专利名称：下肢康复人-机耦合力检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种下肢康复人-机耦合力检测装置和方法。测量系统主要是通过检测患者在主动运动模式下进行下肢康复训练时外骨骼机械腿与患者间的人-机耦合力，用来提取运动过程中的人腿主动力，作为下肢康复机器人外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制依据。
背景技术：
在已有下肢康复技术中，外骨骼机械腿是一种直接作用于患者，通过施加力的作用，改变患者下肢神经、肌肉系统功能特性的体外装置。它能模拟人腿在跑步机上步行，具有类似人腿的机构和动态特性。该系统具有两种工作模式，一种被动运动模式外骨骼机械腿完全抑制患者的异常运动，带动患者按预定的生理步态轨迹训练；另一种主动运动模式， 外骨骼机械腿抑制患者有限的异常运动，同时通过不断地检测人-机耦合力，帮助患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度，在此状态下外骨骼机械腿与患者间耦合力的检测非常重要，是实现外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制的基础。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种下肢康复人-机耦合力检测装置和方法，应用本人-机耦合力检测系统对人和外骨骼机械腿间的耦合力进行检测， 测得的数据传输给外骨骼机械腿的控制系统作为外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制依据，使得在主动运动模式下患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度。为达到上述目的，本发明的构思是当在下肢康复训练机器人被训练人主动运动模式时，分析机器人系统的动力学模型得到人腿主动力的方向并估算其力的范围，选取合适的传感器，设计人-机耦合力测量装置，用于测量人腿主动力方向上的人-机耦合力，并起到联接人腿与外骨骼机械腿的作用。再根据测得的人-机耦合力，结合机器人系统的动力学模型推导出人腿主动力的大小，作为控制系统对外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力的控制依据。根据上述的构思，本发明采用如下技术方案
一种下肢康复人-机耦合力检测装置，包括了左右两条外骨骼机械腿、电机和康复靴， 其特征在于所述两个外骨骼机械腿的上大腿和小腿上各装有一个人-机耦合力检测机构。上述人-机耦合力检测机构包含有内卡环、外卡环、拉、压力传感器、传感器固定螺母、圆弧形金属垫块、微型直线导轨和联接导杆，所述拉、压力传感器的两端均为外螺纹杆，其一端旋入一个内螺纹块，该内螺纹块固定于内卡环上；另一端穿过圆弧形金属垫块和一个支架中间的圆孔由传感器固定螺母固定，该支架固定于外卡环上；一根联接导杆固定于外卡环上；拉、压力内卡环与外卡环间通过一对对称分布的微型直线导轨联接；拉、压力传感器与支架之间、支架与传感器固定螺母分别有一对圆弧形的金属垫块，联接导杆与所述外骨骼机械腿上大腿和小腿连接，拉、压力传感器的输出电线连接采集卡。—种下肢康复机器人人-机耦合力的检测方法，采用上述装置进行检测，其特征在于具体检测步骤如下
D患者的左、右脚分别穿入两条外骨骼机械腿的康复靴中，在大腿、小腿处的人-机耦合力测量装置由绑带将人腿与外骨骼机械腿联接在一起，以保证外骨骼机械腿带动人腿共同进行步行运动；
2)打开电源，系统按照预先设定的生理步态进行程序初始化；
3)外骨骼机械腿开始带动人腿运动按照预先设定的生理步态轨迹运动；
4)在主动运动模式下，人腿的主动力使得传感器检测到人-机耦合力，该力信号经滤波后的数据信息输出到人-机界面，同时后台将其数据代入动力学模型进行计算求得人腿主动力；
5)控制系统以人腿主动力的大小为依据实时调整外骨骼机械腿的步态轨迹和电机的输出驱动力大小，以保证患者总是按照预先设定的生理步态轨迹行走的；
