[0024] 一种使用根据以上任一项技术方案所述的基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人进行康复训练的方法,包括以下步骤:
[0025] (1)使用者坐上轮椅后,脚放在脚踏板上,系好绑带使外骨骼与使用者下肢固定在一起,准备康复锻炼;
[0026] (2)康复锻炼模式及轮椅速度选择与校准;在使用者放松的情况下及开始按照自我意识开始蹬脚踏板,记录这两种情况下脚底力传感器的力的变化情况,并确定康复训练模式;同时按照康复者意愿选择轮椅速度;
[0027] (3)开始康复训练;脚蹬脚踏板,根据步骤(2)中的选择的康复模式和轮椅速度,开始康复锻炼并且轮椅开始行进,通过操作杆控制轮椅的前进后退转弯运动;
[0028] (4)停止康复训练与轮椅行进;当使用者想停止康复训练时,则停止脚蹬运动或者通过操作面板操作强行停止康复电机的转动从而停止外骨骼的运动;康复运动停止情况下,使用者通过停止对操作杆的操作即能够停止轮椅的运动;康复运动进行过程中,使用者通过在操作面板对按键的操作完成停止轮椅运动的控制。
[0029] 优选地,所述其中康复训练模式包括以下方面:
[0030] (1)被动训练模式:使用者下肢运动完全由外骨骼带动;
[0031] (2)主动康复训练模式:使用者自己完成康复锻炼,外骨骼电机不提供主动力;
[0032] (3)主被动融合助力训练模式:使用者及康复电机各自分别提供部分力量完成康复训练;
[0033] (4)智能模式:该模式下根据实时监测的使用者生理信号和人机交互力的大小实现机器人在主动康复训练模式和主被动融合助力康复训练模式的自动切换;在智能模式下,若所施加力的大小可以维持主观意识强度的康复训练,则保持或切换至主动康复训练模式;若施加力的大小不能够维持康复训练,则保持或切换至主被动融合训练模式;
[0034] (5)非训练模式:该模式下外骨骼电机抱闸停止外骨骼运动,使用者通过操作面板控制轮椅的移动;
[0035] (6)状态检测模式:该模式下控制轮椅电机为抱闸状态,即整体机器人不进行移动。使用者穿戴好外骨骼和传感器后用力蹬踏使外骨骼转动。
[0036] 与现有技术相比较,本发明的优点在于:
[0037] 1.本发明可通过轮椅与外骨骼的高效有机结合,可同时完成代步与运动康复功能。
[0038] 2.通过外骨骼康复运动和轮椅移动的协调控制,能够充分调动使用者参与康复训练的主动性和积极性,消除了其对医疗器械的恐惧心理,在实现轮椅代步的情况下,实现了对使用者下肢的康复性锻炼。
[0039] 3.通过实时监测反馈使用者的运动意图对机器人进行主从式控制,提前预估了使用者主观需求的康复训练强度,提升了使用者在进行康复训练中的参与感,有助于增强康复训练的效果。
[0040] 4.轮椅与外骨骼的运动二者之前没有机械连接,通过主从式控制的方式实现代步与运动康复功能,保证了患者的安全。
附图说明
[0041] 下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明
[0042] 图1是本发明的机器人示意图及主要部件。
[0043] 图2是本发明操作面板示意图。
[0044] 图3是本发明的控制系统框图。
[0045] 图4是轮椅框架示意图。
[0046] 图5是外骨骼骨架示意图。
[0047] 1 轮椅电机驱动器,2 力传感器,3 外骨骼电机,4 外骨骼电机驱动器,5 轮椅电机,6 STM32主控制器,7 操作面板,8 轮椅框架,9 外骨骼骨架,10 摇杆,11 急停开关,12 主动康复模式开关,13 系统总开关,14 外骨骼动力电开关,15 主被动融合康复模式开关,16 被动康复模式开关,17 自动调节康复模式开关,18 轮椅速度自动调节开关。
具体实施方式
[0048] 图1所示的是本发明的基于主从式控制的康复与代步外骨骼机器人,所述机器人通过代步功能的轮椅与康复性外骨骼高效组合,实现代步功能的同时,对使用者下肢进行有效的康复训练运动。该机器人由轮椅框架8、外骨骼骨架9、力传感器2及操作面板7等部分组成,其中轮椅框架8中的动力部件为轮椅电机5及轮椅电机驱动器1,外骨骼中的动力部件为外骨骼电机3及外骨骼电机驱动器4。
[0049] 轮椅电机驱动器1安装在轮椅框架8中,并与轮椅电机5通过电线相连接,用于控制轮椅电机5的启停和运转。
