本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人及用于該機(jī)器人的力反饋控制方法。

背景技術(shù)：

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是一類能夠自動(dòng)提供減負(fù)幫助以及行走輔助的智能器械。傳統(tǒng)的步態(tài)康復(fù)過(guò)程需要大量的康復(fù)治療專家參與，這極大的消耗了人力以及國(guó)家財(cái)力，因此步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人具有非常大的研究?jī)r(jià)值。國(guó)內(nèi)外有許多步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究，但是大多數(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是預(yù)先編好的，不能夠主動(dòng)識(shí)別人的運(yùn)動(dòng)意圖并按照人的運(yùn)動(dòng)意圖輔助人的運(yùn)動(dòng)。并且這些機(jī)器人很有可能因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)行與用戶的動(dòng)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(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能夠跟隨用戶的行走并提供合適的輔助作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人不能根據(jù)用戶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，并提供一種新型的用于步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的力反饋控制方法。

本發(fā)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(shí)軀干向前移動(dòng)的速度，可以通過(guò)放置在用戶下肢的可穿戴傳感器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

豎直方向是指重力加速度的方向，水平方向是指與重力加速度垂直的方向。

牽引力是指步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在水平方向上拉動(dòng)用戶前進(jìn)的力，牽引力與用戶作用于機(jī)器人水平方向的分力為相互作用力。

支撐力是指機(jī)器人在豎直方向上提供給用戶上肢的支撐作用力，從而減少用戶下肢受力，支撐力與用戶作用于機(jī)器人豎直方向的分力為相互作用力。

本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題，所采用的具體技術(shù)方案如下：

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于，包括：本體、控制單元、扶手、用于測(cè)量用戶作用于扶手上作用力的力傳感器、用于檢測(cè)用戶行走速度的可穿戴傳感器和用于驅(qū)動(dòng)本體移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述扶手設(shè)置于本體上部，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置于本體下部，所述力傳感器設(shè)置于所述扶手的上部、內(nèi)部或扶手與所述本體連接的位置；所述控制單元與所述力傳感器及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電連接，所述可穿戴傳感器與所述控制單元有線或無(wú)線連接。

通過(guò)上述技術(shù)方案，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可根據(jù)用戶行走速度調(diào)節(jié)自身運(yùn)行速度，并根據(jù)用戶作用于其上的作用力大小提供給用戶豎直方向的支撐力及水平方面的牽引力，反饋調(diào)節(jié)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)行速度，使用戶能輕松地步行。

用于步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的力反饋控制方法，包括以下步驟：

（1）可穿戴傳感器測(cè)量用戶實(shí)時(shí)的行走速度，力傳感器測(cè)量本體與用戶之間的作用力；

（2）所述可穿戴傳感器及將其所測(cè)得的行走速度反饋給步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的控制單元，所述力傳感器將其測(cè)得的作用力反饋給步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制單元；

（3）步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制單元根據(jù)所反饋的用戶行走速度調(diào)整本體運(yùn)行速度，使本體運(yùn)行速度與用戶行走速度一致，并根據(jù)所反饋的作用力反饋調(diào)節(jié)本體運(yùn)行速度，使本體跟隨用戶的行走速度運(yùn)行并提供給用戶牽引力。

通過(guò)上述技術(shù)方案，所述可穿戴傳感器穿戴于用戶的每條大腿和小腿上，用于檢測(cè)用戶行走時(shí)的腳落地步態(tài)事件，并測(cè)量所述用戶大腿及小腿在矢狀面內(nèi)站立相時(shí)的姿態(tài)角度與角速度，并計(jì)算出用戶的行走速度。

用戶雙手作用于扶手上時(shí)，會(huì)對(duì)扶手產(chǎn)生作用力，扶手上的力傳感器測(cè)量出該作用力，并反饋給步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的控制單元，控制單元根據(jù)該作用力反饋調(diào)節(jié)本體運(yùn)行速度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述力傳感器測(cè)得的作用力包括豎直方向上步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人提供給用戶上肢的支撐力以及水平方向上提供給用戶的實(shí)際牽引力。通過(guò)上述技術(shù)方案，通過(guò)三維力傳感器，可以測(cè)量步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人提供給用戶的支撐力：

式中：為步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的本體通過(guò)扶手為用戶提供的支撐力，為左手一側(cè)三維力傳感器測(cè)量的支撐力，為右手一側(cè)三維力傳感器測(cè)量的支撐力。

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人提供給用戶的牽引力也可以由兩個(gè)三維力傳感器獲得：

