基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法技术

本发明专利技术公开了一种基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统及方法，涉及机器人技术领域，基于跑步机康复训练的下肢康复机器人的运动同步系统包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，悬吊装置与下肢矫形器连接，下肢矫形器与跑步机连接；基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法包括：在周期内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步。本发明专利技术优点在于：能够很好的保证患者在进行步态训练时不发生跌倒，从而达到更好的康复效果，加快康复的进程。

Motion synchronization system and method for rehabilitation of lower limb robot based on treadmill training

The invention discloses a motion synchronization system and method for training lower limb robot rehabilitation based on treadmill, which relates to the field of robot technology. The motion synchronization system of lower limb rehabilitation robot based on treadmill rehabilitation training includes suspension device, lower limb orthosis and treadmill, suspension device connected with lower limb orthosis, and lower limb orthosis. Limb orthosis is connected to the treadmill; the synchronization method for training the lower limb robot rehabilitation based on treadmill includes: synchronizing the movement speed of the lower limb orthosis with the treadmill during the period; and synchronizing the movement speed of the lower limb orthosis with the treadmill at a certain instant. The invention has the advantages of good guaranteeing that the patient does not fall during gait training, thereby achieving better rehabilitation effect and speeding up the process of rehabilitation.

【技术实现步骤摘要】
基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统及方法
本专利技术涉及机器人
，更具体涉及基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统及方法。
技术介绍
外骨骼下肢康复机器人是根据人体下肢的结构及其运动机理而设计的一种下肢助力装置，其在左右腿的髋关节与膝关节各安装一个驱动电机，通过电机驱动使偏瘫患者进行正常的步态训练，以此达到帮助偏瘫患者达到恢复行走的目的。为了充分模拟人的正常行走路况从而达到更好的康复效果，需要让患者在运行的跑步机上进行步态训练。人的每条腿在步态训练过程中分为支撑期和摆动期，每条腿只有在支撑期时才会与跑步带接触，因而要保证同步就必须保证在支撑期时外骨骼下肢矫形器的速度与跑步机传送带的速度保持一致，但由于下肢矫形器的每条腿末端在水平方向上的速度一直都在发生变化。在利用下肢矫形器与跑步机进行步态康复训练时，现有技术一般是直接根据跑步机的速度计算出一个步态周期的周期时间，然后根据周期时间再计算出髋关节与膝关节角位移的角频率，从而达到跑步机与下肢矫形器运行的同步。这种方法虽然保持了周期上的同步，但不能保证周期内每个时刻的同步，特别是在下肢矫形器带动患者脚尖离开跑步机的瞬间，若脚尖速度与跑步机速度不匹配，患者极容易发生绊倒摔伤。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于脚尖离开跑步机传送带时的瞬间，跑步机与脚尖的速度不一致使得人的脚尖与跑步机传送带不能顺利分从而发生绊倒现象。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，具体技术方案如下：基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接。基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接；在周期内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步。优选地，所述在周期内，使得下肢矫形器与跑步机同步，计算步骤如下：S1：计算下肢矫形器与跑步机传送带同步时的周期在进行步态训练时，设置跑步机传送带的运行速度为VTM，单位为Km/h，步态的步长为Ls，则能够计算出整个步态运动的周期Ts为：S2：根据步态运动的周期Ts，计算出下肢矫形器各个关节的角频率ωT，即：S3：根据下肢矫形器各个关节的角频率ωT，计算出求髋关节与膝关节的角位移分别为：式中，qH(t)为髋关节角位移，qk(t)为膝关节角位移，a10,a1n,a20,a2n,b2n(n＝1,...,5)是傅里叶级数的系数，其中，傅里叶级数的系数为常数。S4：根据髋关节与膝关节的角位移，获得在整个步态运动周期Ts内髋关节与膝关节的运动轨迹；使得下肢矫形器满足S3中计算出的运动轨迹，则能够获得在周期Ts内，下肢矫形器的各个关节的运动速度与跑步机的速度同步。优选地，所述在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步，则同步方法如下：将下肢矫形器其中某支腿底中心记为A点，脚底中心A在基坐标O下的x方向位置记为PA1，将跑步机传送带上的该点记为B点，其在下肢矫形器基坐标O下的x方向位置记为PB1；在支撑期开始时刻记为t10，即腿脚跟与跑步机传送带接触的时刻，且PA1＝PB1；在支撑期结束时刻为t20，腿脚尖与跑步机传送带恰好分离的时刻，则B点在基坐标O下的位置记为PB2，A点在基坐标系O的位置记为PA2，为保持腿脚尖离开跑步机传送带时使下肢矫形器与跑步机传送带保持同步，则必须使PA2＝PB2。优选地，所述下肢矫形器与所述跑步机同步的瞬间同步的计算步骤如下：S5：令髋关节与膝关节的角位移为：式中，kp为比例因子，ωT为周期同步时求出的关节角位移的角频率，并计算出瞬间同步的步态周期T为S6：在t10时刻，即用户的脚尖开始与跑步机传送带刚开始接触的时刻，髋关节与膝关节对应的角位置分别为qH10与qK10，由S5能够求出腿脚底中心A在基坐标系O下的位置PA1，即：PA1＝L1sinqH10+L2sin(qH10-qK10)(7)其中，L1为大腿腿长，L2为小腿腿长；则能够求得t10时刻跑步机传送带B点的位置PB1，即：PB1＝PA1(8)S7：在t20时刻，根据跑步机的速度VTM求出跑步机传送带B点的位置PB2，即：S8：在t20时刻，髋关节与膝关节的角位置分别为qH20与qK20，则腿脚底中心A在基坐标系O下的位置PA2，即：PA2＝L1sinqH20+L2sin(qH20-qk20)(10)S9：若PA2＝PB2，则在脚尖离开跑步机传送带时，保证下肢矫形器与跑步机的瞬间同步，否则就需要改变下肢矫形器的速度即角频率ω来适应跑步机的速度。优选地，所述S9还包括：计算出t20时刻跑步机传送带与腿脚底中心的偏差DPos，即：DPos＝PA2-PB2(11)令error为允许误差值，若|DPos|＞error且DPos＞0，则降低下肢矫形器各关节的速度，即减小kp，然后重复S5至S9；若|DPos|＞error且DPos＜0，则增大下肢矫形器各关节的速度，即增大kp，然后重复S5至S9；若|DPos|＜error，则下肢矫形器各关节速度不发生变化，kp保持不变，根据实际测试情况，将kp的更新率定为：kp＝kp-DPos(12)本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术中通过首先保证下肢矫形器的运动与跑步机传送带的运动周期同步；然后，保证在脚尖离开跑步机传送带的瞬间下肢矫形器与跑步机瞬间同步。首先进行周期同步的目的是能够减少达到自同步所需要的时间；通过已知跑步机的速度，使得下肢矫形器在满足该速度时获取下肢矫形器的运动轨迹，下肢矫形器各个关节满足所求得的运动轨迹，则在脚尖离开跑步机传送带的瞬间，保证跑步机与脚尖速度保持一致，从而使得人的脚尖与跑步机传送带顺利分离，不会发生绊倒现象，并且可以通过自动调节kp从而达到同步的目的,从而达到更好的康复效果，加快康复的进程。附图说明图1为本专利技术实施例的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统的结构示意图。图2为本专利技术实施例的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法的支撑期运动示意图。图3是本专利技术实施例的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法的自同步流程图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统，包括：悬吊装置100、下肢矫形器200和跑步机300，悬吊装置100与下肢矫形器200连接，下肢矫形器200与跑步机300连接。基于跑步机训练的下肢机器人康复的运动同步方法，包括：在周期内，使得下肢矫形器200的运动速度与跑步机300同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器200的运动速度与跑步机300同步。本实施例子，以下肢矫形器200的右腿为例。在周期内，使得下肢矫形器200的运动速度与跑步机300同步，计算步骤如下：S1：计算下肢矫形器200与跑步机300传送带同步时的周期在进行步态训练时，设置跑步机300传送带的运行速度为VTM，单位为Km/h，步态的步长为Ls，则能够计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统，其特征在于，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接。

