CN113230093A - 适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划。它分为四个步骤：首先，将单个步态周期分为起始段、中间段和结束段，并求得三段的分界时间节点；其次，周期步态的中间段采用圆周步态进行规划；然后，计算分界时间节点的角度、角速度、角加速度；最后，使用五次多项式规划起始段和结束段的步态。本发明使用五次多项式对相邻2个周期衔接处即周期运动的起始段和结束段步态进行规划，中间段采用圆周步态规划，使相邻2个周期衔接处的角速度和角加速度平稳过渡，进而降低周期衔接时角加速度突变带来的运动冲击。
Description
技术领域
本发明涉及康复医疗设备领域，具体涉及适用于一种下肢康复机器人被动训练的步态规划。
背景技术
下肢康复机器人通过引导偏瘫患者进行定向功能训练，强化患者的外周深、浅感觉输入刺激，促进患者下肢的恢复，最终恢复步行。康复治疗过程中，合理的步态规划轨迹对患者的康复效果有重要影响。步态规划的目的是在特定的行走周期中实现特定的步态，即规划每个关节的运动轨迹。对于坐、卧式下肢康复机器人，步态规划常采用模型法，即通过建立下肢康复机器人运动学模型，根据腿部末端轨迹，逆运动学求解得到各关节角度。圆周步态模仿正常人骑自行车动作设计，训练时在周期衔接处易产生角加速度突变，使得下肢康复机器人运行时产生冲击，对患者康复训练效果造成不利影响，严重者甚至造成二次伤害。
发明内容
本文针对下肢康复机器人圆周步态在相邻2周期运动衔接处因角加速度冲击而可能导致的患者长时间训练形成关节损伤，提出一种可变类圆周步态规划算法，使用五次多项式对单周期步态的起始和结束进行加减速规划。
为实现上述目标，本方法所采用的技术方案为：
将步态训练的单周期关节运动分为起始段、中间段和结束段三段，中间段运动采用圆周步态规划，起始段和结束段使用五次多项式规划并与中间段运动衔接。具体包括以下步骤：
步骤1：将训练步态单周期的关节运动曲线分为起始段、中间段和结束段三段，起始段和结束段时间区间大小相同且可通过更改参数ratio的值进行调整,参数ratio为可调整的比例系数；
所述步骤1包括：
(1.1)对训练步态单周期的关节运动曲线进行等时插补，插补周期为
(其中i为插补点个数，T为步态训练的最小正周期)。
(1.2)求解起始段和中间段的分界时间节点ts＝(ratio*i-1)*Δt,中间段和结束段的分界时间节点te＝(1-ratio)*i*Δt(ratio的取值范围为0＜ratio≤0.5)。
(1.3)以ts、te时刻为分界时间节点将步态训练周期运动分为三段：起始段的时间段为0～ts，中间段的时间段为ts～te，结束段的时间段为te～T。
步骤2：求解单周期的圆周步态髋关节角度θ1和膝关节角度θ2随时间变化表达式，并将其作为类圆周步态中间段的求解公式。
所述步骤2包括：
(2.1)以患者平躺时右侧视角为基准，患者髋关节O为原点，患者矢状轴为y轴，患者垂直轴为x轴建立坐标系，末端踝关节B的轨迹坐标记为(x,y)；B的坐标(x,y)与关节角度θ1、θ2存在以下几何关系：
(2.2)由式(1)可得髋关节角度θ1和膝关节角度θ2关于末端踝关节B的轨迹(x,y)的逆运动学求解公式：
式(2)中l1为患者的大腿长，l2为患者的大腿长。
(2.3)建立圆周步态末端轨迹圆以时间t为参数的方程：
式(3)中r为末端最大轨迹圆的半径。因患者关节活动度不同，可能的最大轨迹圆半径不同，实际存在两种可能，计算出并得出两算式较小值即为所求：
式(4)中α1为患者髋关节屈伸活动度，α2为患者膝关节屈伸活动度。
(2.4)根据参数方程(2)以及逆运动学求解公式(3)可得类圆周步态中间段髋关节角度随时间变化的表达式θ1(t)以及膝关节角度随时间变化的表达式θ2(t)：
式中
步骤3、计算时间节点ts和te处的角度、角速度、角加速度值；
所述步骤3包括：
(3.1)根据式(5)计算时间节点t＝ts时刻髋关节的角度、角速度、角加速度，记为θ1ts、ω1ts、α1ts；计算时间节点t＝ts时刻膝关节的角度、角速度、角加速度，记为θ2ts、ω2ts、α2ts；
