CN116617054A - 一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法 - Google Patents
一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116617054A CN116617054A CN202211546473.2A CN202211546473A CN116617054A CN 116617054 A CN116617054 A CN 116617054A CN 202211546473 A CN202211546473 A CN 202211546473A CN 116617054 A CN116617054 A CN 116617054A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- angle
- motor
- joint
- angular velocity
- personal computer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 title claims description 17
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 claims abstract description 34
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 claims abstract description 33
- 238000012549 training Methods 0.000 claims abstract description 23
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 claims abstract description 19
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 claims abstract description 19
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 8
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 claims abstract description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 5
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 claims abstract description 5
- 230000005021 gait Effects 0.000 claims description 53
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 42
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 11
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 8
- 230000003183 myoelectrical effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 6
- 101000911772 Homo sapiens Hsc70-interacting protein Proteins 0.000 claims description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 abstract description 3
- 206010019468 Hemiplegia Diseases 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 206010008190 Cerebrovascular accident Diseases 0.000 description 2
- 206010060820 Joint injury Diseases 0.000 description 2
- 208000028389 Nerve injury Diseases 0.000 description 2
- 208000006011 Stroke Diseases 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000002490 cerebral effect Effects 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000007659 motor function Effects 0.000 description 2
- 230000008764 nerve damage Effects 0.000 description 2
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 2
- 206010033799 Paralysis Diseases 0.000 description 1
- 208000020339 Spinal injury Diseases 0.000 description 1
- 244000309466 calf Species 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 1
