CN113101140B - 基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法及系统 - Google Patents

基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法及系统。外骨骼康复系统包括两大部分：下肢外骨骼物理实体和下肢外骨骼数字孪生体。外骨骼实体采用刚性支撑与柔性驱动有机结合的方式固定在穿戴者的身上，包括与下肢连接的各种绑带以及各个关节传动结构、重力支撑机构、数据采集模块和控制执行模块。外骨骼每条腿上有2个自由度，分别为髋关节和膝关节，关节利用串联弹性驱动器(SEA)实现柔性驱动。下肢外骨骼数字孪生体能够完整的反应外骨骼实体的几何特征和物理特征。本发明能够很好的应用于下肢医疗康复方面，助力偏瘫患者行走训练并检测患者的康复状况，具有极大的实用价值。

Description

基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法及系统
技术领域
本发明涉及人机交互医疗技术领域，具体地，涉及一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法及系统。
背景技术
数字孪生技术是近几年来最热门的数字化技术和应用领域之一，所谓数字孪生就是物理对象的一个数字化模型，这个模型可以实时接收来自物理对象的数据，从而可以不断演化以保持与物理对象的一致。数字孪生的基本特征是虚实映射，通过对物理实体构建数字孪生模型，实现物理模型和数字孪生模型的双向映射。构建数字孪生模型不是目的，而是手段，需要通过对数字孪生模型的分析与优化，来改善其对应的物理实体的性能和运行绩效。数字孪生是一项综合性的新技术，可以应用于各行各业，而在本发明中数字孪生起到的作用则是下肢外骨骼的设备维护和穿戴外骨骼人员的身体状况检测。
康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，主要用于功能障碍者日常生活的辅助和康复治疗。广义上的康复机器人包括功能辅助、康复治疗与复合功能三大类，而功能辅助机器人又可以分为功能增强机器人与功能代偿机器人两个次类，康复治疗机器人也可以分为康复理疗机器人与康复训练机器人两个次类。本发明中研发的机器人则是康复治疗机器人中的康复训练机器人。本发明中康复训练机器人是面向下肢偏瘫患者的柔性下肢外骨骼机器人，主要进行下肢的康复训练。
对于下肢外骨骼机器人，其按照机械结构可以分为柔性下肢外骨骼和刚性下肢外骨骼。刚性外骨骼主要采用金属或其他硬质材料设计可穿戴结构，通过机械化的构造给穿戴者提供合适的助力，来放大穿戴者输入的力。但是，考虑外骨骼的舒适性，柔顺性和安全性，柔性外骨骼可以采用更加柔软轻便的材料设计可穿戴助力外骨骼，克服刚性外骨骼笨重、死板和穿戴不够舒适的缺点。因此柔性外骨骼在医疗康复领域比刚性外骨骼有更大的发展空间。
专利文献CN112223263A公开了一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，包括柔性外骨骼系统，柔性外骨骼系统实时获取人体姿态信息和人-地交互力信息；根据人体运动模式，柔性外骨骼系统包括完全助力控制、弱助力控制、力反馈控制和不助力控制；根据人体姿态信息、人—地交互力信息选择柔性外骨骼系统的控制方式；该专利在流程构造和技术性能上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法及系统。
根据本发明提供的一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法，包括：