(3.2)根据式(5)计算时间节点t＝te时刻髋关节的角度、角速度、角加速度，记为θ1te、ω1te、α1te；计算时间节点t＝te时刻膝关节的角度、角速度、角加速度，记为θ2te、ω2te、α2te。
步骤4、用五次多项式对髋关节和膝关节在起始段和结束段的关节角度规划；
所述步骤4包括：
(4.1)根据关节角度θ与时间t的五次多项式表达式，对其求导得到关节角速度及关节角加速度的表达式：
式中θ(t)、
分别代表关节角度、角速度、角加速度，a0～a5代表五次多项式中的各项系数；
(4.2)起始段起点t＝0时刻的角速度和角加速度为0，因此髋关节起始段五次多项式约束条件为：
膝关节起始段五次多项式系数约束条件为：
结束段终点t＝T时刻的角速度和角加速度应当与周期起点t＝0时刻的角速度和角加速度相同，因此髋关节结束段五次多项式约束条件为：
膝关节结束段五次多项式约束条件：
(4.3)结合式(6)和式(7)求解得到单周期髋关节的起始段多项式系数：a1s0～a1s5；同理求解得单周期膝关节的起始段多项式系数：a2s0～a2s5；
结合式(6)和式(9)求解单周期髋关节的结束段多项式系数：a1e0～a1e5；同理求解态单周期膝关节的结束段多项式系数分别为a2e0～a2e5；
(4.4)获得类圆周步态单周期髋关节角度θ1随时间表达式：
获得类圆周步态单周期膝关节角度θ2随时间表达式：
有益效果本发明的特点和有益效果在于：
采用五次多项式对单周期起始段和结束段的步态进行规划，起始段和结束段的时间区间大小相同，由比例系数ratio确定，中间段采用圆周步态规划。由于采用五次多项式规划，避免了周期运动衔接处由角加速度突变引起的运动冲击。
附图说明
图1为本发明角加速度平滑的可变类圆周下肢康复步态规划流程图，图中1～4分别代表该算法的4个步骤；
图2为下肢康复机器人外骨骼简化模型示意图，O、A和B分别代表髋关节、膝关节和踝关节，C代表脚趾，l1和l2分别为大腿长度和小腿长度。θ1代表髋关节屈伸角度，θ2代表膝关节屈伸角度；
图3为类圆周步态训练的末端轨迹示意图；
图4为末端轨迹圆与工作空间相切的第一种情况示意图，图中α1为患者髋关节屈曲活动度、β1为髋关节伸展活动度，α2为膝关节屈曲活动度；S1、S2、S3、S4四段圆弧组成工作空间，S1是髋关节达到屈曲活动度α1位置时，膝关节从零点运动到屈曲活动度α2形成的圆弧，S2是膝关节处于零点时髋关节从伸展活动度β1运动至屈曲活动度α1形成的圆弧，S3是髋关节处于零点时膝关节从零点运动到屈曲活动度α2形成的圆弧，而S4是膝关节处于屈曲活动度α2位置时髋关节从伸展活动度β1运动至屈曲活动度α1形成的圆弧；P点为最大工作圆的圆心；
图5为末端轨迹圆与工作空间相切的第二种情况示意图，图中字符含义同图4；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
例如患者大腿长l1为518mm，小腿长l2为416mm，最小正周期T为8s，优化比例系数ratio取值为0.125，插补点数i取值400，患者关节活动度α1为50°，β1为15°，α2为90°。
如附图1本发明角加速度平滑的可变类圆周下肢康复步态规划流程图所示，将步态单周期运动分为三段，得到两个分界时间节点，首先规划中间段的运动，根据中间段规划结果求出两个时间节点处的关节角度、角速度、角加速度，为了保证与中间段衔接，起始段和结束段采用五次多项式规划。包括以下步骤：
根据步骤1，将单周期的髋关节和膝关节运动曲线分为起始段、中间段和结束段三段，根据步骤1.2求出起始段和中间段的分界时间节点ts为0.982456s、中间段和结束段的分界时间节点te为7.017543s。
根据步骤2，周期步态中间段(ts～te)采用圆周步态规划，在规划前需要先如附图2下肢康复机器人外骨骼简化模型示意图建立下肢康复机器人运动学模型，即末端轨迹坐标与髋关节角度和膝关节角度之间的变化关系，圆周步态和类圆周步态的末端轨迹都是如附图3所示圆周；为了保证康复训练的安全，求出与工作空间相切的最大轨迹圆半径作为规划时的半径r；根据患者的活动度确定下肢康复机器人的工作空间，由于患者关节活动度不同，工作空间不同，与工作圆相切也存在两种情形，对应附图4、附图5，而患者关节活动度参数众多，难以界定两种情形出现的关节活动度范围，但两种情形下的最大半径rmax的解析解是可求的，将条件代入式(4)可得附图4中rmax1＝141.538528mm，附图5中rmax2＝134.817821mm，选择两者中的较小值即134.817821mm作为半径r的取值；根据半径r确定轨迹圆随时间t的参数方程，代入下肢康复机器人运动学模型即可得中间段髋关节角度和膝关节角度随时间t的表达式θ1(t)(公式11)、θ2(t)(公式12)；
