CN102225034B - 步态康复训练机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步态康复训练机器人控制系统，其特征是系统设置包括一减重装置、一步态模拟发生器和一用来控制步态模拟发生器的实时速度、选择不同的训练模式的PC机，本发明可以在减重平衡系统的协助下，实现按照人正常行走的姿态进行被动模式和主动模式的康复训练。并能利用所获取的足底压力信号进行主被动康复训练的效果评估，对于临床康复训练有很重要的价值。

Description

步态康复训练机器人控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制及康复医疗领域，更具体而言涉及一种步态康复训练机器人控制系统。

背景技术

康复训练机器人技术是近年来迅速发展起来的一门新兴技术，是机器人技术在医学领域的新应用。随着社会老龄化以及残障训练者越来越多，繁重的训练任务给治疗师和训练者家庭带来沉重的负担。传统的下肢医疗康复训练多为康复医师或者其他人员利用辅助器材施予适当的助力或阻力，来引导训练者完成相应的被动式运动。近年来科技水平的不断提高,服务于老年人和下肢有运动障碍的病人的下肢康复训练机器人得到了广泛的应用,它突破了传统的康复训练方法,医学理论和临床医学证明：正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。

总结康复机器人的研究现状，目前康复训练机器人控制主要还是基于下肢运动的控制，而控制模式以被动运动模式为主，运动模式单一，缺乏目标导向训练。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种适用于下肢步态康复训练机器人的步态康复训练机器人控制系统，以期在减重平衡系统的协助下，训练者使用步态康复机器人，可以实现按照人正常行走的姿态进行被动模式和主动模式的康复训练。并能利用所获取的足底压力信号进行主被动康复训练的效果评估。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

一减重装置，是在基座上设置由升降电机驱动的推杆，在所述推杆上通过吊带悬吊承重背心；在承重背心的下方设置有护栏，所述护栏位于所述承重背心的两侧；

一步态模拟发生器，是以训练者脚穿的一对护靴固定安装在脚踏杆上，所述脚踏杆 以设定的速度和训练模式按运动轨迹运转，在护靴底部设置足底压力传感器；

一PC机，用来控制步态模拟发生器的实时速度、选择不同的训练模式，以及通过控制升降电机带动推杆升降；所述训练模式包括：

被动式康复训练：训练者根据康复效果评测情况自主选择预先设定的步态康复机器人的运动轨迹和不同的行走速度进行康复训练；

主动式康复训练：基于训练者的运动意图，根据训练者足底压力传感器的检测信号，实时判断训练者的运动意图，检测所需补偿的拖动力，基于模糊控制算法，对步态康复机器人的行走速度进行实时控制。

步态康复训练机器人控制系统其特征是:

所述足底压力传感器为压变电阻应变片式桥路传感器，实时检测的足底压力信号包括力值的大小和方向，并且是以正值表示足底受到的是压力，以负值表示足底受到的是拉力。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明在减重平衡系统的协助下，可以实现按照人正常行走的姿态进行被动模式和主动模式的康复训练。在被动模式下，康复训练可以按照预先设定轨迹进行，并且行走速度可以按预定档位自主调节，训练者可以按照自身康复情况选择合适档位；在主动模式下，根据传感器信号判断训练者运动意图，并且计算出所需补偿的拖动力，基于模糊控制算法，对康复机器人进行实时控制，真正实现机器按照人的运动意图运转。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明控制系统示意图；

图3为本发明训练轨迹示意图；

图4a为本发明足底压力传感器侧视示意图；

图4b为本发明足底压力传感器平面示意图；

图5为本发明中上位机控制流程图。

图中标号：1推杆；2基座；3护栏；4步态模拟发生器；5脚踏杆；6支座；7伺服电机；8为PC机；9背心；10吊带。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的系统设置包括：

一减重装置，是在基座2上设置由升降电机驱动的推杆1，在推杆1上通过吊带10悬吊承重背心9；在承重背心9的下方设置有护栏3，护栏3位于所述承重背心9的两侧。

一步态模拟发生器4，是以训练者脚穿的一对护靴固定安装在脚踏杆5上，脚踏杆5 以设定的速度和训练模式按运动轨迹运转，在护靴底部设置足底压力传感器。

一PC机，用来控制步态模拟发生器的实时速度、选择不同的训练模式，以及通过控制升降电机带动推杆1升降，步态模拟发生器的运行由伺服电机7进行驱动。

具体实施中，训练模式包括：

被动式康复训练：训练者根据康复效果评测情况自主选择预先设定的步态康复机器人的运动轨迹和不同的行走速度进行康复训练。

主动式康复训练：基于训练者的运动意图，根据训练者足底压力传感器的检测信号，实时判断训练者的运动意图，检测所需补偿的拖动力，基于模糊控制算法，对步态康复机器人的行走速度进行实时控制。