步骤S1：建立下肢外骨骼进行几何模型，获取外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息，如尺寸、颜色、形状等，同时也要能够反映外骨骼机械结构的材质属性，在视觉上复现外骨骼结构；
步骤S2：根据外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息，从运动学的角度构建外骨骼各部件的运动关系，即将多个主要连接结构基于物理结构的约束条件有机的联系在一起，建立三维能够视化物理模型，获取三维能够视化物理模型建立结果信息；
步骤S3：根据三维能够视化物理模型建立结果信息，建立映射实际外骨骼工作运行的动态逻辑模型，将数控单元投影至信息空间，构建虚拟数控单元，获取虚拟数控单元构建结果信息。
步骤S4：根据虚拟数控单元构建结果信息，依据数据采集模块收集到的多维数据，对下肢外骨骼物理实体传感器数据和状态数据进行采集、处理、融合，建立外骨骼实时和历史数据模型，实现物理实体与虚拟孪生体的数据交换；
步骤S5：将几何模型、物理模型、逻辑模型和数据模型进行演进优化和数据集成，构成数字孪生体子集，形成能够交互的数字孪生体，获取基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建结果信息。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：搭建图形渲染场景。采用OSG开源三维引擎在Windows平台进行光照管理、相机管理、模型管理等场景环境设置，为整体几何模型的搭建奠定场景基础，以实现在物理实体的三维模型绘制后整体的视觉效果逼真；
步骤S1.2：绘制外骨骼三维模型，一方面为了提高计算机图形处理和仿真的效率，在建模时需要对三维模型进行轻量化处理，保留关键部件，简化与仿真无关的部件，另一方面为全面描述外骨骼实体的属性参数，输入下肢外骨骼物理实体的外观属性参数，包括形状、尺寸、颜色等。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：设定坐标系，由多种坐标系综合变换产生虚拟下肢外骨骼的运动。
坐标系包括以下任意一种或者多种坐标系：
-绝对坐标系；
-重力支撑结构坐标系；
-下肢关节坐标系；
-部件坐标系。
所述坐标系主要包括：绝对坐标系、重力支撑结构坐标系、下肢关节坐标系以及各部件坐标系，其中绝对坐标系为单元虚拟场景的默认坐标系，下肢关节坐标系和部件坐标系在几何建模时设置；
优选地，步骤S3.2：建立虚实交互机制，数控面板可以供医护人员与外骨骼单元进行交互，构造虚拟的数控面板界面，保证医护人员针对穿戴者的运动和康复状况控制外骨骼单元的运动模式；
步骤S3.3：进行数控代码解析，为了使虚拟外骨骼能够准确模拟外骨骼实体的运行过程，需要依照物理实体的数控代码集建立用于驱动虚拟外骨骼模型的数控代码规则，包括代码格式、字符含义、对应功能、变量类型等，进而驱动虚拟外骨骼模拟运行。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：数据模型，选取PMAC(可编程多轴控制器)作为开放式数控单元，大量数据可直接通过数控单元采集并暂时存储在寄存器中，接着利用PAMC自带的PcommServer通信程序库建立与上位机PC的连接，读取变量值即可传递数据至虚拟模型。
存储的数据还包括对历史数据的调用数据、用户行为数据、设施设备运行数据、环境数据等实时数据，数据的处理包括存储、融合、结构化处理、迁移、调度等。
根据本发明提供的一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建系统，包括：
模块M1：建立下肢外骨骼进行几何模型，获取外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息，如尺寸、颜色、形状等，同时也要能够反映外骨骼机械结构的材质属性，在视觉上复现外骨骼结构；
