可穿戴仿生外骨骼機械腿康復裝置的坐下模式控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種輔助康復裝置，特別是涉及一種可穿戴仿生外骨骼機械腿康復裝置的坐下模式控制方法，用于下肢癱瘓人員行動與康復。
【背景技術】
[0002]目前，因各種原因而導致截癱的患者不斷增多，他們不僅行動不便，在心理上也承受著很大的負擔。對于那些下肢癱瘓但上肢健全的患者而言，需要借助康復工程的手段去改善其下肢的身體機能。
[0003]可穿戴仿生外骨骼機械腿康復裝置是一種穿戴在下肢，由電機關節帶動下肢運動功能障礙患者相應關節運動，達到訓練功能的機械裝置。為了解決截癱病人長期臥床或者坐輪椅引起的肌肉萎縮等身體問題，幫助他們重新站立和行走，提高其生活質量，并減輕患者心理負擔，開發具有高科技含量和自主知識產權的外骨骼機械腿康復裝置并研究相應的模式控制方法具有很重大的現實意義。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種穿戴仿生外骨骼機械腿康復裝置的坐下模式控制方法，對康復裝置進行控制，使其從站姿向坐姿平穩、安全變換。
[0005]可穿戴仿生外骨骼機械腿康復裝置的坐下模式控制方法，包括如下步驟:
[0006]1)坐下觸發條件判斷:控制模塊通過采集到的信號判斷用戶姿態是否同時滿足觸發條件 C1、C2、C3 和 C4 ;其中 C1 為Z膝=170° ?175° , Ζα= 170° ?175°，C2 為Ζ前后=0。?+10。，Ζ左右=-5。?+5。，C3*FP+Fc=(90%?95%)G，|FplFpr|/(Fpl+Fpr) =0?5%，C4為匕=(5%?10% )G ;如果控制模塊檢測到用戶不滿足坐下觸發條件，通過語音模塊對用戶進行語音提示，直至用戶滿足坐下觸發條件；
[0007]2)若控制模塊檢測到用戶滿足坐下觸發條件，控制模塊向髖部電機和膝部電機發出指令，髖部電機開始以加速度a0從靜止勻加速至速度vO，然后以恒定速度vO轉動，軀干支架與大腿支架之間角度Ζ?減小，帶動用戶軀干與大腿產生相對角度運動；同時，膝部電機也開始以加速度aO從靜止勻加速至速度vO，然后以恒定速度vO轉動，大腿支架與小腿支架之間角度減小，帶動用戶大腿與小腿產生相對角度運動；直至控制模塊檢測到
= 70°?80°，2膝=70°?80°，控制髖部電機、膝部電機以加速度_a0勻減速至靜止；然后膝部電機不轉動，髖部電機開始以加速度al從靜止勻加速至速度vl，以恒定速度vl轉動，軀干支架與大腿支架之間角度Ζ?增大，帶動用戶軀干與大腿產生相對角度運動，直至控制模塊檢測到Ζα= 80°?90°，控制髖部電機以加速度_al勻減速至靜止；
[0008]所述Ζ?為軀干支架與大腿支架之間角度；所述為大腿支架與小腿支架之間角度；所述為以軀干垂直地面為基準，軀干前后傾斜的角度，前傾為正，后傾為負；zfee為以軀干垂直地面為基準，軀干左右傾斜的角度，左傾為正，右傾為負；G為用戶體重；FC為去除拐杖自身重力后，左右拐杖觸地端所受總壓力；FP為左右腳底總壓力；FplS左腳單獨壓力；Fpr為右腳單獨壓力。
[0009]為進一步實現本發明目的，優選地，所述控制模塊通過采集到的信號判斷用戶姿態是否同時滿足觸發條件是在用戶使用腕表選擇“坐下”運動模式后進行。
[0010]優選地，當用戶使用腕表選擇了 “坐下”運動模式后，所述通過語音模塊對用戶進行語音提示包括如下情況:如條件C1未達要求，語音模塊提示“請使雙腿平行直立”；如條件C2未達要求，語音模塊提示“請盡量將上半身挺直，并避免向左或向右傾側身體”；如條件C3未達要求，語音模塊提示“請確保雙腳均勻受力”;如條件C4未達要求，語音模塊提示“請使用拐杖保持身體平衡”。
[0011]優選地，所述傳感器包括左腿髖部電機角度傳感器、右腿髖部電機角度傳感器、左腿膝部電機角度傳感器、右腿膝部電機角度傳感器、左腳腳底壓力傳感器、右腳腳底壓力傳感器和軀干傾角傳感器；控制模塊分別與左腿髖部電機角度傳感器、右腿髖部電機角度傳感器、左腿膝部電機角度傳感器、右腿膝部電機角度傳感器、左腳腳底壓力傳感器、右腳腳底壓力傳感器和軀干傾角傳感器連接；所述控制模塊還分別與左腿髖部電機、右腿髖部電機、左腿膝部電機和右腿膝部電機連接。