根据步骤3，由式(5)计算时间节点t＝ts时刻髋关节的角度、角速度、角加速度：
由式(5)计算时间节点t＝ts时刻膝关节的角度、角速度、角加速度：
由式(5)计算时间节点t＝te时刻髋关节的角度、角速度、角加速度：
由式(5)计算时间节点t＝te时刻膝关节的角度、角速度、角加速度：
根据步骤4，由于周期起始点t＝0时刻和周期结束点t＝T的角度、角速度和角加速度均为0，而由步骤3可得分界时间节点ts、te的角度、角速度、角加速度，因此可以使用五次多项式规划髋关节和膝关节起始段(0～ts)和结束段(ts～T)的关节角度曲线。
根据式(6)和式(7)求解得到单周期髋关节的起始段多项式系数为：
根据式(6)和式(8)求解得到单周期髋关节的结束段多项式系数为：
根据式(6)和式(9)求解得到单周期膝关节的起始段多项式系数为：
根据式(6)和式(9)求解得到单周期膝关节的结束段多项式系数为：
由此确定类圆周步态单周期起始段和结束段的髋关节角度和膝关节角度随时间表达式。
在此说明书中，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然本发明不局限于上述具体实施例，还可以做出各种修改、变换和变形。因此，说明书和附图应该被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划，其特征在于：使用五次多项式对单周期步态的起始和结束进行加减速规划，使相邻2个周期衔接处的角速度和角加速度平稳过渡，进而降低周期衔接时角加速度突变带来的运动冲击，具体包含以下步骤：
(1)将任意一种训练步态的单周期的髋关节和膝关节运动曲线分为起始段、中间段和结束段三段，确定起始段和中间段分界时间节点ts、中间段和结束段分界时间节点te；
(2)所述单周期的中间段的髋关节角度θ1和膝关节角度θ2表达式采用圆周步态规划的关节角度表达式计算获取；
(3)计算时间节点ts和te处的角度、角速度、角加速度值；
(4)用五次多项式对髋关节和膝关节在起始段和结束段的关节角度规划。
2.根据权利要求1所述的适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划，其特征在于：所述步骤(1)中起始段和结束段的时间区间大小相同，且可通过更改参数ratio的值调整。
3.根据权利要求2所述的适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划，其特征在于：所述的通过更改参数ratio的值调整起始段和结束段的时间区间大小，参数ratio为时间区间大小占比最小正周期T的比例系数，ratio的取值范围为0＜ratio≤0.5。
4.根据权利要求1所述的适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划，其特征在于：所述步骤(1)中单周期关节运动曲线分为起始段、中间段和结束段三段，三段划分的具体步骤是：
(4.1)对训练步态单周期的关节运动曲线进行等时插补，设定插补点个数为i，则插补周期Δt为：
式中T为步态训练的最小正周期；
(4.2)求解起始段和中间段的分界时间节点ts，中间段和结束段的分界时间节点te：
式中ratio的取值范围为0＜ratio≤0.5；
(4.3)以ts、te时刻为分界时间节点将步态训练周期运动分为三段：起始段的时间段为0～ts，中间段的时间段为ts～te，结束段的时间段为te～T。
5.根据权利要求1所述的适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划，其特征在于：所述步骤(2)中单周期的中间段的髋关节角度θ1和膝关节角度θ2表达式采用圆周步态规划的关节角度表达式计算获取的具体步骤是：