模块M2：根据外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息，从运动学的角度构建外骨骼各部件的运动关系，即将多个主要连接结构基于物理结构的约束条件有机的联系在一起，建立三维能够视化物理模型，获取三维能够视化物理模型建立结果信息；
模块M3：根据三维能够视化物理模型建立结果信息，建立映射实际外骨骼工作运行的动态逻辑模型，将数控单元投影至信息空间，构建虚拟数控单元，获取虚拟数控单元构建结果信息。
模块M4：根据虚拟数控单元构建结果信息，依据数据采集模块收集到的多维数据，对下肢外骨骼物理实体传感器数据和状态数据进行采集、处理、融合，建立外骨骼实时和历史数据模型，实现物理实体与虚拟孪生体的数据交换；
模块M5：将几何模型、物理模型、逻辑模型和数据模型进行演进优化和数据集成，构成数字孪生体子集，形成能够交互的数字孪生体，获取基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建结果信息。
优选地，所述模块M1包括：
模块M1.1：搭建图形渲染场景。采用OSG开源三维引擎在Windows平台进行光照管理、相机管理、模型管理等场景环境设置，为整体几何模型的搭建奠定场景基础，以实现在物理实体的三维模型绘制后整体的视觉效果逼真；
模块M1.2：绘制外骨骼三维模型，一方面为了提高计算机图形处理和仿真的效率，在建模时需要对三维模型进行轻量化处理，保留关键部件，简化与仿真无关的部件，另一方面为全面描述外骨骼实体的属性参数，输入下肢外骨骼物理实体的外观属性参数，包括形状、尺寸、颜色等。
优选地，所述模块M3包括：
模块M3.1：设定坐标系，由多种坐标系综合变换产生虚拟下肢外骨骼的运动。
坐标系包括以下任意一种或者多种坐标系：
-绝对坐标系；
-重力支撑结构坐标系；
-下肢关节坐标系；
-部件坐标系。
所述坐标系主要包括：绝对坐标系、重力支撑结构坐标系、下肢关节坐标系以及各部件坐标系，其中绝对坐标系为单元虚拟场景的默认坐标系，下肢关节坐标系和部件坐标系在几何建模时设置；
优选地，所述模块M3还包括：模块M3.2：建立虚实交互机制，数控面板可以供医护人员与外骨骼单元进行交互，构造虚拟的数控面板界面，保证医护人员针对穿戴者的运动和康复状况控制外骨骼单元的运动模式；
模块M3.3：进行数控代码解析，为了使虚拟外骨骼能够准确模拟外骨骼实体的运行过程，需要依照物理实体的数控代码集建立用于驱动虚拟外骨骼模型的数控代码规则，包括代码格式、字符含义、对应功能、变量类型等，进而驱动虚拟外骨骼模拟运行。
优选地，所述模块M4包括：
模块M4.1：数据模型，选取PMAC(可编程多轴控制器)作为开放式数控单元，大量数据可直接通过数控单元采集并暂时存储在寄存器中，接着利用PAMC自带的PcommServer通信程序库建立与上位机PC的连接，读取变量值即可传递数据至虚拟模型。
存储的数据还包括对历史数据的调用数据、用户行为数据、设施设备运行数据、环境数据等实时数据，数据的处理包括存储、融合、结构化处理、迁移、调度等。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用柔性外骨骼，穿戴者穿戴轻便舒适，同时系统成本、重量、耗电较低，适合偏瘫患者用来康复训练；
2、本发明在可穿戴外骨骼外，提供重力支撑结构，通过减重悬吊机构适当减轻下肢负重，为穿戴者保持平衡；
3、本发明在下肢连杆做了长度调节设计，可以根据穿戴者的身高伸长或者缩短，避免成年患者由于身高问题而穿戴不舒适；
4、本发明实现柔性下肢外骨骼物理实体与其数字孪生体交互融合及相互映射，能通过虚实交互系统对外骨骼进行可视化实时模拟、优化分析、监督报警等，同时通过力传感器和扭矩传感器反馈的信息判断患者的恢复情况，以针对患者的实际情况调整外骨骼的控制策略；
