一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种康复装置的行走控制方法，特别是涉及一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法;是一种基于传感器数据识别用户姿态及其行走意愿从而帮助其行走的方法。
【背景技术】
[0002]据相关调查数据显示，目前世界上的截瘫用户人数逐年增多，不仅给用户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用户而言，纯粹的药物治疗和手术治疗无法使用户彻底康复，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。康复型外骨骼是一种穿戴在下肢，由电机关节带动下肢运动功能障碍用户相应关节运动，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，并减轻用户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康复型外骨骼和相应的协同外骨骼骼模式控制具有十分重要的实际意义。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法，对外骨骼机械腿进行控制，使其在不同站立状态下向前带动用户稳定、安全行走，利用可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置带动下肢瘫痪病人行走。
[0004]本发明中，可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置简称康复装置。
[0005]本发明目的通过如下技术方案实现:
[0006]—种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法，包括如下步骤:
[0007]1)第一步迈出左或右脚:
[0008]控制模块根据收到倾角传感器和脚底的压力传感器传来的数据，判断系统目前状态满足切换条件C1或C2，控制模块控制电机转动，带动大腿支架和小腿支架迈出左脚或右脚;若在指定时间T内没有同时检测到倾角传感器和双脚压力传感器大小的变化，控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据，判断系统目前状态不满足切换条件，则初始化步态的进程停止，用户继续维持在双脚平行站立状态；
[0009]所述Cl: Z膝=170?180。，2髋=170?180。，Z前后=+5。?+ 15。，2站=_10。?+10° ,(Fpr-Fpi)/Fpi>80%，FG>0且 |FG1-Fc臟r|/FG>40% ;C1 表示双脚平行状态下跨左脚；
[0010]所述C2: Z膝=170?180°，2髋=170?180°，Z前后=+5° ?+ 15°，2站=-10° ?+10° ,(Fp1-Fpr)/Fpr>80% ,Fc>05.|Fc1-Fcr|/Fc>40% ;C2表示双脚平行状态下跨右脚;
[0011]所述指定时间T由用户的熟练度来决定，T的取值为2_5s;
[0012]2)持续行走控制:
[0013]如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据，判断系统目前状态满足切换条件C3或C5，控制模块将控制髋部电机和膝部电机转动，带动大腿支架和小腿支架向前迈出右脚或左脚;所述C3: Z膝=170?180°，Z髋=170?180° ； Z前后=+5°?+15°，Z?j=-10° ?+10° ； (Fp1-Fpr)/Fpr 80%) ；Fc>05.|Fc1-Fcr I /Fc>40% ;C3 表示处于左脚前右脚后状态跨右脚；所述C5:Z膝=170?180°，Z髋=170?180° 前后=+5° ?+15°，Z&&=-10° ?+10° ；(Fpr-Fpi)/Fpi>80% ;Fg>0且|Fq-Fct | /Fc>40% ;C5表示处于右脚前左脚后状态跨左脚；
[0014]如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据，判断系统目前状态满足状态切换条件C4或C6，则步态维持进程停止，控制模块将控制左腿髋部电机、右腿髋部电机、左腿膝部电机和右腿膝部电机转动，带动大腿支架和小腿支架向后收回左或右脚，使用户回到双脚平行站立姿;所述C4: Z膝=170?180°，Z髋=170?180° ,0° <Zjf-Z||<50 ； Z前后= -5° ?+5°，Z&&=-10° ?+10° ;(Fpr-FPi)/FPi>80% ;FC>0且 | FCi_Fcr |/Fc>40% ;C4表示处于左脚前右脚后状态收左脚；所述C6:Z膝=170?180°，Z髋=170?180°，0°〈Z膝-Z髋〈5° ；Zf?§=+5° ?+10°，Z&&=-10?0° ;(FP1-Fpr)/Fpr>80% ;FC>0且 | FCi_Fcr |/Fc>40% ;C6表示处于右脚前左脚后状态收右脚；
