CN117180702A - 一种下肢训练机器人的行走训练方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于康复医疗技术领域，具体涉及一种下肢训练机器人的行走训练方法及***，训练方法，包括以下步骤：步骤1，选择行走训练模式并设置辅助力；步骤2，实时获取患者骨盆与下肢训练机器人之间的实际压力信息；步骤3，根据实际压力信息和辅助力确定患者的意向运动方向，根据人机交互***和设置的行走方向确定下肢训练机器人的指示运动方向；若指示运动方向与意向运动方向不一致，则停止患者按照意向运动方向继续运动；本发明通过设置不同辅助力，能够基本满足不同训练强度的需求，可以满足患者不同康复时期的训练需求。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗技术领域，具体涉及一种下肢训练机器人的行走训练方法及***。
背景技术
随着老龄化社会的日益加剧，越来越多的老年人由于中风、心血管疾病等原因丧失了下肢自主行走功能，给日常生活带来非常大的不便，生活质量严重下降。科学研究表明，给与早期患者科学的康复训练对于下肢运动功能的恢复具有非常重要的作用。
由于传统的下肢康复训练存在治疗师工作强度大，治疗量难以标准化，治疗效率低；同时，对于不同康复时期的患者，无法提供不同强度的训练内容，不能满足患者不同康复周期的训练需求；而且训练过程中患者运动不稳定，容易造成二次伤害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种下肢训练机器人的行走训练方法及***，通过设置不同辅助力，能够基本满足不同训练强度的需求，可以满足患者不同康复时期的训练需求；通过及时调整患者的意向运动方向，保证训练过程的稳定，保证患者安全。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种下肢训练机器人的行走训练方法，包括以下步骤：
步骤1，选择行走训练模式并设置辅助力；当辅助力大于零时为助力值，当辅助力小于零时为阻力值。
步骤2，通过患者骨盆左右两侧设置的压力传感器实时采集物理电压信息，对物理电压信息进行滤波处理、放大处理、倍福模拟处理以及去除偏置处理得到实际压力信息；其中，倍福模拟处理的方法为：
式中，AL是根据滤波处理和放大处理后的骨盆左侧的物理电压信息读取到的实时模拟量信号，AR是根据滤波处理和放大处理后的骨盆右侧的物理电压信息读取到的实时模拟量信号，FL为患者骨盆左侧与下肢训练机器人之间的压力信号，UL为骨盆左侧的电压信息，FR为患者骨盆右侧与下肢训练机器人之间的压力信号，UR为骨盆右侧的电压信息。
步骤3，根据实际压力信息和辅助力确定患者的意向运动方向，根据人机交互***和设置的行走方向确定下肢训练机器人的指示运动方向；若指示运动方向与意向运动方向不一致，则停止患者按照意向运动方向继续运动。
进一步的，去除偏置处理的方法为：
FL1＝FL-FL0
FR1＝FR-FR0
式中，FL1为患者骨盆左侧实际压力信息，FL0为患者骨盆左侧的压力传感器空载情况下得到的压力初始值，FR1为患者骨盆右侧实际压力信息，FR0为患者骨盆右侧的压力传感器空载情况下得到的压力初始值。
进一步的，确定患者的意向运动方向的方法为：当FL1+F0>∈L且FR1+F0>∈R时，意向运动方向为向前运动；当FL1+F0＜-∈L且FR1+F0＜-∈R时，意向运动方向为向后运动；当FL1+F0＜-∈L且FR1+F0>∈R时，意向运动方向为向左转动；当FL1+F0>∈L且FR1+F0＜-∈R时，意向运动方向为向右转动；F0为辅助力，∈L与∈R为设置的压力阈值。
一种下肢训练机器人的行走训练***，包括控制子***，还包括与控制子***连接的人机交互***、压力传感器和底轮差速驱动电机；人机交互***用于选择训练模式，还用于设置辅助力和行走方向，并将辅助力和行走方向发送至控制子***；压力传感器用于实时采集患者骨盆与下肢训练机器人之间的物理电压信息，并将物理电压信息发送至控制子***；控制子***用于根据物理电压信息计算实际压力信息，并根据辅助力和实际压力信息确定患者的意向运动方向，控制子***还用于根据行走方向确定指示运动方向，并在意向运动方向与指示运动方向不一致时输出停止运动指令；底轮差速驱动电机用于执行控制子***输出的指令。
