CN111920654A - 一种可穿戴康复助行机器人自调节*** - Google Patents

一种可穿戴康复助行机器人自调节*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可穿戴康复助行机器人自调节***，包括人机交互界面、用户信息数据库以及可穿戴外骨骼自调节模块，其中可穿戴外骨骼自调节模块是本***的核心。通过人机交互界面输入个人基本信息(性别，年龄，身高特征)到用户信息数据库，基于身高‑腿长标准模型对可穿戴下肢康复助行机器人的大腿杆和小腿杆的长度进行自调节，通过可穿戴外骨骼自调节模块内嵌的身高‑步长数学模型确定最符合个体训练的步幅长度。本发明设计结构紧凑，可以实现在输入用户信息指令后能快速分析符合其身高匹配的下肢长度和步幅长度并进行自动调节。

Description

一种可穿戴康复助行机器人自调节***
技术领域
本发明属于机器人技术和康复医疗领域，涉及机器人康复训练装置，特别涉及一种可穿戴康复助行机器人自调节***。
背景技术
中国残联2019年统计数据显示，目前中国残疾人总数8500万，其中肢体残疾占1/4，非常需要相应的康复器械。另一方面，伴随着社会老龄化的加速到来，脑血管病患者群体也在扩大。我国脑卒中患者以每年9％的速率上升，假如不采取更有效的措施，到2030年中国将有3177万名中风患者。
研究表明，卒中后开始康复训练每推迟1h，恢复良好可能性减少1％，康复训练每增加10-30min，恢复良好可能性增加13％，独立行走50米比例增加66％，神经***症状进展或复发减少11％。早期康复训练对残障患者的运动功能和日常生活活动能力恢复具有良好的促进作用。但是传统的运动康复治疗极其耗时耗力，特别是下肢的康复训练，对治疗师造成极大的负担，难以保证治疗的强度和时长，影响治疗的效果。除此之外，目前我国康复医师占基本人群比例仅为每10万人1.7人，康复专业人才存在巨大的缺口。随着科技的发展，运动康复疗法也在不断的创新，从最初普通的器械到智能化辅助器械逐渐进入医院，科技的力量正在改变传统的方法，为患者和医护人员提供最佳的仪器和治疗方法。
下肢康复机器人作为医疗机器人的一个分支，能够有效且经济地帮助肢体障碍患者进行康复治疗，已经成为了机器人领域的一个研究热点。下肢康复机器人是一套包含硬件和软件的完整的康复训练***，其肢体康复功能的治疗理念来自于运动疗法和神经重塑概念，结合了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，为下肢运动功能障碍患者提供***化的康复治疗方案和反复的运动训练，重新建立控制肢体运动的神经通路，从而达到恢复肢体功能的目的。目前可穿戴康复助行机器人的研究仍然处于发展阶段，现有的大多数康复机器人***采用固定轨迹式的下肢康复训练，没有针对用户个人特征去进行匹配的腿杆长度和步幅长度范围自调整。不同身高的用户步幅长度范围不一样，如果采用同一康复动作帮助患者进行康复训练，不利于患者的使用舒适度以及康复有效性，并且容易对关节造成二次损伤。
专利CN201410246194.3设计了一种康复机器人控制***和方法。该控制***主要是基于人机接口设备、上位机PC、多轴运动控制器、电机控制单元、感知单元和CAN总线等部分。能一定程度上保证康复训练过程中机器人和患者的姿态平衡，并提高***的可靠性及易维护性、实时性。但并没有针对性的考虑到机器与患者匹配度与使用舒适度。
专利CN201810173731.4设计了一种六自由度的上肢康复机器人控制***。该控制***为以太网总线型拓扑结构，包括控制***软件、工控机和与工控机连接的人机交互设备以及总线控制模块；一定程度上简化了控制***结构，并提高控制***执行效率，提高设备关节同步性。但该控制***没有针对性的考虑到不同特征患者关节长度不一致，患者使用中会觉得贴合性差并可能造成二次损伤。
通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相同的公开专利文献。
发明内容