图4a和图4b所示，足底压力传感器采用压变电阻应变片式桥路传感器，用于实时检测足底压力信号，包括力值的大小和方向，并且是以正值表示足底受到的是压力，以负值表示足底受到的是拉力，图4中，中心孔403用于将足底压力传感器固定设置在脚踏杆5上，在足底压力传感器的第一测量臂401和第二测量臂402上分布桥式电阻应变片，第一测量臂401和第二测量臂402的两端分别通过前端左螺孔405、前端右螺孔404以及后端左螺孔406和后端右螺孔407固定设置在护靴底部。

系统设置也包括：

信息采集和信号处理单元：信息的采集包括足底压力传感器检测信号的实时获取、A/D转换和特征信号提取，信号采集是通过信号调理电路以及多路数据采集卡实现；以信号调理电路对采集到的压力传感器检测信号进行放大和滤波，为后续的信号处理提供合适的压力信号；多路数据采集卡按照时序对输入模拟量信号进行A/D转换，为上位机提高低冗余、高精度的数字信号。在多路数据采集卡的选用上须考虑其通道数、采样率、分辨率等工作参数指标。综合这些因素，可以选择的采集卡有双诺公司的MP412C，MP412，MP413，MP420E等USB系列数据采集产品。

具体实施中，图2所示，系统控制部分包括有计算机任务控制单元201、电机驱动器203、康复训练机器人204和人机界面208；压力信息采集部分包括数据采集卡202、信号调理电路205和压力传感器206。其中，计算机任务控制单元201是控制任务控制单元，在人机界面208中，训练者可以选择主动或被动训练模式，以压力传感器206实时检测康复训练者207进行康复训练的足底压力信息，足底压力信息表现为微弱的电压信号，经过信号调理电路205的放大和滤波之后输出合适的电压信号，再经过数据采集卡202，将模拟电压信号经A/D转换后得到高精度的数字信号，通过USB传输到上位机进行数据存储和滤波，同时上位机根据接收到的传感器信号完成康复效果评测功能。

本实施例中，图3所示的封闭曲线301为运动轨迹，具体实施是以一端小直径链轮和另一端大直径链轮以及传动链相啮合构成链循环运转机构，传动链循环运转的封闭路线由机械结构约束。左右两只脚踏为相同的运动轨迹，但在空间上位置有180°的相位差。

参见图5，本实施例中上微机控制流程为：

501程序开始；

502完成系统初始化工作；

503开始进行数据采集；

504对采集来的模拟信号进行A/D转换，提取特征信号；

505实现对高精度数字信号的存储和软件滤波，以及康复效果评测；

506控制模式选择，主动模式下：507进行运动意图判断，508是基于模糊控制向驱动器510发送控制命令，对伺服电机511运行进行控制；被动模式下：509运行速度档位选择，通过驱动器510来控制伺服电机511运行。

电机运行状态和参数可以通过程序读编码器得到，以便对其运行状态进行实时监控。

Claims (1)

1.步态康复训练机器人控制系统，其特征是系统设置包括：

一减重装置，是在基座(2)上设置由升降电机驱动的推杆(1)，在所述推杆(1)上通过吊带(10)悬吊承重背心(9)；在承重背心(9)的下方设置有护栏(3)，所述护栏(3)位于所述承重背心(9)的两侧；

一步态模拟发生器，是以训练者脚穿的一对护靴固定安装在脚踏杆(5)上，所述脚踏杆(5) 以设定的速度和训练模式按运动轨迹运转，在护靴底部设置足底压力传感器；

一PC机，用来控制步态模拟发生器的实时速度、选择不同的训练模式，以及通过控制升降电机带动推杆(1)升降；所述训练模式包括：

被动式康复训练：训练者根据康复效果评测情况自主选择预先设定的步态康复机器人的运动轨迹和不同的行走速度进行康复训练；

主动式康复训练：基于训练者的运动意图，根据训练者足底压力传感器的检测信号，实时判断训练者的运动意图，检测所需补偿的拖动力，基于模糊控制算法，对步态康复机器人的行走速度进行实时控制；

所述足底压力传感器为压变电阻应变片式桥路传感器，实时检测的足底压力信号包括力值的大小和方向，并且是以正值表示足底受到的是压力，以负值表示足底受到的是拉力。

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