[0012]優選地，所述康復裝置的軀干支架綁定在用戶上身；大腿支架綁定在用戶大腿上，小腿支架綁定在用戶小腿上；腳部支撐板設置在用戶腳底；軀干支架與大腿支架通過髖部電機連接；髖部電機的定子與軀干支架固定，髖部電機的轉子與大腿支架固定；大腿支架與小腿支架分別膝部電機的定子和轉子連接；膝部電機連接著大腿支架與小腿支架并控制兩者相對角度運動；小腿支架與腳部支撐板活動連接。
[0013]優選地，所述a0，al, vO, vl的取值由測量下肢健全者坐下過程中的關節轉速所得。
[0014]相對于現有技術，本發明具有如下優點:
[0015]1)本發明可幫助患者初期進行坐下訓練，這樣可以增強關節活動度和肌肉力，同時也有利于逐步提高患者對外骨骼的適應性，為后期的行走動作打好基礎。
[0016]2)觸發方式雙保險(腕表按鍵操作+傳感器組檢測用戶身體姿態)。若用戶未通過腕表上的按鈕操作選擇“坐下”模式，則其身體動作不會觸發外骨骼機械腿裝置的坐下動作；用戶通過按鈕操作選擇“坐下”模式后，腕表中的無線射頻模塊與控制模塊進行通信，通知后者用戶選擇了 “坐下”模式，后者隨即根據傳感器組采集的數據，開始實時判別用戶身體姿態是否滿足觸發條件。一旦控制模塊檢測到用戶身體姿態動作滿足觸發條件，則向電機組發出相應指令，控制電機組轉動完成相應動作，觸發“坐下”。用戶必須既通過腕表的按鈕選擇了 “坐下”模式，同時身體姿態又滿足了一定觸發條件，才會觸發機械腿“坐下”。這樣即可避免單一觸發方式的誤觸發風險，提高安全系數。
[0017]3)控制模塊通過傳感器組對用戶身體姿態的數據(包括軀干傾角、腳底壓力等)進行實時監控和分析，判斷上述數據是否超出正常范圍。當用戶出現重心不穩或摔倒等突發情況，控制模塊會檢測到上述數據超出正常范圍，這時將立即采取應對措施，確保用戶安全。譬如，重心不穩時會控制機械腿停止動作或站回座位上，摔倒時會通過語音模塊發出警報求助。
【附圖說明】
[0018]圖1是外骨骼機械腿康復裝置的整體結構示意圖；
[0019]圖2是外骨骼機械腿裝置核心功能模塊框圖；
[0020]圖3(a)是從右前方觀察的支架角度示意圖；
[0021]圖3(b)是從右方觀察的支架角度示意圖；
[0022]圖4(a)是從右方觀察的軀干前傾角示意圖；
[0023]圖4(b)是從右方觀察的軀干后傾角示意圖；
[0024]圖4(c)是從前方觀察的軀干左傾角與右傾角示意圖；
[0025]圖5是用戶從站姿向坐姿變換的動作圖解；
[0026]圖6是裝置從站姿向坐姿變換的控制流程圖。
[0027]圖中示出:軀干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髖部電機4、髖部電機角度傳感器5、膝部電機6、膝部電機角度傳感器7、腳底壓力傳感器8、軀干傾角傳感器9、綁帶10、控制模塊11、腕表12、拐杖13、觸地壓力傳感器14、腳部支撐板15、左腿髖部電機角度傳感器5_1、右腿髖部電機角度傳感器5_2、左腿膝部電機角度傳感器7_1、右腿膝部電機角度傳感器7_2、左腳腳底壓力傳感器8_1、右腳腳底壓力傳感器8_2、左拐杖觸地壓力傳感器14_1、右拐杖觸地壓力傳感器14_2、左腿髖部電機4_1、右腿髖部電機4_2、左腿膝部電機6_1和右腿膝部電機6_2。
【具體實施方式】
[0028]為更好地理解本發明，下面結合附圖對本發明作進一步的說明，但實施方式不構成對本發明保護范圍的限定。
[0029]圖1是可穿戴仿生外骨骼機械腿康復裝置的整體機械結構示意圖。如圖1所示，外骨骼機械腿康復裝置主要包括軀干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髖部電機4、髖部電機角度傳感器5、膝部電機6、膝部電機角度傳感器7、腳底壓力傳感器8、軀干傾角傳感器9、綁帶10、控制模塊11、腕表12、拐杖13、觸地壓力傳感器14、腳部支撐板15、語音提示模塊16 ;其中，髖部電機4包括左腿髖部電機4_1和右腿髖部電機4_2 ;髖部電機角度傳感器5包括左腿髖部電機角度傳感器5_1和右腿髖部電機角度傳感器5_2 ;膝部電機6包括左腿膝部電機6_1和右腿膝部電機6_2 ;膝部電機角度傳感器7包括左腿膝部電機角度傳感器7_1和右腿膝部電機角度傳感器7_2 ;腳底壓力傳感器8包括左腳腳底壓力傳感器8_1和右腳腳底壓力傳感器8_2 ;觸地壓力傳感器14包括左拐杖觸地壓力傳感器14_1和右拐杖觸地壓力傳感器14_2 ;拐杖13有兩根，分別通過用戶的左右手握住。控制模塊11設置在用戶的背部。
[0030]軀干支架1綁定在用戶上身；大腿支架2綁定在用戶大腿上，小腿支架3綁定在用戶小腿上；腳部支撐板15設置在用戶腳底；所述