一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法，属于康复工程【技术领域】。该控制方法对截瘫助行动力外骨骼进行控制，使其具有8种运动模式，供使用者进行选择和切换，分别为：坐→站；站→坐；站→走；走→站；常速平地行走；慢速上下坡；上楼梯；下楼梯。在日常生活中，穿戴者可根据所处具体使用环境和自身需要来进行模式选择，所述的外骨骼及相应的骼控制方法将最大限度的为患者的生活提供便利，并帮助其实现人生价值。
【专利说明】一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法，属于康复工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]据相关调查数据显示，目前世界上的截瘫患者人数逐年增多，不仅给患者造成较大的经济负担，同时也造成了一定的心理负担。因此，截瘫助行与康复已经成为一个日益严峻的社会问题。近年来，由于各种各样的原因(例如地震等自然灾害)，我国下肢瘫痪的人数已经达到了数十万。对于那些完全瘫痪的患者而言，纯粹的药物治疗和手术治疗无法使患者彻底康复，因此，需要借助康复工程的手段去改善或代替瘫痪病人失去的功能。截瘫助行动力外骨骼是一种穿戴在下肢，由外动力驱动机械关节带动下肢运动功能障碍患者相应关节运动，达到训练/代偿行走功能的机械装置。为了解决截瘫病人长期卧床或者坐轮椅引起的压疮和肌肉萎缩等疾病，帮助他们站立和行走，提高其生活质量，并减轻患者家庭和社会的经济负担，研究开发具有高科技含量和自主知识产权的截瘫患者用助行动力外骨骼和相应的骼控制方法具有十分重要的实际意义。
【发明内容】
[0003]本发明针对现有技术的不足，提供了一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法，采用的技术方案如下:
[0004]该控制方法对截瘫助行动力外骨骼进行控制，使其具有8种运动模式，供使用者进行选择和切换，分别为:
[0005]模式1:坐一站；
[0006]模式2:站一坐；
[0007]模式3:站一走；
[0008]模式4:走一站；
[0009]模式5:常速平地行走；
[0010]模式6:慢速上下坡；
[0011]模式7:上楼梯；
[0012]模式8:下楼梯。
[0013]所述的模式I的控制流程为:患者处于坐姿的情况下，首先使得躯干前倾，且肘杖触地向前支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C11和C12，其中，C11为判断躯干的前倾角是否超过阈值Θ sit_stand，c12为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fsit_stand ;当满足上述两个判据时，截瘫助行动力外骨骼的髋膝关节缓慢伸展至0°的位置。
[0014]所述的模式2的控制流程为:患者处于站姿的情况下，首先使得躯干前倾，且肘杖触地向后支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C21和C22，其中，C21为判断躯干的前倾角是否超过阈值Θ stand_sit，c22为判断肘杖向后支撑的地面反力是否超过阈值Fstand_sit ;当满足上述两个判据时，髋膝关节缓慢屈曲至90°的位置。
[0015]所述的模式3的控制流程为:患者处于站姿的情况下，首先使得躯干前倾，且左肘杖或右肘杖向前摆动，触地并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C31和C32，其中，C31为判断手臂前摆角是否超过阈值Θ stand_walk，C32为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fstand_walk;当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿或左腿。
[0016]所述的模式4的控制流程为:患者处于持续行走的状态下，当前迈步腿着地后，截瘫助行动力外骨骼的髋膝关节均缓慢恢复至0°位置，随后对侧腿跟上，具体为截瘫助行动力外骨骼屈髋至一定角度，屈膝至最大角度，然后髋膝关节均恢复至0°位置。
[0017]所述截瘫助行动力外骨骼屈髋的角度满足条件:患者步幅=(患者大腿长+患者小腿长)Xcos (屈髋角度)。
[0018]所述的模式5的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，触地并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C51和C52,其中，C51为判断手臂前摆角是否超过阈值ewalking，c52为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fwalking，当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向后伸展角度最大位置等待右肘杖触地，当右手臂满足判据C51且右肘杖满足判据C52，髋膝关节驱动迈左腿，并在截瘫助行动力外骨骼的右髋向后伸展最大位置处等待左手杖触地，如此反复循环，实现持续性走。
[0019]所述的模式6的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，触地并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C61和C62,其中，C61为判断手臂前摆角是否超过阈值Θ slope, C62为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fsl_，当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向后伸展角度最大位置等待右肘杖触地，当右手臂满足判据C61且右肘杖满足判据C62时，髋膝关节驱动迈左腿，并在右髋向后伸展最大位置处等待左手杖触地，如此反复循环。