- 201000006417 multiple sclerosis Diseases 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000031877 prophase Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
- A61B5/1036—Measuring load distribution, e.g. podologic studies
- A61B5/1038—Measuring plantar pressure during gait
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/369—Electroencephalography [EEG]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/389—Electromyography [EMG]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
- B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
- A61H2003/005—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about with knee, leg or stump rests
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
- A61H2003/007—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/12—Driving means
- A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
- A61H2205/10—Leg
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Surgery (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Robotics (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Psychiatry (AREA)
- Psychology (AREA)
- Dentistry (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法，所述***包括活动连接的移动保护架、外骨骼机器人、肌电信息采集设备、脑电信息采集设备和工控机；所述外骨骼机器人包括腿仿生支撑结构，腿仿生支撑结构位于腰部机构的左右对称安装；所述腿仿生支撑结构包括依次连接的髋关节集成电机、大腿调节杆、膝关节集成电机、小腿调节杆和足部智能传感靴，所述智能传感靴的底部设有足部压力传感器；所述控制方法包括被动控制模式和主动控制模式。本发明引入了患者主动运动意图，通过脑电、肌电信息实时反馈患者的生理状态，实时显示和记录康复训练的步速、时间、关节轨迹、驱动力和人机作用力等信息，良好适配不同患者，提高患者参与康复训练的积极性。
Description
技术领域
本发明涉及一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法。
背景技术
随着我国老龄人口不断增加，脑卒中、关节损伤、偏瘫等疾病的患者也急剧增加。脑卒中、关节损伤、偏瘫，以及脊椎损伤、下肢神经损伤、多发性硬化症等疾病往往导致患者下肢行动能力丧失，严重影响患者生活质量。临床研究证明，对于神经损伤造成的运动功能缺失，例如下肢瘫痪或偏瘫，及时、科学的对受损功能反复重现可以提高患肢的运动功能恢复程度。
由于我国专业康复训练资源缺乏，很多患者可能错过最佳的康复时机，而康复辅助行走外骨骼机器人可以解决康复医疗资源紧张和人工训练工作量大等问题，并且可通过感知***获得人体运动学和生理学数据，帮助康复师更准确地诊断评估病情，改进和优化康复策略。有数据表明，在外骨骼的辅助训练下，病人恢复行走能力的时间可缩短50％-70％。随着人民生活水平的提高，患者对日常活动和康复训练的需要越来越大，康复辅助行走外骨骼机器人必将在辅助患者行走和康复治疗中起到重要的作用。
但是目前国内绝大部分康复外骨骼训练动作种类比较单一，运动范围具有局限性，多数忽略了患者的主动运动意图，缺乏患者生理状态的实时反馈，不能良好适配不同患者，因而不利于激发患者的主动意识、提高患者参与康复训练的积极性，很难达到理想的康复效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种下肢外骨骼智能柔顺控制***，所述***包括活动连接的移动保护架、外骨骼机器人、肌电信息采集设备、脑电信息采集设备和工控机；所述外骨骼机器人包括腿仿生支撑结构，腿仿生支撑结构位于腰部机构的左右对称安装；所述腿仿生支撑结构包括依次连接的髋关节集成电机6、大腿调节杆、膝关节集成电机9、小腿调节杆和足部智能传感靴11，所述智能传感靴的底部设有足部压力传感器；所述大腿调节杆上设有大腿根部绑带7和大腿端部传感绑带8，所述小腿调节杆上设有小腿传感绑带10；所述肌电信息采集设备、脑电信息采集设备、髋关节集成电机6、膝关节集成电机9、大腿端部传感绑带8、小腿传感绑带10均与工控机通信连接。
所述髋关节集成电机和膝关节集成电机采用一体化集成驱动单元，内置减速器、电机、编码器、扭矩传感器和驱动器，所述电机的输出端与减速器的输入端连接，减速器的输出端与大腿调节杆连接，所述编码器、驱动器安装在电机上，所述扭矩传感器与电机的输出轴连接，所述编码器、扭矩传感器和驱动器均与工控机通信连接。
一种下肢外骨骼智能柔顺控制方法，所述方法包括被动控制模式和主动控制模式；