式中：為步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人為用戶提供的牽引力，為左手一側(cè)三維力傳感器測(cè)量的牽引力，為右手一側(cè)三維力傳感器測(cè)量的牽引力。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，可穿戴傳感器測(cè)量的用戶行走速度作為基礎(chǔ)速度設(shè)定量發(fā)送給步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制單元，控制單元控制本體的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度，使本體的運(yùn)行速度與用戶行走速度一致，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人計(jì)算的理論牽引力作為牽引力設(shè)定值發(fā)送給該機(jī)器人的控制單元，通過(guò)與力傳感器測(cè)量的實(shí)際牽引力比較，反饋調(diào)節(jié)本體的運(yùn)行速度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人通過(guò)其提供給用戶上肢的支撐力以及用戶的行走速度計(jì)算本體提供給用戶的理論牽引力大?。?/p>

式中：為理論牽引力，為通過(guò)對(duì)用戶行走速度微分得到的用戶行走加速度，為步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人提供給用戶的支撐力，為重力加速度，為用戶在步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的幫助下靜止站立時(shí)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人提供給用戶的牽引力，由力傳感器測(cè)得。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述理論牽引力小于所述實(shí)際牽引力時(shí)，則步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在本體現(xiàn)有運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上反饋調(diào)節(jié)本體運(yùn)行速度以降低速度，適應(yīng)用戶的行走；步所述理論牽引力大于所述實(shí)際牽引力時(shí)，則步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在本體現(xiàn)有運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上反饋調(diào)節(jié)本體運(yùn)行速度以增大速度，適應(yīng)用戶的行走。通過(guò)上述技術(shù)方案，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制單元根據(jù)實(shí)際牽引力與理論牽引力的比較反饋調(diào)節(jié)本體的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，反饋調(diào)節(jié)本體運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)范圍為-0.15m/s至+0.15m/s。通過(guò)上述技術(shù)方案，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人不致于過(guò)快及過(guò)慢。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述力傳感器為兩個(gè)，所述兩個(gè)力傳感器分別設(shè)置于扶手與人雙手相互作用的相應(yīng)位置。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制單元根據(jù)用戶左右兩手對(duì)應(yīng)的實(shí)際牽引力的差值來(lái)調(diào)節(jié)本體的轉(zhuǎn)向。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，左手一側(cè)對(duì)應(yīng)實(shí)際牽引力大于右手一側(cè)對(duì)應(yīng)的實(shí)際牽引力時(shí)，則根據(jù)差值大小控制本體向右旋轉(zhuǎn)角度；右手一側(cè)對(duì)應(yīng)的實(shí)際牽引力大于左手一側(cè)對(duì)應(yīng)的實(shí)際牽引力時(shí)，則根據(jù)差值大小控制本體向左旋轉(zhuǎn)角度。

上述各方案中的技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進(jìn)行相互組合，不構(gòu)成限制。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，其有益效果是：

（1）使用本發(fā)明控制步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，廉價(jià)、方便，不受場(chǎng)地限制，易于推廣。

（2）使用本發(fā)明控制步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，可以使步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人跟隨用戶的運(yùn)動(dòng)速度以及提供用戶所需要的牽引力，還可根據(jù)用戶需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，有較好的人機(jī)交互性。

（3）使用本發(fā)明控制步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，可以避免康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的二次傷害，擁有較好的臨床價(jià)值。

本發(fā)明中部分步驟的具體效果將通過(guò)后續(xù)的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中力傳感器放置位置示意圖；

圖中，A為用戶，B為步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人本體，C為力傳感器，D為扶手，E為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，因便于更好地理解。本發(fā)明以下實(shí)施例僅用于提供一種優(yōu)選的方式，但其中技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進(jìn)行相互組合，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

本發(fā)明使用可穿戴傳感器測(cè)量用戶實(shí)時(shí)的行走速度，使用放置在機(jī)器人上的三維力傳感器測(cè)量機(jī)器人與用戶之間的作用力；隨后將該行走速度以及作用力反饋給步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人；步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人該根據(jù)用戶的行走速度以及作用力調(diào)整自身運(yùn)行速度，使該機(jī)器人跟隨該用戶的行走速度運(yùn)行并提供該用戶一定的牽引力。

以某一用戶為例，本發(fā)明具體實(shí)施過(guò)程如下：

本實(shí)施例中，可穿戴傳感器穿戴于用戶的每條大腿和小腿上，用于檢測(cè)用戶行走時(shí)的腳落地步態(tài)事件，并測(cè)量所述用戶大腿及小腿在矢狀面內(nèi)站立相時(shí)的姿態(tài)角度與角速度，并計(jì)算出用戶的行走速度。在用戶行走過(guò)程中，以處于站立相的小腿與地面的交點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，利用幾何關(guān)系以及物理關(guān)系可以計(jì)算該腿膝關(guān)節(jié)的此時(shí)的前進(jìn)速度：

