CN113952174A - 下肢康复机器人步态训练方法、装置及下肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种下肢康复机器人步态训练方法、装置及下肢康复机器人，该方法包括：获取用户对应的虚拟通道参数和参考运动轨迹；根据当前时刻及步态周期确定当前时刻的步态周期参考值；根据当前时刻的步态周期参考值及虚拟通道参数构建虚拟通道；根据当前时刻的下肢关节角度相对于虚拟通道的位置计算力场作用力；根据力场作用力控制下肢康复机器人进行训练。本发明实施例可以在下肢关节空间构造虚拟通道并通过力场进行力控制，患者的下肢关节可在虚拟通道内自由运动，可以减小康复机器人对患者的运动限制，给与患者一定的自由运动空间，有利于促进患者主动参与康复训练，适用于康复中后期患者，训练效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体而言，涉及一种下肢康复机器人步态训练方法、装置及下肢康复机器人。
背景技术
康复机器人作为神经功能康复治疗领域的研究热点，可以辅助医师为患者提供康复训练治疗，缓解康复医疗人力资源紧缺问题。
康复机器人辅助康复训练可分为被动和主动两种模式，主要依据患者自身的运动状态划分。被动训练针对康复初期、病情较重导致自身运动能力弱的患者，完全靠机器人带动患者肢体沿着预定的轨迹运动，此时患者的运动处于被动状态；对于康复中后期的患者，患者的运动能力部分恢复，患者可以主动施力，机器人可以根据患者的运动意图实现与患者的人机交互，提供必要的辅助。
目前下肢康复机器人一般采用位置控制的方式，患者只能按照固定的预设轨迹进行被动康复训练，只适合康复初期、病情较重的患者，而对于康复中后期患者的训练效果较差。
发明内容
本发明解决的是现有下肢康复机器人采用位置控制的方式，对于康复中后期患者的训练效果较差的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种下肢康复机器人步态训练方法，所述方法包括：获取用户对应的虚拟通道参数和参考运动轨迹；其中，所述虚拟通道参数包括以下至少一项：虚拟通道长度、虚拟通道宽度或关节支撑力矩系数；所述参考运动轨迹包括：下肢关节角度参考轨迹和/或下肢关节力矩参考轨迹；根据当前时刻及步态周期确定所述当前时刻的步态周期参考值；所述步态周期参考值用于表示所述当前时刻在当前步态周期中的位置；根据所述当前时刻的步态周期参考值及所述虚拟通道参数构建虚拟通道；根据所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置计算力场作用力；所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置基于所述当前时刻的下肢关节角度及所述参考运动轨迹确定；根据所述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练。
可选地，所述根据当前时刻及步态周期确定所述当前时刻的步态周期参考值，包括：根据历史步态周期计算当前步态周期；计算所述当前时刻在所述当前步态周期中的位置，将所述位置对应的周期占比作为所述当前时刻的步态周期参考值。
可选地，所述根据所述当前时刻的步态周期参考值及所述虚拟通道参数构建虚拟通道，包括：以所述当前时刻的步态周期参考值为中心，在下肢关节空间构造长度为所述虚拟通道长度，宽度为所述虚拟通道宽度的三维虚拟通道。
可选地，所述根据所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置计算力场作用力，包括：根据所述当前时刻的下肢关节角度确定所述当前时刻的步态周期实际值；根据所述当前时刻的步态周期实际值及所述下肢关节角度参考轨迹，计算吸引力；以及，根据所述当前时刻的步态周期实际值及所述下肢关节力矩参考轨迹，计算支撑力；根据所述吸引力及所述支撑力计算力场作用力。
可选地，根据所述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练，包括：建立下肢康复机器人的弹簧阻尼模型，选择合适的刚度和阻尼系数以及根据所述力场控制力即所述弹簧阻尼模型控制下肢康复机器人进行训练。
可选地，所述当前步态周期的计算公式如下：
