态和所述目标运动状态分别确定所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部和所述踝关节驱动部对应的电机的转动角度；
依据所述行走速度、所述助力等级、所述当前的运动状态和所述目标运动状态确定所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部和所述踝关节驱动部对应的电机的转动速度。
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