[發明專利]步態康復機器人及用于步態康復機器人的控制方法

在審

• 申請號: 201710125082.6
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN106618979A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 劉濤;王磊;陳眾賢;董天云;韓梅梅
• 申請（專利權）人: 杭州福祉醫療器械有限公司
• 主分類號: A61H3/04
• 分類號: A61H3/04
• 代理公司: 浙江五星國泰律師事務所33245
• 代理人: 王磊

技術領域

本發明屬于醫療器械領域，具體涉及一種步態康復機器人及用于步態康復機器人的控制方法。

背景技術

步態參數是人類行走過程中的物理參數，具體包括行走速度等等，可以反映人類運動能力，擁有較大的應用價值。可穿戴傳感器包括慣性測量單元，超聲波傳感器，微型攝像頭等等，相比于大型實驗室測量步態參數的設備如光學式運動捕捉系統、測力臺等等，以其小巧、廉價，不受時間、空間限制、易于推廣等優點被廣泛應用于步態參數測量領域。

步態的測定具有重要的意義。現在有很多人研究步態康復機器人，一種能通過自身移動協助患有腿部疾病的用戶行走的裝置。現有的步態康復機器人大多通過遙控的方式控制運行速度，往往不能夠根據用戶自身的行走速度進行跟隨用戶行走的運動，并且很有可能因為機器人運行與用戶的動作不匹配而造成二次傷害，因此非常有必要提出一種新的控制方法，使步態康復機器人能夠跟隨用戶的行走。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中步態康復機器人不能根據用戶的實際運動調整自身運動的問題，并提供一種新型的用于步態康復機器人的控制方法。

本發明中所涉及的部分名詞含義如下：

行走速度是指人在行走時人的軀干向前移動的速度。

慣性傳感器為一種集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀的傳感器，可以測量三軸加速度以及三軸角速度，并可以由這些加速度、角速度計算其自身的姿態角度。

矢狀面和鉛垂線，矢狀面是垂直于水平面并將人體分為左右兩部分的面，人在行走時，主要運動都發生在矢狀面內；鉛垂線是垂直于地面的線。

步態事件是指人在行走過程中的每個步態周期中的重要時刻，主要有擺動中期、腳落地、站立中期、腳離地四個步態事件。以右腿為例，左腿與地面接觸并支撐人體，右腿向前邁出的這段時間為右腿的擺動相；右腿擺到左腿附近時為擺動中期；接著右腳落地，右腿開始與地面接觸并支撐人體，左腿向前邁出的這段時間，為右腿的站立相；右腿以右踝關節為旋轉中心，向前移動，到達接近于與地面垂直的位置，此時為站立中期；隨后右腳離地，右腿向前邁出，完成一個步態周期。

人體小腿長度為，人體靜止站立時，膝關節至地面的高度；人體大腿長度為，人靜止站立時，髖關節至膝關節的高度。

本發明為解決技術問題，所采用的具體技術方案如下。

步態康復機器人，包括機器人本體、驅動輪、控制單元和可穿戴傳感器，所述可穿戴傳感器與控制單元有線或無線連接，所述可穿戴傳感器用于檢測用戶行走時的腳落地步態事件，并測量所述用戶大腿及小腿在矢狀面內站立相時的姿態角度與角速度，并計算出用戶的行走速度，將用戶的行走速度反饋給控制單元，所述控制單元與驅動輪電連接，控制單元根據其收集的用戶行走速度，調整驅動輪的轉速，所述驅動輪用于驅動機器人本體移動，從而使機器人本體的移動速度與用戶的行走速度保持一致。

用于步態康復機器人的控制方法，依次包括以下步驟：

（1）可穿戴傳感器測量用戶實時的行走速度；

（2）可穿戴傳感器將測得的行走速度反饋給步態康復機器人；

（3）步態康復機器人根據反饋的行走速度實時調整自身運行速度，使自身運行速度與用戶行走速度一致。

作為一種優選方式，所述的可穿戴傳感器穿戴于用戶的每條大腿和每條小腿上，所述可穿戴傳感器測量用戶實時的行走速度依次包括以下步驟：

（1）檢測用戶行走時的腳落地步態事件；

（2）實時測量所綁定的大腿、小腿在站立相時的矢狀面內的姿態角度、以及運動角速度、；

（3）通過如下幾何關系式計算得出用戶實時的行走速度：

；

式中：V為用戶行走速度，LS、LT分別為用戶的小腿、大腿長度，、分別為用戶處于站立相時小腿在矢狀面內與鉛垂線的夾角以及運動角速度，、分別為用戶處于站立相時大腿在矢狀面內與鉛垂線的夾角以及運動角速度。

作為一種優選方式，步態事件可以利用用戶小腿在矢狀面內的角速度特征進行檢測；步態事件是指人在行走過程中的每個步態周期中的重要時刻，包括擺動中期、腳落地、站立中期和腳離地四個步態事件；小腿角速度在一個周期時間內有一高一矮的兩個比較大的波峰，較高的峰對應著擺動中期，較矮的對應著站立中期；擺動中期之后有一段有很多小的負向的波峰的區域，這是腳落地造成的震動，第一個負向峰為腳落地時刻；在站立中期后，下一個擺動中期前，有一處波谷，此時對應著腳離地時刻；站立相是指從腳落地事件開始，到另一條腿腳落地事件結束，擺動相是指從站立相結束時刻開始至下次該腿腳落地事件時刻。