其中，n、m为脚跟着地的次数，T(i)为第i次历史步态周期，T(n)为当前步态周期，tHS(i)为第i次脚跟着地发生的时刻；
所述步态周期参考值的计算公式如下：
其中，GCr为步态周期参考值，t为当前时刻，tHS(n)为第n次脚跟着地发生的时刻。
可选地，所述当前时刻的步态周期实际值的计算公式如下：
|GCa-GCr|≤0.5L
其中，GCa为当前时刻的步态周期实际值，qr为下肢关节角度参考轨迹，qa为当前时刻的下肢关节角度，L为虚拟通道长度；
所述吸引力的计算公式如下：
其中，τa为吸引力，qn为下肢关节角度参考轨迹，Δqi为下肢关节偏离程度，K1、K2、K3、B1、B2、B3为弹簧阻尼模型中系数；
可选地，所述支撑力的计算公式如下：
其中，τb为支撑力，f(GCr)为下肢关节角度参考轨迹的梯度，f(GCa)为当前时刻的步态周期实际值的梯度，
为下肢关节力矩参考轨迹矩阵，diag(μ1，μ2，μ3)为关节支撑力矩系数矩阵。
本发明提供一种下肢康复机器人步态训练装置，所述装置包括：获取模块，用于获取用户对应的虚拟通道参数和参考运动轨迹；其中，所述虚拟通道参数包括以下至少一项：虚拟通道长度、虚拟通道宽度或关节支撑力矩系数；所述参考运动轨迹包括：下肢关节角度参考轨迹和/或下肢关节力矩参考轨迹；参考值确定模块，用于根据当前时刻及步态周期确定所述当前时刻的步态周期参考值；所述步态周期参考值用于表示所述当前时刻在当前步态周期中的位置；虚拟通道构建模块，用于根据所述当前时刻的步态周期参考值及所述虚拟通道参数构建虚拟通道；作用力计算模块，用于根据所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置计算力场作用力；所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置基于所述当前时刻的下肢关节角度及所述参考运动轨迹确定；控制模块，用于根据所述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练。
本发明提供一种下肢康复机器人，包括：下肢康复外骨骼及控制器；所述控制器，用于执行上述下肢康复机器人步态训练方法。
本发明提供一种下肢康复机器人步态训练方法，在下肢关节空间构造虚拟通道并通过力场进行力控制，患者的下肢关节可在虚拟通道内自由运动，可以减小康复机器人对患者的运动限制，给与患者一定的自由运动空间，有利于促进患者主动参与康复训练，适用于康复中后期患者，训练效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种下肢康复机器人步态训练方法的示意性流程图；
图2为本发明实施例中下肢三维关节空间虚拟通道示意图；
图3为本发明实施例中虚拟通道在水平面的投影以及力场矢量图；
图4为本发明实施例中虚拟通道力场作用原理图；
图5为本发明实施例中一种下肢康复机器人步态训练装置的结构示意图。
附图标记说明：
501-获取模块；502-参考值确定模块；503-虚拟通道构建模块；504-作用力计算模块；505-控制模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
主动训练模式的设计原则是“按需辅助”(AAN，Assist as Needed)，即在不限制使用者运动的条件下仅提供必要的支撑力以保证安全，为了最大程度的激励使用者主动参与，这种模式下机器人将尽可能少的提供辅助力，需要使用者主动发力才能共同完成康复动作。但是现有的下肢康复机器人步态训练方法并不满足这一要求。
现有一种下肢康复机器人的三维步态康复训练方法，针对某个待康复患者，首先对待康复患者的步态进行测试，得到三维空间内的踝点位置作为康复训练的目标。然后利用微分几何求解目标轨迹的切向量、法向量和副法向量；将所施加的干预力分解在目标轨迹的切向量、法向量和副法向量三个方向上，结合患者的实际位置和目标位置之间的偏差，确定干预力的幅值；最后依据不同的康复训练模式，计算下肢康复机器人平衡自身的重力以及满足患者干预力下的机器人关节力，基于患者的三维步态完成相应的康复训练。下肢康复通常关注的是髋、膝、踝各个关节的康复情况，一般以下肢各个关节的轨迹或者力矩作为康复训练的目标，而该方法选择踝点位置作为康复训练的目标，实用性受到限制。此外，康复患者始终受到切向量、法向量和副法向量三个方向上的作用力，患者的踝点运动被限制在固定的目标轨迹上，不符合“按需辅助”的原则，难以调动使用者主动参与康复训练，训练效果难以保证。
