本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及一種步態(tài)康復(fù)機(jī)器人及用于步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的控制方法。

背景技術(shù)：

步態(tài)參數(shù)是人類行走過(guò)程中的物理參數(shù)，具體包括行走速度等等，可以反映人類運(yùn)動(dòng)能力，擁有較大的應(yīng)用價(jià)值。可穿戴傳感器包括慣性測(cè)量單元，超聲波傳感器，微型攝像頭等等，相比于大型實(shí)驗(yàn)室測(cè)量步態(tài)參數(shù)的設(shè)備如光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、測(cè)力臺(tái)等等，以其小巧、廉價(jià)，不受時(shí)間、空間限制、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于步態(tài)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域。

步態(tài)的測(cè)定具有重要的意義?，F(xiàn)在有很多人研究步態(tài)康復(fù)機(jī)器人，一種能通過(guò)自身移動(dòng)協(xié)助患有腿部疾病的用戶行走的裝置?，F(xiàn)有的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人大多通過(guò)遙控的方式控制運(yùn)行速度，往往不能夠根據(jù)用戶自身的行走速度進(jìn)行跟隨用戶行走的運(yùn)動(dòng)，并且很有可能因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)行與用戶的動(dòng)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(tài)康復(fù)機(jī)器人能夠跟隨用戶的行走。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中步態(tài)康復(fù)機(jī)器人不能根據(jù)用戶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)的問題，并提供一種新型的用于步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的控制方法。

本發(fā)明中所涉及的部分名詞含義如下：

行走速度是指人在行走時(shí)人的軀干向前移動(dòng)的速度。

慣性傳感器為一種集成了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀的傳感器，可以測(cè)量三軸加速度以及三軸角速度，并可以由這些加速度、角速度計(jì)算其自身的姿態(tài)角度。

矢狀面和鉛垂線，矢狀面是垂直于水平面并將人體分為左右兩部分的面，人在行走時(shí)，主要運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在矢狀面內(nèi)；鉛垂線是垂直于地面的線。

步態(tài)事件是指人在行走過(guò)程中的每個(gè)步態(tài)周期中的重要時(shí)刻，主要有擺動(dòng)中期、腳落地、站立中期、腳離地四個(gè)步態(tài)事件。以右腿為例，左腿與地面接觸并支撐人體，右腿向前邁出的這段時(shí)間為右腿的擺動(dòng)相；右腿擺到左腿附近時(shí)為擺動(dòng)中期；接著右腳落地，右腿開始與地面接觸并支撐人體，左腿向前邁出的這段時(shí)間，為右腿的站立相；右腿以右踝關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)中心，向前移動(dòng)，到達(dá)接近于與地面垂直的位置，此時(shí)為站立中期；隨后右腳離地，右腿向前邁出，完成一個(gè)步態(tài)周期。

人體小腿長(zhǎng)度為，人體靜止站立時(shí)，膝關(guān)節(jié)至地面的高度；人體大腿長(zhǎng)度為，人靜止站立時(shí)，髖關(guān)節(jié)至膝關(guān)節(jié)的高度。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題，所采用的具體技術(shù)方案如下。

步態(tài)康復(fù)機(jī)器人，包括機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)輪、控制單元和可穿戴傳感器，所述可穿戴傳感器與控制單元有線或無(wú)線連接，所述可穿戴傳感器用于檢測(cè)用戶行走時(shí)的腳落地步態(tài)事件，并測(cè)量所述用戶大腿及小腿在矢狀面內(nèi)站立相時(shí)的姿態(tài)角度與角速度，并計(jì)算出用戶的行走速度，將用戶的行走速度反饋給控制單元，所述控制單元與驅(qū)動(dòng)輪電連接，控制單元根據(jù)其收集的用戶行走速度，調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，所述驅(qū)動(dòng)輪用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體移動(dòng)，從而使機(jī)器人本體的移動(dòng)速度與用戶的行走速度保持一致。

用于步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的控制方法，依次包括以下步驟：

（1）可穿戴傳感器測(cè)量用戶實(shí)時(shí)的行走速度；

（2）可穿戴傳感器將測(cè)得的行走速度反饋給步態(tài)康復(fù)機(jī)器人；

（3）步態(tài)康復(fù)機(jī)器人根據(jù)反饋的行走速度實(shí)時(shí)調(diào)整自身運(yùn)行速度，使自身運(yùn)行速度與用戶行走速度一致。

作為一種優(yōu)選方式，所述的可穿戴傳感器穿戴于用戶的每條大腿和每條小腿上，所述可穿戴傳感器測(cè)量用戶實(shí)時(shí)的行走速度依次包括以下步驟：

（1）檢測(cè)用戶行走時(shí)的腳落地步態(tài)事件；

（2）實(shí)時(shí)測(cè)量所綁定的大腿、小腿在站立相時(shí)的矢狀面內(nèi)的姿態(tài)角度、以及運(yùn)動(dòng)角速度、；

