步態康復訓練機器人及用于該機器人的力反饋控制方法技術

本發明專利技術屬于醫療器械領域，具體公開了步態康復訓練機器人及用于該機器人的力反饋控制方法。通過在步態康復訓練機器人上設置三維力傳感器，實時的測量使用者在行走時與步態康復訓練機器人之間的作用力，并將其用于反饋調控步態康復機器人的運動。本方法使用方便，不受場地限制，成本低廉，可以較好的使步態康復訓練機器人跟隨用戶的行走速度以及輸出足夠的牽引力，從而達到幫助用戶行走的目的，還可以避免對用戶造成二次傷害，擁有較高的可靠性以及較好的推廣前景。

Gait rehabilitation training robot and force feedback control method for the same

The invention belongs to the field of medical instruments, and specifically discloses a gait rehabilitation training robot and a force feedback control method for the robot. By setting the three-dimensional force sensor in the gait rehabilitation training robot, the real-time measurement between walking and gait rehabilitation training robot force, which are used for feedback control gait rehabilitation robot. This method is easy to use, without space constraints, low cost, can make enough traction better gait rehabilitation training robot to follow the user's walking speed and output, so as to help the user to walk, but also can avoid causing two damage to the user, has high reliability and good promotion prospects.

【技術實現步驟摘要】
步態康復訓練機器人及用于該機器人的力反饋控制方法
本專利技術屬于醫療器械領域，具體涉及步態康復訓練機器人及用于該機器人的力反饋控制方法。
技術介紹
步態康復訓練機器人是一類能夠自動提供減負幫助以及行走輔助的智能器械。傳統的步態康復過程需要大量的康復治療專家參與，這極大的消耗了人力以及國家財力，因此步態康復訓練機器人具有非常大的研究價值。國內外有許多步態康復訓練機器人的研究，但是大多數機器人的運動軌跡是預先編好的，不能夠主動識別人的運動意圖并按照人的運動意圖輔助人的運動。并且這些機器人很有可能因為機器人運行與用戶的動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，使步態康復訓練機器人能夠跟隨用戶的行走并提供合適的輔助作用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于解決現有技術中步態康復訓練機器人不能根據用戶的實際運動調整自身運動的問題，并提供一種新型的用于步態康復訓練機器人的力反饋控制方法。本專利技術中所涉及的部分名詞含義如下：行走速度是指人在行走時軀干向前移動的速度，可以通過放置在用戶下肢的可穿戴傳感器系統進行測量。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。牽引力是指步態康復訓練機器人在水平方向上拉動用戶前進的力，牽引力與用戶作用于機器人水平方向的分力為相互作用力。支撐力是指機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器人豎直方向的分力為相互作用力。本專利技術為解決技術問題，所采用的具體技術方案如下：步態康復訓練機器人，其特征在于，包括：本體、控制單元、扶手、用于測量用戶作用于扶手上作用力的力傳感器、用于檢測用戶行走速度的可穿戴傳感器和用于驅動本體移動的驅動機構，所述扶手設置于本體上部，所述驅動機構設置于本體下部，所述力傳感器設置于所述扶手的上部、內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動機構電連接，所述可穿戴傳感器與所述控制單元有線或無線連接。通過上述技術方案，步態康復訓練機器人可根據用戶行走速度調節自身運行速度，并根據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，反饋調節步態康復訓練機器人的運行速度，使用戶能輕松地步行。用于步態康復訓練機器人的力反饋控制方法，包括以下步驟：（1）可穿戴傳感器測量用戶實時的行走速度，力傳感器測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得的行走速度反饋給步態康復機器人的控制單元，所述力傳感器將其測得的作用力反饋給步態康復訓練機器人的控制單元；（3）步態康復訓練機器人的控制單元根據所反饋的用戶行走速度調整本體運行速度，使本體運行速度與用戶行走速度一致，并根據所反饋的作用力反饋調節本體運行速度，使本體跟隨用戶的行走速度運行并提供給用戶牽引力。通過上述技術方案，所述可穿戴傳感器穿戴于用戶的每條大腿和小腿上，用于檢測用戶行走時的腳落地步態事件，并測量所述用戶大腿及小腿在矢狀面內站立相時的姿態角度與角速度，并計算出用戶的行走速度。用戶雙手作用于扶手上時，會對扶手產生作用力，扶手上的力傳感器測量出該作用力，并反饋給步態康復機器人的控制單元，控制單元根據該作用力反饋調節本體運行速度。作為本專利技術的進一步改進，所述力傳感器測得的作用力包括豎直方向上步態康復訓練機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際牽引力。通過上述技術方案，通過三維力傳感器，可以測量步態康復訓練機器人提供給用戶的支撐力：式中：為步態康復訓練機器人的本體通過扶手為用戶提供的支撐力，為左手一側三維力傳感器測量的支撐力，為右手一側三維力傳感器測量的支撐力。步態康復訓練機器人提供給用戶的牽引力也可以由兩個三維力傳感器獲得：式中：為步態康復訓練機器人為用戶提供的牽引力，為左手一側三維力傳感器測量的牽引力，為右手一側三維力傳感器測量的牽引力。作為本專利技術的進一步改進，可穿戴傳感器測量的用戶行走速度作為基礎速度設定量發送給步態康復訓練機器人的控制單元，控制單元控制本體的驅動機構的運行速度，使本體的運行速度與用戶行走速度一致，步態康復訓練機器人計算的理論牽引力作為牽引力設定值發送給該機器人的控制單元，通過與力傳感器測量的實際牽引力比較，反饋調節本體的運行速度。作為本專利技術的進一步改進，步態康復訓練機器人通過其提供給用戶上肢的支撐力以及用戶的行走速度計算本體提供給用戶的理論牽引力大小：式中：為理論牽引力，為通過對用戶行走速度微分得到的用戶行走加速度，為步態康復訓練機器人提供給用戶的支撐力，為重力加速度，為用戶在步態康復訓練機器人的幫助下靜止站立時步態康復訓練機器人提供給用戶的牽引力，由力傳感器測得。作為本專利技術的進一步改進，所述理論牽引力小于所述實際牽引力時，則步態康復訓練機器人在本體現有運行速度的基礎上反饋調節本體運行速度以降低速度，適應用戶的行走；步所述理論牽引力大于所述實際牽引力時，則步態康復訓練機器人在本體現有運行速度的基礎上反饋調節本體運行速度以增大速度，適應用戶的行走。通過上述技術方案，步態康復訓練機器人的控制單元根據實際牽引力與理論牽引力的比較反饋調節本體的驅動機構的運行速度。作為本專利技術的進一步改進，反饋調節本體運行速度的調節范圍為-0.15m/s至+0.15m/s。通過上述技術方案，步態康復訓練機器人不致于過快及過慢。作為本專利技術的進一步改進，所述力傳感器為兩個，所述兩個力傳感器分別設置于扶手與人雙手相互作用的相應位置。作為本專利技術的進一步改進，步態康復訓練機器人的控制單元根據用戶左右兩手對應的實際牽引力的差值來調節本體的轉向。作為本專利技術的進一步改進，左手一側對應實際牽引力大于右手一側對應的實際牽引力時，則根據差值大小控制本體向右旋轉角度；右手一側對應的實際牽引力大于左手一側對應的實際牽引力時，則根據差值大小控制本體向左旋轉角度。上述各方案中的技術特征在不相互沖突的前提下，均可進行相互組合，不構成限制。本專利技術相對于現有技術而言，其有益效果是：（1）使用本專利技術控制步態康復訓練機器人，廉價、方便，不受場地限制，易于推廣。（2）使用本專利技術控制步態康復訓練機器人，可以使步態康復訓練機器人跟隨用戶的運動速度以及提供用戶所需要的牽引力，還可根據用戶需要進行轉向控制，有較好的人機交互性。（3）使用本專利技術控制步態康復訓練機器人，可以避免康復訓練過程中的二次傷害，擁有較好的臨床價值。本專利技術中部分步驟的具體效果將通過后續的具體實施方式進行詳細說明。附圖說明圖1：本專利技術一個實施例中力傳感器放置位置示意圖；圖中，A為用戶，B為步態康復訓練機器人本體，C為力傳感器，D為扶手，E為驅動機構。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術進行進一步說明，因便于更好地理解。本專利技術以下實施例僅用于提供一種優選的方式，但其中技術特征在不相互沖突的前提下，均可進行相互組合，不構成對本專利技術保護范圍的限制。本專利技術使用可穿戴傳感器測量用戶實時的行走速度，使用放置在機器人上的三維力傳感器測量機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康復訓練機器人；步態康復訓練機器人該根據用戶的行走速度以及作用力調整自身運行速度，使該機器人跟隨該用戶的行走速度運行并提供該用戶一定的牽引力。以某一用戶為例，本專利技術具體實施過程如下：本實施例中，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
步態康復訓練機器人，其特征在于，包括：本體、控制單元、扶手、用于測量用戶作用于扶手上作用力的力傳感器、用于檢測用戶行走速度的可穿戴傳感器和用于驅動本體移動的驅動機構，所述扶手設置于本體上部，所述驅動機構設置于本體下部，所述力傳感器設置于所述扶手的上部、內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動機構電連接，所述可穿戴傳感器與所述控制單元有線或無線連接。

【技術特征摘要】
1.步態康復訓練機器人，其特征在于，包括：本體、控制單元、扶手、用于測量用戶作用于扶手上作用力的力傳感器、用于檢測用戶行走速度的可穿戴傳感器和用于驅動本體移動的驅動機構，所述扶手設置于本體上部，所述驅動機構設置于本體下部，所述力傳感器設置于所述扶手的上部、內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動機構電連接，所述可穿戴傳感器與所述控制單元有線或無線連接。2.用于步態康復訓練機器人的力反饋控制方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）可穿戴傳感器測量用戶實時的行走速度，力傳感器測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得的行走速度反饋給步態康復機器人的控制單元，所述力傳感器將其測得的作用力反饋給步態康復訓練機器人的控制單元；（3）步態康復訓練機器人的控制單元根據所反饋的用戶行走速度調整本體運行速度，使本體運行速度與用戶行走速度一致，并根據所反饋的作用力反饋調節本體運行速度，使本體跟隨用戶的行走速度運行并提供給用戶牽引力。3.如權利要求2所述的用于步態康復訓練機器人的力反饋控制方法，其特征在于：所述力傳感器測得的作用力包括豎直方向上步態康復訓練機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際牽引力。4.如權利要求3所述的用于步態康復訓練機器人的力反饋控制方法，其特征在于：可穿戴傳感器測量的用戶行走速度作為基礎速度設定量發送給步態康復訓練機器人的控制單元，控制單元控制本體的驅動機構的運行速度，使本體的運行速度與用戶行走速度一致，步態康復訓練機器人計算的理論牽引力作為牽引力設定值發送給該機器人的控制單元，通過與力傳感器測量的實際牽引力比較，反饋調節本體的運行速度。5.如...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉濤，王磊，陳眾賢，董天云，韓梅梅，
申請(專利權)人：杭州福祉醫療器械有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江,33