现有另一种基于表面肌电信号的康复机器人主动训练控制方法和装置，可以用于各类具有表面肌电信号采集功能的上肢或下肢康复机器人中。在康复训练过程中，首先从两块对应肌肉中采集表面肌电信号，利用频率跟踪算法实时提取表面肌电信号中的频率及相位等患者主动运动模式信息，根据相位信息生成机器人的参考训练轨迹，根据实际运动误差控制机器人的输出扭矩，辅助患者完成康复训练任务。理论上通过表面肌电信号可以准确的获取使用者的运动意图，有利于促进使用者主动参与，但是表面肌电信号的采集需要昂贵的设备，表面肌电信号的处理需要复杂的算法，并且目前大部分的相关实验都是在健康人身上进行的，还需要更长时间更大范围的研究来明确是否能够和脑卒中患者本身的肢体功能结合进行康复训练，以恢复患者所丧失的运动功能。
针对以上问题，本发明提供一种下肢康复机器人步态训练方法，可以减小康复机器人对患者的运动限制，给与患者一定的自由运动空间，以此来促进康复患者主动参与康复训练，适用于康复中后期患者，提高了康复训练效果。
图1是本发明的一个实施例中一种下肢康复机器人步态训练方法的示意性流程图，上述方法包括：
S102，获取用户对应的虚拟通道参数和参考运动轨迹。
其中，该虚拟通道参数包括以下至少一项：虚拟通道长度、虚拟通道宽度或关节支撑力矩系数；该参考运动轨迹包括：下肢关节角度参考轨迹和/或下肢关节力矩参考轨迹。
在对患者进行康复训练前，首先，可由医生等专业人员对患者的康复程度进行评估，根据患者的康复程度选择虚拟通道长度L、虚拟通道宽度w＝[w1，w2，w3]以及下肢关节支撑力矩系数μ＝diag(μ1，μ2，μ3)。其中，1、2、3分别对应髋、膝、踝三个关节，虚拟通道长度L用来控制下肢关节实际轨迹与参考轨迹在时间上的偏离程度，虚拟通道宽度w用来控制下肢关节实际轨迹与参考轨迹在空间上的偏离程度，关节支撑力矩系数μ用来控制康复机器人给与患者的辅助力矩大小。
然后，根据康复目标生成下肢关节角度参考轨迹
以及下肢关节力矩参考轨迹
S104，根据当前时刻及步态周期确定当前时刻的步态周期参考值。
该步态周期参考值用于表示当前时刻在当前步态周期中的位置。可选地，包括以下步骤：
(1)根据历史步态周期计算当前步态周期。
根据历史数据计算当前步态周期时长T(n)，计算公式如下：
其中，n、m为脚跟着地的次数，T(i)为第i次历史步态周期，T(n)为当前步态周期，tHS(i)为第i次脚跟着地发生的时刻；根据行走理论的相关规定，脚跟着地(HS)对应步态周期的0％时刻。
(2)计算当前时刻在当前步态周期中的位置，将该位置对应的周期占比作为当前时刻的步态周期参考值。该位置可以基于一个百分比数字表示，在整个步态周期中处于该当前时刻之前的时长占整个步态周期的比例。一个完整的步态周期从0％对应位置开始，顺时针沿着参考轨迹直到100％对应位置结束。
根据当前时刻t确定步态周期参考值GCr，计算公式如下：
其中，GCr为步态周期参考值，t为当前时刻，tHS(n)为第n次脚跟着地发生的时刻。
S106，根据当前时刻的步态周期参考值及虚拟通道参数构建虚拟通道。
具体地，以当前时刻的步态周期参考值GCr为中心，在下肢关节空间构造长度为虚拟通道长度L，宽度为虚拟通道宽度W的三维虚拟通道。
S108，根据当前时刻的下肢关节角度相对于虚拟通道的位置计算力场作用力。
该当前时刻的下肢关节角度相对于虚拟通道的位置基于当前时刻的下肢关节角度及参考运动轨迹确定。力场作用力计算过程包括以下步骤：根据当前时刻的下肢关节角度确定当前时刻的步态周期实际值；根据该当前时刻的步态周期实际值及上述下肢关节角度参考轨迹，计算吸引力；以及，根据该当前时刻的步态周期实际值及上述下肢关节力矩参考轨迹，计算支撑力；根据上述吸引力及支撑力计算力场作用力。
首先，根据当前下肢关节角度
确定当前时刻的步态周期实际值GCa，通过虚拟通道的长度L约束GCa偏离GCr的程度。
当前时刻的步态周期实际值的计算公式如下：
s.t.|GCa-GCr|≤0.5L (4)
其中，GCa为当前时刻的步态周期实际值，qr为下肢关节角度参考轨迹，qa为当前时刻的下肢关节角度，L为虚拟通道长度；
