一种基于躯干晃动的康复装置行走速度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种行走速度控制方法，特别是涉及一种基于躯干晃动的康复装置行 走速度控制方法，属于康复工程技术领域。康复装置为可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置 的简称。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于经济技术的快速发展，交通运输工具越来越多，据相关调查数据显 示，中国的交通事故率是发达国家的8倍，因交通事故而造成神经中枢损伤或者肢体损伤 的人数一直呈上升趋势。同时，随着人民生活水平的提高，目前患心脑血管疾病或神经系统 疾病的人越来越多，而且在年龄上也呈现年轻化趋势，这类患者多数伴有偏瘫症状。对完全 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。可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置，穿戴在 使用者下肢及腰背部，为用户提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控 制、信息获取、移动计算等机器人技术，使得该机械腿康复装置能在用户的控制下完成一定 的功能和任务，是典型人机一体化系统。这种康复装置可以减少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，研究开发更符合用户体验的更协调可控自适应的可穿戴仿生外骨骼 机械腿康复装置具有十分重要的实际意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的针对现有技术的不足，提供一种基于躯干晃动的可穿戴仿生外骨骼 机械腿行走速度控制方法，对行走速度进行可变控制，使用户得到期望的行走速度。
[0004] 本发明康复装置为可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的简称。
[0005] 本发明目的通过如下技术方案实现：
[0006] -种基于躯干晃动的康复装置行走速度控制方法包括如下步骤：
[0007] 1)行走触发状态速度控制：控制模块通过传感器采集到的信号判断康复装置用 户由平行站立状态向行走状态转换时，控制模块控制髋部电机和膝部电机的转速，使得髋 部电机初始转速为V。。，膝部电机转速为v1();用户行走速度为V。；
[0008] 所述用户由平行站立状态向行走状态转换满足如下条件C5、C6和C7 ;其中C5 : Z . =+55~+155,： _ , =-1〇〇~+1〇〇； C6 ： (Fpr - Fpl)/Fp>80% ；C7 ：FC>0, (Fcr - Fcl)/Fc>40% ；
[0009] 所述为以躯干垂直地面为基准，躯干前后倾斜的角度，前倾为正，后倾为负； 为以躯干垂直地面为基准，躯干左右倾斜的角度，左倾为正，右倾为负；Fe为去除拐杖 自身重力后，左右拐杖触地端所受总压力；Fa为左拐杖压力，F&.为右拐杖压力；F P为左右 脚底总压力；Fpl为左脚单独压力；Fpr为右脚单独压力；
[0010] 2)持续行走状态速度控制：控制模块持续监测用户的姿态，若用户处于持续行走 状态，控制模块通过持续接收倾角传感器的数据，计算出连续多次躯干晃动的频率f;若 f'fXfh，则控制模块控制髋部电机的转速VM和膝部电机的转速V lf分别为：
[0013] 其中Vftnax为行走过程中髋部电机的最大转度，V(]_为行走过程中髋部电机的最 小转度；vlnax为行走过程中膝部电机的最大转度；v 1ηιη为行走过程中髋部电机的最小转 度；fh为躯干晃动的最大频率，f h取值为2Hz~3Hz ;f丨为躯干晃动的最小频率，f丨取值为 0. 05Hz ~0. 03Hz ;
[0014] 3) -脚前一脚后状态触发行走过程的速度控制：若用户一次迈步动作结束，进入 一脚前一脚后状态，经过20s~30s后，再次触发迈步动作时，则控制髋部电机的转速为v。。， 膝部电机的转速为v1(]，使用户以初始速度V。行走。
[0015] 为进一步实现本发明目的，优选地，所述平行站立状态为用户同时满足条件Cl、C2、C3 和C4 ;其中C1