6)检测步骤4)中的主动运动模式指以患者为控制对象，外骨骼机械腿抑制患者有限的异常运动，通过传感器不断地检测人-机耦合力，改变外骨骼机械腿上电机的输出驱动力大小，帮助患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度；
7)检测步骤4)中的人-机耦合力指在主动运动模式下，患者进行康复训练过程中人腿与外骨骼机械腿上的人-机耦合力检测装置间的相互作用力；
8)检测步骤4)中的人腿主动力计算公式为
权利要求
1.一种下肢康复人-机耦合力检测装置，包括左右两条外骨骼机械腿(9)、电机(1)和康复靴(6 )，其特征在于所述两个外骨骼机械腿(9 )的上大腿和小腿上各安装有一个人-机耦合力检测机构(2)。
2.根据权利要求1所述的下肢康复人-机耦合力检测装置，其特征在于所述人-机耦合力检测机构(2)包含有内卡环(11)、外卡环(13)、拉、压力传感器(17)、传感器固定螺母 (16)、圆弧形金属垫块(15)、微型直线导轨(10)和联接导杆(18)，所述拉、压力传感器(17) 的两端均为外螺纹杆，其一端旋入一个内螺纹块(12)，该内螺纹块(12)固定于内卡环(11) 上；另一端穿过圆弧形金属垫块(15)和一个支架(14)中间的圆孔由传感器固定螺母(16) 固定，该支架(14)固定于外卡环(13)上；一根联接导杆(18)固定于外卡环(13)上；拉、压力内卡环(11)与外卡环(13)间通过一对对称分布的微型直线导轨(10)联接；拉、压力传感器(17)与支架(14)之间、支架(14)与传感器固定螺母(16)分别有一对圆弧形的金属垫块(15)，联接导杆(18)与所述外骨骼机械腿上大腿和小腿连接，拉、压力传感器(17)的输出电线连接采集卡。
3.一种下肢康复人-机耦合力检测方法，采用根据权利要求1所述下肢康复人-机耦合力检测装置进行检测，其特征在于具体检测步骤如下1)患者的左、右脚分别穿入左、右两条外骨骼机械腿(9)的康复靴(6)中，在大腿、小腿处的两个人-机耦合力检测装置(2)由绑带(19)将人腿与外骨骼机械腿(9)联接在一起，以保证外骨骼机械腿(9)带动人腿共同进行步行运动；2)打开电源，系统按照预先设定的生理步态进行程序初始化；3)外骨骼机械腿(9)开始带动人腿运动按照预先设定的生理步态轨迹运动；4)在主动运动模式下，人腿的主动力使得传感器(17)检测到人-机耦合力，该力信号经滤波后的数据信息输出到人-机界面，同时后台将其数据代入动力学模型进行计算求得人腿主动力；5)控制系统以人腿主动力的大小为依据实时调整外骨骼机械腿(9)的步态轨迹和电机(1)的输出驱动力大小，以保证患者总是按照预先设定的生理步态轨迹行走的；6)检测步骤4)中的主动运动模式指以患者为控制对象，外骨骼机械腿(9)抑制患者有限的异常运动，通过传感器(17 )不断地检测人-机耦合力，改变外骨骼机械腿(9 )上电机 (1)的输出驱动力大小，帮助患者根据自己的意愿实时地调整步态轨迹，增加其主动参与康复训练的程度；7)检测步骤4)中的人-机耦合力指在主动运动模式下，患者进行康复训练过程中人腿与外骨骼机械腿(9)上的人-机耦合力检测装置(2)间的相互作用力；8)检测步骤4)中的人腿主动力计算公式为=FmtJp + FekiL式中，τ·为被动训练模式时的驱动力矩，即按一定的生理规划步态行走时整个系统所需的驱动力矩，其大小等于外骨骼机械腿的驱动力矩和人腿的主动力矩之和；Jrmt fl表示人腿主动力垂直于连杆方向的分力；Fdri为外骨骼机械腿的关节驱动力-,L为关节驱动力至关节旋转点的距离；&为卡环的安装位置到关节旋转点的距离。
全文摘要
本发明涉及一种下肢康复人-机耦合力检测装置和方法。本装置包括左右两条外骨骼机械腿、电机和康复靴，所述两个外骨骼机械腿的上大腿和小腿上各安装有一个人-机耦合力检测机构。本测量装置主要是通过检测患者在主动运动模式下进行下肢康复训练时外骨骼机械腿与患者间的耦合力，用来提取运动过程中的人腿主动力。本发明系统结构简单，操作方便，测得的人-机耦合力可以作为下肢康复机器人外骨骼机械腿动态步态轨迹和驱动力控制的依据。
文档编号A61B5/22GK102499700SQ201110295079
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者徐榴伶, 文忠, 沈林勇, 章亚男, 钟翠华, 钱晋武 申请人:上海大学