本发明的目的在于补充现有技术的不足，通过可穿戴康复助行机器人自调节***，提高人机匹配度，让用户更科学有效的进行康复训练。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种可穿戴康复助行机器人自调节***。其特征包括人机交互界面模块、用户信息数据库模块以及可穿戴外骨骼自调节模块。其中可穿戴外骨骼自调节模块是本***的核心。用户通过个人基本信息(性别，年龄，身高特征)输入信息数据库，基于用户信息数据库模块对可穿戴下肢康复助行机器人的大腿杆和小腿杆的长度进行自调节，通过可穿戴外骨骼自调节模块内嵌的身高-步长数学模型调节一个步态周期内电机的脉冲量确定其最符合的步幅长度。
本发明调节步幅长度是通过调整髋、膝关节角度和滚珠丝杠行程来实现的，具体步骤分为三步：
步骤1、通过三维红外运动捕捉***获取正常人体在一个步态周期内行走的步态数据，包括左腿髋关节角度数据、左腿膝关节角度数据、右腿髋关节角度数据和右腿膝关节角度数据。对一个步态周期内的关节角度数据进行离散化处理，得到任意时刻的关节角度值；
步骤2、根据外骨骼机器人结构的几何位置关系推导出髋关节角度与髋关节处执行机构位移之间的转换关系，膝关节角度与膝关节处执行机构位移之间的转换关系；
在步骤2中，外骨骼机器人关节角度与执行机构位移之间的转换关系为：
将下肢外骨骼的大腿杆和小腿杆简化为连杆结构：
结合四杆机构的原理、装置的运动轨迹和正常人体的尺寸确定四杆机构各杆件的长度。利用各关节的极限位置来计算滚珠丝杠的行程。髋关节处的滚珠丝杠行程如图2所示，AE1表示丝杠完全缩回，安装位置至丝杠末端的长度。AE表示丝杠伸出一定距离，安装位置至丝杠末端的长度。丝杠的行程用ΔH表示.
Figure BSA0000218352050000031
Figure BSA0000218352050000032
由余弦定理知，
Figure BSA0000218352050000033
由余弦定理可知，
Figure BSA0000218352050000034
故安装在髋关节驱动器滚珠丝杠的行程：ΔH＝AE-AE1。
膝关节处的滚珠丝杠行程如图3所示，BC表示丝杠完全缩回，安装位置至丝杠末端的长度。BC1表示丝杠伸出一定距离，安装位置至丝杠末端的长度。丝杠的行程用ΔK表示。
膝关节处与地面垂直即伸展0°时，
Figure BSA0000218352050000035
Figure BSA0000218352050000036
由余弦定理知，
Figure BSA0000218352050000037
膝关节屈曲到最大角度值时，
Figure BSA0000218352050000038
故膝关节滚珠丝杠的行程为：ΔK＝BC1-BC。
步骤3、通过测量100名15-40岁男性的步长和身高，建立身高-步长数学模型：y(身高)＝0.1819x(x为步长)+156.79。通过步骤1所得关节角度值和步骤2所求得的关节角度与执行机构位移之间的转换关系，获取外骨骼机器人左腿执行机构的位移量和右腿执行机构的位移量，根据执行机构位移量与脉冲之间的转换关系获取执行机构的脉冲量；
在步骤3中，外骨骼机器人执行机构的位移量与脉冲数之间的转换关系为：
Figure BSA0000218352050000041
式中，θ表示伺服电动缸的步距角，s表示丝杠的螺距，P表示脉冲数；L(t+Δt)表示t+Δt时刻执行机构的长度。
根据身高-步长数学模型得到人体正常运动的步长x，需要动态调整外骨骼机器人的关节角度和丝杠行程，建立如图4所示的下肢单步运动模型，为了便于分析，假定膝关节处于完全伸展状态，由此可以得出：
l1＝l2＝腿长-ΔH-ΔK
x1＝l1×sin q1
x2＝l2×sin q2
x＝x1+x2
式中，l1和l2表示左腿真实长度和右腿真实长度，腿长表示根据身高-腿长标准模型求得，即腿长＝t1+t2，q1为左腿髋关节相较于矢状轴的运动角度，q2为右腿髋关节相较于矢状轴的运动角度。
附图说明