[0020]所述的模式7的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，接触第一个台阶并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C71和C72，其中，C71为判断手臂前摆角是否超过阈值Θ upstair, C72为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值FupstaiP当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向后伸展角度最大位置等待右肘杖接触同一个台阶并支撑，当右手臂满足判据C71且右肘杖满足判据C72时，髋膝关节驱动迈左腿，并在左脚跟上同一台阶之后，髋膝关节均缓慢运动到0°直立位置。
[0021]所述的模式8的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，接触下一个台阶并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C81和C82，其中，C81为判断手臂前摆角是否超过阈值Θ downstair,c82为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fd_staip当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向前屈曲角度最大位置等待右肘杖接触同一个台阶并支撑，当右手臂满足判据C81且右肘杖满足判据C82时，髋膝关节驱动迈左腿，并在左脚跟上同一台阶之后，髋膝关节均缓慢运动到0°直立位置。
[0022]本发明的有益效果为:
[0023]本发明提供了一种针对截瘫患者用助行动力外骨骼的相应的控制方法，能够解决截瘫病人长期卧床或者坐轮椅引起的压疮和肌肉萎缩等疾病，帮助他们站立和行走，提高其生活质量，并能帮助他们最大限度地实现人生价值，减轻家庭和社会的经济负担，具有十分重要的实际意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为截瘫助行动力外骨骼系统的控制方法框架流程图。
【具体实施方式】
[0025]本发明提供了一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0026]所述的截瘫助行动力外骨骼的机械部分主要包括背架，臀部连接装置，大小腿杆，被动式踝关节，主动驱动髋膝关节等部分。患者穿戴外骨骼后，需要使用一对肘杖来辅助完成坐起和行走等动作。
[0027]考虑到助行动力外骨骼实际应用中需满足的功能，该控制方法对截瘫助行动力外骨骼进行控制，使其具有8种运动模式，供使用者进行选择和切换，分别为:
[0028]模式1:坐一站；
[0029]模式2:站一坐；
[0030]模式3:站一走；
[0031]模式4:走一站；
[0032]模式5:常速平地行走；
[0033]模式6:慢速上下坡；
[0034]模式7:上楼梯；
[0035]模式8:下楼梯。
[0036]为了实现所述的运动模式，需要用到的传感器有:髋膝关节角度传感器；手臂、大小腿杆和躯干绝对角度传感器(由加速度计和陀螺仪组成)；足底压力传感器以及肘杖支撑力传感器等。
[0037]由模式I和模式2可以帮助患者初期进行坐下和站立训练，这样可以增强关节活动度和肌肉力，同时也有利于逐步提高患者对外骨骼的适应性，为后期的平地行走，上下楼梯等动作打好基础。
[0038]具体为:(1)模式I (坐一站)的具体控制流程为:患者处于坐姿的情况下，首先使得躯干前倾一定角度(根据患者身体情况和病情而定，20°~30°左右)，且肘杖触地向前支撑，此时控制系统根据手臂绝对角度传感器的数值来判断是否满足判据C11,根据肘杖地面反力传感器的数值来判断是否满足判据C12 (C11:判断躯干的前倾角是否超过阈值Θ sit-stand ;C12:判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fsit_stand)，上述的手臂角度阈值和肘杖地面反力阈值可根据相关的步态实验来获取，然后根据患者的情况进行适当修正，在两个判据均满足时，髋膝关节缓慢伸展至0°的位置，然后躯干向后倾斜至直立位置，完成坐一站的转换动作。
[0039](2)模式2 (站一坐)的具体控制流程为:患者处于站姿的情况下，首先使得躯干前倾，且肘杖触地向后支撑，此时控制系统根据手臂绝对角度传感器和肘杖地面反力传感器的数值来判断是否满足判据C21和C22 (C21:判断躯干的前倾角是否超过阈值Θ stand_sit ；c22:判断肘杖向后支撑的地面反力是否超过阈值Fstand_sit)，上述的手臂角度阈值和肘杖地面反力阈值可根据相关的步态实验来获取，然后根据患者的情况进行适当修正，当满足上述两个判据时，髋膝关节缓慢屈曲至约90°的位置，然后躯干向后倾斜至直立位置，完成站一坐的转换动作。