其次，根据qa相对于虚拟通道的位置，计算吸引力τa。
吸引力τa的计算公式如下：
其中，τa为吸引力，qn为下肢关节角度参考轨迹，Δqi为下肢关节偏离程度，K1、K2、K3、B1、B2、B3为弹簧阻尼模型中系数。
具体地，|GCa-GCr|＝0.5L表示当前下肢关节轨迹qa位于虚拟通道外且超出了允许的时间偏差，此时将会受到较大的吸引力；
表示当前下肢关节轨迹qa位于虚拟通道外但未超出允许的时间偏差，此时将会受到较小的吸引力；
表示当前下肢关节轨迹qa位于虚拟通道内，此时受到的吸引力为零。
然后，根据qa相对于虚拟通道的位置，计算支撑力τb。
支撑力τb的计算公式如下：
其中，τb为支撑力，f(GCr)为下肢关节角度参考轨迹的梯度，f(GCa)为当前时刻的步态周期实际值的梯度，
为下肢关节力矩参考轨迹矩阵，diag(μ1，μ2，μ3)为关节支撑力矩系数。
最后，计算力场作用力合力τ。
τ＝τa+τb (10)
S110，根据上述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练。
建立下肢康复机器人的弹簧阻尼模型，以及根据所述力场控制力即所述弹簧阻尼模型控制下肢康复机器人。可选地，力场控制使用阻抗控制率，将康复机器人系统建模成质量弹簧阻尼模型进行控制，使得物理上刚性的康复机器人具有一定的柔顺性，可减小对人体的冲击力。
本实施例提供的下肢康复机器人步态训练方法，在下肢关节空间构造虚拟通道并通过力场进行力控制，患者的下肢关节可在虚拟通道内自由运动，可以减小康复机器人对患者的运动限制，给与患者一定的自由运动空间，有利于促进患者主动参与康复训练，适用于康复中后期患者，训练效果更好。
参见图2所示的下肢三维关节空间虚拟通道示意图。图中X、Y、Z轴分别表示一个完整步态周期(0-100％GC)矢状面内髋、膝、踝关节角度。图中虚线表示下肢各关节角度参考轨迹(RP)，圆柱形的阴影区域表示虚拟通道(VT)。
当人体下肢关节角度qa1(或qa2)位于虚拟通道外时只受到虚拟通道的吸引力τ1(或τ2)而进入虚拟通道，当人体下肢各关节角度qa3位于虚拟通道内时只受到虚拟通道的支撑力τ3沿参考轨迹前进。
百分比数字表示下肢关节角度对应的步态周期时间，一个完整的步态周期从0％对应位置开始，顺时针沿着参考轨迹直到100％对应位置结束。为了方便描述，将图2下肢三维关节空间虚拟通道向水平方向投影，得到如图3所示的虚拟通道在水平面的投影示意图。
参见图3所示的虚拟通道在水平面的投影以及力场矢量图。图中X、Y轴分别表示一个完整步态周期(0-100％GC)矢状面内髋、膝关节角度。图中细实线表示下肢各关节角度参考轨迹(RP)，粗实线分别表示虚拟通道的内侧面(MS)、外侧面(OS)、前端面(FC)和后端面(RC)，虚线表示虚拟通道的内侧面和外侧面沿整个步态周期的轨迹，箭头的方向表示力场作用力的方向，箭头的长度表示力场作用力的大小。所述虚拟通道由内侧面(MS)、外侧面(OS)、前端面(FC)和后端面(RC)包围形成。根据当前下肢关节角度qa相对于虚拟通道的位置，可以将下肢关节空间划分为图中(1)、(2)、(3)三块区域，不同区域力场作用力不同并且离所述虚拟通道越远，力场的作用力就越大(图中箭头也越长)。
参见图4所示虚拟通道力场作用原理图。根据当前步态周期实际值GCa与参考值GCr的偏差以及当前下肢关节角度qa相对于虚拟通道的位置，力场可对下肢关节施加3种力矩。
情况(1)，|GCa-GCr|＝0.5L，当前下肢关节轨迹qa位于虚拟通道外且超出了允许的时间偏差，此时将会受到较大的吸引力。
情况(2)，
&|GCa-GCr|＜0.5L，当前下肢关节轨迹qa位于虚拟通道外但未超出了允许的时间偏差，此时将会受到较小的吸引力。
情况(3)，
&|GCa-GCr|＜0.5L，当前下肢关节轨迹qa位于虚拟通道内，此时受到的吸引力为零，只受支撑力作用。
图5是本发明的一个实施例中一种下肢康复机器人步态训练装置的结构示意图，该下肢康复机器人步态训练装置包括：
获取模块501，用于获取用户对应的虚拟通道参数和参考运动轨迹；其中，所述虚拟通道参数包括以下至少一项：虚拟通道长度、虚拟通道宽度或关节支撑力矩系数；所述参考运动轨迹包括：下肢关节角度参考轨迹和/或下肢关节力矩参考轨迹；