C3 : |Fpl - Fpr|/Fp〈10% ;C4 :FC>0, |Fa - F"|/Fc〈5% 膝为大腿支架与小腿支架之间角度。
[0016] 优选地，所述V。。为
[0017] 优选地，所述取值为
取值为
取值为
[0018] 优选地，所述连续多次躯干晃动的频率f通过如下方法计算
T为多次迈步动作中所有迈步动作所用的时间和加上每一次迈步动作结束后躯 干恢复直立到第下一次躯干前倾触发迈步动作的时间间隔和；如果多次为5次；
tl是第一次迈步动作所用时间， A tl是第一次迈步动作结束，躯干恢复直立到第二次躯干前倾触发迈步动作的时间间隔； t2, t3, t4, t5分别是第二、三、四、五次迈步动作所用时间，△ t2是第二次迈步动作结束到 第三次迈步动作开始的时间间隔，A t3是第三次迈步动作结束到第四次迈步动作开始的时 间间隔，A t4是第四次迈步动作结束到第五次迈步动作开始的时间间隔。
[0019] 优选地，所述持续行走状态的最大速度控制：若控制模块检测到用户躯干晃动的 频率f>fH，则控制髋部电机的转速v。和电机的转速v不再增大，此时用户以最大速度行走； 为保障用户的安全，当速度为最大值时，控制模块向语音模块发出消息，提醒用户已达最大 速度。
[0020] 优选地，所述持续行走状态的最小速度控制：若控制模块检测到用户躯干晃动的 频率f〈4,则控制髋部电机的转速V。和电机的转速v不再减小，此时用户以最小速度行走； 为保障用户能稳定完成一次迈腿动作，当速度为最小值时，控制模块向语音模块发出消息， 提醒用户已达最小速度，注意使用拐杖保持身体平衡。
[0021] 优选地，所述传感器包括左腿髋部电机角度传感器、右腿髋部电机角度传感器、左 腿膝部电机角度传感器、右腿膝部电机角度传感器、左脚脚底压力传感器、右脚脚底压力传 感器和躯干倾角传感器；控制模块分别与左腿髋部电机角度传感器、右腿髋部电机角度传 感器、左腿膝部电机角度传感器、右腿膝部电机角度传感器、左脚脚底压力传感器、右脚脚 底压力传感器和躯干倾角传感器连接；所述控制模块还分别与左腿髋部电机、右腿髋部电 机、左腿膝部电机和右腿膝部电机连接。
[0022] 优选地，所述康复装置的躯干支架绑定在用户上身；大腿支架绑定在用户大腿上， 小腿支架绑定在用户小腿上；脚部支撑板设置在用户脚底；躯干支架与大腿支架通过髋部 电机连接；髋部电机的定子与躯干支架固定，髋部电机的转子与大腿支架固定；大腿支架 与小腿支架分别膝部电机的定子和转子连接；膝部电机连接着大腿支架与小腿支架并控制 两者相对角度运动；小腿支架与脚部支撑板活动连接。
[0023] 相对于现有技术，本发明具有如下优点：
[0024] 本发明采用闭环控制方法，不断监测用户躯干晃动的频率，以对行走速度进行实 时可变的控制；用户根据躯干晃动的频率实现了对行走速度的变化控制，使用户在行走过 程中可主动获得自己期望的速度；在行走过程中限制了电机的最大最小转速，保障用户的 安全；用户在行走触发状态，以及在行走过程中休息，进入一脚前一脚后状态，再次触发行 走时，设置电机转速初始转速，此速度为用户长期行走过程的中统计的期望速度。
【附图说明】
[0025] 图1为可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置整体机械结构图；
[0026] 图2为可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置核心功能模块框图；
[0027] 图3(a)为从右前方观察的支架角度示意图；
[0028] 图3(b)为从右方观察的支架角度示意图；
[0029] 图4(a)为从右方观察的躯干前倾角示意图；
[0030] 图4(b)为从右方观察的躯干后倾角示意图；
[0031] 图4(c)为从前方观察的躯干左倾角与右倾角示意图；
[0032] 图5为行走触发过程迈步动作分解示意图；
[0033] 图6为持续行走过程迈步动作分解示意图；
[0034] 图7为行走过程中躯干晃动频率计算示意图；
[0035] 图8为本发明基于躯干晃动的仿生外骨骼机械腿行走速度控制方法的流程图。
[0036] 图中示出：躯干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髋部电