CN111297629A - 模拟上下楼梯的康复训练方法及下肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了模拟上下楼梯的康复训练方法，属于下肢运动损伤康复治疗的技术领域，旨在增加康复训练的多样性，提高患者训练效率和环境适应能力。该方法由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。为了实现该方法，本发明还公开了一种下肢康复机器人。
Description
技术领域
本发明涉及下肢运动损伤康复治疗的技术领域，具体涉及一种模拟上下楼梯的康复训练方法及下肢康复机器人。
背景技术
当前，由于脑卒中、脊柱损伤等原因，下肢运动功能损伤的患者逐年递增。在国内康复治疗医师较少的背景下，很多患者在进行康复治疗、肌能恢复训练时选择使用下肢康复机器人进行训练与治疗。现有下肢康复机器人辅助训练方法大多基于走路或使用踏车等两种形式。针对目前下肢康复机器人训练模式单一的问题，有必要增加康复训练的多样性，提高患者康复训练效率与环境适应能力。
发明内容
为了增加康复训练的多样性，提高患者康复训练效率和环境适应能力，本发明的目的之一是公开了一种模拟上下楼梯的康复训练方法，其由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。
在本发明的一实例中，获取所述腿部运动模型的过程具体为：在人的髋关节、膝关节和踝关节设置角度采集仪，在人上下楼梯时采集髋关节、膝关节以及踝关节的角度变化以得到第一数据，对所述第一数据采用移动平均法做滤波处理以得到第二数据，针对所述第二数据中的异常值做前后平均填充以得到第三数据；采用傅里叶或B-样条线对第三数据进行拟合以得到腿部运动模型。
在本发明的一实例中，根据皮尔逊相关系数或DTW距离进行相似度计算以判断所述腿部运动模型的周期。
在本发明的一实例中，所述背板带动人体上下移动是基于人体重心位置变化曲线进行的，所述人体重心位置变化曲线如以下公式所示：
其中，yt表示t时刻人体重心位置；
a1、a2、a3、b1、 b2、b3均为常数，根据不同腿部模型的发生变化。
在本发明的一实例中，获取所述人体重心变化曲线的过程包括以下步骤：S1、基于腿部运动模型和真实的楼梯环境，以人的头部为起始点自上而下计算各关节点的位置以及判断人体的运动状态；S2、基于S1中计算的各关节点位置以及人体的运动状态，以人的最低点为起始点自下而上再次计算各关节点的位置并绘制以得到第二运动模型；S3、以髋关节竖直位置为人体重心位置，基于第二运动模型修正并计算得到人体重心位置变化曲线。
本发明的目的之二是提供一种下肢康复机器人，用以实现上述所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，包括支撑架、控制模块、驱动器、背板以及两个机械腿；所述背板安装于所述支撑架上，所述驱动器用于驱使所述背板上下移动；所述机械腿安装在所述背板的底部，所述机械腿的底部设置有脚踏板，脚踏板悬空；所述控制模块基于腿部运动模型控制两条机械腿以模拟上下楼梯时腿部的动作，同时所述控制模块基于所述人体重心位置变化曲线控制驱动器以使背板带动人体上下移动。
在本发明的一实例中，7、所述背板与所述支撑架通过滑轨连接以能够在竖直方向上运动，所述驱动器包括滚珠丝杠和驱动电机，滚珠丝杠于背板连接，驱动电机固定在支撑架上。
在本发明的一实例中，所述背板上设置有用于与人体相对固定的吊带。
在本发明的一实例中，位于所述背板对应于头部上方和人体左右两侧的位置设置有扶手。
本发明的有益效果为：
1)本发明提出了模拟上下楼梯的康复训练方法，增加了康复训练的多样性，有助于病人的恢复；
2)本发明在腿部模拟上下楼梯的同时加入了人体重心位置变化的模拟，使得康复训练的逼真程度更高，更加贴合实际生活中的上下楼梯状态，有利于病人的恢复；
3)经过拟合后的腿部运动模型的逼真度高，更加贴近实际的上下楼梯的状态。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是上楼梯时髋膝踝三关节角度轨迹变化示意图；
图2是下楼梯时髋膝踝三关节角度轨迹变化示意图；
图3是上楼梯时步态仿真示意图；
图4是下楼梯时步态仿真示意图；
图5是上楼时人体重心的拟合曲线示意图；
图6是下肢康复机器人进行康复训练时的程序流程图；
图7是下肢康复机器人的结构示意图。
附图标记：1、背板；2、扶手；3、机械腿；4、脚踏板；5、驱动电机；6、滚珠丝杠；7、支撑架。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例公开了一种模拟上下楼梯的康复训练方法，其由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。
因为只带动人腿的运动无法准确的模拟上下楼梯时的运动状态，在模拟中加入了人体重心的调节之后会使得上下楼梯的模拟更加逼真，有助于患者的恢复。针对当前下肢康复机器人垂直运动有限的问题，提出动态重心调节，以保证连续及多次运动。
获取所述腿部运动模型的过程具体为：在人的髋关节、膝关节和踝关节设置角度采集仪，在人上下楼梯时采集髋关节、膝关节以及踝关节的角度变化以得到第一数据，对第一数据采用移动平均法做滤波处理以得到第二数据，针对第二数据中的异常值做前后平均填充以得到第三数据；采用傅里叶或B-样条线对第三数据进行拟合以得到腿部运动模型。腿部运动模型是一种变化曲线，图1和图2示出了上下楼梯时的腿部运动模型。
根据皮尔逊相关系数或DTW距离进行相似度计算以判断腿部运动模型的周期。这一过程在此不进行赘述。
参见图3和图4，背板带动人体上下移动是基于人体重心位置变化曲线进行的，获取人体重心变化曲线的过程包括以下步骤：
S1、基于腿部运动模型和真实的楼梯环境，以人的头部为起始点自上而下计算各关节点的位置以及判断人体的运动状态；
