可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的站立模式控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種站立模式控制方法，特別是涉及一種可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的站立模式控制方法，用于下肢癱瘓人員行動與康復(fù)?？纱┐鞣律夤趋罊C(jī)械腿康復(fù)裝置簡稱康復(fù)裝置。
【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)明提供了一種可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的站立模式控制方法，對康復(fù)裝置進(jìn)行控制，使其從坐姿態(tài)向平行站立姿態(tài)平穩(wěn)、安全變換。
[0005]本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]可穿戴仿生外骨骼機(jī)械腿康復(fù)裝置的站立模式控制方法，包括如下步驟:
[0007]1)站立觸發(fā)條件判斷:控制模塊分析處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，判斷是否同時滿足以下條件:Cl: Z膝=80。( ± 1。)，Z髖=90° ( ± 1。)，C2: Z前后=+5。?+15。，Z*e=-5° ?+
5。，C3:Fp+Fc=(10%?30%)G，| Fpl-Fpr |/FP = 0?10%，C4:FC= (5%?25% )G;若同時滿足條件Cl、C2、C3和C4，則滿足站立觸發(fā)條件;若未滿足條件Cl，控制模塊將嘗試自動恢復(fù)，如自動恢復(fù)不成功則需要請求維護(hù)人員進(jìn)行修復(fù);若未滿足條件C2、C3或C4，則通過語音模塊引導(dǎo)用戶滿足以上條件，并持續(xù)檢測傳感器數(shù)據(jù)，直至用戶姿態(tài)滿足觸發(fā)條件；
[0008]2)觸發(fā)站立動作:若控制模塊檢測到用戶滿足站立的觸發(fā)條件，控制模塊隨即向髖部電機(jī)和膝部電機(jī)發(fā)出指令，膝部電機(jī)不轉(zhuǎn)動，髖部電機(jī)開始以加速度aO從靜止勻加速至速度vO，以速度vO轉(zhuǎn)動，減小，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將要達(dá)到Zf|=80°，控制髖部電機(jī)以加速度-aO勻減速至靜止;髖部電機(jī)、膝部電機(jī)開始同時以加速度al從靜止勻加速至速度vl，以速度vl轉(zhuǎn)動；Z髓增大，帶動用戶軀干與大腿產(chǎn)生相對角度運(yùn)動；同時，Z膝增大，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將要達(dá)到Z髓=170°，Z膝=170°，控制模塊控制髖部電機(jī)、膝部電機(jī)同時以加速度-al勻減速至靜止，實(shí)現(xiàn)平行站立狀態(tài)。
[0009]所述Z膝為膝關(guān)節(jié)角度，即大腿支架與小腿支架構(gòu)成的角度；Zf!為髖關(guān)節(jié)角度，gp軀干支架與大腿支架構(gòu)成的角度;所述Z前后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)；Zi*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，左右拐杖觸地端所受總壓力;Fp為左右腳底總壓力;Fpl為左腳單獨(dú)壓力;Fpr為右腳單獨(dú)壓力。
[0010]為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，優(yōu)選地，所述控制模塊分析處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)是在用戶使用腕表選擇“站立”運(yùn)動模式后進(jìn)行。
[0011]優(yōu)選地，當(dāng)用戶使用腕表選擇了“站立”運(yùn)動模式后，若身體姿態(tài)不滿足站立觸發(fā)條件，控制模塊向語音模塊發(fā)出消息，后者提醒用戶調(diào)整姿態(tài)，直至控制模塊檢測到用戶滿足站立觸發(fā)條件;用戶根據(jù)語音提示中的具體操作指引調(diào)整身體姿態(tài);如C1未達(dá)要求(正常情況下電源開啟后膝部電機(jī)與髖部電機(jī)鎖定，膝部角度Z膝=80° ( ± 1° )，髖部角度Z髓=90° ( ± 1°))，則通過語音模塊提示用戶“目前存在故障不宜站立”，然后嘗試自動恢復(fù)，若自動恢復(fù)不成功則需要請求維護(hù)人員進(jìn)行修復(fù)，直到C1滿足，才可再次進(jìn)行站立;如C2未達(dá)要求，則會提示“請使用拐杖向上向前支撐身體，使上半身稍微向前傾斜，并盡量避免向左或向右傾側(cè)身體”;如C3未達(dá)要求，則會提示“請使雙腳觸地，受力均勻，稍微往內(nèi)挪放”；如C4未達(dá)要求，則會提示“請使用拐杖”。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]優(yōu)選地，所述aO取值為30° /s2 ；所述vO取值為20° /s ；所述al取值為65°/s2 ；所述vl取值為25°/S<3v0為站立階段一的髖部電機(jī)轉(zhuǎn)速，aO為階段一開始時加速以及結(jié)束時減速的加速度絕對值，加速時加速度為aO，減速時加速度為-aO; vl為站立階段二的髖、膝部電機(jī)轉(zhuǎn)速，al為階段二開始時加速以及結(jié)束時減速的加速度絕對值，加速時加速度為al，減速時加速度為-al。
[0015]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1)觸發(fā)方式雙保險。若用戶未通過腕表上的按鈕操作選擇“站立”模式，則其身體動作不會觸發(fā)外骨骼機(jī)械腿裝置的站立動作；用戶通過按鈕操作選擇“站立”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“站立”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)“站立”。用戶須既通過腕表的按鈕選擇了 “站立”模式，同時身體姿態(tài)又滿足了一定觸發(fā)條件，才會觸發(fā)機(jī)械腿“站立”。這樣即可避免單一觸發(fā)方式的誤觸發(fā)風(fēng)險，提高安全系數(shù)。
[0017]2)用戶使用安全?？刂颇K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，這時將立即采取應(yīng)對措施，確保用戶安全。譬如，重心不穩(wěn)時會控制機(jī)械腿停止動作或坐回座位上，摔倒時會通過語音模塊發(fā)出警報(bào)求助。
[0018]3)本發(fā)明可以幫助患者初期進(jìn)行站立訓(xùn)練，這樣可以增強(qiáng)關(guān)節(jié)活動度和肌肉力，同時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)。
【附圖說明】
[0019]圖1是可穿戴仿生外