[0040](3)模式3 (站一走)的具体控制流程为:患者处于站姿的情况下，首先使得躯干前倾，且左肘杖向前摆动，触地并支撑，此时控制系统根据手臂绝对角度传感器和肘杖地面反力传感器的数值来判断是否满足判据C31和C32 (C31:判断手臂前摆角是否超过阈值θ stand-walk ；c32:判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fstand_walk)，上述的手臂角度阈值和肘杖地面反力阈值可根据相关的步态实验来获取，然后根据患者的情况进行适当修正，当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，实现站一走的转换动作。
[0041](4)模式4 (走一站)的具体控制流程为:患者处于持续行走的状态下，首先完成当前迈步，并切换到模式4，当前迈步腿着地后，髋膝关节均缓慢恢复至0°位置，随后对侧腿跟上，具体为屈髋至一定角度，屈膝至最大角度(约为60°，具体可根据患者情况进行调整)，然后髋膝关节均恢复至0°位置，保持站立姿势，实现走一站的转换动作。截瘫助行动力外骨骼屈髋的角度满足条件:患者步幅=(患者大腿长+患者小腿长)Xcos (屈髋角度)，对于身高170cm的患者来说，屈髋角度为35°。
[0042](5)模式5 (持续平地行走)的具体控制流程为:首先使得躯干前倾一定角度(约为20。~30° )，且左肘杖向前摆动，触地并支撑，此时控制系统根据手臂绝对角度传感器和肘杖地面反力传感器的数值来判断是否满足判据C51和C52 (C51:判断手臂前摆角是否超过阈值θ Waiking ；C52:判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fwalking),上述的手臂角度阈值和肘杖地面反力阈值可根据相关的步态实验来获取，然后根据患者的情况进行适当修正，当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在左髋关节向后伸展角度最大位置(约为20° )等待右肘杖触地，当右手臂满足判据C51且右肘杖满足判据C52，迈左腿，并在右髋向后伸展最大位置处(约为20° )等待左手杖触地，如此反复循环，实现持续性走。
[0043](6)由于上下坡相当于慢速的平地行走，模式6 (上下坡)的具体控制流程和模式5类似，在此不做赘述。
[0044](7)模式7 (上楼梯)的具体控制流程为:首先使得躯干前倾(约为20°~30° )，且左肘杖向前摆动，接触第一个台阶并支撑，此时控制系统根据手臂绝对角度传感器和肘杖地面反力传感器的数值来判断是否满足判据C71和C72 (C71:判断手臂前摆角是否超过阈值0upst& ；C72:判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值FupstaiJ,上述的手臂角度阈值和肘杖地面反力阈值可根据相关的步态实验来获取，然后根据患者的情况进行适当修正，当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在左髋关节向后伸展角度最大位置(约为15°，具体可根据患者的情况进行调整)等待右肘杖接触同一个台阶并支撑，当右手臂满足判据C71且右肘杖满足判据C72时，迈左腿，并在左脚跟上同一台阶之后，髋膝关节均缓慢运动到0°直立位置，同时躯干也恢复直立，如此反复循环，实现上台阶动作。
[0045](8)模式8(下楼梯)的具体控制流程为:首先使得躯干前倾(约为20°~30° )，且左肘杖向前摆动，接触下一个台阶并支撑，此时控制系统根据手臂绝对角度传感器和肘杖地面反力传感器的数值来判断是否满足判据C81和C82 (C81:判断手臂前摆角是否超过阈值θ downstair ；c82:判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fd_st&)，上述的手臂角度阈值和肘杖地面反力阈值可根据相关的步态实验来获取，然后根据患者的情况进行适当修正，当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在左髋关节向前屈曲角度最大位置(约为30°~40°，具体根据患者的情况以及楼梯的高度进行适当调整)等待右肘杖接触同一个台阶并支撑，当右手臂满足判据C81且右肘杖满足判据C82时，迈左腿，并在左脚跟上同一台阶之后，髋膝关节均缓慢运动到0°直立位置，同时躯干也恢复直立，如此反复循环，实现下台阶动作。[0046]上述步骤中的各个阈值均根据使用者的具体情况，通过步态实验的方法来测量。
[0047]以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
【权利要求】
1.一种截瘫助行动力外骨骼的控制方法,其特征在于,该控制方法对截瘫助行动力外骨骼进行控制，使其具有8种运动模式，供使用者进行选择和切换，分别为: 模式1:坐一站； 模式2:站一坐； 模式3:站一走； 模式4:走一站； 模式5:常速平地行走； 模式6:慢速上下坡； 模式7:上楼梯； 模式8:下楼梯。
2.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式I的控制流程为:患者处于坐姿的情况下，首先使得躯干前倾，且肘杖触地向前支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C11和C12，其中，C11为判断躯干的前倾角是否超过阈值Θ sit_stand，C12为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fsit-stand;当满足上述两个判据时，截瘫助行动力外骨骼的髋膝关节缓慢伸展至0°的位置。
