可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的坐下模式控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種輔助康復(fù)裝置，特別是涉及一種可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的坐下模式控制方法，用于下肢癱瘓人員行動與康復(fù)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，因各種原因而導(dǎo)致截癱的患者不斷增多，他們不僅行動不便，在心理上也承受著很大的負(fù)擔(dān)。對于那些下肢癱瘓但上肢健全的患者而言，需要借助康復(fù)工程的手段去改善其下肢的身體機(jī)能。
[0003]可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置是一種穿戴在下肢，由電機(jī)關(guān)節(jié)帶動下肢運(yùn)動功能障礙患者相應(yīng)關(guān)節(jié)運(yùn)動，達(dá)到訓(xùn)練功能的機(jī)械裝置。為了解決截癱病人長期臥床或者坐輪椅引起的肌肉萎縮等身體問題，幫助他們重新站立和行走，提高其生活質(zhì)量，并減輕患者心理負(fù)擔(dān)，開發(fā)具有高科技含量和自主知識產(chǎn)權(quán)的外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置并研究相應(yīng)的模式控制方法具有很重大的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的坐下模式控制方法，對康復(fù)裝置進(jìn)行控制，使其從站姿向坐姿平穩(wěn)、安全變換。
[0005]可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的坐下模式控制方法，包括如下步驟:
[0006]1)坐下觸發(fā)條件判斷:控制模塊通過采集到的信號判斷用戶姿態(tài)是否同時(shí)滿足觸發(fā)條件 C1、C2、C3 和 C4 ;其中 C1 為Z膝=170° ?175° , Ζα= 170° ?175°，C2 為Ζ前后=0。?+10。，Ζ左右=-5。?+5。，C3*FP+Fc=(90%?95%)G，|FplFpr|/(Fpl+Fpr) =0?5%，C4為匕=(5%?10% )G ;如果控制模塊檢測到用戶不滿足坐下觸發(fā)條件，通過語音模塊對用戶進(jìn)行語音提示，直至用戶滿足坐下觸發(fā)條件；
[0007]2)若控制模塊檢測到用戶滿足坐下觸發(fā)條件，控制模塊向髖部電機(jī)和膝部電機(jī)發(fā)出指令，髖部電機(jī)開始以加速度a0從靜止勻加速至速度vO，然后以恒定速度vO轉(zhuǎn)動，軀干支架與大腿支架之間角度Ζ?減小，帶動用戶軀干與大腿產(chǎn)生相對角度運(yùn)動；同時(shí)，膝部電機(jī)也開始以加速度aO從靜止勻加速至速度vO，然后以恒定速度vO轉(zhuǎn)動，大腿支架與小腿支架之間角度減小，帶動用戶大腿與小腿產(chǎn)生相對角度運(yùn)動；直至控制模塊檢測到
= 70°?80°，2膝=70°?80°，控制髖部電機(jī)、膝部電機(jī)以加速度_a0勻減速至靜止；然后膝部電機(jī)不轉(zhuǎn)動，髖部電機(jī)開始以加速度al從靜止勻加速至速度vl，以恒定速度vl轉(zhuǎn)動，軀干支架與大腿支架之間角度Ζ?增大，帶動用戶軀干與大腿產(chǎn)生相對角度運(yùn)動，直至控制模塊檢測到Ζα= 80°?90°，控制髖部電機(jī)以加速度_al勻減速至靜止；