（3）通過(guò)如下幾何關(guān)系式計(jì)算得出用戶實(shí)時(shí)的行走速度：

；

式中：V為用戶行走速度，LS、LT分別為用戶的小腿、大腿長(zhǎng)度，、分別為用戶處于站立相時(shí)小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角以及運(yùn)動(dòng)角速度，、分別為用戶處于站立相時(shí)大腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角以及運(yùn)動(dòng)角速度。

作為一種優(yōu)選方式，步態(tài)事件可以利用用戶小腿在矢狀面內(nèi)的角速度特征進(jìn)行檢測(cè)；步態(tài)事件是指人在行走過(guò)程中的每個(gè)步態(tài)周期中的重要時(shí)刻，包括擺動(dòng)中期、腳落地、站立中期和腳離地四個(gè)步態(tài)事件；小腿角速度在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)有一高一矮的兩個(gè)比較大的波峰，較高的峰對(duì)應(yīng)著擺動(dòng)中期，較矮的對(duì)應(yīng)著站立中期；擺動(dòng)中期之后有一段有很多小的負(fù)向的波峰的區(qū)域，這是腳落地造成的震動(dòng)，第一個(gè)負(fù)向峰為腳落地時(shí)刻；在站立中期后，下一個(gè)擺動(dòng)中期前，有一處波谷，此時(shí)對(duì)應(yīng)著腳離地時(shí)刻；站立相是指從腳落地事件開始，到另一條腿腳落地事件結(jié)束，擺動(dòng)相是指從站立相結(jié)束時(shí)刻開始至下次該腿腳落地事件時(shí)刻。

作為一種優(yōu)選方式，可穿戴傳感器測(cè)量的行走速度通過(guò)有線或無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳輸給步態(tài)康復(fù)機(jī)器人。

作為一種優(yōu)選方式，步態(tài)康復(fù)機(jī)器人實(shí)時(shí)接收用戶行走速度數(shù)據(jù)，并根據(jù)所接收的行走速度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更改其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使步態(tài)康復(fù)機(jī)器人整體的前進(jìn)速度與用戶實(shí)時(shí)的行走速度一致。

作為一種優(yōu)選方式，所述可穿戴傳感器為慣性傳感器或超聲波傳感器。

上述各優(yōu)選方式中的技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進(jìn)行相互組合，不構(gòu)成限制。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，其有益效果是：

（1）使用本發(fā)明控制步態(tài)康復(fù)機(jī)器人，廉價(jià)、方便，不受場(chǎng)地限制，易于推廣。

（2）使用本發(fā)明控制步態(tài)康復(fù)機(jī)器人，可以使步態(tài)康復(fù)機(jī)器人跟隨用戶的運(yùn)動(dòng)速度以及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，有較好的人機(jī)交互性。

（3）使用本發(fā)明控制步態(tài)康復(fù)機(jī)器人，可以避免康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的二次傷害，擁有較好的臨床價(jià)值。

本發(fā)明中部分步驟的具體效果將通過(guò)后續(xù)的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1 本發(fā)明中矢狀面、鉛垂線示意圖；

圖2 本發(fā)明中傳感器放置位置示意圖；

圖3 本發(fā)明中步態(tài)康復(fù)機(jī)器人示意圖；

圖4 本發(fā)明中人體行走周期示意圖；

圖5 本發(fā)明中步態(tài)事件檢測(cè)示意圖；

圖6 本發(fā)明中人體二維幾何模型及行走速度計(jì)算示意圖；

上述圖1、2、6中P表示鉛垂線（Plumb line），S表示矢狀面（Sagittal Plane）；

上述圖2中，1、2分別為放置在左大腿、左小腿上的慣性傳感器，3、4分別為放置在右大腿、右小腿上的慣性傳感器；

上述圖4、5中，A~D為右腿在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的步態(tài)事件，其中A為擺動(dòng)中期步態(tài)事件，B為腳落地步態(tài)事件，C為站立中期步態(tài)事件，D為腳離地步態(tài)事件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，因便于更好地理解。本發(fā)明以下實(shí)施例僅用于提供一種優(yōu)選的方式，但其中技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進(jìn)行相互組合，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

本發(fā)明中的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人是一種輪式的移動(dòng)機(jī)器人，請(qǐng)參閱圖3，包括機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)輪、控制單元和可穿戴傳感器，所述可穿戴傳感器與控制單元有線或無(wú)線連接，所述可穿戴傳感器用于檢測(cè)用戶行走時(shí)的腳落地步態(tài)事件，并實(shí)時(shí)測(cè)量所述用戶大腿及小腿在矢狀面內(nèi)站立相時(shí)的姿態(tài)角度與角速度，并計(jì)算出用戶的行走速度，將用戶的行走速度反饋給控制單元，所述控制單元與驅(qū)動(dòng)輪電連接，控制單元根據(jù)其收集的用戶行走速度，調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，所述驅(qū)動(dòng)輪用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體移動(dòng)，從而使機(jī)器人本體的移動(dòng)速度與用戶的行走速度保持一致。

