[发明专利]一种外骨骼机器人对侧训练用在线步态生成控制系统

说明书

本发明公开了一种外骨骼机器人对侧训练用在线步态生成控制系统，包括健侧预运动数据采集模块、传感器信号采集与处理模块、健侧患侧数据转换模块和患侧步态修正模块；通过健侧预运动数据采集模块采集的数据建立步态相位标本集，通过传感器信号采集与处理模块采集健侧运动数据，健侧患侧数据转换模块结合健侧运动数据和步态相位标本集预测患侧运动数据，通过患侧步态修正模块对预测结果修正，最终得到患侧的髋关节直流伺服电机和患侧膝关节直流伺服电机的输出位置和插值时间。本发明在患侧外骨骼系统对患侧仿健侧行走的数据进行预生成处理，并根据重心变化在线修正，能满足脑卒中患者下肢康复训练运动的自然性和平衡性需求，使人体行走更稳定舒适。

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人对侧训练用在线步态生成控制系统，属于机器人技术。

背景技术

助力外骨骼机器人是一种穿戴方式的下肢步行仿生机械腿，它以人为中心，通过传感器采集人体运动的趋势，在助力方面给予与人相同步态方向的关节助力，在助行方面带动人体产生相应运动，以刺激对应的骨骼肌群；传统的外骨骼机器人在满足脑卒中病人的康复理疗上以及协调人体运动动作上存在缺陷。中国专利申请CN201310688125.3提供了一种拟人化下肢助力外骨骼机器人，其能够用于下肢助力行走，对传统的外骨骼机器人进行了一定的改善，但是该方案但并没有对对侧运动和患健侧协调处理进行相关设计，目前行业内也没可以提供参考的方案，因此不利于具体实施。

发明内容

发明目的：针对现有外骨骼机器人在脑卒中病人康复训练中，无法有效发挥健侧的主观行动力，无法协调健侧和患侧的步态动作，本发明提供一种外骨骼机器人对侧训练用在线步态生成控制系统，能在满足外骨骼机器人带动患者患腿行动的情况下，将健侧的步态生理特性映射到患侧腿，并根据行走时的重心变化对执行轨迹进行在线步态修正，达到健侧带动患侧同步运动的对侧控制功能的协调性和灵活性的目的。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种外骨骼机器人对侧训练用在线步态生成控制系统，该外骨骼机器人包括健侧运动机构和患侧运动机构，该在线步态生成控制系统包括健侧预运动数据采集模块、传感器信号采集与处理模块、健侧患侧数据转换模块和患侧步态修正模块；

在健侧运动机构的髋关节和膝关节位置分别设置健侧髋关节直流伺服电机和健侧膝关节直流伺服电机，记健侧髋关节直流伺服电机编码器值为C_{H_J}，记健侧膝关节直流伺服电机编码器值为C_{H_K}，通过健侧脚部压力传感器检测健侧脚部总压力F_H；

在患侧运动机构的髋关节和膝关节位置分别设置患侧髋关节直流伺服电机和患侧膝关节直流伺服电机，记患侧髋关节直流伺服电机编码器值为C_{S_J}，记患侧膝关节直流伺服电机编码器值为C_{S_K}，通过患侧脚部压力传感器检测患侧脚部总压力F_S；

所述健侧预运动数据采集模块包括健侧大腿惯性传感器和健侧小腿惯性传感器，健侧大腿惯性传感器用于检测健侧大腿角速度ω_{H_thigh}和健侧大腿俯仰角度θ_{H_thigh}，健侧小腿惯性传感器用于检测健侧小腿角速度ω_{H_shank}和健侧小腿俯仰角度θ_{H_shank}；

根据{ω_{H_thigh}，θ_{H_thigh}，ω_{H_shank}，θ_{H_shank}}计算健侧髋关节变化角度Φ_{H_J}和健侧膝关节变化角度Φ_{H_K}；将健侧和患侧各踏出一步称为一个全步态周期T，将T等间隔划分为Q份，对间隔点t对应的{Φ_{H_J}，Φ_{H_K}}进行归一化形成t时刻的步态相位标本t＝0，1，2，…，(Q-1)，所有间隔点t对应的步态相位标本构成步态相位标本集；