[0008]所述Ζ?為軀干支架與大腿支架之間角度；所述為大腿支架與小腿支架之間角度；所述為以軀干垂直地面為基準(zhǔn)，軀干前后傾斜的角度，前傾為正，后傾為負(fù)；zfee為以軀干垂直地面為基準(zhǔn)，軀干左右傾斜的角度，左傾為正，右傾為負(fù)；G為用戶體重；FC為去除拐杖自身重力后，左右拐杖觸地端所受總壓力；FP為左右腳底總壓力；FplS左腳單獨(dú)壓力；Fpr為右腳單獨(dú)壓力。
[0009]為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，優(yōu)選地，所述控制模塊通過采集到的信號判斷用戶姿態(tài)是否同時(shí)滿足觸發(fā)條件是在用戶使用腕表選擇“坐下”運(yùn)動模式后進(jìn)行。
[0010]優(yōu)選地，當(dāng)用戶使用腕表選擇了 “坐下”運(yùn)動模式后，所述通過語音模塊對用戶進(jìn)行語音提示包括如下情況:如條件C1未達(dá)要求，語音模塊提示“請使雙腿平行直立”；如條件C2未達(dá)要求，語音模塊提示“請盡量將上半身挺直，并避免向左或向右傾側(cè)身體”；如條件C3未達(dá)要求，語音模塊提示“請確保雙腳均勻受力”;如條件C4未達(dá)要求，語音模塊提示“請使用拐杖保持身體平衡”。
[0011]優(yōu)選地，所述傳感器包括左腿髖部電機(jī)角度傳感器、右腿髖部電機(jī)角度傳感器、左腿膝部電機(jī)角度傳感器、右腿膝部電機(jī)角度傳感器、左腳腳底壓力傳感器、右腳腳底壓力傳感器和軀干傾角傳感器；控制模塊分別與左腿髖部電機(jī)角度傳感器、右腿髖部電機(jī)角度傳感器、左腿膝部電機(jī)角度傳感器、右腿膝部電機(jī)角度傳感器、左腳腳底壓力傳感器、右腳腳底壓力傳感器和軀干傾角傳感器連接；所述控制模塊還分別與左腿髖部電機(jī)、右腿髖部電機(jī)、左腿膝部電機(jī)和右腿膝部電機(jī)連接。
[0012]優(yōu)選地，所述康復(fù)裝置的軀干支架綁定在用戶上身；大腿支架綁定在用戶大腿上，小腿支架綁定在用戶小腿上；腳部支撐板設(shè)置在用戶腳底；軀干支架與大腿支架通過髖部電機(jī)連接；髖部電機(jī)的定子與軀干支架固定，髖部電機(jī)的轉(zhuǎn)子與大腿支架固定；大腿支架與小腿支架分別膝部電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子連接；膝部電機(jī)連接著大腿支架與小腿支架并控制兩者相對角度運(yùn)動；小腿支架與腳部支撐板活動連接。
[0013]優(yōu)選地，所述a0，al, vO, vl的取值由測量下肢健全者坐下過程中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速所得。
[0014]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0015]1)本發(fā)明可幫助患者初期進(jìn)行坐下訓(xùn)練，這樣可以增強(qiáng)關(guān)節(jié)活動度和肌肉力，同時(shí)也有利于逐步提高患者對外骨骼的適應(yīng)性，為后期的行走動作打好基礎(chǔ)。
[0016]2)觸發(fā)方式雙保險(xiǎn)(腕表按鍵操作+傳感器組檢測用戶身體姿態(tài))。若用戶未通過腕表上的按鈕操作選擇“坐下”模式，則其身體動作不會觸發(fā)外骨骼機(jī)械腿裝置的坐下動作；用戶通過按鈕操作選擇“坐下”模式后，腕表中的無線射頻模塊與控制模塊進(jìn)行通信，通知后者用戶選擇了 “坐下”模式，后者隨即根據(jù)傳感器組采集的數(shù)據(jù)，開始實(shí)時(shí)判別用戶身體姿態(tài)是否滿足觸發(fā)條件。一旦控制模塊檢測到用戶身體姿態(tài)動作滿足觸發(fā)條件，則向電機(jī)組發(fā)出相應(yīng)指令，控制電機(jī)組轉(zhuǎn)動完成相應(yīng)動作，觸發(fā)“坐下”。用戶必須既通過腕表的按鈕選擇了 “坐下”模式，同時(shí)身體姿態(tài)又滿足了一定觸發(fā)條件，才會觸發(fā)機(jī)械腿“坐下”。這樣即可避免單一觸發(fā)方式的誤觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高安全系數(shù)。