所述被动控制模式包括以下步骤：S1:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,大腿端部传感绑带8和小腿传感绑带10分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
S2:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度ΔqM,
S3：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,做差得到期望的角度和角速度qD,/>即qD＝qIN-ΔqM,/>实现上层的闭环控制；
S4：工控机将期望的角度和角速度qD,发送给关节电机驱动器，实际的运动轨迹的角度和角速度qF,/>反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度ΔqD,即ΔqD＝qD-qF,/>关节电机驱动器根据控制量角度和角速度ΔqD,/>输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制；
所述主动控制模式包括以下步骤：S1:在康复训练前，先通过肌电信息采集设备和脑电信息采集设备采集患者各个动作的肌电信号和脑电信号，建立人体运动步态轨迹的各个动作和肌电信号、脑电信号的映射关系，即肌电信号、脑电信号与人体髋关节、膝关节运动角度、角速度的对应关系，同时工控机不断记录患者行动过程中的足底压力、关节角度和关节力矩以建立步态轨迹库；
S2：在患者康复训练的过程中，实时采集患者的肌电信号和脑电信号，与步态轨迹库中的肌电信号和脑电信号对比，判断患者的运动意图，输出预测步态轨迹；
S3:通过当前关节角度、足底压力信息对预测步态轨迹进行判断；若判断正确，则进行S4中的步骤；若判断错误，则根据前一时刻运动状态从步态轨迹库中利用粒子群优化算法匹配最优数据，从而驱动当前时刻关节运动；
S4:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,大腿端部传感绑带8和小腿传感绑带10分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
S5:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度DqM,
S6：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,做差得到期望的角度和角速度qD,/>即qD＝qIN-ΔqM,/>实现上层的闭环控制；
S7：工控机将期望的角度和角速度qD,发送给关节电机驱动器，实际的运动轨迹的角度和角速度qF,/>反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度ΔqD,即ΔqD＝qD-qF,/>关节电机驱动器根据控制量角度和角速度ΔqD,/>输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制。
本发明的有益效果：本发明引入了患者主动运动意图，通过脑电、肌电信息实时反馈患者的生理状态，实时显示和记录康复训练的步速、时间、关节轨迹、驱动力和人机作用力等信息，良好适配不同患者，因而有利于激发患者的主动意识、提高患者参与康复训练的积极性，达到理想的康复效果。
附图说明
图1是本发明康复外骨骼整体示意图。
图2是本发明康复外骨骼侧视示意图。
图3是本发明康复外骨骼正视示意图。
图4是本发明被动控制原理框图。
图5是本发明被动控制流程图。
图6是本发明主动控制原理框图。
图7是本发明主动控制流程图。
其中，1.主控制箱，2.移动保护架，3.背带，4.连接机构，5.腰部机构，6.髋关节集成电机，7.大腿根部绑带，8.大腿端部传感绑带，9.膝关节集成电机，10.小腿传感绑带，11.智能传感靴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1-3所示(其中脑电、肌电信息采集设备以及显示终端未画出)，一种下肢外骨骼智能柔顺控制***，所述***包括活动连接的移动保护架、外骨骼机器人、肌电信息采集设备、脑电信息采集设备和工控机；所述外骨骼机器人包括腿仿生支撑结构，腿仿生支撑结构位于腰部机构的左右对称安装；所述腿仿生支撑结构包括依次连接的髋关节集成电机6、大腿调节杆、膝关节集成电机9、小腿调节杆和足部智能传感靴11，所述智能传感靴的底部设有足部压力传感器；所述大腿调节杆上设有大腿根部绑带7和大腿端部传感绑带8，所述小腿调节杆上设有小腿传感绑带10；所述肌电信息采集设备、脑电信息采集设备、髋关节集成电机6、膝关节集成电机9、大腿端部传感绑带8、小腿传感绑带10均与工控机通信连接。图中外骨骼与保护架可通过4连接机构连接或分离。患者可根据自身情况选择随2移动保护架一同进行康复训练或者将外骨骼与2移动保护架分离后进行训练。患者通过3背带、7大腿根部绑带、8大腿端部传感绑带、10小腿传感绑带、11智能传感靴与外骨骼柔顺连接。根据患者康复阶段不同选择被动或者主动模式，且能通过4连接机构将外骨骼与2移动保护架连接或分离以使患者达到最舒适的训练状态。
所述髋关节集成电机和膝关节集成电机采用一体化集成驱动单元，内置减速器、电机、编码器、扭矩传感器和驱动器，所述电机的输出端与减速器的输入端连接，减速器的输出端与大腿调节杆连接，所述编码器、驱动器安装在电机上，所述扭矩传感器与电机的输出轴连接，所述编码器、扭矩传感器和驱动器均与工控机通信连接。
一种下肢外骨骼智能柔顺控制方法，所述方法包括被动控制模式和主动控制模式；
所述被动控制模式包括以下步骤：S1:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,大腿端部传感绑带8和小腿传感绑带10分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