进一步的，控制子***包括滤波放大模块、倍福模拟量处理模块、去偏置模块和方向判断模块；滤波放大模块用于将压力传感器采集的物理电压信息进行滤波放大处理并发送至倍福模拟量处理模块，倍福模拟量处理模块用于根据滤波放大处理后的物理电压信息读取实时模拟量信号，并将实时模拟量信号转变为压力信号，然后将压力信号发送至去偏置模块，去偏置模块用于根据压力信号和空载时的压力初始值计算实际压力信息；方向判断模块用于根据实际压力信息和辅助力判断患者的意向运动方向。
进一步的，控制子***用于在意向运动方向与指示运动方向一致时，输出继续运动指令。
进一步的，压力传感器设置有两个，两个压力传感器分别用于实时采集患者骨盆左右两侧与下肢训练机器人之间的物理电压信息。两个压力传感器左右设置，分别与患者骨盆的左右两侧相配合，左侧的压力传感器用于测量患者骨盆左侧与下肢训练机器人之间的物理电压信息，右侧的压力传感器用于测量患者骨盆左侧与下肢训练机器人之间的物理电压信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明在患者进行行走训练时，能够根据下肢训练机器人的指示运动方向调整患者的意向运动方向，在患者的意向运动方向与下肢训练机器人的指示运动方向不一致时，及时停止患者训练，防止患者在康复训练时期二次受伤，提高康复训练效率和安全性。通过设置不同的辅助力提供不同强度的训练内容，能够适应不同时期的康复患者行走训练。本发明通过计算压力传感器实时采集的数据计算实际压力信息，并根据实际压力信息判断患者的意向运动方向，能够对患者的运动提前预判，保证患者安全。
附图说明
图1为本发明实施例1的腰部机构示意图；
图2为本发明实施例1的行走训练***的结构框图；
图3为本发明实施例2的行走训练方法的流程示意图。
图中：压力传感器1、花键2、安全带插扣3。
具体实施方式
实施例1
下肢训练机器人主要由腰部机构、运动控制模块、移动平台和立柱组成；移动平台由伺服驱动电机、减速机和底盘框架等组成，移动平台可向不同方向移动并能够转向，立柱竖直设置且底端安装在移动平台上，腰部机构连接在立柱上并用于连接患者的骨盆。如图1所示，腰部机构主要由左右两个支撑扶手、压力传感器1、安全带插扣3和花键2组成，压力传感器1和花键2安装在支撑扶手的内部，压力传感器1位于花键2的前端，安全带插扣3设置在支撑扶手外部并与花键2上的套筒连接，套筒与花键2滑动连接，套筒与压力传感器1之间设置有弹簧，患者骨盆的力通过安全带插扣3、套筒和弹簧传递到压力传感器1。运动控制模块主要由倍福模块组成。
一种下肢训练机器人的行走训练***，如图2所示，包括控制子***，还包括与控制子***连接的人机交互***、两个压力传感器1和底轮差速驱动电机。人机交互***包括行走训练模式选择模块、辅助力设置模块、行走方向设置模块以及行走训练开始虚拟按钮。其中，行走训练模式选择模块用于选择行走训练模式，辅助力设置模块用于设置辅助力，行走方向设置模块用于设置***的行走方向，并将行走训练模式、辅助力和行走方向发送至控制子***。行走训练开始虚拟按钮为触发按钮，并当患者点击所述行走训练开始虚拟按钮后，行走训练***进入训练模式。
在训练模式期间，压力传感器1用于实时采集患者骨盆与下肢训练机器人之间的物理电压信息，并将物理电压信息发送至控制子***，两个压力传感器1左右设置，分别与患者骨盆的左右两侧相配合，左侧的压力传感器1用于测量患者骨盆左侧与下肢训练机器人之间的物理电压信息，右侧的压力传感器1用于测量患者骨盆右侧与下肢训练机器人之间的物理电压信息。底轮差速驱动电机用于执行所述控制子***下发运动指令，实现所述下肢训练机器人行走训练。