5、本发明通过可视化的下肢外骨骼数字模型，实时反映外骨骼的运行情况，发生故障时方便观察故障部件的位置和原因。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复系统的示意图。
图2为本发明提供的柔性下肢外骨骼物理实体的简要构成示意图。
图3为本发明提供的柔性关节串联弹性驱动器(SEA)结构示意图。
图4为本发明提供的基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复系统的结构框图。
图5为本发明提供的柔性下肢外骨骼数字孪生体的构建过程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复系统，包括：
下肢外骨骼物理实体：外骨骼实体采用刚性支撑与柔性驱动有机结合的方式固定在穿戴者的身上，包括与下肢连接的各种绑带以及各个关节传动结构、重力支撑机构、数据采集模块和控制执行模块；所述绑带要求将关节传动结构与人体下肢固定紧实不易脱落，且人体穿戴舒适；所述关节传动结构包括髋关节、膝关节以及关节间连杆，若干连杆以及相关传动结构建立髋关节和膝关节之间的连接和传动关系，关节电机带动连杆范围内偏移角度以辅助穿戴者下肢进行相应的屈/伸动作；所述重力支撑结构通过减重悬吊机构适当减轻下肢负重，为穿戴者保持平衡；所述数据采集模块主要通过传感器进行收集得到数据,并对数据进行分析；本发明所涉及的下肢外骨骼的数据采集包括但不限于脚底的压力传感器、髋膝关节的扭矩传感器、重力支撑结构中各个部位的拉力传感器、电机的转速传感器、接触人体下肢的绑带处的血压和体温探测器、检测绑带松紧的力传感器以及设置在外骨骼装置周边的温湿度传感器等；所述控制执行模块主要通过数控系统根据生成的孪生数据完成对下肢外骨骼物理实体和数字孪生体的交互控制，从而对康复系统的各个环节进行实时控制。
下肢外骨骼数字孪生体：数字孪生体能够完整的反应外骨骼实体的几何特征和物理特征，包括表述外骨骼物理实体的几何功能、物理功能、模型输入输出、设备的性能描述等维度，这些特征得益于外骨骼数据采集模块采集到的各种详细数据；其次孪生体的构建包含外骨骼实体的建模规则、环境以及过程。优选地，所述的绑带与人体下肢之间均匀设置压力传感器，将绑带的松紧程度数据化，以便判断人体穿戴外骨骼是否舒适。
优选地，所述的髋/膝关节引入串联弹性驱动器(SEA)以构造SEA柔性关节，其中串联弹性驱动器由弹性元件弹簧与伺服电机、减速器和连杆构成，并以串联的方式，使电机端产生串联弹性驱动关节的输入扭矩，经减速器减速作用传递到弹簧，柔性元件弹簧受到扭矩的作用实现关节输出端连杆的运动，从而使串联弹性驱动器中电机端的驱动扭矩和弹性组件所呈现的弹力相互作用共同实现外骨骼髋/膝关节的柔性驱动。
优选地，由人体下肢生物特征，所述的关节传动结构设计为2自由度串联关节结构，具有髋、膝关节矢状面内屈/伸自由度，其中髋关节活动范围在-40°到+40°之间，膝关节活动范围在-60°到+60°之间，步态运动时下肢髋、膝关节是主动关节，带动大腿和小腿运动，踝关节跟随小腿运动，调整足部的姿态。
优选地，为了适应大部分穿戴者的身高，所述关节传动结构的大腿和小腿连杆上设计了调节滑块，可根据穿戴者的下肢尺寸进行相应的调节。
优选地，为了使偏瘫穿戴者穿戴外骨骼进行康复训练时保持平衡并且减轻外骨骼刚性支撑部分的负重，所述重力支撑结构通过30mm左右宽度的加厚可调尼龙安全带将高于穿戴者的支撑架与外骨骼腰带部分连接，且重力支撑结构与安全带的连接结构可随穿戴者行走而低阻力滑动。
