步態康復機器人及用於步態康復機器人的控制方法與流程
2023-04-29 17:05:14 2
本發明屬於醫療器械領域，具體涉及一種步態康復機器人及用於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，相比於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、易於推廣等優點被廣泛應用於步態參數測量領域。
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，並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。
技術實現要素：
本發明的目的在於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，並提供一種新型的用於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幹向前移動的速度。
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，並可以由這些加速度、角速度計算其自身的姿態角度。
矢狀面和鉛垂線，矢狀面是垂直於水平面並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；鉛垂線是垂直於地面的線。
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，左腿與地面接觸並支撐人體，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並支撐人體，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，到達接近於與地面垂直的位置，此時為站立中期；隨後右腳離地，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，所採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於檢測用戶行走時的腳落地步態事件，並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，並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，所述驅動輪用於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。
用於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於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）通過如下幾何關係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，、分別為用戶處於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，、分別為用戶處於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徵進行檢測；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；擺動中期之後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；在站立中期後，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。
作為一種優選方式，可穿戴傳感器測量的行走速度通過有線或無線方式實時傳輸給步態康復機器人。
作為一種優選方式，步態康復機器人實時接收用戶行走速度數據，並根據所接收的行走速度數據實時更改其驅動電機的轉速，使步態康復機器人整體的前進速度與用戶實時的行走速度一致。
作為一種優選方式，所述可穿戴傳感器為慣性傳感器或超聲波傳感器。
上述各優選方式中的技術特徵在不相互衝突的前提下，均可進行相互組合，不構成限制。
本發明相對於現有技術而言，其有益效果是：
（1）使用本發明控制步態康復機器人，廉價、方便，不受場地限制，易於推廣。
（2）使用本發明控制步態康復機器人，可以使步態康復機器人跟隨用戶的運動速度以及運動特點，有較好的人機互動性。
（3）使用本發明控制步態康復機器人，可以避免康復訓練過程中的二次傷害，擁有較好的臨床價值。
本發明中部分步驟的具體效果將通過後續的具體實施方式進行詳細說明。
附圖說明
圖1 本發明中矢狀面、鉛垂線示意圖；
圖2 本發明中傳感器放置位置示意圖；
圖3 本發明中步態康復機器人示意圖；
圖4 本發明中人體行走周期示意圖；
圖5 本發明中步態事件檢測示意圖；
圖6 本發明中人體二維幾何模型及行走速度計算示意圖；
上述圖1、2、6中P表示鉛垂線（Plumb line），S表示矢狀面（Sagittal Plane）；
上述圖2中，1、2分別為放置在左大腿、左小腿上的慣性傳感器，3、4分別為放置在右大腿、右小腿上的慣性傳感器；
上述圖4、5中，A~D為右腿在一個步態周期內的步態事件，其中A為擺動中期步態事件，B為腳落地步態事件，C為站立中期步態事件，D為腳離地步態事件。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行進一步說明，因便於更好地理解。本發明以下實施例僅用於提供一種優選的方式，但其中技術特徵在不相互衝突的前提下，均可進行相互組合，不構成對本發明保護範圍的限制。
本發明中的步態康復機器人是一種輪式的移動機器人，請參閱圖3，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於檢測用戶行走時的腳落地步態事件，並實時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，並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，所述驅動輪用於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。
用於步態康復機器人的控制方法，使用包括四個慣性測量傳感器的可穿戴設備測量用戶行走速度，並將該行走速度反饋給步態康復機器人，步態康復機器人根據該用戶行走速度實時調整自身運行速度，使該機器人跟隨該用戶的行走速度運行。
需要說明的是，請參閱圖5，步態事件可以利用該腿小腿在矢狀面內的角速度特徵進行檢測。小腿角速度在一個周期內通常主要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；擺動中期之後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；在站立中期後，下一個擺動中期前，有一處波谷，此時對應著腳離地時刻。可以近似的認為站立相從該腿腳落地事件開始，到另一條腿腳落地事件結束，擺動相從站立相結束時刻開始至下次該腿腳落地事件時刻；可以近似的認為左腿處於站立相時右腿處於擺動相，左腿處於擺動相時右腿處於站立相。
另外為方便描述，請參閱圖6，將人體轉化為二維模型，忽略腳的形狀，將人體的小腿、大腿及軀幹簡化為杆，膝關節、髖關節簡化為鉸鏈。
目標用戶穿戴慣性傳感器設備，左右小腿上分別對稱放置一個慣性傳感器，左右大腿上也分別對稱放置一個慣性傳感器，如圖2所示。
每一個慣性傳感器都可以實時測量該用戶的大腿或小腿在矢狀面內實時的姿態角度以及運動角速度，並可以檢測用戶行走時的腳落地步態事件。請參閱圖4，首先根據腳落地事件確定兩腿的狀態（站立相或擺動相）：從一條腿腳落地事件開始，到另一條腿腳落地事件結束，即為該腿的站立相，該腿的擺動相從站立相結束時刻開始至下次該腿腳落地事件的發生；兩條腿的站立相構成整個步態周期。
在用戶行走過程中，以處於站立相的小腿與地面的交點為旋轉中心，如圖6所示，利用幾何關係以及物理關係可以計算該腿膝關節的此時的前進速度：
式中：為用戶處於站立相的腿的膝關節前進速度；LS為用戶的小腿長度，可由用戶自行測量設定；、分別為用戶此時處於站立相的小腿在矢狀面內與鉛垂線的夾角以及運動角速度，均可由可穿戴傳感器獲得。如圖6所示，進一步可以計算用戶軀幹此時的前進速度，即用戶的行走速度：
式中：V為用戶行走速度；LT為用戶的大腿長度，可由用戶自行測量設定；、分別為用戶此時處於站立相的大腿在矢狀面內與鉛垂線的夾角以及運動角速度，均可由可穿戴傳感器獲得。上述過程在用戶行走時反覆進行，以獲得用戶實時的行走速度。
通過可穿戴傳感器測量的實時的行走速度可以通過藍牙、wifi等無線方式實時傳輸給步態康復機器人，步態康復機器人實時接收用戶行走速度數據，並實時更改驅動該機器人運行的驅動電機的轉速，使該機器人整體的前進速度等於用戶實時的行走速度。用戶的行走速度發生改變時，步態康復機器人的前進速度也會隨之改變，以此達到跟隨用戶行走的目的。
以上所述的實施例只是本發明的一些較佳的方案，然而其並非用以限制本發明。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。例如，上述實施例也可以使用其他算法或者使用其他傳感器（如超聲波傳感器等）來計算用戶行走速度，進而控制步態康復機器人的前進。
由此可見，凡採取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。