[0050] 力传感器2安装在脚踏板上,通过导线与安装在轮椅框架8上的STM32主控制器6相连,其检测到的使用者的腿部力量变化大小通过STM32主控制器6转化为电信号控制机器人中所述外骨骼电机3及轮椅电机5的运动,从而控制机器人的启停、运动速度的快慢及主动、被动、主被动融合的康复训练模式。
[0051] 外骨骼电机3是外骨骼的动力部件,其与外骨骼的运动部件机械连接,从而驱动外骨骼产生运动,带动使用者的下肢运动。
[0052] 外骨骼电机驱动器4固定在轮椅框架8上,通过导线与外骨骼电机3及STM32主控制器6相连,通过接收STM32主控制器6的控制信号,控制外骨骼电机3的运动;同时将外骨骼电机3的运动的反馈信息,反馈给STM32主控制器6。
[0053] 轮椅电机5及轮椅电机驱动器1固定在轮椅框架8上,是轮椅框架的动力部件,通过双电机控制轮椅框架的前进、后退、转弯等运动。
[0054] STM32主控制器6固定在轮椅框架8上,通过导线与力传感器2、外骨骼电机驱动器4、轮椅电机驱动器1连接及操作面板7连接。其接收力传感器2的力信号及操作面板7输入的使用者操作信号,从而输出信号控制外骨骼电机驱动器4与轮椅电机驱动器1的转动;同时接收外骨骼电机驱动器4与轮椅电机驱动器1的反馈信号,调节运动控制,从而实现反馈控制。
[0055] 图2所示的是本发明的操作面板,包括摇杆10、急停开关11、主动康复模式开关12、系统总开关13、外骨骼动力电开关14、主被动融合康复模式开关15、被动康复模式开关16、自动调节康复模式开关17、轮椅速度自动调节开关18。
[0056] 操作面板7安装在轮椅框架上,通过导线与外骨骼电机驱动器4、轮椅电机驱动器1及STM32主控制器6相连接,用于向轮椅电机驱动器1输入控制信息及向外骨骼电机驱动器输4入外骨骼康复信息。
[0057] 图3所示的是本发明机器人的控制系统框图。其中展示了本发明机器人控制系统各部分之间的关系。
[0058] 中心控制器接收来自控制面板的功能控制信号,以及来自传感器系统、外骨骼电机驱动器的反馈信号。基于使用者对操作面板的操作进行运行模式的选择,在实现外骨骼运动与轮椅移动之间的协调控制的同时,通过力传感器实时对使用者下肢的运动状态进行检测,充分考虑使用者的主观参与性,根据用户功能选择,规划各驱动器控制,通过阻抗控制及反馈完成不同康复训练模式,实现康复与代步外骨骼机器人人机系统的实时协同、柔顺控制。
[0059] 控制面板由用户操作,包括手柄和功能按键,其向所述中心控制器输出功能控制信号,向轮椅电机控制器输出轮椅转向信号。
[0060] 轮椅电机驱动器与左右两侧的轮椅电机电连接,根据从控制面板接收到的轮椅转向信号、从中心控制器接收到的轮椅转速信号,控制两侧的轮椅电机,从而调整轮椅的转速和转向。
[0061] 外骨骼电机驱动器能够驱动外骨骼电机伺服运动,其从中心控制器接收控制信号,并向中心控制器发送反馈信号,包括速度、电流、阻抗的信号。
[0062] 传感器系统能够向中心控制器发送反馈信号。其中,传感器系统可以包括腿部表面肌电信号传感器,能够测量腿部表面的肌电信号。传感器系统还可以包括足部力传感器,能够测量足部的力量。
[0063] 图4是轮椅框架示意图。在一优选的实施例中,该轮椅框架包括轮椅支架、轮椅坐垫、轮椅靠背、轮椅左右扶手、转向轮、左轮椅后轮、右轮椅后轮。在优选的实施例中,该轮椅框架还可以包括轮椅坐垫位置调整机构,以用于根据使用者的身体情况对轮椅坐垫的高度位置和/或前后位置进行调整,从而使得使用者的能够感觉更加舒适。
[0064] 图5是外骨骼骨架示意图。在一优选的实施例中,该外骨骼框架包括外骨骼固定件、左右大腿杆件、左右小腿杆件、左右髋关节连接轴、左右膝关节连接轴、左右踝关节连接轴,以及左右脚踏板。左右脚踏板的轴分别通过一连接杆基本对称地连接到一共同旋转轴上,该共同旋转轴安装在上述轮椅框架的转向轮上方。左右髋关节连接轴基本安装在上述轮椅框架的左右扶手位置。
[0065] 根据本发明的机器人具有三种康复运动模式,包括主动训练模式、被动训练模式,以及主被动融合的康复训练模式。
[0066] 在优选的实施例中,对于康复运动模式判定过程通过比例系数K值来表示。使用者坐上轮椅,脚蹬外骨骼踏板,通过脚底力传感器检测到的力的变化情况确定使用者康复前初始力量大小,从而判定K值的大小。假设脚蹬车运动需要的力大小为F0,使用者脚蹬车时力的变化量为ΔFu,则
[0067]
[0068] 如果患者腿部没有力量(K=0),则通过控制电机,带动人腿完成康复训练,此时为完全被动康复训练。