3.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式2的控制流程为:患者处于站姿的情况下，首先使得躯干前倾，且肘杖触地向后支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C21和C22，其中，C21为判断躯干的前倾角是否超过阈值Θ stand_sit，c22为判断肘杖向后支撑的地面反力是否超过阈值Fstand-sit ;当满足上述两个判据时，髋膝关节缓慢屈曲至90°的位置。
4.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式3的控制流程为:患者处于站姿的情况下，首先使得躯干前倾，且左肘杖或右肘杖向前摆动，触地并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C31和C32，其中，C31为判断手臂前摆角是否超过阈值Θstand_walk，c32为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fstand_walk ；当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿或左腿。
5.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式4的控制流程为:患者处于持续行走的状态下，当前迈步腿着地后，截瘫助行动力外骨骼的髋膝关节均缓慢恢复至0°位置，随后对侧腿跟上，具体为截瘫助行动力外骨骼屈髋至一定角度，屈膝至最大角度，然后髋膝关节均恢复至0°位置。
6.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式5的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，触地并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C51和C52，其中，C51为判断手臂前摆角是否超过阈值ewalking，C52为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值Fwalking,当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向后伸展角度最大位置等待右肘杖触地，当右手臂满足判据C51且右肘杖满足判据C52，髋膝关节驱动迈左腿，并在截瘫助行动力外骨骼的右髋向后伸展最大位置处等待左手杖触地，如此反复循环，实现持续性走。
7.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式6的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，触地并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C61和C62，其中，C61为判断手臂前摆角是否超过阈值esl。一 C62为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值fs1_，当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向后伸展角度最大位置等待右肘杖触地，当右手臂满足判据C61且右肘杖满足判据C62时，髋膝关节驱动迈左腿，并在右髋向后伸展最大位置处等待左手杖触地，如此反复循环。
8.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式7的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，接触第一个台阶并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C71和C72，其中，C71为判断手臂前摆角是否超过阈值eupstay C72为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值FupstaiP当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向后伸展角度最大位置等待右肘杖接触同一个台阶并支撑，当右手臂满足判据C71且右肘杖满足判据C72时，髋膝关节驱动迈左腿，并在左脚跟上同一台阶之后，髋膝关节均缓慢运动到0°直立位置。
9.根据权利要求1所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述的模式8的控制流程为:患者首先使躯干前倾，且左肘杖向前摆动，接触下一个台阶并支撑，此时截瘫助行动力外骨骼的控制系统根据传感器的数值来判断是否满足判据C81和C82，其中，C81为判断手臂前摆角是否超过阈值Θ downstair,c82为判断肘杖向前支撑的地面反力是否超过阈值FdmmstaiP当满足上述两个判据时，根据预先设定的髋膝关节驱动数据迈右腿，完成一次迈步，在截瘫助行动力外骨骼的左髋关节向前屈曲角度最大位置等待右肘杖接触同一个台阶并支撑，当右手臂满足判据C81且右肘杖满足判据C82时，髋膝关节驱动迈左腿，并在左脚跟上同一台阶之后，髋膝关节均缓慢运动到0°直立位置。
10.根据权利要求5所述的截瘫助行动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述截瘫助行动力外骨骼屈髋的角度满足条件:患者步幅=(患者大腿长+患者小腿长)Xcos (屈髋角度)。
【文档编号】A61H1/02GK103932868SQ201410160962
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】王人成, 杨正东, 沈强 申请人:清华大学