[0015]如果控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据，判断系统不满足C1-C6中任一个状态切换条件，控制模块停止步态初始化进程或者步态维持进程，发出警报；
[0016]所述Z髓为躯干支架与大腿支架之间角度;所述Z膝为大腿支架与小腿支架之间角度;所述Z前后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；/站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;G为用户体重;Fc为去除拐杖自身重力，左右拐杖触地端所受总压力;Fa为左拐杖压力，Fcr为右拐杖压力；Fp为左右脚底总压力;FPi为左脚单独压力;Fpr为右脚单独压力。
[0017]为进一步实现本发明目的，优选地，所述控制模块根据收到倾角传感器和脚底的压力传感器传来的数据是在用户使用腕表选择“站立”运动模式后进行。
[0018]优选地，所述控制模块控制电机转动，带动大腿支架和小腿支架迈出左或右脚通过如下方式实现:
[0019]1)迈右脚:控制模块控制右腿髋部电机以加速度aO从静止匀加速至速度vO，然后以恒定速度vO转动，带动用户躯干与大腿产生相对角度运动，使Zai减小；同时右腿膝部电机开始以加速度ai从静止勾加速至速度VI，以恒定速度Vi转动，带动大腿与小腿产生相对角度运动，使Z權减小，直至控制模块检测到Ζ?|ν145?140°，控制右腿膝部电机以加速度-ai匀减速至静止；
[0020]右腿髋部电机持续转动，直至控制模块检测到Ζ??=165?160°，控制右腿膝部电机反向转动，以加速度ai勾加速至速度至VI，以恒定速度Vi转动，带动大腿与小腿产生相对角度运动，使Za*增大；
[0021 ]控制模块持续检测Ζ??ι，直至检测到Ζ??= 160?157°，控制右腿髋部电机以加速度-ao匀减速至静止;膝部电机持续以恒定速度V1转动，直至控制模块检测到Za*=170?180°，控制右腿膝部电机以加速度_ai匀减速至静止，迈步动作结束，用户进入右脚前左脚后；
[0022]2)迈左脚:迈出左脚与迈出右脚不同之处在于迈出左腿时转动的电机是用户左腿髋部电机和左腿膝部电机，检测的角度为用户左腿髋关节角度和膝关节角度。
[0023]优选地，所述带动大腿支架和小腿支架向后收回左或右脚通过如下方式实现:
[0024]1)收左脚:左腿膝部电机以加速度al从静止匀加速至vl，然后恒定速度vl转动，使Za*减小，直至控制模块检测到ZagNl45?140°时，左腿膝部电机以加速度-al减速至静止并随后以加速度al加速至vl后以恒定速度vl转动，直至控制模块检测到ZaiNl70?180°，左腿膝部电机以加速度-al减速至静止;在左腿膝部电机转动的同时，左腿髋部电机以加速度aO加速至vO后保持速度不变，直至控制模块检测到Ζμι=170?180°时，左腿髋部电机以加速度-aO减速至静止；
[0025]2)收右脚:收右脚与收左脚不同之处在于收右脚时转动的电机是用户右腿髋部电机和右腿膝部电机，检测的角度为用户右腿髋关节角度和膝关节角度。
[0026]优选地，所述判断系统不满足C1-C6中任一个状态切换条件表示用户正处于跌倒姿态或者其他未定义姿态;压力值、躯干倾角值或电机转角值参数超出界定范围达到Is，控制模块判别为“异常状态”，控制模块将对用户执行保护措施，直至收到进一步的指令以解除“异常状态”；所述保护措施包括:用户重心不稳时，控制电机停止转动，或反向转动使用户重新变回坐姿;用户摔倒时，控制语音模块发出警报以请求他人救援。
[0027]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。
[0028]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与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。
[0029]优选地，所述aO取值为15°?20° /s2;所述vO取值为15°?20° /s;所述al取值为60°?65° /s2 ；所述vl取值为20°?25°/s。
[0030]相对于现有技术，本发明具有如下优点:
[0031]1、触发方式双保险。若用户未通过腕表12上的按钮操作选择“行走”模式，则其身体动作不会触发外骨骼机械腿装置的站立动作；用户通过按钮操作选择“行走”模式后，腕表12中的无线射频模块与控制模块11进行通信，通知后者用户选择了“行走”模式，后者随即根据传感器组采集的数据，开始实时判别用户身体姿态是否满足触发条件。一旦控制模块11检测到用户身体姿态动作满足触发条件，则向电机组发出相应指令，控制电机组转动完成相应动作，触发“迈脚”。也就是说，用户必须既通过腕表12的按钮选择了 “行走”模式，同时身体姿态又满足了一定触发条件，才