[发明专利]步态康复机器人及用于步态康复机器人的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种步态康复机器人及用于步态康复机器人的控制方法。

背景技术

步态参数是人类行走过程中的物理参数，具体包括行走速度等等，可以反映人类运动能力，拥有较大的应用价值。可穿戴传感器包括惯性测量单元，超声波传感器，微型摄像头等等，相比于大型实验室测量步态参数的设备如光学式运动捕捉系统、测力台等等，以其小巧、廉价，不受时间、空间限制、易于推广等优点被广泛应用于步态参数测量领域。

步态的测定具有重要的意义。现在有很多人研究步态康复机器人，一种能通过自身移动协助患有腿部疾病的用户行走的装置。现有的步态康复机器人大多通过遥控的方式控制运行速度，往往不能够根据用户自身的行走速度进行跟随用户行走的运动，并且很有可能因为机器人运行与用户的动作不匹配而造成二次伤害，因此非常有必要提出一种新的控制方法，使步态康复机器人能够跟随用户的行走。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中步态康复机器人不能根据用户的实际运动调整自身运动的问题，并提供一种新型的用于步态康复机器人的控制方法。

本发明中所涉及的部分名词含义如下：

行走速度是指人在行走时人的躯干向前移动的速度。

惯性传感器为一种集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪的传感器，可以测量三轴加速度以及三轴角速度，并可以由这些加速度、角速度计算其自身的姿态角度。

矢状面和铅垂线，矢状面是垂直于水平面并将人体分为左右两部分的面，人在行走时，主要运动都发生在矢状面内；铅垂线是垂直于地面的线。

步态事件是指人在行走过程中的每个步态周期中的重要时刻，主要有摆动中期、脚落地、站立中期、脚离地四个步态事件。以右腿为例，左腿与地面接触并支撑人体，右腿向前迈出的这段时间为右腿的摆动相；右腿摆到左腿附近时为摆动中期；接着右脚落地，右腿开始与地面接触并支撑人体，左腿向前迈出的这段时间，为右腿的站立相；右腿以右踝关节为旋转中心，向前移动，到达接近于与地面垂直的位置，此时为站立中期；随后右脚离地，右腿向前迈出，完成一个步态周期。

人体小腿长度为，人体静止站立时，膝关节至地面的高度；人体大腿长度为，人静止站立时，髋关节至膝关节的高度。

本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下。

步态康复机器人，包括机器人本体、驱动轮、控制单元和可穿戴传感器，所述可穿戴传感器与控制单元有线或无线连接，所述可穿戴传感器用于检测用户行走时的脚落地步态事件，并测量所述用户大腿及小腿在矢状面内站立相时的姿态角度与角速度，并计算出用户的行走速度，将用户的行走速度反馈给控制单元，所述控制单元与驱动轮电连接，控制单元根据其收集的用户行走速度，调整驱动轮的转速，所述驱动轮用于驱动机器人本体移动，从而使机器人本体的移动速度与用户的行走速度保持一致。

用于步态康复机器人的控制方法，依次包括以下步骤：

（1）可穿戴传感器测量用户实时的行走速度；

（2）可穿戴传感器将测得的行走速度反馈给步态康复机器人；

（3）步态康复机器人根据反馈的行走速度实时调整自身运行速度，使自身运行速度与用户行走速度一致。

作为一种优选方式，所述的可穿戴传感器穿戴于用户的每条大腿和每条小腿上，所述可穿戴传感器测量用户实时的行走速度依次包括以下步骤：

（1）检测用户行走时的脚落地步态事件；

（2）实时测量所绑定的大腿、小腿在站立相时的矢状面内的姿态角度、以及运动角速度、；

（3）通过如下几何关系式计算得出用户实时的行走速度：

；

式中：V为用户行走速度，LS、LT分别为用户的小腿、大腿长度，、分别为用户处于站立相时小腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度，、分别为用户处于站立相时大腿在矢状面内与铅垂线的夹角以及运动角速度。

作为一种优选方式，步态事件可以利用用户小腿在矢状面内的角速度特征进行检测；步态事件是指人在行走过程中的每个步态周期中的重要时刻，包括摆动中期、脚落地、站立中期和脚离地四个步态事件；小腿角速度在一个周期时间内有一高一矮的两个比较大的波峰，较高的峰对应着摆动中期，较矮的对应着站立中期；摆动中期之后有一段有很多小的负向的波峰的区域，这是脚落地造成的震动，第一个负向峰为脚落地时刻；在站立中期后，下一个摆动中期前，有一处波谷，此时对应着脚离地时刻；站立相是指从脚落地事件开始，到另一条腿脚落地事件结束，摆动相是指从站立相结束时刻开始至下次该腿脚落地事件时刻。