(5.1)以患者平躺时右侧视角为基准，设此时患者髋关节O为原点，患者矢状轴为y轴，患者垂直轴为x轴建立坐标系，末端踝关节B的轨迹坐标记为(x,y)；髋关节角度θ1和膝关节角度θ2关于末端踝关节B的轨迹(x,y)的逆运动学求解公式：
式(1)中l1为患者的大腿长，l2为患者的小腿长。
(5.2)当末端轨迹为圆周时，建立轨迹圆以时间t为参数的方程：
式(2)中r为末端轨迹圆的半径。
(5.3)根据参数方程(1)以及逆运动学求解公式(2)可得类圆周步态中间段髋关节角度随时间变化的表达式θ1(t)以及膝关节角度随时间变化的表达式θ2(t)：
式中
6.根据权利要求1所述的适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划，其特征在于：所述步骤(3)计算时间节点ts和te处的角度、角速度、角加速度值的具体步骤是：
(6.1)已知患者大腿长l1、小腿长l2、步态训练最小正周期T、轨迹圆半径r，根据式(3)计算时间节点t＝ts时刻髋关节的角度、角速度、角加速度，记为θ1ts、ω1ts、α1ts；计算时间节点t＝ts时刻膝关节的角度、角速度、角加速度，记为θ2ts、ω2ts、α2ts；
(6.2)已知患者大腿长l1、小腿长l2、步态训练最小正周期T、轨迹圆半径r，根据式(3)计算时间节点t＝te时刻髋关节的角度、角速度、角加速度，记为θ1te、ω1te、α1te；计算时间节点t＝te时刻膝关节的角度、角速度、角加速度，记为θ2te、ω2te、α2te。
7.根据权利要求1所述的适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划，其特征在于：所述步骤(4)中用五次多项式对髋关节和膝关节在起始段和结束段的关节角度规划的具体步骤是：
(7.1)根据关节角度θ与时间t的五次多项式表达式：
θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5…(4)
对(4)式求一阶导得到关节角速度表达式：
对(4)式求二阶导得到关节角加速度表达式：
式中a0～a5代表五次多项式中的各项系数；
(7.2)起始段起点t＝0时刻的角速度和角加速度为0，因此髋关节起始段五次多项式约束条件为：
膝关节起始段五次多项式系数约束条件为：
结束段终点t＝T时刻的角速度和角加速度应当与周期起点t＝0时刻的角速度和角加速度相同，因此髋关节结束段五次多项式约束条件为：
膝关节结束段五次多项式约束条件：
(7.3)结合式(4)、式(5)、式(6)和式(7)求解得到单周期髋关节的起始段多项式系数：a1s0～a1s5；同理求解得单周期膝关节的起始段多项式系数：a2s0～a2s5；
结合式(4)、式(5)、式(6)和式(8)求解单周期髋关节的结束段多项式系数：a1e0～a1e5；同理求解态单周期膝关节的结束段多项式系数分别为a2e0～a2e5；
(7.4)获得类圆周步态单周期髋关节角度θ1随时间表达式：
获得类圆周步态单周期膝关节角度θ2随时间表达式：
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| CN202110672296.1A Withdrawn CN113230093A (zh) | 2021-06-17 | 2021-06-17 | 适用于下肢康复机器人被动训练的可变类圆周步态规划 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114642588A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-06-21 | 北京鑫大地机械工程有限公司 | 一种康复机器人的控制方法、装置及系统 |
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-
2021
- 2021-06-17 CN CN202110672296.1A patent/CN113230093A/zh not_active Withdrawn
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