图1为本发明实施例中可穿戴康复助行机器人自调节***的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中髋关节运动行程示意图；
图3为本发明实施例中膝关节运动行程示意图；
图4为本发明实施例中下肢单步运动示意图。
具体实施方式
所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述的人机交互界面包括用户信息注册与登陆界面、使用功能界面以及用户信息界面。在用户注册登陆界面中可以进行隐私设置与个人使用选择。在同意平台使用隐私及权限说明后进行注册登陆，进入后用户可以录入查看自己的数据信息以及康复训练的记录等。医生也可以在登陆后查看患者的个人健康档案以及训练记录与标准。在使用功能界面用户可以对用户信息进行查看并设置训练模式的提醒。在用户信息界面中，医生可以进行对用户名册进行增加或者修改对操作。并查阅患者个人信息，包括患者名字、性别、年龄以及康复训练状况及登陆次数与时间记录等。
所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述的用户数据库主要利用Access数据管理***来进行对用户账户密码信息以与个人信息及康复训练数据的存储。医生可以通过用户信息数据库对不同患者的情况信息查询，并可在数据库中查阅患者个人信息，包括患者名字、性别、年龄以及康复训练状况及登陆次数与时间记录等。还可以实现对用户数据的管理，包括删减与增加、修改调整等情况。用户信息数据库包括用户数据中心和个人管理中心，用户数据中心主要用于存储用户账号与密码的数据，与个人管理中心的用户信息及康复训练数据库进行匹配。首次注册后的用户将信息填入用户数据中心，在第二次登录时账号密码可自动与个人管理中心的用户信息进行匹配，在成功匹配后登陆进入。个人管理中心主要用于存储用户信息及康复训练记录与身体训练指标状况。
所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述的可穿戴外骨骼自调节模块主要实现腿杆长度的自调节。根据人体身高-腿长标准模型，大腿长度t1＝身高x 0.341，小腿长度t2＝身高x 0.21。基于用户信息数据库，当输入新用户的个人特征信息，可穿戴外骨骼自调节模块会控制直流推杆电机工作，经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母，把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作以控制调节腿部长度。
所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述的可穿戴外骨骼自调节模块主要实现步幅长度的自调节。对于步幅长度调节，建立了基于用户身高-步长数学模型。通过测量100名15-40岁男性的步长和身高，建立身高-步长数学模型：y(身高)＝0.1819x(x为步长)+156.79。可穿戴外骨骼自调节模块在用户进行登陆以及信息的输入匹配后，根据用户的信息数据分析其输入的身高等特征导入***模块中的数学模型进行用户身高所对应的步幅长度，以更好的让用户在匹配的步幅长度范围内使用康复助行机器人进行更科学的康复训练。
本发明的优点和有益效果是：
1、本发明的人机交互界面模块有包括用户信息注册与登陆界面、使用功能界面以及用户信息界面。在用户注册登陆界面中可以进行隐私设置与个人使用选择。在同意平台使用隐私及权限说明后进行注册登陆，进入后用户可以录入查看自己的数据信息以及康复训练的记录等。医生也可以在登陆后查看患者的个人健康档案以及训练记录与时间。可以针对用户个人情况更有针对性的进行康复训练。
2、本发明的用户信息数据库里包括用户数据中心和个人管理中心，用户数据中心主要用于存储用户账号与密码的数据，与个人管理中心的用户信息及康复训练数据库进行匹配。首次注册后的用户将信息填入用户数据中心，在第二次登录时账号密码可自动与个人管理中心的用户信息进行匹配，在成功匹配后登陆进入。个人管理中心主要用于存储用户信息及康复训练记录与身体训练指标状况。这样可以实行信息全面存储以及实行操作快速匹配。