优选地，外骨骼数字孪生体的构建，包括如下步骤：(1)对下肢外骨骼进行几何模型建立，反映外骨骼设备的基础几何信息，如尺寸、颜色、形状等，同时也要能够反映外骨骼机械结构的材质属性，在视觉上复现外骨骼结构；(2)从运动学的角度构建外骨骼各部件的运动关系，即将多个主要连接结构基于物理结构的约束条件有机的联系在一起，建立相应的物理模型；(3)建立映射实际外骨骼工作运行的动态逻辑模型，将数控系统投影至信息空间，构建虚拟数控系统。(4)根据数据采集模块收集到的多维数据，对下肢外骨骼物理实体传感器数据和状态数据进行采集、处理、融合，建立外骨骼实时和历史数据模型，实现物理实体与虚拟孪生体的数据交换；(5)将上述几何模型、物理模型、逻辑模型和数据模型进行演进优化和数据集成，构成数字孪生体子集，形成可交互的数字孪生体。
优选地，几何模型的建立具体做法包括：(1)图形渲染场景搭建：采用OSG开源三维引擎在Windows平台进行光照管理、相机管理、模型管理等场景环境设置，为整体几何模型的搭建奠定场景基础，以实现在物理实体的三维模型绘制后整体的视觉效果逼真；(2)外骨骼三维模型绘制：一方面为了提高计算机图形处理和仿真的效率，在建模时需要对三维模型进行轻量化处理，保留关键部件，简化与仿真无关的部件，另一方面为全面描述外骨骼实体的属性参数，输入下肢外骨骼物理实体的外观属性参数，包括形状、尺寸、颜色等。
优选地，动态逻辑模型的建立包括以下子步骤：(1)坐标系设定，虚拟下肢外骨骼的运动是由多种坐标系综合变换产生的，主要包括：绝对坐标系、重力支撑结构坐标系、下肢关节坐标系以及各部件坐标系，其中绝对坐标系为系统虚拟场景的默认坐标系，下肢关节坐标系和部件坐标系在几何建模时设置；(2)虚实交互机制，数控面板可以供医护人员与外骨骼系统进行交互，设计虚拟的数控面板界面，保证医护人员针对穿戴者的运动和康复状况控制外骨骼系统的运动模式；(3)数控代码解析，为了使虚拟外骨骼能够准确模拟外骨骼实体的运行过程，需要依照物理实体的数控代码集建立用于驱动虚拟外骨骼模型的数控代码规则，包括代码格式、字符含义、对应功能、变量类型等，进而驱动虚拟外骨骼模拟运行。
优选地，数据模型由于选取PMAC(可编程多轴控制器)作为开放式数控系统，大量数据可直接通过数控系统采集并暂时存储在寄存器中，接着利用PAMC自带的PcommServer通信程序库建立与上位机PC的连接，读取变量值即可传递数据至虚拟模型；
优选地，存储的数据还包括对历史数据的调用数据、用户行为数据、设施设备运行数据、环境数据等实时数据，数据的处理包括存储、融合、结构化处理、迁移、调度等。
具体地，在一个实施例中，一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复系统，包括：
下肢外骨骼物理实体：外骨骼实体采用刚性支撑与柔性驱动有机结合的方式固定在穿戴者的身上，包括与下肢连接的各种绑带以及各个关节传动结构、重力支撑机构、数据采集模块和控制执行模块；所述绑带要求将关节传动结构与人体下肢固定紧实不易脱落，且人体穿戴舒适；所述关节传动结构包括髋关节、膝关节以及关节间连杆，若干连杆以及相关传动结构建立髋关节和膝关节之间的连接和传动关系，关节电机带动连杆范围内偏移角度以辅助穿戴者下肢进行相应的屈/伸动作；所述重力支撑结构通过减重悬吊机构适当减轻下肢负重，为穿戴者保持平衡；所述数据采集模块主要通过传感器进行收集得到数据,并对数据进行分析；本发明所涉及的下肢外骨骼的数据采集包括但不限于脚底的压力传感器、髋膝关节的扭矩传感器、重力支撑结构中各个部位的拉力传感器、电机的转速传感器、接触人体下肢的绑带处的血压和体温探测器、检测绑带松紧的力传感器以及设置在外骨骼装置周边的温湿度传感器等；所述控制执行模块主要通过数控系统根据生成的孪生数据完成对下肢外骨骼物理实体和数字孪生体的交互控制，从而对康复系统的各个环节进行实时控制。
下肢外骨骼数字孪生体：数字孪生体能够完整的反应外骨骼实体的几何特征和物理特征，包括表述外骨骼物理实体的几何功能、物理功能、模型输入输出、设备的性能描述等维度，这些特征得益于外骨骼数据采集模块采集到的各种详细数据；其次孪生体的构建包含外骨骼实体的建模规则、环境以及过程。
具体地，所述的髋/膝关节引入串联弹性驱动器(SEA)以构造SEA柔性关节，其中串联弹性驱动器由弹性元件弹簧与伺服电机、减速器和连杆构成，并以串联的方式，使电机端产生串联弹性驱动关节的输入扭矩，经减速器减速作用传递到弹簧，柔性元件弹簧受到扭矩的作用实现关节输出端连杆的运动，从而使串联弹性驱动器中电机端的驱动扭矩和弹性组件所呈现的弹力相互作用共同实现外骨骼髋/膝关节的柔性驱动。
具体地，所述的绑带与人体下肢之间均匀设置压力传感器，将绑带的松紧程度数据化，以便判断人体穿戴外骨骼是否舒适。
具体地，由人体下肢生物特征，所述的关节传动结构设计为2自由度串联关节结构，具有髋、膝关节矢状面内屈/伸自由度，其中髋关节活动范围在-40°到+40°之间，膝关节活动范围在-60°到+60°之间，步态运动时下肢髋、膝关节是主动关节，带动大腿和小腿运动，踝关节跟随小腿运动，调整足部的姿态。
具体地，为了适应大部分穿戴者的身高，所述关节传动结构的大腿和小腿连杆上设计了调节滑块，可根据穿戴者的下肢尺寸进行相应的调节。
具体地，为了使偏瘫穿戴者穿戴外骨骼进行康复训练时保持平衡并且减轻外骨骼刚性支撑部分的负重，所述重力支撑结构通过30mm左右宽度的加厚可调尼龙安全带将高于穿戴者的支撑架与外骨骼腰带部分连接，且重力支撑结构与安全带的连接结构可随穿戴者行走而低阻力滑动。
具体地，外骨骼数字孪生体的构建，包括如下步骤：(1)对下肢外骨骼进行几何模型建立，反映外骨骼设备的基础几何信息，如尺寸、颜色、形状等，同时也要能够反映外骨骼机械结构的材质属性，在视觉上复现外骨骼结构；(2)从运动学的角度构建外骨骼各部件的运动关系，即将多个主要连接结构基于物理结构的约束条件有机的联系在一起，建立相应的物理模型；(3)建立映射实际外骨骼工作运行的动态逻辑模型，将数控系统投影至信息空间，构建虚拟数控系统。(4)根据数据采集模块收集到的多维数据，对下肢外骨骼物理实体传感器数据和状态数据进行采集、处理、融合，建立外骨骼实时和历史数据模型，实现物理实体与虚拟孪生体的数据交换；(5)将上述几何模型、物理模型、逻辑模型和数据模型进行演进优化和数据集成，构成数字孪生体子集，形成可交互的数字孪生体。
具体地，几何模型的建立具体做法包括：(1)图形渲染场景搭建：采用OSG开源三维引擎在Windows平台进行光照管理、相机管理、模型管理等场景环境设置，为整体几何模型的搭建奠定场景基础，以实现在物理实体的三维模型绘制后整体的视觉效果逼真；(2)外骨骼三维模型绘制：一方面为了提高计算机图形处理和仿真的效率，在建模时需要对三维模型进行轻量化处理，保留关键部件，简化与仿真无关的部件，另一方面为全面描述外骨骼实体的属性参数，输入下肢外骨骼物理实体的外观属性参数，包括形状、尺寸、颜色等。
具体地，动态逻辑模型的建立包括以下子步骤：(1)坐标系设定，虚拟下肢外骨骼的运动是由多种坐标系综合变换产生的，主要包括：绝对坐标系、重力支撑结构坐标系、下肢关节坐标系以及各部件坐标系，其中绝对坐标系为系统虚拟场景的默认坐标系，下肢关节坐标系和部件坐标系在几何建模时设置；(2)虚实交互机制，数控面板可以供医护人员与外骨骼系统进行交互，设计虚拟的数控面板界面，保证医护人员针对穿戴者的运动和康复状况控制外骨骼系统的运动模式；(3)数控代码解析，为了使虚拟外骨骼能够准确模拟外骨骼实体的运行过程，需要依照物理实体的数控代码集建立用于驱动虚拟外骨骼模型的数控代码规则，包括代码格式、字符含义、对应功能、变量类型等，进而驱动虚拟外骨骼模拟运行。
具体地，数据模型由于选取PMAC(可编程多轴控制器)作为开放式数控系统，大量数据可直接通过数控系统采集并暂时存储在寄存器中，接着利用PAMC自带的PcommServer通信程序库建立与上位机PC的连接，读取变量值即可传递数据至虚拟模型；