参考值确定模块502，用于根据当前时刻及步态周期确定所述当前时刻的步态周期参考值；所述步态周期参考值用于表示所述当前时刻在当前步态周期中的位置；
虚拟通道构建模块503，用于根据所述当前时刻的步态周期参考值及所述虚拟通道参数构建虚拟通道；
作用力计算模块504，用于根据所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置计算力场作用力；所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置基于所述当前时刻的下肢关节角度及所述参考运动轨迹确定；
控制模块505，用于根据所述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练。
本实施例提供的下肢康复机器人步态训练装置，在下肢关节空间构造虚拟通道并通过力场进行力控制，患者的下肢关节可在虚拟通道内自由运动，可以减小康复机器人对患者的运动限制，给与患者一定的自由运动空间，有利于促进患者主动参与康复训练，适用于康复中后期患者，训练效果更好。
可选地，作为一个实施例，所述参考值确定模块502，具体用于：根据历史步态周期计算当前步态周期；计算所述当前时刻在所述当前步态周期中的位置，将所述位置对应的周期占比作为所述当前时刻的步态周期参考值。
可选地，作为一个实施例，所述虚拟通道构建模块503，具体用于：以所述当前时刻的步态周期参考值为中心，在下肢关节空间构造长度为所述虚拟通道长度，宽度为所述虚拟通道宽度的三维虚拟通道。
可选地，作为一个实施例，所述作用力计算模块504，具体用于：根据所述当前时刻的下肢关节角度确定所述当前时刻的步态周期实际值；根据所述当前时刻的步态周期实际值及所述下肢关节角度参考轨迹，计算吸引力；以及，根据所述当前时刻的步态周期实际值及所述下肢关节力矩参考轨迹，计算支撑力；根据所述吸引力及所述支撑力计算力场作用力。
可选地，作为一个实施例，所述控制模块505，具体用于：建立下肢康复机器人的弹簧阻尼模型，以及根据所述力场控制力即所述弹簧阻尼模型控制下肢康复机器人。
本发明实施例还提供一种下肢康复机器人，包括：下肢康复外骨骼及控制器；所述控制器，用于执行上述下肢康复机器人步态训练方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述下肢康复机器人步态训练方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。其中，所述的计算机可读存储介质，如只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，简称RAM)、磁碟或者光盘等。
当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。
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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种下肢康复机器人步态训练方法，其特征在于，所述方法包括：
获取用户对应的虚拟通道参数和参考运动轨迹；其中，所述虚拟通道参数包括以下至少一项：虚拟通道长度、虚拟通道宽度或关节支撑力矩系数；所述参考运动轨迹包括：下肢关节角度参考轨迹和/或下肢关节力矩参考轨迹；
根据当前时刻及步态周期确定所述当前时刻的步态周期参考值；所述步态周期参考值用于表示所述当前时刻在当前步态周期中的位置；
根据所述当前时刻的步态周期参考值及所述虚拟通道参数构建虚拟通道；
根据所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置计算力场作用力；所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置基于所述当前时刻的下肢关节角度及所述参考运动轨迹确定；
根据所述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据当前时刻及步态周期确定所述当前时刻的步态周期参考值，包括：
根据历史步态周期计算当前步态周期；