控制子***用于根据物理电压信息进行信号处理，计算实际压力信息，并根据辅助力和实际压力信息确定患者的意向运动方向。控制子***包括滤波放大模块、倍福模拟量处理模块、去偏置模块和运动方向判断模块；滤波放大模块用于将压力传感器1采集的物理电压信息进行滤波放大处理并发送至倍福模拟量处理模块，倍福模拟量处理模块用于根据滤波放大处理后的物理电压信息读取实时模拟量信号，并将实时模拟量信号转变为压力信号，然后将压力信号发送至去偏置模块，去偏置模块用于根据压力信号和空载时的压力初始值计算实际压力信息；方向判断模块用于根据实际压力信息和辅助力信息判断患者的意向运动方向。
控制子***还用于根据人机交互子***发送的信息确定下肢训练机器人的指示运动方向，并在意向运动方向与指示运动方向不一致时输出停止运动指令，并将停止运动指令发送至运动控制模块，运动控制模块控制底轮差速电机停止，以停止患者按照原先意向运动方向继续运动。控制子***还用于在指示运动方向与意向运动方向一致输出继续运动指令，并将继续运动指令发送至运动控制模块，以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
将经过以上处理的运动指令输入到下肢训练机器人中，进行在线运动控制，结合设定的辅助力、行走运动方向以及采集的物理信息，控制各伺服电机实现期望转动，最终实现基于下肢训练机器人的行走训练。
实施例2
一种下肢训练机器人的行走训练方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1，使用安全带将患者的骨盆与安全带插扣连接，选择行走训练模式并设置行走方向和辅助力F0，开始训练；辅助力的大小根据患者的康复时期以及训练的强度进行设定，当F0>0时为助力值，当F0＜0时为阻力值。
步骤2，实时获取患者骨盆与下肢训练机器人之间的实际压力信息：通过患者骨盆左右两侧设置的压力传感器实时采集患者骨盆与下肢训练机器人之间的物理信息Γ，物理信息为交互力作用在压力传感器上产生的物理电压信息；然后对物理电压信息依次进行滤波处理、放大处理、倍福模拟处理以及去除偏置处理，得到实际压力信息。交互力是由患者移动时产生，患者将交互力传递到安全带插扣处，安全带插扣通过花键将交互力传导至压力传感器上。
滤波处理和放大处理为压力传感器滤波放大电路进行处理；倍福模拟量处理为根据经过滤波放大处理后的左右两侧的物理信息Γ读取实时模拟量信号AL和AR，然后将倍福模块读取到的左右两侧的实时模拟量信号AL和AR转变为左右两侧的压力信号FL和FR，倍福模拟量处理公式如下：
式中，AL是倍福模块根据滤波处理和放大处理后的骨盆左侧的物理电压信息读取到的实时模拟量信号，AR是倍福模块根据滤波处理和放大处理后的骨盆右侧的物理电压信息读取到的实时模拟量信号，FL为患者骨盆左侧与下肢训练机器人之间的压力信号，UL为骨盆左侧根据实时模拟量信号AL计算的电压信息，FR为患者骨盆右侧与下肢训练机器人之间的压力信号，UR为骨盆右侧根据实时模拟量信号AR计算的电压信息。
去偏置处理主要是将左右两侧的压力信号进行去偏置处理，最后得到患者实际压力信息FL1、FR1，偏置值为空载情况下得到的压力初始值FL0、FR0，偏置处理公式如下：
FL1＝FL-FL0
FR1＝FR-FR0
式中，FL1为患者骨盆左侧实际压力信息，FL0为患者骨盆左侧的压力传感器空载情况下得到的压力初始值，FR1为患者骨盆右侧实际压力信息，FR0为患者骨盆右侧的压力传感器空载情况下得到的压力初始值。
步骤3，根据实际压力信息、辅助力和压力阈值确定患者的意向运动方向，根据人机交互***和设置的行走方向确定下肢训练机器人的指示运动方向；若指示运动方向与意向运动方向不一致，则停止患者按照意向运动方向继续运动，并输出停止运动指令。若所指示运动方向与意向运动方向一致，则辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动，并输出继续运动指令，并将继续运动指令发送至运动控制模块以辅助患者按照原先的意向运动方向继续运动。