具体地，存储的数据还包括对历史数据的调用数据、用户行为数据、设施设备运行数据、环境数据等实时数据，数据的处理包括存储、融合、结构化处理、迁移、调度等。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立下肢外骨骼进行几何模型，获取外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息；
步骤S2：根据外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息，从运动学的角度构建外骨骼各部件的运动关系，即将多个主要连接结构基于物理结构的约束条件有机的联系在一起，建立三维能够视化物理模型，获取三维能够视化物理模型建立结果信息；
步骤S3：根据三维能够视化物理模型建立结果信息，建立映射实际外骨骼工作运行的动态逻辑模型，将数控单元投影至信息空间，构建虚拟数控单元，获取虚拟数控单元构建结果信息；
步骤S4：根据虚拟数控单元构建结果信息，依据数据采集模块收集到的多维数据，对下肢外骨骼物理实体传感器数据和状态数据进行采集、处理、融合，建立外骨骼实时和历史数据模型，实现物理实体与虚拟孪生体的数据交换；
步骤S5：将几何模型、物理模型、逻辑模型和数据模型进行演进优化和数据集成，构成数字孪生体子集，形成能够交互的数字孪生体，获取基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建结果信息；
所述步骤S1包括：
步骤S1.1：搭建图形渲染场景，采用OSG开源三维引擎在Windows平台进行光照管理、相机管理、模型管理场景环境设置，为整体几何模型的搭建奠定场景基础；
步骤S1.2：绘制外骨骼三维模型；
所述步骤S3包括：
步骤S3.1：设定坐标系，由多种坐标系综合变换产生虚拟下肢外骨骼的运动；
坐标系包括以下任意一种或者多种坐标系：
-绝对坐标系；
-重力支撑结构坐标系；
-下肢关节坐标系；
-部件坐标系；
所述下肢外骨骼物理实体：外骨骼实体采用刚性支撑与柔性驱动有机结合的方式固定在穿戴者的身上，包括与下肢连接的绑带以及各个关节传动结构、重力支撑机构、数据采集模块和控制执行模块；所述绑带要求将关节传动结构与人体下肢固定紧实不易脱落，且人体穿戴舒适；所述关节传动结构包括髋关节、膝关节以及关节间连杆，若干连杆以及相关传动结构建立髋关节和膝关节之间的连接和传动关系，关节电机带动连杆范围内偏移角度以辅助穿戴者下肢进行相应的屈/伸动作；所述重力支撑结构通过减重悬吊机构减轻下肢负重，为穿戴者保持平衡；所述数据采集模块通过传感器进行收集得到数据,并对数据进行分析；下肢外骨骼的数据采集包括脚底的压力传感器、髋膝关节的扭矩传感器、重力支撑结构中各个部位的拉力传感器、电机的转速传感器、接触人体下肢的绑带处的血压和体温探测器、检测绑带松紧的力传感器以及设置在外骨骼装置周边的温湿度传感器；所述控制执行模块通过数控系统根据生成的孪生数据完成对下肢外骨骼物理实体和数字孪生体的交互控制；
所述的髋/膝关节引入串联弹性驱动器（SEA）以构造SEA柔性关节，其中串联弹性驱动器由弹性元件弹簧与伺服电机、减速器和连杆构成，并以串联的方式，使电机端产生串联弹性驱动关节的输入扭矩，经减速器减速作用传递到弹簧，柔性元件弹簧受到扭矩的作用实现关节输出端连杆的运动，从而使串联弹性驱动器中电机端的驱动扭矩和弹性组件所呈现的弹力相互作用共同实现外骨骼髋/膝关节的柔性驱动。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
步骤S3.2：建立虚实交互机制，构造虚拟的数控面板界面；
步骤S3.3：进行数控代码解析。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：选取PMAC作为开放式数控单元。
4.一种基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建系统，其特征在于，包括：