S2:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度ΔqM,其中修正的角度和角速度ΔqM,/>的值反映了人体下肢对当前标准步态的排斥程度，值越大说明排斥程度越大；
S3：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,做差得到期望的角度和角速度qD,/>即qD＝qIN-ΔqM,/>实现上层的闭环控制；
S4：工控机将期望的角度和角速度qD,发送给关节电机驱动器(髋关节电机驱动器和膝关节电机驱动器)，实际的运动轨迹的角度和角速度qF,/>反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度ΔqD,/>即ΔqD＝qD-qF,/>关节电机驱动器根据控制量角度和角速度ΔqD,/>输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制
此种模式下的关键是力位映射模型，所述力位映射模型具体为：假设人体行走舒适的状态下腿部接触力的最大值和最小值分别为FMax和FMin(完全丧失行走能力的病人舒适状态下FMax和FMin与有一定行走能力的病人取值不同，可根据试验情况确定该值)，实际腿部接触力传感器反馈值为F。当腿部接触力FMin<F<FMax时，我们可以认为此时人体穿戴外骨骼行走较为舒适，外骨骼行走轨迹不需要修正。当腿部接触力F<FMin时，此时外骨骼向前抬腿速度较快，人体相对外骨骼产生了向后运动的趋势，需要根据F的值对外骨骼行走轨迹进行修正，即其中m为外骨骼腿部的质量，K1为需要根据调试情况确定的系数，dt为控制***一个控制周期。当腿部接触力F>FMax时，此时外骨骼向后摆腿速度较快，人体相对外骨骼产生了向前运动的趋势，需要根据F的值对外骨骼行走轨迹进行修正，即/>其中m为外骨骼腿部的质量，K2为需要根据调试情况确定的系数，dt为控制***一个控制周期。
所述主动控制模式包括以下步骤：S1:在康复训练前，先通过肌电信息采集设备和脑电信息采集设备采集患者各个动作的肌电信号和脑电信号，建立人体运动步态轨迹的各个动作和肌电信号、脑电信号的映射关系，即肌电信号、脑电信号与人体髋关节、膝关节运动角度、角速度的对应关系，同时工控机不断记录患者行动过程中的足底压力、关节角度和关节力矩以建立步态轨迹库；其中足底压力通过智能传感靴内压力传感器获得，所述关节角度和关节力矩分别从关节电机的编码器和扭矩传感器中获得；
S2：在患者康复训练的过程中，实时采集患者的肌电信号和脑电信号，与步态轨迹库中的肌电信号和脑电信号对比，判断患者的运动意图，输出预测步态轨迹；
S3:通过当前关节角度、足底压力信息对预测步态轨迹进行判断；若判断正确，则进行S4中的步骤；若判断错误，则根据前一时刻运动状态从步态轨迹库中利用粒子群优化算法匹配最优数据，从而驱动当前时刻关节运动；
S4:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,大腿端部传感绑带8和小腿传感绑带10分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
S5:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度ΔqM,
S6：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度qIN,做差得到期望的角度和角速度qD,/>即qD＝qIN-ΔqM,/>实现上层的闭环控制；
S7：工控机将期望的角度和角速度qD,发送给关节电机驱动器，实际的运动轨迹的角度和角速度qF,/>反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度ΔqD,即ΔqD＝qD-qF,/>关节电机驱动器根据控制量角度和角速度ΔqD,/>输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制。
图5所示为康复外骨骼机器人被动控制流程图，患者通过主控选择被动训练模式，在被动训练模式下，实际上是对机器人各个关节进行轨迹跟踪控制，所以***的输入是修正后的期望步态轨迹曲线，反馈数据为机器人实际的关节运动数据(包括关节角度、角速度、关节力矩等信息)以及人机作用力信息。
康复外骨骼机器人主动控制算法是针对具有一定下肢运动能力的患者，通过判断患者的主动运动意图及运动趋势来帮助他们完成下肢运动动作，如图6所示。主动控制算法采用了基于脑电、肌电和力学传感器多源信息融合的步态识别和预测算法。在主动康复训练中，患者的主动运动意图是康复训练***的激励信号。该信号主要由肌电信息采集设备和脑电信息采集设备获取，然后建立人体运动步态轨迹和肌电信号、脑电信号的映射关系，即肌电信号、脑电信号与人体髋关节、膝关节运动角度、角速度的对应关系。同时，主控不断记录患者行走过程中足底压力、关节角度、关节力矩等信息以建立步态轨迹库。
为了验证该预测步态轨迹的正确性，需要利用智能传感靴11对预测步态轨迹进行判断。假定智能传感靴11内压力传感器的读数为Ff，人体脚步与传感器接触时的最大值和最小值分别为Ffmax和Ffmin。当***连续3次检测到Ffmin<Ff<Ffmax时认为此时传感器状态为1；当***连续3次检测到Ff<Ffmin时认为此时传感器状态为0。假设外骨骼脚掌处压力传感器为A，脚跟处压力传感器为B，则根据传感器A、B状态的不同共有4种分类结果，即(A＝0，B＝0)、(A＝0，B＝1)、(A＝1，B＝0)、(A＝1，B＝1)、(A＝0，B＝0)时为摆动期；(A＝0，B＝1)时为支撑前期；(A＝1，B＝1)时为支撑中期；(A＝1，B＝0)为支撑后期。利用足底压力信息划分出的步态对脑电、肌电预测的步态轨迹的正确性进行判别：人体正常行走时标准步态周期按照摆动期→支撑前期→支撑中期→支撑后期→摆动期循环往复，不可跨阶段。例如当前处于摆动期，则下一时刻应切换至支撑前期，此时若预测步态轨迹与标准步态中摆动期切换至支撑前期的关节运动趋势大体一致、关节运动角度在人体关节运动角度范围之内则判定预测步态轨迹正确，否则判定错误。若判断正确则主控输入正确的预测步态轨迹数据，后面处理步骤与被动控制模式中输入标准步态轨迹数据一致；若判断错误则根据前一时刻运动状态从步态轨迹库中利用粒子群优化算法匹配最优数据，从而驱动当前时刻关节运动。