设定压力阈值范围为-∈L～∈L、-∈R～∈R，本实施例中，设置∈L＝∈R＝5，判断患者的意向运动方向的方法为：当FL1+F0>∈L且FR1+F0>∈R时，意向运动方向为向前运动；当FL1+F0＜-∈L且FR1+F0＜-∈R时，意向运动方向为向后运动；当FL1+F0＜-∈L且FR1+F0>∈R时，意向运动方向为向左转动；当FL1+F0>∈L且FR1+F0＜-∈R时，意向运动方向为向右转动。本实施例的训练方法可使用实施例1中的下肢训练机器人的行走训练***实现，或者通过其他方式实现。
Claims (6)
1.一种下肢训练机器人的行走训练方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选择行走训练模式并设置辅助力；
步骤2，通过患者骨盆左右两侧设置的压力传感器实时采集物理电压信息，对物理电压信息进行滤波处理、放大处理、倍福模拟处理以及去除偏置处理得到实际压力信息；其中，倍福模拟处理的方法为：
式中，AL是根据滤波处理和放大处理后的骨盆左侧的物理电压信息读取到的实时模拟量信号，AR是根据滤波处理和放大处理后的骨盆右侧的物理电压信息读取到的实时模拟量信号，FL为患者骨盆左侧与下肢训练机器人之间的压力信号，UL为骨盆左侧的电压信息，FR为患者骨盆右侧与下肢训练机器人之间的压力信号，UR为骨盆右侧的电压信息；
步骤3，根据实际压力信息和辅助力确定患者的意向运动方向，根据人机交互***和设置的行走方向确定下肢训练机器人的指示运动方向；若指示运动方向与意向运动方向不一致，则停止患者按照意向运动方向继续运动。
2.如权利要求1所述的下肢训练机器人的行走训练方法，其特征在于，去除偏置处理的方法为：
FL1＝FL-FL0
FR1＝FR-FR0
式中，FL1为患者骨盆左侧实际压力信息，FL0为患者骨盆左侧的压力传感器空载情况下得到的压力初始值，FR1为患者骨盆右侧实际压力信息，FR0为患者骨盆右侧的压力传感器空载情况下得到的压力初始值。
3.如权利要求2所述的下肢训练机器人的行走训练方法，其特征在于，确定患者的意向运动方向的方法为：当FL1+F0>∈L且FR1+F0>∈R时，意向运动方向为向前运动；当FL1+F0＜-∈L且FR1+F0＜-∈R时，意向运动方向为向后运动；当FL1+F0＜-∈L且FR1+F0>∈R时，意向运动方向为向左转动；当FL1+F0>∈L且FR1+F0＜-∈R时，意向运动方向为向右转动；F0为辅助力，∈L与∈R为设置的压力阈值。
4.一种下肢训练机器人的行走训练***，其特征在于，包括控制子***，还包括与控制子***连接的人机交互***、压力传感器和底轮差速驱动电机；所述人机交互***用于选择训练模式，还用于设置辅助力和行走方向，并将辅助力和行走方向发送至控制子***；所述压力传感器用于实时采集患者骨盆与下肢训练机器人之间的物理电压信息，并将物理电压信息发送至控制子***；所述控制子***用于根据物理电压信息计算实际压力信息，并根据辅助力和实际压力信息确定患者的意向运动方向，所述控制子***还用于根据行走方向确定指示运动方向，并在意向运动方向与指示运动方向不一致时输出停止运动指令；所述底轮差速驱动电机用于执行控制子***输出的指令。
5.如权利要求4所述的下肢训练机器人的行走训练***，其特征在于，所述控制子***包括滤波放大模块、倍福模拟量处理模块、去偏置模块和方向判断模块；所述滤波放大模块用于将压力传感器采集的物理电压信息进行滤波放大处理并发送至倍福模拟量处理模块，所述倍福模拟量处理模块用于根据滤波放大处理后的物理电压信息读取实时模拟量信号，并将实时模拟量信号转变为压力信号，然后将压力信号发送至去偏置模块，所述去偏置模块用于根据压力信号和空载时的压力初始值计算实际压力信息，所述方向判断模块用于根据实际压力信息和辅助力判断患者的意向运动方向。
6.如权利要求5所述的下肢训练机器人的行走训练***，其特征在于，所述压力传感器设置有两个，两个所述压力传感器分别用于实时采集患者骨盆左右两侧与下肢训练机器人之间的物理电压信息。
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