[0017]3)控制模塊通過傳感器組對用戶身體姿態(tài)的數(shù)據(jù)(包括軀干傾角、腳底壓力等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，判斷上述數(shù)據(jù)是否超出正常范圍。當(dāng)用戶出現(xiàn)重心不穩(wěn)或摔倒等突發(fā)情況，控制模塊會檢測到上述數(shù)據(jù)超出正常范圍，這時(shí)將立即采取應(yīng)對措施，確保用戶安全。譬如，重心不穩(wěn)時(shí)會控制機(jī)械腿停止動作或站回座位上，摔倒時(shí)會通過語音模塊發(fā)出警報(bào)求助。
【附圖說明】
[0018]圖1是外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是外骨骼機(jī)械腿裝置核心功能模塊框圖；
[0020]圖3(a)是從右前方觀察的支架角度示意圖；
[0021]圖3(b)是從右方觀察的支架角度示意圖；
[0022]圖4(a)是從右方觀察的軀干前傾角示意圖；
[0023]圖4(b)是從右方觀察的軀干后傾角示意圖；
[0024]圖4(c)是從前方觀察的軀干左傾角與右傾角示意圖；
[0025]圖5是用戶從站姿向坐姿變換的動作圖解；
[0026]圖6是裝置從站姿向坐姿變換的控制流程圖。
[0027]圖中示出:軀干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髖部電機(jī)4、髖部電機(jī)角度傳感器5、膝部電機(jī)6、膝部電機(jī)角度傳感器7、腳底壓力傳感器8、軀干傾角傳感器9、綁帶10、控制模塊11、腕表12、拐杖13、觸地壓力傳感器14、腳部支撐板15、左腿髖部電機(jī)角度傳感器5_1、右腿髖部電機(jī)角度傳感器5_2、左腿膝部電機(jī)角度傳感器7_1、右腿膝部電機(jī)角度傳感器7_2、左腳腳底壓力傳感器8_1、右腳腳底壓力傳感器8_2、左拐杖觸地壓力傳感器14_1、右拐杖觸地壓力傳感器14_2、左腿髖部電機(jī)4_1、右腿髖部電機(jī)4_2、左腿膝部電機(jī)6_1和右腿膝部電機(jī)6_2。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但實(shí)施方式不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0029]圖1是可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置主要包括軀干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髖部電機(jī)4、髖部電機(jī)角度傳感器5、膝部電機(jī)6、膝部電機(jī)角度傳感器7、腳底壓力傳感器8、軀干傾角傳感器9、綁帶10、控制模塊11、腕表12、拐杖13、觸地壓力傳感器14、腳部支撐板15、語音提示模塊16 ;其中，髖部電機(jī)4包括左腿髖部電機(jī)4_1和右腿髖部電機(jī)4_2 ;髖部電機(jī)角度傳感器5包括左腿髖部電機(jī)角度傳感器5_1和右腿髖部電機(jī)角度傳感器5_2 ;膝部電機(jī)6包括左腿膝部電機(jī)6_1和右腿膝部電機(jī)6_2 ;膝部電機(jī)角度傳感器7包括左腿膝部電機(jī)角度傳感器7_1和右腿膝部電機(jī)角度傳感器7_2 ;腳底壓力傳感器8包括左腳腳底壓力傳感器8_1和右腳腳底壓力傳感器8_2 ;觸地壓力傳感器14包括左拐杖觸地壓力傳感器14_1和右拐杖觸地壓力傳感器14_2 ;拐杖13有兩根，分別通過用戶的左右手握住?？刂颇K11設(shè)置在用戶的背部。
[0030]軀干支架1綁定在用戶上身；大腿支架2綁定在用戶大腿上，小腿支架3綁定在用戶小腿上；腳部支撐板15設(shè)置在用戶腳底；所述