模块M1：建立下肢外骨骼进行几何模型，获取外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息；
模块M2：根据外骨骼设备的基础几何信息、下肢外骨骼进行几何模型建立结果信息，从运动学的角度构建外骨骼各部件的运动关系，即将多个主要连接结构基于物理结构的约束条件有机的联系在一起，建立三维能够视化物理模型，获取三维能够视化物理模型建立结果信息；
模块M3：根据三维能够视化物理模型建立结果信息，建立映射实际外骨骼工作运行的动态逻辑模型，将数控单元投影至信息空间，构建虚拟数控单元，获取虚拟数控单元构建结果信息；
模块M4：根据虚拟数控单元构建结果信息，依据数据采集模块收集到的多维数据，对下肢外骨骼物理实体传感器数据和状态数据进行采集、处理、融合，建立外骨骼实时和历史数据模型，实现物理实体与虚拟孪生体的数据交换；
模块M5：将几何模型、物理模型、逻辑模型和数据模型进行演进优化和数据集成，构成数字孪生体子集，形成能够交互的数字孪生体，获取基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建结果信息；
其特征在于，所述模块M1包括：
模块M1.1：搭建图形渲染场景；采用OSG开源三维引擎在Windows平台进行光照管理、相机管理、模型管理场景环境设置，为整体几何模型的搭建奠定场景基础；
模块M1.2：绘制外骨骼三维模型；
所述模块M3包括：
模块M3.1：设定坐标系，由多种坐标系综合变换产生虚拟下肢外骨骼的运动；
坐标系包括以下任意一种或者多种坐标系：
-绝对坐标系；
-重力支撑结构坐标系；
-下肢关节坐标系；
-部件坐标系；
所述下肢外骨骼物理实体：外骨骼实体采用刚性支撑与柔性驱动有机结合的方式固定在穿戴者的身上，包括与下肢连接的绑带以及各个关节传动结构、重力支撑机构、数据采集模块和控制执行模块；所述绑带要求将关节传动结构与人体下肢固定紧实不易脱落，且人体穿戴舒适；所述关节传动结构包括髋关节、膝关节以及关节间连杆，若干连杆以及相关传动结构建立髋关节和膝关节之间的连接和传动关系，关节电机带动连杆范围内偏移角度以辅助穿戴者下肢进行相应的屈/伸动作；所述重力支撑结构通过减重悬吊机构减轻下肢负重，为穿戴者保持平衡；所述数据采集模块通过传感器进行收集得到数据,并对数据进行分析；下肢外骨骼的数据采集包括脚底的压力传感器、髋膝关节的扭矩传感器、重力支撑结构中各个部位的拉力传感器、电机的转速传感器、接触人体下肢的绑带处的血压和体温探测器、检测绑带松紧的力传感器以及设置在外骨骼装置周边的温湿度传感器；所述控制执行模块通过数控系统根据生成的孪生数据完成对下肢外骨骼物理实体和数字孪生体的交互控制；
所述的髋/膝关节引入串联弹性驱动器（SEA）以构造SEA柔性关节，其中串联弹性驱动器由弹性元件弹簧与伺服电机、减速器和连杆构成，并以串联的方式，使电机端产生串联弹性驱动关节的输入扭矩，经减速器减速作用传递到弹簧，柔性元件弹簧受到扭矩的作用实现关节输出端连杆的运动，从而使串联弹性驱动器中电机端的驱动扭矩和弹性组件所呈现的弹力相互作用共同实现外骨骼髋/膝关节的柔性驱动。
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建系统，其特征在于，所述模块M3还包括：
模块M3.2：建立虚实交互机制，构造虚拟的数控面板界面；
模块M3.3：进行数控代码解析。
6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的柔性下肢外骨骼康复单元构建系统，其特征在于，所述模块M4包括：
模块M4.1：选取PMAC作为开放式数控单元。
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