在获得了康复患者的实际步态、运动趋势信息后，控制***参考标准步态轨迹对下一步的轨迹进行预测，得到下一步的步态轨迹后，计算出跟踪期望轨迹关节运动的角度，并实时通过检测机器人当前的运动状态，调整关节角度的输出帮助患者完成步态运动，主动控制算法的流程图如图7所示。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (3)
1.一种下肢外骨骼智能柔顺控制***，其特征在于：所述***包括活动连接的移动保护架、外骨骼机器人、肌电信息采集设备、脑电信息采集设备和工控机；所述外骨骼机器人包括腿仿生支撑结构，腿仿生支撑结构位于腰部机构的左右对称安装；所述腿仿生支撑结构包括依次连接的髋关节集成电机(6)、大腿调节杆、膝关节集成电机(9)、小腿调节杆和足部智能传感靴(11)，所述智能传感靴的底部设有足部压力传感器；所述大腿调节杆上设有大腿根部绑带(7)和大腿端部传感绑带(8)，所述小腿调节杆上设有小腿传感绑带(10)；所述肌电信息采集设备、脑电信息采集设备、髋关节集成电机(6)、膝关节集成电机(9)、大腿端部传感绑带(8)、小腿传感绑带(10)均与工控机通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼智能柔顺控制***，其特征在于：所述髋关节集成电机和膝关节集成电机采用一体化集成驱动单元，内置减速器、电机、编码器、扭矩传感器和驱动器，所述电机的输出端与减速器的输入端连接，减速器的输出端与大腿调节杆连接，所述编码器、驱动器安装在电机上，所述扭矩传感器与电机的输出轴连接，所述编码器、扭矩传感器和驱动器均与工控机通信连接。
3.一种下肢外骨骼智能柔顺控制方法，其特征在于：所述方法包括被动控制模式和主动控制模式；
所述被动控制模式包括以下步骤：S1:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度大腿端部传感绑带(8)和小腿传感绑带(10)分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
S2:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度
S3：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度做差得到期望的角度和角速度/>即/>实现上层的闭环控制；
S4：工控机将期望的角度和角速度发送给关节电机驱动器，实际的运动轨迹的角度和角速度/>反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度/>即关节电机驱动器根据控制量角度和角速度/>输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制；
所述主动控制模式包括以下步骤：S1:在康复训练前，先通过肌电信息采集设备和脑电信息采集设备采集患者各个动作的肌电信号和脑电信号，建立人体运动步态轨迹的各个动作和肌电信号、脑电信号的映射关系，即肌电信号、脑电信号与人体髋关节、膝关节运动角度、角速度的对应关系，同时工控机不断记录患者行动过程中的足底压力、关节角度和关节力矩以建立步态轨迹库；
S2：在患者康复训练的过程中，实时采集患者的肌电信号和脑电信号，与步态轨迹库中的肌电信号和脑电信号对比，判断患者的运动意图，输出预测步态轨迹；
S3:通过当前关节角度、足底压力信息对预测步态轨迹进行判断；若判断正确，则进行S4中的步骤；若判断错误，则根据前一时刻运动状态从步态轨迹库中利用粒子群优化算法匹配最优数据，从而驱动当前时刻关节运动；
S4:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度大腿端部传感绑带(8)和小腿传感绑带(10)分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
S5:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度
S6：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度做差得到期望的角度和角速度/>即/>实现上层的闭环控制；
S7：工控机将期望的角度和角速度发送给关节电机驱动器，实际的运动轨迹的角度和角速度/>反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度/>即关节电机驱动器根据控制量角度和角速度/>输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211546473.2A CN116617054A (zh) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211546473.2A CN116617054A (zh) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116617054A true CN116617054A (zh) | 2023-08-22 |
Family
ID=87590758
