可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的坐下模式控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种辅助康复装置，特别是涉及一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的坐下模式控制方法，用于下肢瘫痪人员行动与康复。
【背景技术】
[0002]目前，因各种原因而导致截瘫的患者不断增多，他们不仅行动不便，在心理上也承受着很大的负担。对于那些下肢瘫痪但上肢健全的患者而言，需要借助康复工程的手段去改善其下肢的身体机能。
[0003]可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置是一种穿戴在下肢，由电机关节带动下肢运动功能障碍患者相应关节运动，达到训练功能的机械装置。为了解决截瘫病人长期卧床或者坐轮椅引起的肌肉萎缩等身体问题，帮助他们重新站立和行走，提高其生活质量，并减轻患者心理负担，开发具有高科技含量和自主知识产权的外骨骼机械腿康复装置并研究相应的模式控制方法具有很重大的现实意义。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的坐下模式控制方法，对康复装置进行控制，使其从站姿向坐姿平稳、安全变换。
[0005]可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的坐下模式控制方法，包括如下步骤:
[0006]1)坐下触发条件判断:控制模块通过采集到的信号判断用户姿态是否同时满足触发条件 C1、C2、C3 和 C4 ;其中 C1 为Z膝=170° ?175° , Ζα= 170° ?175°，C2 为Ζ前后=0。?+10。，Ζ左右=-5。?+5。，C3*FP+Fc=(90%?95%)G，|FplFpr|/(Fpl+Fpr) =0?5%，C4为匕=(5%?10% )G ;如果控制模块检测到用户不满足坐下触发条件，通过语音模块对用户进行语音提示，直至用户满足坐下触发条件；
[0007]2)若控制模块检测到用户满足坐下触发条件，控制模块向髋部电机和膝部电机发出指令，髋部电机开始以加速度a0从静止匀加速至速度vO，然后以恒定速度vO转动，躯干支架与大腿支架之间角度Ζ?减小，带动用户躯干与大腿产生相对角度运动；同时，膝部电机也开始以加速度aO从静止匀加速至速度vO，然后以恒定速度vO转动，大腿支架与小腿支架之间角度减小，带动用户大腿与小腿产生相对角度运动；直至控制模块检测到
= 70°?80°，2膝=70°?80°，控制髋部电机、膝部电机以加速度_a0匀减速至静止；然后膝部电机不转动，髋部电机开始以加速度al从静止匀加速至速度vl，以恒定速度vl转动，躯干支架与大腿支架之间角度Ζ?增大，带动用户躯干与大腿产生相对角度运动，直至控制模块检测到Ζα= 80°?90°，控制髋部电机以加速度_al匀减速至静止；
[0008]所述Ζ?为躯干支架与大腿支架之间角度；所述为大腿支架与小腿支架之间角度；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；zfee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后，左右拐杖触地端所受总压力；FP为左右脚底总压力；FplS左脚单独压力；Fpr为右脚单独压力。
[0009]为进一步实现本发明目的，优选地，所述控制模块通过采集到的信号判断用户姿态是否同时满足触发条件是在用户使用腕表选择“坐下”运动模式后进行。
[0010]优选地，当用户使用腕表选择了 “坐下”运动模式后，所述通过语音模块对用户进行语音提示包括如下情况:如条件C1未达要求，语音模块提示“请使双腿平行直立”；如条件C2未达要求，语音模块提示“请尽量将上半身挺直，并避免向左或向右倾侧身体”；如条件C3未达要求，语音模块提示“请确保双脚均匀受力”;如条件C4未达要求，语音模块提示“请使用拐杖保持身体平衡”。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]优选地，所述a0，al, vO, vl的取值由测量下肢健全者坐下过程中的关节转速所得。