3、本发明有实验数据基础，利用用户身高与步幅长度之间线性关系的数学模型建立的可穿戴康复助行机器人的康复训练自动调节***。可穿戴外骨骼自调节模块在用户进行登陆以及信息的输入匹配后，根据用户的信息数据分析其输入的身高等特征导入***模块中的身高-步长数学模型进行用户身高所对应的步幅长度，可以让用户在匹配的步幅长度范围内使用康复助行机器人进行更科学的康复训练。

Claims (5)

1.一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：基于用户身高与腿长、步幅长度之间线性关系的数学模型建立的可穿戴康复助行机器人自调节***。主要由三个模块组成：人机交互界面，用户信息数据库及可穿戴外骨骼自调节模块。用户在进行个人账户注册后进行登陆进入人机交互界面，通过人机交互界面输入个人基本信息到用户信息数据库，可穿戴外骨骼自调节模块经过身高-腿长标准模型对腿杆长度进行自调节，利用身高-步长数学模型自动调节符合用户身高的康复助行机器人的步幅长度。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述的人机交互界面模块包括用户信息注册与登陆界面、使用功能界面以及用户信息界面。在用户注册登陆界面中可以进行隐私设置与个人使用选择。在同意平台使用隐私及权限说明后进行注册登陆，进入后用户可以录入查看自己的数据信息以及康复训练的记录等。医生也可以在登陆后查看患者的个人健康档案以及训练记录与标准。在使用功能界面用户可以对用户信息进行查看并设置训练模式的提醒。在用户信息界面中，医生可以进行对用户名册进行增加或者修改对操作。并查阅患者个人信息，包括患者名字、性别、年龄、身高以及康复训练状况及登陆次数与时间记录等。
3.根据权利要求1所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述的用户数据库包括用户数据中心和个人管理中心，利用Access数据管理***来进行对用户账户密码信息以与个人信息及康复训练数据的存储。医生通过软硬件平台对患者的个人信息和训练状况进行记录并存储到用户信息数据库。医生可以通过用户信息数据库进行对不同患者的情况信息查询。并可在数据库中查阅患者个人信息，包括患者名字、性别、年龄、身高以及康复训练状况及登陆次数与时间记录等。还可以实现对用户数据的管理，包括删减与增加、修改调整等情况。用户数据中心主要用于存储用户账号与密码的数据，与另一个个人管理中心的用户信息及康复训练数据库进行匹配。首次注册后的用户将信息填入用户数据中心，在第二次登录时账号密码可自动与个人管理中心的用户信息进行匹配，在成功匹配后登陆进入。个人管理中心主要用于存储用户信息及康复训练记录与身体训练指标状况。
4.根据权利要求3所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述对患者进行个人信息和康复训练状况记录并存储的软硬件平台，包括硬件平台和软件平台，其中硬件平台包括Vicon***、Novel足底压力测量***、Noraxon肌力测试***、编码器和足底压力传感器，软件平台包括NEXUS数据采集应用分析仪，对患者形态姿势的评定、肌力评定、关节活动度、肌张力、平衡与协调能力、神经电生理检查、步态数据采集。
5.根据权利要求1所述的一种可穿戴康复助行机器人自调节***，其特征在于：所述的可穿戴外骨骼自调节模块主要是基于用户身高与步幅长度之间线性关系的身高-步长数学模型，可穿戴外骨骼自调节模块在用户进行登陆以及信息的输入匹配后，基于身高-腿长标准模型，结合用户的信息数据分析其输入的身高特征进行康复助行机器人的腿杆长度调节，然后根据可穿戴外骨骼自调节模块中的身高-步长数学模型进行用户身高所对应的步幅长度自调节，以更好的让用户在使用康复助行机器人进行更科学的康复训练。
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