基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种康复装置行走控制方法，特别是涉及一种基于躯干重心偏移的仿 生外骨骼康复装置的行走触发控制方法，属于康复工程技术领域。可穿戴仿生外骨骼机械 腿康复装置简称康复装置。
【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。这种行走助力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安全可靠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] 本发明的目的在于为保障使用者的安全，提供一种基于躯干重心偏移的仿生外骨 骼机械腿的行走触发控制方法，对用户平行站立姿态到行走状态的转换过程进行控制。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] 基于躯干重心偏移的康复装置行走触发控制方法，包括如下步骤：
[0006] 1)平行站立姿态的判断：控制模块分析处理传感器采集到的数据，判断是否同时 满足以下4个条件：
若 控制模块检测到传感器数据满足条件C1、C2、C3、C4则用户处于平行站立姿态；若不满足上 述4个条件中的任一条件，则不是平行站立姿态；
[0007] 2)行走触发条件的判断：控制模块分析处理传感器采集到的数据，判断是否满足 以下条件：
若同时满足条件 C5、C7,则满足先迈右腿的触发条件；若同时满足条件C6、C8,则满足先迈左腿的触发条件； 若未同时满足条件C5、C7或未同时满足条件C6、C8,控制模块持续检测传感器数据，判断用 户姿态；
[0008] 3)行走触发控制：若控制模块检测到用户满足迈右腿的触发条件，控制模块向右 髋电机和右膝电机发出指令，执行迈右腿动作：髋部电机开始以加速度a。从静止匀加速至 速度％，然后以速度％转动，带动用户躯干与大腿产生相对角度运动，使躯干支架与大腿支 架之间角度Zits减小；同时膝部电机开始以加速度从静止匀加速至速度V i，然后以速度 V1转动，带动大腿与小腿产生相对角度运动，使大腿支架与小腿支架之间的角度Z 减小， 直至控制模块检测到.
控制膝部电机以加速度_&1匀减速至静止；髋部电机 持续转动，直至控制模块检测到
控制膝部电机反向转动，以加速度S1匀加 速至速度至V1，然后以速度V1转动，带动大腿与小腿产生相对角度运动，使大腿支架与小 腿支架之间的角度Zi1ll增大；控制模块持续检测
直至检测到
控制 髋部电机以加速度_a。匀减速至静止；膝部电机持续以速度V i转动，直至控制模块检测到
控制膝部电机以加速度-?匀减速至静止，迈步动作结束，用户进入右脚前 左脚后姿态；
[0009] 若控制模块检测到用户满足迈左腿的触发条件，控制模块向左髋电机和左膝电机 发出指令，执行迈左腿动作，直至动作结束，进入左脚前右脚后状态；执行迈左腿动作与迈 右腿动作相同为左右腿互换，控制方式相同；
[0010] 4)控制模块继续检测判断躯干倾角、脚底压力和拐杖压力传感器的数据，进入步 态维持状态；
[0011] 所述Ztte为躯干前后倾角；所述Zfce为躯干左右倾角；F pl为左脚单独压力；Fpi^J 右脚单独压力；Fa为左拐杖压力；F&.为右拐杖压力；FC为去除拐杖自身重力后的两拐杖压 力和；2 1|?为大腿支架与小腿支架之间的夹角；Zts为大腿支架与躯干支架之间的夹角；Zs R为左膝关节角度；Z i1i为右膝关节角度；Zas为左髋关节角度；Zits为右髋关节角度。
[0012] 为进一步实现本发明目的，优选地，所述Zlte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。所述Zfce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。
[0013] 优选地，若初始状态不满足平行站立姿态的条件，控制中心向语音模块发出消息， 提醒用户调整姿态，直至检测到用户为平行站立姿态；用户根据语音提示中的具体操作指 引调整身体姿态；若条件Cl未满足，语音模块提示用户"请保持躯干直立，不要向左右倾斜 或向前后倾斜";若条件C2未满足，语音模块提示用户"请保持双腿直立，调整左髋左膝或右 髋右膝关节角度";若条件C3未满足，语音模块示用户"请使双脚均匀受力";若条件C4未 满足，语音模块提示用户"请使用拐杖，并使两拐杖均匀受力"。
[0014] a。为髋部电机开始转动的加速度，-a。为髋部电机结束转动的加速度，ai为膝部 电机开始转动的加速度，-S1为膝部电机结束转动的加速度，V。为髋部电机的转动速度， V1为膝部电机的转动速度，a。、ap v。、V1的数值均由测量下肢健全者行走过程中的关节转 速所得，且与可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置所使用的电机参数有关。优选地，所述a。 的取值为
取值为
V。的取值为
取值为
[0015] 优选地，所述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、左腿髋部电机、躯干倾角传感器、右腿髋部电机、左腿膝部电机和右腿膝部电 机连接。
[0016] 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。
[0017] 本发明康复装置为可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置，包括躯干支架、大腿支架、 小腿支架、髋部电机、髋部电机角度传感器、膝部电机、膝部电机角度传感器、脚底压力传感 器、躯干倾角传感器、绑带、控制模块、腕表、拐杖、触地压力传感器、脚部支撑板、语音提示 模块。本发明根据当前运动模式，采集各种传感器信号识别用户当前姿态，并驱动电机执行 一个符合用户当前姿态的动作。
[0018] 相对于现有技术，本发明具有如下优点：
[0019] 1)本发明运用躯干倾斜位置与重心偏移位置同步的原理触发行走。本发明特别增 加了拐杖触地压力传感器，该传感器通过无线通信的方式向控制模块传输数据。当控制模 块检测到躯干倾角传感器的数据满足重心偏移时，还必须判断拐杖触地压力传感器的数据 是否超过阈值，若拐杖触地压力传感器的数据也超过阈值，则判断用户满足触发条件，才对 电机发出行走指令，否则继续保持平行站立姿态。
[0020] 2)本发明采用躯干倾角传感器拐和杖触地压力传感器协同配合对用户的姿态进 行实时检测，这种双判断条件触发方法避免单一触发方式的误触发风险，保障了用户的安 全。
[0021] 3)本发明对用户从平行站立姿态到行走状态的转换进行控制的过程中，采用躯干 倾角传感器和拐杖触地压力两个判断条件，增加了触发控制的可靠性。
【附图说明】
[0022] 图1是可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置整体机械结构图；
[0023] 图2是可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置核心功能模块框图；
[0024] 图3(a)是从右前方观察的支架角度示意图；
[0025] 图3(b)是从右方观察的支架角度示意图；
[0026] 图4(a)是从右方观察的躯干前倾角示意图；
[0027] 图4(b)是从右方观察的躯干后倾角示意图；
[0028] 图4(c)是从前方观察的躯干左倾角与右倾角示意图；
[0029] 图5是迈步动作分解图；
[0030]图6是基于躯干重心偏移的可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走触发控制 方法的流程图。
[0031] 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、语音模块16、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