[0014]相对于现有技术，本发明具有如下优点:
[0015]1)本发明可帮助患者初期进行坐下训练，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，为后期的行走动作打好基础。
[0016]2)触发方式双保险(腕表按键操作+传感器组检测用户身体姿态)。若用户未通过腕表上的按钮操作选择“坐下”模式，则其身体动作不会触发外骨骼机械腿装置的坐下动作；用户通过按钮操作选择“坐下”模式后，腕表中的无线射频模块与控制模块进行通信，通知后者用户选择了 “坐下”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“坐下”。用户必须既通过腕表的按钮选择了 “坐下”模式，同时身体姿态又满足了一定触发条件，才会触发机械腿“坐下”。这样即可避免单一触发方式的误触发风险，提高安全系数。
[0017]3)控制模块通过传感器组对用户身体姿态的数据(包括躯干倾角、脚底压力等)进行实时监控和分析，判断上述数据是否超出正常范围。当用户出现重心不稳或摔倒等突发情况，控制模块会检测到上述数据超出正常范围，这时将立即采取应对措施，确保用户安全。譬如，重心不稳时会控制机械腿停止动作或站回座位上，摔倒时会通过语音模块发出警报求助。
【附图说明】
[0018]图1是外骨骼机械腿康复装置的整体结构示意图；
[0019]图2是外骨骼机械腿装置核心功能模块框图；
[0020]图3(a)是从右前方观察的支架角度示意图；
[0021]图3(b)是从右方观察的支架角度示意图；
[0022]图4(a)是从右方观察的躯干前倾角示意图；
[0023]图4(b)是从右方观察的躯干后倾角示意图；
[0024]图4(c)是从前方观察的躯干左倾角与右倾角示意图；
[0025]图5是用户从站姿向坐姿变换的动作图解；
[0026]图6是装置从站姿向坐姿变换的控制流程图。
[0027]图中示出:躯干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髋部电机4、髋部电机角度传感器5、膝部电机6、膝部电机角度传感器7、脚底压力传感器8、躯干倾角传感器9、绑带10、控制模块11、腕表12、拐杖13、触地压力传感器14、脚部支撑板15、左腿髋部电机角度传感器5_1、右腿髋部电机角度传感器5_2、左腿膝部电机角度传感器7_1、右腿膝部电机角度传感器7_2、左脚脚底压力传感器8_1、右脚脚底压力传感器8_2、左拐杖触地压力传感器14_1、右拐杖触地压力传感器14_2、左腿髋部电机4_1、右腿髋部电机4_2、左腿膝部电机6_1和右腿膝部电机6_2。
【具体实施方式】
[0028]为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但实施方式不构成对本发明保护范围的限定。
[0029]图1是可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的整体机械结构示意图。如图1所示，外骨骼机械腿康复装置主要包括躯干支架1、大腿支架2、小腿支架3、髋部电机4、髋部电机角度传感器5、膝部电机6、膝部电机角度传感器7、脚底压力传感器8、躯干倾角传感器9、绑带10、控制模块11、腕表12、拐杖13、触地压力传感器14、脚部支撑板15、语音提示模块16 ;其中，髋部电机4包括左腿髋部电机4_1和右腿髋部电机4_2 ;髋部电机角度传感器5包括左腿髋部电机角度传感器5_1和右腿髋部电机角度传感器5_2 ;膝部电机6包括左腿膝部电机6_1和右腿膝部电机6_2 ;膝部电机角度传感器7包括左腿膝部电机角度传感器7_1和右腿膝部电机角度传感器7_2 ;脚底压力传感器8包括左脚脚底压力传感器8_1和右脚脚底压力传感器8_2 ;触地压力传感器14包括左拐杖触地压力传感器14_1和右拐杖触地压力传感器14_2 ;拐杖13有两根，分别通过用户的左右手握住。控制模块11设置在用户的背部。
[0030]躯干支架1绑定在用户上身；大腿支架2绑定在用户大腿上，小腿支架3绑定在用户小腿上；脚部支撑板15设置在用户脚底；所述