式中：為用戶處于站立相的腿的膝關(guān)節(jié)前進(jìn)速度；LS為用戶的小腿長(zhǎng)度，可由用戶自行測(cè)量設(shè)定；、分別為用戶此時(shí)處于站立相的小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角以及運(yùn)動(dòng)角速度，均可由可穿戴傳感器獲得。進(jìn)一步可以計(jì)算用戶軀干此時(shí)的前進(jìn)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(zhǎng)度，可由用戶自行測(cè)量設(shè)定；、分別為用戶此時(shí)處于站立相的大腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角以及運(yùn)動(dòng)角速度，均可由可穿戴傳感器獲得。上述過(guò)程在用戶行走時(shí)反復(fù)進(jìn)行，以獲得用戶實(shí)時(shí)的行走速度。

可穿戴傳感器將用戶的行走速度反饋給控制單元，控制單元根據(jù)其收集的用戶行走速度，調(diào)整驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，從而使本體的移動(dòng)速度與用戶的行走速度保持一致。需要說(shuō)明的是，步態(tài)事件是指人在行走過(guò)程中的每個(gè)步態(tài)周期中的重要時(shí)刻，包括擺動(dòng)中期、腳落地、站立中期和腳離地四個(gè)步態(tài)事件；站立相是指從腳落地事件開(kāi)始，到另一條腿腳落地事件結(jié)束，擺動(dòng)相是指從站立相結(jié)束時(shí)刻開(kāi)始至下次該腿腳落地事件時(shí)刻。矢狀面是垂直于水平面并將人體分為左右兩部分的面。

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人如圖1所示，該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靠?jī)蓚€(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，力傳感器采用三維力傳感器，兩個(gè)三維力傳感器分別放置在機(jī)器人的扶手左右兩側(cè)下方。目標(biāo)用戶穿戴可穿戴設(shè)備于下肢，并將上肢放置在機(jī)器人的扶手上，并在機(jī)器人的幫助下行走。通過(guò)三維力傳感器，可以測(cè)量機(jī)器人提供給用戶的支撐力：

式中：為機(jī)器人為用戶提供的支撐力，為左側(cè)力傳感器測(cè)量的支撐力，為右側(cè)力傳感器測(cè)量的支撐力。

機(jī)器人本體提供給用戶的實(shí)際牽引力也可以由兩個(gè)三維力傳感器獲得：

式中：為機(jī)器人為用戶提供的牽引力，為左側(cè)力傳感器測(cè)量的牽引力，為右側(cè)力傳感器測(cè)量的牽引力。

在用戶行走過(guò)程中，步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人對(duì)用戶下肢有一定的減負(fù)作用，減掉的這部分負(fù)重質(zhì)量可以根據(jù)支撐力計(jì)算：

式中：為重力加速度，為用戶在機(jī)器人的幫助下，下肢受到的減負(fù)作用而減掉的負(fù)重質(zhì)量。

同時(shí)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人也將提供這部分負(fù)重質(zhì)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需要的牽引力，理論上該牽引力大小為：

式中：為理論牽引力，為通過(guò)對(duì)用戶行走速度微分得到的用戶行走加速度，為用戶在機(jī)器人的幫助下靜止站立時(shí)機(jī)器人提供給用戶的牽引力。

隨后可以根據(jù)用戶的行走速度以及理論牽引力對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制：用戶行走速度作為基礎(chǔ)速度設(shè)定量發(fā)送給步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的控制單元使該機(jī)器人以用戶的行走速度前進(jìn)；步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人計(jì)算的理論牽引力作為牽引力設(shè)定值發(fā)送給該機(jī)器人的控制單元，通過(guò)該機(jī)器人測(cè)量的實(shí)際提供給用戶的牽引力，利用PID算法在用戶行走速度調(diào)控的前進(jìn)速度的基礎(chǔ)上在±0.15m/s的幅度內(nèi)反饋調(diào)節(jié)該機(jī)器人的前進(jìn)速度，使該機(jī)器人能夠跟隨用戶行走速度并提供合適的牽引力。

具體地，所述理論牽引力小于所述實(shí)際牽引力時(shí)，則步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在本體現(xiàn)有運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上反饋調(diào)節(jié)本體運(yùn)行速度以降低速度，適應(yīng)用戶的行走；步所述理論牽引力大于所述實(shí)際牽引力時(shí)，則步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在本體現(xiàn)有運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上反饋調(diào)節(jié)本體運(yùn)行速度以增大速度，適應(yīng)用戶的行走。

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的轉(zhuǎn)向由用戶左右兩側(cè)的實(shí)際牽引力的差值控制：左手一側(cè)實(shí)際牽引力大于右手一側(cè)實(shí)際牽引力，則根據(jù)差值大小控制機(jī)器人向右旋轉(zhuǎn)一定角度；相反，如果右手一側(cè)實(shí)際牽引力大于左手一側(cè)實(shí)際牽引力，則根據(jù)差值大小控制機(jī)器人向左旋轉(zhuǎn)一定角度。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一些較佳的方案，然而其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。例如，上述實(shí)施例也可以使用其他方法來(lái)計(jì)算用戶行走速度，也可以使用其他傳感器來(lái)測(cè)量用戶與機(jī)器人之間的相互作用力。

由此可見(jiàn)，凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。