用于步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的控制方法，使用包括四個(gè)慣性測(cè)量傳感器的可穿戴設(shè)備測(cè)量用戶行走速度，并將該行走速度反饋給步態(tài)康復(fù)機(jī)器人，步態(tài)康復(fù)機(jī)器人根據(jù)該用戶行走速度實(shí)時(shí)調(diào)整自身運(yùn)行速度，使該機(jī)器人跟隨該用戶的行走速度運(yùn)行。

需要說(shuō)明的是，請(qǐng)參閱圖5，步態(tài)事件可以利用該腿小腿在矢狀面內(nèi)的角速度特征進(jìn)行檢測(cè)。小腿角速度在一個(gè)周期內(nèi)通常主要有一高一矮的兩個(gè)比較大的波峰，較高的峰對(duì)應(yīng)著擺動(dòng)中期，較矮的對(duì)應(yīng)著站立中期；擺動(dòng)中期之后有一段有很多小的負(fù)向的波峰的區(qū)域，這是腳落地造成的震動(dòng)，第一個(gè)負(fù)向峰為腳落地時(shí)刻；在站立中期后，下一個(gè)擺動(dòng)中期前，有一處波谷，此時(shí)對(duì)應(yīng)著腳離地時(shí)刻?？梢越频恼J(rèn)為站立相從該腿腳落地事件開始，到另一條腿腳落地事件結(jié)束，擺動(dòng)相從站立相結(jié)束時(shí)刻開始至下次該腿腳落地事件時(shí)刻；可以近似的認(rèn)為左腿處于站立相時(shí)右腿處于擺動(dòng)相，左腿處于擺動(dòng)相時(shí)右腿處于站立相。

另外為方便描述，請(qǐng)參閱圖6，將人體轉(zhuǎn)化為二維模型，忽略腳的形狀，將人體的小腿、大腿及軀干簡(jiǎn)化為桿，膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為鉸鏈。

目標(biāo)用戶穿戴慣性傳感器設(shè)備，左右小腿上分別對(duì)稱放置一個(gè)慣性傳感器，左右大腿上也分別對(duì)稱放置一個(gè)慣性傳感器，如圖2所示。

每一個(gè)慣性傳感器都可以實(shí)時(shí)測(cè)量該用戶的大腿或小腿在矢狀面內(nèi)實(shí)時(shí)的姿態(tài)角度以及運(yùn)動(dòng)角速度，并可以檢測(cè)用戶行走時(shí)的腳落地步態(tài)事件。請(qǐng)參閱圖4，首先根據(jù)腳落地事件確定兩腿的狀態(tài)（站立相或擺動(dòng)相）：從一條腿腳落地事件開始，到另一條腿腳落地事件結(jié)束，即為該腿的站立相，該腿的擺動(dòng)相從站立相結(jié)束時(shí)刻開始至下次該腿腳落地事件的發(fā)生；兩條腿的站立相構(gòu)成整個(gè)步態(tài)周期。

在用戶行走過(guò)程中，以處于站立相的小腿與地面的交點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，如圖6所示，利用幾何關(guān)系以及物理關(guān)系可以計(jì)算該腿膝關(guān)節(jié)的此時(shí)的前進(jìn)速度：

式中：為用戶處于站立相的腿的膝關(guān)節(jié)前進(jìn)速度；LS為用戶的小腿長(zhǎng)度，可由用戶自行測(cè)量設(shè)定；、分別為用戶此時(shí)處于站立相的小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角以及運(yùn)動(dòng)角速度，均可由可穿戴傳感器獲得。如圖6所示，進(jìn)一步可以計(jì)算用戶軀干此時(shí)的前進(jìn)速度，即用戶的行走速度：

式中：V為用戶行走速度；LT為用戶的大腿長(zhǎng)度，可由用戶自行測(cè)量設(shè)定；、分別為用戶此時(shí)處于站立相的大腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角以及運(yùn)動(dòng)角速度，均可由可穿戴傳感器獲得。上述過(guò)程在用戶行走時(shí)反復(fù)進(jìn)行，以獲得用戶實(shí)時(shí)的行走速度。

通過(guò)可穿戴傳感器測(cè)量的實(shí)時(shí)的行走速度可以通過(guò)藍(lán)牙、wifi等無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳輸給步態(tài)康復(fù)機(jī)器人，步態(tài)康復(fù)機(jī)器人實(shí)時(shí)接收用戶行走速度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更改驅(qū)動(dòng)該機(jī)器人運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使該機(jī)器人整體的前進(jìn)速度等于用戶實(shí)時(shí)的行走速度。用戶的行走速度發(fā)生改變時(shí)，步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的前進(jìn)速度也會(huì)隨之改變，以此達(dá)到跟隨用戶行走的目的。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一些較佳的方案，然而其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。例如，上述實(shí)施例也可以使用其他算法或者使用其他傳感器（如超聲波傳感器等）來(lái)計(jì)算用戶行走速度，進(jìn)而控制步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的前進(jìn)。

由此可見，凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。