计算所述当前时刻在所述当前步态周期中的位置，将所述位置对应的周期占比作为所述当前时刻的步态周期参考值。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述当前时刻的步态周期参考值及所述虚拟通道参数构建虚拟通道，包括：
以所述当前时刻的步态周期参考值为中心，在下肢关节空间构造长度为所述虚拟通道长度，宽度为所述虚拟通道宽度的三维虚拟通道。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置计算力场作用力，包括：
根据所述当前时刻的下肢关节角度确定所述当前时刻的步态周期实际值；
根据所述当前时刻的步态周期实际值及所述下肢关节角度参考轨迹，计算吸引力；以及，根据所述当前时刻的步态周期实际值及所述下肢关节力矩参考轨迹，计算支撑力；
根据所述吸引力及所述支撑力计算力场作用力。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据所述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练，包括：
建立下肢康复机器人的弹簧阻尼模型，选择合适的刚度及阻尼系数以及根据所述力场控制力即所述弹簧阻尼模型控制下肢康复机器人进行训练。
6.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述当前步态周期的计算公式如下：
其中，n、m为脚跟着地的次数，T(i)为第i次历史步态周期，T(n)为当前步态周期，tHS(i)为第i次脚跟着地发生的时刻；
所述步态周期参考值的计算公式如下：
其中，GCr为步态周期参考值，t为当前时刻，tHS(n)为第n次脚跟着地发生的时刻。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述当前时刻的步态周期实际值的计算公式如下：
s.t.|GCa-GCr|≤0.5L
其中，GCa为当前时刻的步态周期实际值，qr为下肢关节角度参考轨迹，qa为当前时刻的下肢关节角度，L为虚拟通道长度；
所述吸引力的计算公式如下：
其中，τa为吸引力，qn为下肢关节角度参考轨迹，Δqi为下肢关节偏离程度，K1、K2、K3、B1、B2、B3为弹簧阻尼模型中系数。
8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述支撑力的计算公式如下：
其中，τb为支撑力，f(GCr)为下肢关节角度参考轨迹的梯度，f(GCa)为当前时刻的步态周期实际值的梯度，
为下肢关节力矩参考轨迹矩阵，diag(μ1，μ2，μ3)为关节支撑力矩系数矩阵。
9.一种下肢康复机器人步态训练装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取用户对应的虚拟通道参数和参考运动轨迹；其中，所述虚拟通道参数包括以下至少一项：虚拟通道长度、虚拟通道宽度或关节支撑力矩系数；所述参考运动轨迹包括：下肢关节角度参考轨迹和/或下肢关节力矩参考轨迹；
参考值确定模块，用于根据当前时刻及步态周期确定所述当前时刻的步态周期参考值；所述步态周期参考值用于表示所述当前时刻在当前步态周期中的位置；
虚拟通道构建模块，用于根据所述当前时刻的步态周期参考值及所述虚拟通道参数构建虚拟通道；
作用力计算模块，用于根据所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置计算力场作用力；所述当前时刻的下肢关节角度相对于所述虚拟通道的位置基于所述当前时刻的下肢关节角度及所述参考运动轨迹确定；
控制模块，用于根据所述力场作用力控制下肢康复机器人进行训练。
10.一种下肢康复机器人，其特征在于，包括：下肢康复外骨骼及控制器；
所述控制器，用于执行权利要求1-8任一项所述的下肢康复机器人步态训练方法。
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2020
- 2020-11-26 CN CN202011353657.8A patent/CN113952174B/zh active Active
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