[發明專利]一種外骨骼機器人對側訓練用在線步態生成控制系統

有效

• 申請號: 202011426328.1
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112220650B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 何鋒;黃河;劉園虎;周曉錦;劉雷禮;王君
• 申請（專利權）人: 南京偉思醫療科技股份有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;A61B5/103;A61B5/107
• 代理公司: 南京冠譽至恒知識產權代理有限公司 32426
• 代理人: 黃成萍

1.一種外骨骼機器人對側訓練用在線步態生成控制系統，其特征在于：該外骨骼機器人包括健側運動機構和患側運動機構，該在線步態生成控制系統包括健側預運動數據采集模塊、傳感器信號采集與處理模塊、健側患側數據轉換模塊和患側步態修正模塊；

在健側運動機構的髖關節和膝關節位置分別設置健側髖關節直流伺服電機和健側膝關節直流伺服電機，記健側髖關節直流伺服電機編碼器值為C_{H_J}，記健側膝關節直流伺服電機編碼器值為C_{H_K}，通過健側腳部壓力傳感器檢測健側腳部總壓力F_H；

在患側運動機構的髖關節和膝關節位置分別設置患側髖關節直流伺服電機和患側膝關節直流伺服電機，記患側髖關節直流伺服電機編碼器值為C_{S_J}，記患側膝關節直流伺服電機編碼器值為C_{S_K}，通過患側腳部壓力傳感器檢測患側腳部總壓力F_S；

所述健側預運動數據采集模塊包括健側大腿慣性傳感器和健側小腿慣性傳感器，健側大腿慣性傳感器用于檢測健側大腿角速度ω_{H_thigh}和健側大腿俯仰角度θ_{H_thigh}，健側小腿慣性傳感器用于檢測健側小腿角速度ω_{H_shank}和健側小腿俯仰角度θ_{H_shank}；

根據{ω_{H_thigh}，θ_{H_thigh}，ω_{H_shank}，θ_{H_shank}}計算健側髖關節變化角度Φ_{H_J}和健側膝關節變化角度Φ_{H_K}；將健側和患側各踏出一步稱為一個全步態周期T，將T等間隔劃分為Q份，對間隔點t對應的{Φ_{H_J},Φ_{H_K}}進行歸一化形成t時刻的步態相位標本t＝0,1,2,…,(Q-1)，所有間隔點t對應的步態相位標本構成步態相位標本集；所述步態相位包括擺動相位和支撐相位；患側踏出一步處于0～50％全步態周期，健側踏出一步處于50～100％全步態周期：在0～50％全步態周期，健側為支撐相位，患側為擺動相位；在50～100％全步態周期，健側為擺動相位，患側為支撐相位；

所述傳感器信號采集與處理模塊采集健側實際值和患側實際值為健側髖關節直流伺服電機編碼器實際值，為健側膝關節直流伺服電機編碼器實際值，為健側腳部總壓力實際值，為患側腳部總壓力實際值；

根據脈沖與角度的換算關系，由計算健側實際值為健側髖關節變化角度實際值，為健側膝關節變化角度實際值；

根據和邏輯關系判斷健側為支撐相位還是擺動相位，判斷是否滿足患側起步條件，若滿足，對比和步態相位標本集，使得與全步態周期T的間隔點t時間對齊；采用窗口移動的方法對比和步態相位標本集，設定吻合度標準差閾值σ_max，的預采樣點數為N₀，窗口長度為M，計算和窗口內的步態相位標本的方差：若方差小于σ_max時，則匹配成功，在時間上對齊全步態周期；否則，將窗口移動一位，重復計算和窗口內的步態相位標本的方差；如此循環，直至方差小于σ_max；

所述健側患側數據轉換模塊基于左右腿的對稱原則將轉換為患側預執行時序值為患側髖關節變化角度預執行時序值，為患側膝關節變化角度預執行時序值；所述左右腿的對稱原則是一條腿為擺動相位時，另一條腿為支撐相位，兩條大腿與重力加速度向量的夾角大小相等、方向相反；左右膝關節在全步態周期的25％和75％時間點均呈現偶對稱特性，左右髖關節在全步態周期的50％時間點呈現偶對稱特性；

所述患側步態修正模塊計算空間修正參數α，根據實際采樣點數和預采樣點數之間的比值計算時間修正參數β，并使用α和β對進行修正得到患側目標時序值為患側髖關節變化角度目標時序值，為患側膝關節變化角度目標時序值，根據計算患側髖關節直流伺服電機和患側膝關節直流伺服電機的輸出位置和插值時間；

全步態周期T的間隔點t對應的空間修正參數α^t為當前時刻及向前共N個實際采樣點的實際重心高度H^R和標準站立位重心高度H_O之間的均方根誤差值，N表示實際采樣點數，表示第i個實際采樣點上采集到的實際重心高度H^R；全步態周期T的間隔點t對應的時間修正參數β^t為實際采樣點數N和預采樣點數N₀之間的比值，重心為盆骨中心點。