[0069] 如果人体下肢力量足够(K≥1),则外骨骼只辅助人腿运动不提供助力(K=1),必要时还可以通过电机反转提供部分阻力供使用者锻炼(K>1),此时为完全主动训练状态。
[0070] 当使用者下肢有部分力量但是不足以自己完成脚蹬车运动时(0
[0071] 在优选的实施例中,脚蹬车运动的速度与轮椅行进的速度之间包含正相关的反馈调节,即使用者脚蹬车越快,轮椅前进速度越快,反之亦然,使用者脚蹬车停止,轮椅停止运动,由此让使用者感觉到是自己蹬车前进的,可有效提升使用者参与感及康复锻炼意愿。该过程是通过康复过程中力的控制来实现的。可通过如下公式描述:
[0072] Fr=(1-K)·ΔFm+KΔFu (0≤K)
[0073] 其中,Fr为康复运动过程所需力的大小,ΔFm为康复电机提供的力的大小,ΔFu为患者腿部提供的力的大小。由此可见,该康复运动过程是人机相互协调运动控制的结果。
[0074] 轮椅的速度是使用者的意愿与所述脚底传感器检测到的运动过程中力的变化大小共同决定的,该过程可用如下公式描述:
[0075] V=K1·ΔF+ΔS
[0076] 其中K1为设定的比例系数,ΔF为检测到的传感器的力的大小,ΔS为使用者通过操作所述的操作面板对轮椅速度的控制信息,通过上述两者的协调运动,实现对轮椅速度的控制。
[0077] 在优选的实施例中,轮椅的运动与外骨骼的康复运动在机构上是彼此独立的,通过主从式控制的方式将其高效结合实现代步与康复的功能,因此所述机器人可根据使用者意图完成下述功能:原地康复锻炼、只代步而不进行康复锻炼、代步与康复锻炼同时进行。
[0078] 在优选的实施例中,3种模式可根据力传感器的反馈信息进行相互切换。在所述的主动康复模式下,若检测到使用者主观参与意识减弱时,机器人可自动切换至主被动融合康复模式运行。在主被动融合康复模式下,使用者可调节所需助力的大小以适应不同强度的康复训练;同时,若检测到使用者主动运动意识增强时,机器人可切换至主动康复模式;若检测到主动运动意识减弱,则自动切换到被动康复模式下。在被动康复模式下,若外骨骼检测到使用者主观的康复运动意识增强,则机器人可切换至主被动融合助力训练模式下运行。
[0079] 在所述的主从式控制方法中,主动运动是指使用者的运动意图,通过脚底力传感器感知到;从动运动是轮椅与康复外骨骼的运动。通过所述的力传感器检测使用者的力量变化大小控制机器人的启停,运动速度的快慢及主动、被动、主被动融合的康复训练模式。所述的机器人上的操作面板可供使用者对轮椅部分进行前进、后退、转向的控制以及康复训练模式的选择和调节。
[0080] 其具体实施过程包括:
[0081] (1)使用者坐上轮椅后,脚放在脚踏板上,系好绑带使外骨骼与使用者下肢固定在一起,准备康复锻炼。
[0082] (2)康复锻炼模式及轮椅速度选择与校准。在使用者放松的情况下及开始按照自我意识开始蹬脚踏板,记录这两种情况下脚底力传感器的力的变化情况,并确定康复训练模式即确定所述K值的大小;同时按照康复者意愿选择轮椅速度。
[0083] (3)开始康复训练。脚蹬脚踏板,根据(2)中的选择的康复模式和轮椅速度,开始康复锻炼并且轮椅开始行进,通过操作杆控制轮椅的前进后退转弯运动。
[0084] (4)停止康复训练与轮椅行进。当使用者想停止康复训练时,可停止脚蹬运动或者通过操作面板操作强行停止康复电机的转动从而停止外骨骼的运动。康复运动停止情况下,使用者只需要停止对操作杆的操作即可停止轮椅的运动;康复运动进行过程中,使用者可在操作面板对按键的操作完成停止轮椅运动的控制。
[0085] 其中主从式控制康复模式包括以下方面:
[0086] (1)被动训练模式:使用者下肢运动完全由外骨骼带动。
[0087] (2)主动康复训练模式:使用者自己完成康复锻炼,外骨骼电机不提供主动力。
[0088] (3)主被动融合助力训练模式:使用者及康复电机各自分别提供部分力量完成康复训练。
[0089] (4)智能模式:该模式下根据实时监测的使用者生理信号和人机交互力的大小实现机器人在主动康复训练模式和主被动融合助力康复训练模式的自动切换。在智能模式下,若所施加力的大小可以维持主观意识强度的康复训练,则保持或切换至主动康复训练模式;若施加力的大小不能够维持康复训练,则保持或切换至主被动融合训练模式。
[0090] (5)非训练模式:该模式下外骨骼电机抱闸停止外骨骼运动,使用者通过操作面板控制轮椅的移动。
[0091] (6)状态检测模式:该模式下控制轮椅电机为抱闸状态,即整体机器人不进行移动。使用者穿戴好外骨骼和传感器后用力蹬踏使外骨骼转动。