[發(fā)明專利]一種基于下肢行走特點(diǎn)的下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710448440.7
• 申請(qǐng)日: 2017-06-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107273611B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張武翔;何志敏;石狄;齊沖;丁希侖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;A61H3/00
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 周長(zhǎng)琪

本發(fā)明基于下肢行走特點(diǎn)的下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法，首先基于下肢行走特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化建模：建立人體下肢髖、膝、踝轉(zhuǎn)角的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，確定描述該模型函數(shù)曲線的形式和所需參數(shù)個(gè)數(shù)。隨后建立曲線參數(shù)的數(shù)學(xué)反解方程組。接著尋找人體結(jié)構(gòu)參數(shù)與特征關(guān)鍵點(diǎn)位之間的線性和非線性映射關(guān)系。最后測(cè)量人體結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)人體結(jié)構(gòu)參數(shù)與特征關(guān)鍵點(diǎn)的映射關(guān)系，找出患者特征關(guān)鍵點(diǎn)，并反解曲線的參數(shù)，得到曲線具體表達(dá)式，最后根據(jù)下肢康復(fù)機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)和構(gòu)型，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)位置和相應(yīng)下肢角度求解，生成機(jī)器人對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令。本發(fā)明更加符合人體下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更能揭示人體下肢運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于下肢行走特點(diǎn)的下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

當(dāng)今社會(huì)老齡化逐漸成為普遍的趨勢(shì)，老人的身體機(jī)能是逐漸下降的，并且伴著腦卒中、偏癱等疾病。治療后期需要為這些疾病患者規(guī)劃科學(xué)有效的康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃，這樣有助于幫助患者建立和恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能。下肢康復(fù)機(jī)器人能夠節(jié)約社會(huì)和醫(yī)療資源的優(yōu)勢(shì)就十分突出。

研究步態(tài)規(guī)劃不僅對(duì)了解人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)肢體間的協(xié)調(diào)配合決策具有重要的意義,而且在臨床診斷、康復(fù)醫(yī)療、人機(jī)工程學(xué)、體育科學(xué)以及仿生機(jī)構(gòu)與類人機(jī)器人等領(lǐng)域都具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)1：王企遠(yuǎn).步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人助行腿的步態(tài)規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制.上海大學(xué),2011。其中，直接將某一組角度數(shù)據(jù)擬合得到的參數(shù)方程作為助興腿步態(tài)規(guī)劃的軌跡方程，未考慮不同人不同身體條件的差異性。參考文獻(xiàn)2：趙凌燕.人體步態(tài)模型實(shí)驗(yàn)研究.哈爾濱工程大學(xué),2008。其中，將矢狀面內(nèi)人體下肢的關(guān)節(jié)角度軌跡曲線與身高與行走速度相聯(lián)系起來(lái)，研究身高與行走速度變化時(shí)，曲線幅值與初始相位的變化關(guān)系。但是對(duì)于更為復(fù)雜的，人體參數(shù)與曲線參數(shù)之間關(guān)系未作更為深入探究。參考文獻(xiàn)3：周曉晨.下肢康復(fù)機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的宜人性研究:河北工業(yè)大學(xué)，2015。其中，采用徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所獲得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并以實(shí)驗(yàn)對(duì)象的身體參數(shù)為訓(xùn)練輸入，輸出需要的步長(zhǎng)和步態(tài)周期，生成相應(yīng)的步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

人體下肢運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜且符合生物學(xué)原理的過(guò)程，如果僅僅把步態(tài)規(guī)劃作為一個(gè)數(shù)學(xué)處理的過(guò)程，而不結(jié)合人體下肢行走的特點(diǎn)，則會(huì)將人體行走的生物性質(zhì)割裂開(kāi)來(lái)，所得到的數(shù)學(xué)模型無(wú)實(shí)際意義，也不能揭示行走規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于下肢行走特點(diǎn)的下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法，通過(guò)測(cè)量患者的結(jié)構(gòu)參數(shù)，規(guī)劃出患者康復(fù)過(guò)程中的下肢運(yùn)動(dòng)軌跡。

本發(fā)明基于下肢行走特點(diǎn)的下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法，通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟1：參數(shù)化建模：

建立人體下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)矢狀面轉(zhuǎn)角的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型θ＝(θ_h θ_k θ_a)；θ_h、θ_k、θ_a分別為髖、膝與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線模型，具體為：