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211546473.2A Pending CN116617054A (zh) | 2022-12-01 | 2022-12-01 | 一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116617054A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116807839A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-09-29 | 山东泽普医疗科技有限公司 | 外骨骼康复机器人步态算法及控制*** |
-
2022
- 2022-12-01 CN CN202211546473.2A patent/CN116617054A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116807839A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-09-29 | 山东泽普医疗科技有限公司 | 外骨骼康复机器人步态算法及控制*** |
| CN116807839B (zh) * | 2023-08-30 | 2023-11-28 | 山东泽普医疗科技有限公司 | 外骨骼康复机器人步态算法及控制*** |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108785997B (zh) | 一种基于变导纳的下肢康复机器人柔顺控制方法 | |
| US10517745B2 (en) | Systems and method for volitional control of jointed mechanical device based on surface electromyography | |
| CN105796286B (zh) | 使用气囊传感器的下肢外骨骼机器人控制方法 | |
| CN108939436B (zh) | 一种健侧患侧协同的主动下肢训练***及其操作方法 | |
| CN111604890B (zh) | 一种适用于外骨骼机器人的运动控制方法 | |
| CN110279557A (zh) | 一种下肢康复机器人控制***及控制方法 | |
| US20170119551A1 (en) | Systems and methods for automatically tuning powered prosthesis impedance control parameters | |
| CN104688486A (zh) | 一种下肢康复机器人运动控制*** | |
| CN106334265A (zh) | 以功能性肌肉电刺激驱动的外骨骼助行***及助行方法 | |
| CN108451748A (zh) | 一种直驱式康复外骨骼及训练方法 | |
| CN105852874B (zh) | 一种自主式康复训练***及方法 | |
| CN111067543A (zh) | 一种卧式踏步式康复训练机器人的人机交互*** | |
| Li et al. | Human-in-the-loop adaptive control of a soft exo-suit with actuator dynamics and ankle impedance adaptation | |
| CN109771216A (zh) | 一种脑卒中患者复健fes信号精确定位方法 | |
| Zhou et al. | Preliminary evaluation of gait assistance during treadmill walking with a light-weight bionic knee exoskeleton | |
| CN116617054A (zh) | 一种下肢外骨骼智能柔顺控制***及方法 | |
| CN114392137A (zh) | 一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼控制*** | |
| CN110974631B (zh) | 一种非对称下肢外骨骼机器人及控制方法 | |
| Ma et al. | Design and control of a powered knee orthosis for gait assistance | |
| Gambon et al. | Effects of user intent changes on onboard sensor measurements during exoskeleton-assisted walking | |
| Li et al. | BEAR-H: An intelligent bilateral exoskeletal assistive robot for smart rehabilitation | |
| Ye et al. | An adaptive shared control of a novel robotic walker for gait rehabilitation of stroke patients | |
| CN116269957A (zh) | 智能感知仿生足踝假肢***及控制方法 | |
| CN107802461A (zh) | 一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼及其控制方法 | |
| McGibbon | A biomechanical model for encoding joint dynamics: applications to transfemoral prosthesis control |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |