CN113230094A - 一种单腿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一种单腿外骨骼机器人以及控制方法，通过控制组件、患侧腿外骨骼以及健侧腿检测组件；所述控制组件分别与所述患侧腿外骨骼和所述健侧腿检测组件连接；所述患侧腿外骨骼电连接所述健侧腿检测组件；所述健侧腿检测组件包括能够独立检测且对应于所述患者下肢关节的髋关节检测块、膝关节检测块以及踝关节检测块。通过患者自身健侧腿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。有针对性的对患侧进行康复训练，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。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种单腿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，单侧腿部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不能结合自身运动和自身状况进行训练，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单腿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单腿外骨骼机器人，应用于单侧腿部肢体功能障碍患者的康复训练，包括控制组件、患侧腿外骨骼以及健侧腿检测组件；
所述控制组件分别与所述患侧腿外骨骼和所述健侧腿检测组件连接；所述患侧腿外骨骼电连接所述健侧腿检测组件；
所述健侧腿检测组件包括能够独立检测且对应于所述患者下肢关节的髋关节检测块、膝关节检测块以及踝关节检测块；所述患侧腿外骨骼包括用于驱动关节运动的关节驱动部；
当所述患者穿戴所述单腿外骨骼机器人时，所述患侧腿外骨骼穿套固定于所述患者的患侧腿；所述健侧腿检测组件穿套固定于所述患者的健侧腿；所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别设置在所述患者健侧腿相对应关节的位置；
当所述患者进行康复训练时，所述控制组件通过所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述控制组件依据所述运动数据控制设置在所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
优选地，所述健侧腿检测组件还包括健侧脚掌传感器；所述患侧腿外骨骼还包括患侧脚掌传感器；
所述健侧脚掌传感器与所述踝关节检测块底部连接，所述患侧脚掌传感器与所述关节驱动部底部连接；
当所述患者进行康复训练时，所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述健侧脚掌传感器和所述患侧脚掌传感器检测所述患者双脚的脚掌压力，将患者健侧腿的运动数据和患者双脚的脚掌压力传输至所述控制组件，所述控制组件将控制设置在对应于所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
优选地，所述健侧脚掌传感器上设有健侧腿体脂传感器，所述患侧脚掌传感器上设有患侧腿体脂传感器；其中，所述健侧腿体脂传感器和所述患侧腿体脂传感器形成测量回路；
当所述患者进行康复训练时，所述控制组件通过所述健侧腿体脂和所述患侧腿体脂传感器检测出所述患者的腿部体脂率，所述控制组件计算得到所述患者的康复训练计划。
优选地，所述患侧脚掌传感器还包括设置在所述患者所对应的足弓位置的患侧光电感测组件；
所述患侧光电感测组件包括患侧血压检测光源、患侧心率检测光源和患侧反射光接收器；所述患侧血压检测光源、所述患侧心率检测光源和所述患侧反射光接收器分别与所述控制组件电连接；
当所述患者进行康复训练时，所述患侧血压检测光源和所述患侧心率检测光源发出光线，所述患侧反射光接收器接收光源，所述控制组件通过所述患侧反射光接收器得出所述患者的心率和血压；
和/或；
所述健侧脚掌传感器还包括设置在所述患者所对应的足弓位置的健侧光电感测组件；
所述健侧光电感测组件包括健侧血压检测光源、健侧心率检测光源和健侧反射光接收器；所述健侧血压检测光源、所述健侧心率检测光源和所述健侧反射光接收器分别与所述控制组件电连接；
当所述患者进行康复训练时，所述健侧血压检测光源和所述健侧心率检测光源发出光线，所述健侧反射光接收器接收光源，所述控制组件通过所述健侧反射光接收器得出所述患者的心率和血压。
优选地，所述患侧腿外骨骼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；
所述踝关节驱动部底部连接所述患侧脚掌传感器；
当所述患者穿戴所述单腿外骨骼机器人时，所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部以及所述踝关节驱动部分别设置在所述患者患侧腿相对应关节的位置；
当所述患者进行康复训练时，所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，并传输至所述控制组件，所述控制组件依据所述运动数据分别对应控制所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部以及所述踝关节驱动部分别进行关节活动，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，所述患侧腿外骨骼包括大腿组件和小腿组件；
所述大腿组件与所述髋关节驱动部活动连接，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。
本申请还包括一种单腿外骨骼机器人的控制方法，包括：获取所述患者健侧腿当前的运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述患者的体脂率；
依据预设运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述当前的运动数据确定所述患侧腿外骨骼的工作状态，其中，所述预设运动数据包括行走速度和助力等级；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；
依据所述患者的体脂率确定所述患者的康复训练计划。
优选地，依据预设运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述当前的运动状态数据确定所述患侧腿外骨骼的工作状态的步骤，包括：
依据所述预设运动数据和所述当前的运动数据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患者双脚的脚掌压力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。
优选地，还包括：
获取所述患者的心率和血压，并依据所述患者的心率和血压确定所述患者的身体状态是否异常；
若所述患者的身体状态处于异常状态，将所述患侧腿外骨骼的工作状态调至暂停状态。
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、患侧腿外骨骼以及健侧腿检测组件；所述控制组件分别与所述患侧腿外骨骼和所述健侧腿检测组件连接；所述患侧腿外骨骼电连接所述健侧腿检测组件；所述健侧腿检测组件包括能够独立检测且对应于所述患者下肢关节的髋关节检测块、膝关节检测块以及踝关节检测块；所述患侧腿外骨骼包括用于驱动关节运动的关节驱动部；当所述患者穿戴所述单腿外骨骼机器人时，所述患侧腿外骨骼穿套固定于所述患者的患侧腿；所述健侧腿检测组件穿套固定于所述患者的健侧腿；所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别设置在所述患者健侧腿相对应关节的位置；当所述患者进行康复训练时，所述控制组件通过所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述控制组件依据所述运动数据控制设置在所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。通过患者自身健侧腿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。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是本发明的一种单腿外骨骼机器人的结构示意图；
图2是本发明的一种单腿外骨骼机器人的正视结构示意图；
图3是本发明的一种单腿外骨骼机器人的控制方法的步骤流程图；
图4是本发明的一种单腿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；2、腰部组件；3、患侧腿外骨骼；31、髋关节驱动部；32、膝关节驱动部；33、踝关节驱动部；34、患侧脚掌传感器；4、健侧腿检测组件；41、髋关节检测块；42、膝关节检测块；43、踝关节检测块；44、健侧脚掌传感器。
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单侧腿部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，单腿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单腿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、患侧腿外骨骼3以及健侧腿检测组件4；所述控制组件1分别与所述患侧腿外骨骼3和所述健侧腿检测组件4连接；所述患侧腿外骨骼3电连接所述健侧腿检测组件4；所述健侧腿检测组件4包括能够独立检测且对应于所述患者下肢关节的髋关节检测块41、膝关节检测块42以及踝关节检测块43；所述患侧腿外骨骼3包括用于驱动关节运动的关节驱动部；当所述患者穿戴所述单腿外骨骼机器人时，所述患侧腿外骨骼3穿套固定于所述患者的患侧腿；所述健侧腿检测组件4穿套固定于所述患者的健侧腿；所述髋关节检测块41、所述膝关节检测块42以及所述踝关节检测块43分别设置在所述患者健侧腿相对应关节的位置；当所述患者进行康复训练时，所述控制组件1通过所述髋关节检测块41、所述膝关节检测块42以及所述踝关节检测块43分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述控制组件1依据所述运动数据控制设置在所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，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、患侧腿外骨骼3以及健侧腿检测组件4；所述控制组件1分别与所述患侧腿外骨骼3和所述健侧腿检测组件4连接；所述患侧腿外骨骼3电连接所述健侧腿检测组件4；所述健侧腿检测组件4包括能够独立检测且对应于所述患者下肢关节的髋关节检测块41、膝关节检测块42以及踝关节检测块43；所述患侧腿外骨骼3包括用于驱动关节运动的关节驱动部；当所述患者穿戴所述单腿外骨骼机器人时，所述患侧腿外骨骼3穿套固定于所述患者的患侧腿；所述健侧腿检测组件4穿套固定于所述患者的健侧腿；所述髋关节检测块41、所述膝关节检测块42以及所述踝关节检测块43分别设置在所述患者健侧腿相对应关节的位置；当所述患者进行康复训练时，所述控制组件1通过所述髋关节检测块41、所述膝关节检测块42以及所述踝关节检测块43分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述控制组件1依据所述运动数据控制设置在所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。通过患者自身健侧腿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。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单腿外骨骼机器人作进一步地说明。
在本发明一实施例中，所述控制组件1分别与所述患侧腿外骨骼3和所述健侧腿检测组件4连接；当所述患者进行康复训练时，所述控制组件1通过所述髋关节检测块41、所述膝关节检测块42以及所述踝关节检测块43分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述控制组件1依据所述运动数据控制设置在所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
作为一种示例，所述控制组件1可以分别与所述患侧腿外骨骼3和所述健侧腿检测组件4无线连接，也可以和所述患侧腿外骨骼3和所述健侧腿检测组件4有线连接。
需要说明的是，无线连接是指使用行动热点、第四代的移动信息系统等无线技术建立设备之间的通讯链路，为设备之间的数据通讯提供基础，也称为无线链接，常用的实现无线链接的设备有无线路由器、蜂窝设备等。参照图2，所述控制组件1与所述患侧腿外骨骼3和所述检测腿检测组件无线连接，使得单腿外骨骼机器人重量减轻。
在一具体实现中，所述控制组件1依据所述髋关节检测块41、所述膝关节检测块42以及所述踝关节检测块43分别检测出的所述运动数据，所述运动数据包括髋关节转动角度、髋关节转动速度、膝关节转动角度、膝关节转动速度、踝关节转动角度以及踝关节转动速度，所述控制组件1依据所述运动数据对应驱动所述髋关节驱动部32、膝关节驱动部33、踝关节驱动部34进行关节活动。
作为一种示例，所述控制组件1还包括急停开关、扩展端口、电源开关、接线端口。所述控制组件1依次设有所述急停开关、所述拓展端口、所述电源开关以及所述接线端口。
在一具体实现中，所述急停开关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来达到关闭单腿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单腿外骨骼机器人与外部的互连。
作为一种示例，还包括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可固定于所述腰部组件2上，其中，所述腰部组件2包括扶手、可调节腰部连接件、尾板、腰部固定带。
在一具体实现中，所述腰部连接件两侧分别连接所述扶手，所述扶手远离所述腰部连接件一端设有吊钩，其中，吊钩用于连接减重支架；所述可调节腰部连接件底部连接所述尾板；所述可调节腰部连接件对应所述患者腰部的位置设置有所述腰部固定带。所述水平扶手的一端连接所述可调节腰部连接件，另一端设置有所述吊钩。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。
在一具体实现中，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；所述患侧腿外骨骼3穿套固定于所述患者的患侧腿。
本申请实施例中，所述患侧腿外骨骼3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31、膝关节驱动部32和踝关节驱动部33；具体地，当所述患者进行康复训练时，所述控制组件1通过所述髋关节检测块41、所述膝关节检测块42以及所述踝关节检测块43分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，并传输至所述控制组件1，所述控制组件1依据所述运动数据分别对应控制所述髋关节驱动部31、所述膝关节驱动部32以及所述踝关节驱动部33分别进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
在一具体实现中，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31、设置在对应于所述患者膝关节位置的所述膝关节驱动部32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32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。
作为一种示例，所述腰部组件2可拆卸连接有一组所述患侧腿外骨骼3，且所述患侧腿外骨骼3与所述控制组件1电性连接；所述患侧腿外骨骼3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31、膝关节驱动部32和踝关节驱动部33。
在一具体实现中，髋关节驱动部31、膝关节驱动部32和踝关节驱动部33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，包括内置于控制组件1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31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。
在一具体实现中，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。
作为一种示例，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，所述患侧腿外骨骼3包括大腿组件和小腿组件；具体地，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31，另一端连接所述膝关节驱动部32；所述可调节大腿连接件中部远离所述髋关节驱动部31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。
在一具体实现中，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32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。
在一具体实现中，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。
作为一种示例，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，所述小腿组件通过所述膝关节驱动部32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32的转动进行活动；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。
作为一种示例，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。
作为一种示例，所述可调节小腿连接件一端连接所述膝关节驱动部32，另一端连接所述踝关节驱动部33；所述小腿连接件中部远离所述膝关节驱动部32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33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。
在一具体实现中，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。
作为一种示例，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，所述患侧腿外骨骼3还包括患侧脚掌传感器34；所述踝关节驱动部33底部连接所述患侧脚掌传感器34。当所述患者进行康复训练时，所述健侧脚掌传感器44和所述患侧脚掌传感器34检测所述患者双脚的脚掌压力，将患者健侧腿的运动数据和患者双脚的脚掌压力传输至所述控制组件1，所述控制组件1将控制设置在对应于所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
作为一种示例，患侧脚掌传感器34包括患侧前脚掌测力组件、患侧后脚掌测力组件、患侧穿戴组件和患侧数据传输器；所述患侧前脚掌测力组件包括：患侧前脚掌底板、患侧前脚掌压力传感器、患侧支撑垫片及患侧前脚掌顶板；患侧前脚掌底板和患侧前脚掌顶板活动连接，保留上下运动的自由度；患侧压力传感器，位于患侧前脚掌测力组件和患侧后脚掌测力组件的中间夹层，患侧压力传感器上方放置患侧支撑垫片；所述患侧后脚掌测力组件包括：患侧后脚掌底板、患侧后脚掌压力传感器、患侧支撑垫片及患侧后脚掌顶板；患侧穿戴组件用于患侧前脚掌测力组件与患侧后脚掌测力组件之间柔性联连；患侧数据传输器用于将患侧压力传感器输出的微电信号转换成为所需的数据并将获取数据传输至控制组件1做进一步处理。
在一具体实现中，所述患侧前脚掌底板、患侧前脚掌顶板、患侧后脚掌底板和患侧后脚掌顶板均为硬质板，以保证足底压力均施载于患侧支撑垫片；所述的柔性联连包括弹性绑带、魔术贴及联接卡扣。柔性联连以适应不同尺寸的鞋，并保证连接的稳固。
本申请实施例中，所述患侧脚掌传感器34还包括设置在所述患者所对应的足弓位置的患侧光电感测组件；所述患侧光电感测组件包括患侧血压检测光源、患侧心率检测光源和患侧反射光接收器；所述患侧血压检测光源、所述患侧心率检测光源和所述患侧反射光接收器分别与所述控制组件1电连接；当所述患者进行康复训练时，所述患侧血压检测光源和所述患侧心率检测光源发出光线，所述患侧反射光接收器接收光源，所述控制组件1通过所述患侧反射光接收器得出所述患者的心率和血压。
在一具体实现中，所述患侧光电感测组件突出于所述患侧脚掌传感器34的高度为16、19、22或24毫米。所述患侧血压检测光源、患侧心率检测光源的光线为红外线光。所述患者的心率和血压是基于所检测到的光电容积脉搏波计算获得。
本申请实施例中，所述健侧腿检测组件4还包括健侧脚掌传感器44；所述患侧脚掌传感器34与所述关节驱动部底部连接；当所述患者进行康复训练时，所述健侧脚掌传感器44和所述患侧脚掌传感器34检测所述患者双脚的脚掌压力，将患者健侧腿的运动数据和患者双脚的脚掌压力传输至所述控制组件1，所述控制组件1将控制设置在对应于所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
作为一种示例，健侧脚掌传感器44包括健侧前脚掌测力组件、健侧后脚掌测力组件、健侧穿戴组件和健侧数据传输器；所述健侧前脚掌测力组件包括：健侧前脚掌底板、健侧前脚掌压力传感器、健侧支撑垫片及健侧前脚掌顶板；健侧前脚掌底板和健侧前脚掌顶板活动连接，保留上下运动的自由度；健侧压力传感器，位于健侧前脚掌测力组件和健侧后脚掌测力组件的中间夹层，健侧压力传感器上方放置健侧支撑垫片；所述健侧后脚掌测力组件包括：健侧后脚掌底板、健侧后脚掌压力传感器、健侧支撑垫片及健侧后脚掌顶板；健侧穿戴组件用于健侧前脚掌测力组件与健侧后脚掌测力组件之间柔性联连；健侧数据传输器用于将健侧压力传感器输出的微电信号转换成为所需的数据并将获取数据传输至控制组件1做进一步处理。
在一具体实现中，所述健侧前脚掌底板、健侧前脚掌顶板、健侧后脚掌底板和健侧后脚掌顶板均为硬质板，以保证足底压力均施载于健侧支撑垫片；所述的柔性联连包括弹性绑带、魔术贴及联接卡扣。柔性联连以适应不同尺寸的鞋，并保证连接的稳固。
本申请实施例中，所述健侧脚掌传感器44还包括设置在所述患者所对应的足弓位置的健侧光电感测组件；所述健侧光电感测组件包括健侧血压检测光源、健侧心率检测光源和健侧反射光接收器；所述健侧血压检测光源、所述健侧心率检测光源和所述健侧反射光接收器分别与所述控制组件1电连接；当所述患者进行康复训练时，所述健侧血压检测光源和所述健侧心率检测光源发出光线，所述健侧反射光接收器接收光源，所述控制组件1通过所述健侧反射光接收器得出所述患者的心率和血压。
在一具体实现中，所述健侧光电感测组件突出于所述健侧脚掌传感器44的高度为16、19、22或24毫米。所述健侧血压检测光源、健侧心率检测光源的光线为红外线光。所述患者的心率和血压是基于所检测到的光电容积脉搏波计算获得。
本申请实施例中，所述健侧脚掌传感器44上设有健侧腿体脂传感器，所述患侧脚掌传感器34上设有患侧腿体脂传感器；其中，所述健侧腿体脂传感器和所述患侧腿体脂传感器形成测量回路；当所述患者进行康复训练时，所述控制组件1通过所述健侧腿体脂传感器和所述患侧腿体脂传感器检测出所述患者的体脂率，将所述患者的腿部体脂率传输给所述控制组件1，所述控制组件1计算得到所述患者的康复训练计划。
作为一种示例，所述健侧前脚掌顶板设有至少一个测量点，所述患侧前脚掌顶板设有至少一个测量点，通过至少两个测试点形成测量回路，根据所述测量回路得到各测试点之间的电阻；控制组件1得到患者的腿部体脂率。
作为一种示例，所述控制组件1预先获取所述患者的性别、年龄、身高和体重，所述控制组件1内部设有预存的性别、年龄、身高、体重和体脂率之间的映射关系表，当判断出所述患者的腿部体脂率时，若腿部体脂率低于正常范围的最低值，则加强训练强度，增加肌肉比例；若腿部体脂率处于正常范围，则正常训练。
在一具体实施例中，所述测试点为与脚底接触的导电电极，所述导电电极为导电硅胶。还包括硅胶垫，所述硅胶垫覆盖于所述健侧脚传感器和所述患侧脚传感器的上表面，所述硅胶垫包括导电区域和非导电区域，所述导电区域为所述导电电极。所述导电区域与所述非导电区域的颜色不同。
本申请实施例中，所述健侧腿检测组件4包括能够独立检测且对应于所述患者下肢关节的髋关节检测块41、膝关节检测块42以及踝关节检测块43。
作为一种示例，控制组件1上设有用于处理检测块获取运动数据的处理器，处理器的输出端设有将运动信息转换成增强现实图像的增强现实图景生成器，所述增强现实图景生成器的输出端连接增强现实显示屏。
作为一种示例，髋关节检测块41可以为由磁场接收器和磁场发射源构成，接收器设置在髋关节检测块41上，磁场发射源设置在所述控制组件1上。磁场发射源会产生有一定规律的磁场，而在患者健侧腿上安装的接收器则是负责接收特定位置的磁场。当患者运动时，健侧腿的接收器就会根据接收到的磁场特性计算出运动位置。膝关节检测块42和踝关节检测块43同理。
作为一种示例，髋关节检测块41可以为包括用于采集患者因运动导致的表面流场信息的流场矢量传感器、用于采集患者的合加速度信息的加速度传感器；所述控制组件1包括处理器，所述处理器用于根据所述患者的表面流场信息，与患者的合加速度信息进行数据融合，解算出患者的运动速度、运动加速度和重力加速度分量，并根据重力加速度分量解算患者姿态角。
作为一种示例，数据融合的方法有很多种，作为一种可选实施例，所述处理器采用但不限于卡尔曼滤波方法对被测物表面流场信息、合加速度信息进行数据融合，具体方法如下:
将患者在载体坐标系下的运动速度
和运动加速度
作为状态变量
将流场矢量传感器的流速测量值
和重力加速度g作为观测变量
xb、yb、zb为载体坐标系的坐标轴，根据所述状态变量和观测变量建立状态方程和观测方程：
Xk+1＝ΦXk+w
Yk＝CXk+v
其中，下标k表示第k个采样点，Φ为状态转移矩阵，w为过程噪声矩阵，C为观测矩阵，v为观测噪声；
基于所述状态方程和观测方程使用卡尔曼滤波方法获得患者的运动速度
和运动加速度
根据运动加速度以及所述加速度传感器采集的患者的合加速度获得患者在载体坐标系下的重力加速度分量
根据重力加速度分量计算俯仰角和滚转角：
其中γ和θ分别表示滚转角和俯仰角。
下面，将对本示例性实施例中一种单腿外骨骼机器人的控制方法作进一步的说明。
参照图3，示出了本发明的一种单腿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S110，获取所述患者健侧腿当前的运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述患者的体脂率。
步骤S120，依据预设运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述当前的运动数据确定所述患侧腿外骨骼3的工作状态，其中，所述预设运动数据包括行走速度和助力等级；所述工作状态包括所述髋关节驱动部31、所述膝关节驱动部32和所述踝关节驱动部33对应的电机的转动角度和转动速度。
步骤S130，依据所述患者的体脂率确定所述患者的康复训练计划。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S110所述“获取所述患者健侧腿当前的运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述患者的体脂率”之前的具体过程。
如下列步骤所述，获取所述患者的心率和血压，并依据所述患者的心率和血压确定所述患者的身体状态是否异常；若所述患者的身体状态处于异常状态，将所述患侧腿外骨骼3的工作状态调至暂停状态。
在一具体实施例中，当所述患者的心率和血压超过正常值时，将所述患者的身体状态为异常状态，停止所述患侧腿外骨骼3的工作，使得在突发事件发生时，患者能够得到救援。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S120所述“依据预设运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述当前的运动状态数据确定所述患侧腿外骨骼3的工作状态”的具体过程。
如下列步骤所述，依据所述预设运动数据和所述当前的运动数据分别确定所述髋关节驱动部31、所述膝关节驱动部32和所述踝关节驱动部33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患者双脚的脚掌压力确定所述髋关节驱动部31、所述膝关节驱动部32和所述踝关节驱动部33对应的电机的转动速度。
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，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不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见。
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单腿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)
1.一种单腿外骨骼机器人，应用于单侧腿部肢体功能障碍患者的康复训练，其特征在于，包括控制组件、患侧腿外骨骼以及健侧腿检测组件；
所述控制组件分别与所述患侧腿外骨骼和所述健侧腿检测组件连接；所述患侧腿外骨骼电连接所述健侧腿检测组件；
所述健侧腿检测组件包括能够独立检测且对应于所述患者下肢关节的髋关节检测块、膝关节检测块以及踝关节检测块；所述患侧腿外骨骼包括用于驱动关节运动的关节驱动部；
当所述患者穿戴所述单腿外骨骼机器人时，所述患侧腿外骨骼穿套固定于所述患者的患侧腿；所述健侧腿检测组件穿套固定于所述患者的健侧腿；所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别设置在所述患者健侧腿相对应关节的位置；
当所述患者进行康复训练时，所述控制组件通过所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述控制组件依据所述运动数据控制设置在所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
2.根据权利要求1所述的单腿外骨骼机器人，其特征在于，所述健侧腿检测组件还包括健侧脚掌传感器；所述患侧腿外骨骼还包括患侧脚掌传感器；
所述健侧脚掌传感器与所述踝关节检测块底部连接，所述患侧脚掌传感器与所述关节驱动部底部连接；
当所述患者进行康复训练时，所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，所述健侧脚掌传感器和所述患侧脚掌传感器检测所述患者双脚的脚掌压力，将患者健侧腿的运动数据和患者双脚的脚掌压力传输至所述控制组件，所述控制组件将控制设置在对应于所述患者患侧腿的所述关节驱动部进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
3.根据权利要求1所述的单腿外骨骼机器人，其特征在于，所述健侧脚掌传感器上设有健侧腿体脂传感器，所述患侧脚掌传感器上设有患侧腿体脂传感器；其中，所述健侧腿体脂传感器和所述患侧腿体脂传感器形成测量回路；
当所述患者进行康复训练时，所述控制组件通过所述健侧腿体脂和所述患侧腿体脂传感器检测出所述患者的腿部体脂率，所述控制组件计算得到所述患者的康复训练计划。
4.根据权利要求1所述的单腿外骨骼机器人，其特征在于，
所述患侧脚掌传感器还包括设置在所述患者所对应的足弓位置的患侧光电感测组件；
所述患侧光电感测组件包括患侧血压检测光源、患侧心率检测光源和患侧反射光接收器；所述患侧血压检测光源、所述患侧心率检测光源和所述患侧反射光接收器分别与所述控制组件电连接；
当所述患者进行康复训练时，所述患侧血压检测光源和所述患侧心率检测光源发出光线，所述患侧反射光接收器接收光源，所述控制组件通过所述患侧反射光接收器得出所述患者的心率和血压；
和/或；
所述健侧脚掌传感器还包括设置在所述患者所对应的足弓位置的健侧光电感测组件；
所述健侧光电感测组件包括健侧血压检测光源、健侧心率检测光源和健侧反射光接收器；所述健侧血压检测光源、所述健侧心率检测光源和所述健侧反射光接收器分别与所述控制组件电连接；
当所述患者进行康复训练时，所述健侧血压检测光源和所述健侧心率检测光源发出光线，所述健侧反射光接收器接收光源，所述控制组件通过所述健侧反射光接收器得出所述患者的心率和血压。
5.根据权利要求1所述的单腿外骨骼机器人，其特征在于，所述患侧腿外骨骼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；
所述踝关节驱动部底部连接所述患侧脚掌传感器；
当所述患者穿戴所述单腿外骨骼机器人时，所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部以及所述踝关节驱动部分别设置在所述患者患侧腿相对应关节的位置；
当所述患者进行康复训练时，所述髋关节检测块、所述膝关节检测块以及所述踝关节检测块分别检测所述患者健侧腿相对应关节的运动数据，并传输至所述控制组件，所述控制组件依据所述运动数据分别对应控制所述髋关节驱动部、所述膝关节驱动部以及所述踝关节驱动部分别进行关节活动，辅助所述患者进行下肢康复训练。
6.根据权利要求5所述的单腿外骨骼机器人，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。
7.根据权利要求5所述的单腿外骨骼机器人，其特征在于，所述患侧腿外骨骼包括大腿组件和小腿组件；
所述大腿组件与所述髋关节驱动部活动连接，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。
8.一种如权利要1-7所述单腿外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括：
获取所述患者健侧腿当前的运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述患者的体脂率；
依据预设运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述当前的运动数据确定所述患侧腿外骨骼的工作状态，其中，所述预设运动数据包括行走速度和助力等级；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；
依据所述患者的体脂率确定所述患者的康复训练计划。
9.根据权利要求8所述的单腿外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，依据预设运动数据、所述患者双脚的脚掌压力和所述当前的运动状态数据确定所述患侧腿外骨骼的工作状态的步骤，包括：
依据所述预设运动数据和所述当前的运动数据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患者双脚的脚掌压力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。
10.根据权利要求8所述的单腿外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，还包括：
获取所述患者的心率和血压，并依据所述患者的心率和血压确定所述患者的身体状态是否异常；
若所述患者的身体状态处于异常状态，将所述患侧腿外骨骼的工作状态调至暂停状态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110506138.9A CN113230094A (zh) | 2021-05-10 | 2021-05-10 | 一种单腿外骨骼机器人及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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