[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

本發明公開了一種外骨骼機器人對側訓練用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；通過健側預運動數據采集模塊采集的數據建立步態相位標本集，通過傳感器信號采集與處理模塊采集健側運動數據，健側患側數據轉換模塊結合健側運動數據和步態相位標本集預測患側運動數據，通過患側步態修正模塊對預測結果修正，最終得到患側的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。本發明在患側外骨骼系統對患側仿健側行走的數據進行預生成處理，并根據重心變化在線修正，能滿足腦卒中患者下肢康復訓練運動的自然性和平衡性需求，使人體行走更穩定舒適。

技術領域

本發明涉及一種外骨骼機器人對側訓練用在線步態生成控制系統，屬于機器人技術。

背景技術

助力外骨骼機器人是一種穿戴方式的下肢步行仿生機械腿，它以人為中心，通過傳感器采集人體運動的趨勢，在助力方面給予與人相同步態方向的關節助力，在助行方面帶動人體產生相應運動，以刺激對應的骨骼肌群；傳統的外骨骼機器人在滿足腦卒中病人的康復理療上以及協調人體運動動作上存在缺陷。中國專利申請CN201310688125.3提供了一種擬人化下肢助力外骨骼機器人，其能夠用于下肢助力行走，對傳統的外骨骼機器人進行了一定的改善，但是該方案但并沒有對對側運動和患健側協調處理進行相關設計，目前行業內也沒可以提供參考的方案，因此不利于具體實施。

發明內容

發明目的：針對現有外骨骼機器人在腦卒中病人康復訓練中，無法有效發揮健側的主觀行動力，無法協調健側和患側的步態動作，本發明提供一種外骨骼機器人對側訓練用在線步態生成控制系統，能在滿足外骨骼機器人帶動患者患腿行動的情況下，將健側的步態生理特性映射到患側腿，并根據行走時的重心變化對執行軌跡進行在線步態修正，達到健側帶動患側同步運動的對側控制功能的協調性和靈活性的目的。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種外骨骼機器人對側訓練用在線步態生成控制系統，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；