S2、基于S1中计算的各关节点位置以及人体的运动状态，以人的最低点为起始点自下而上再次计算各关节点的位置并绘制以得到第二运动模型；
图3和图4示出了第二运动模型的仿真结果。
S3、以髋关节竖直位置为人体重心位置，基于第二运动模型修正并计算得到人体重心位置变化曲线。
人体重心位置变化曲线如公式(1)所示：
其中，yt表示t时刻人体重心位置；
a1、a2、a3、b1、 b2、b3均为常数，根据不同腿部模型的发生变化。
图5中示出了对公式1的拟合曲线。
使用这一方法能够增加康复训练的多样性，提高患者训练效率和环境适应能力。
实施例2：
参见图7，本实施例公开了一种下肢康复机器人，用于实现实施例1中所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其包括底座、支撑架、控制模块、驱动器、背板以及两个机械腿。控制模块在附图中未示出。
支撑架固定在底座上，背板与支撑架通过滑轨连接以使其能够在竖直方向上运动。驱动器包括滚珠丝杠和驱动电机，滚珠丝杠与背板连接，驱动电机固定在支撑架上。驱动电机用驱使滚珠丝杠做直线运动，驱动电机运作时将通过滚珠丝杠间接驱使背板上下移动。
两个机械腿安装在背板的底部，在本实施例中，使用脚踏板替代了原有的机械脚，脚踏板与机械脚一样可以受控制改变角度，所以本实施例中关于机械腿并没有做任何结构和控制上的改进，然而将脚踏板替换机械脚还简化了结构，在替换脚踏板时做的适应性的改动实质上都是机械领域的常规技术手段。
所以关于机械腿的结构和控制在此不做过多赘述，但是为了实现对下楼梯的模拟，设置了使人踩在上面的脚踏板及脚踏板悬空设置属于本发明的改进点。
控制模块基于腿部运动模型控制两条机械腿以模拟上下楼梯时腿部的动作，同时控制模块基于人体重心位置变化曲线控制驱动器以使背板带动人体上下移动。控制模块执行时是按照图6中所示出的流程图进行的。将某一曲线转换为用于控制电机或其他动力部件的信号属于现有技术，并且控制模块中必然会包含处理器，存储器等元件，其构造本身也并没有改进，所以关于控制模块的构造和其控制过程也无需赘述。
下肢康复机器人采用了人上下楼梯时下肢的关节数据并进行应用，使得康复训练时人腿能够较好做出上下楼梯的动作。并且本实施例还加入了对人体重心的控制，使得康复训练时人进行上下楼梯运动更加逼真。
因为部分患者可能无法站立，所以在背板上安装有吊带，吊带在附图中并未示出。吊带的两端固定在背板的顶部，吊带用于绕过患者的两个腋下也将患者的身体吊起，为患者支撑身体并且使身体与背板一起移动。
为了便捷使用，位于背板对应于头部上方和人体左右两侧的位置安装有扶手。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于：由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。
2.根据权利要求1所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于，获取所述腿部运动模型的过程具体为：在人的髋关节、膝关节和踝关节设置角度采集仪，在人上下楼梯时采集髋关节、膝关节以及踝关节的角度变化以得到第一数据，对所述第一数据采用移动平均法做滤波处理以得到第二数据，针对所述第二数据中的异常值做前后平均填充以得到第三数据；采用傅里叶或B-样条线对第三数据进行拟合以得到腿部运动模型。
3.根据权利要求2所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于：根据上下楼梯时下肢关节角度变化，得到人体重心曲线变化，并对曲线进行修正以实现康复机器人可以提供真实连续的上下楼梯运动。
4.根据权利要求3所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于：所述背板带动人体上下移动是基于人体重心位置变化曲线进行的，所述人体重心位置变化曲线如以下公式所示：
其中，yt表示t时刻人体重心位置；
a1、a2、a3、b1、b2、b3均为常数，根据不同腿部模型的发生变化。
5.根据权利要求4所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于，获取所述人体重心变化曲线的过程包括以下步骤：S1、基于腿部运动模型和真实的楼梯环境，以人的头部为起始点自上而下计算各关节点的位置以及判断人体的运动状态；S2、基于S1中计算的各关节点位置以及人体的运动状态，以人的最低点为起始点自下而上再次计算各关节点的位置并绘制以得到第二运动模型；S3、以髋关节竖直位置为人体重心位置，基于第二运动模型修正并计算得到人体重心位置变化曲线。
6.一种下肢康复机器人，其特征在于，用以实现权利要求1-5中任意一项所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，包括支撑架、控制模块、驱动器、背板以及两个机械腿；
所述背板安装于所述支撑架上，所述驱动器用于驱使所述背板上下移动；
所述机械腿安装在所述背板的底部，所述机械腿的底部设置有脚踏板，脚踏板悬空；
所述控制模块基于腿部运动模型控制两条机械腿以模拟上下楼梯时腿部的动作，同时所述控制模块基于所述人体重心位置变化曲线控制驱动器以使背板带动人体上下移动。
7.根据权利要求6所述的下肢康复机器人，其特征在于：所述背板与所述支撑架通过滑轨连接以能够在竖直方向上运动，所述驱动器包括滚珠丝杠和驱动电机，滚珠丝杠与背板连接，驱动电机固定在支撑架上。
8.根据权利要求6所述的下肢康复机器人，其特征在于：所述背板上设置有用于与人体相对固定的吊带。
9.根据权利要求6所述的下肢康复机器人，其特征在于：位于所述背板对应于头部上方和人体左右两侧的位置设置有扶手。
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