【技术特征摘要】
1.基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步系统，其特征在于，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接。2.一种采用权利要求1所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征在于，包括：悬吊装置、下肢矫形器和跑步机，所述悬吊装置与所述下肢矫形器连接，所述下肢矫形器与所述跑步机连接；在周期内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步；并且，在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步。3.根据权利要2所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征于，所述在周期内，使得下肢矫形器与跑步机同步，计算步骤如下：S1：计算下肢矫形器与跑步机传送带同步时的周期在进行步态训练时，设置跑步机传送带的运行速度为VTM，单位为Km/h，步态的步长为Ls，则能够计算出整个步态运动的周期Ts为：S2：根据步态运动的周期Ts，计算出下肢矫形器各个关节的角频率ωT，即：S3：根据下肢矫形器各个关节的角频率ωT，计算出求髋关节与膝关节的角位移分别为：式中，qH(t)为髋关节角位移，qk(t)为膝关节角位移，a10,a1n,a20,a2n,b2n(n＝1,...,5)是傅里叶级数的系数，其中，傅里叶级数的系数为常数。S4：根据髋关节与膝关节的角位移，获得在整个步态运动周期Ts内髋关节与膝关节的运动轨迹；使得下肢矫形器满足S3中计算出的运动轨迹，则能够获得在周期Ts内，下肢矫形器的各个关节的运动速度与跑步机的速度同步。4.根据权利要求2所述的基于跑步机训练下肢机器人康复的运动同步方法，其特征于，所述在某个瞬间内，使得下肢矫形器的运动速度与跑步机同步，则同步方法如下：将下肢矫形器其中某支腿底中心记为A点，脚底中心A在基坐标O下的x方向位置记为PA1，将跑步机传送带上的该点记为B点，其在下肢矫形器基坐标O下的x方向位置记为PB1；在支撑期开始时刻记为t10，即腿脚跟与跑步机传送带接触的时刻，且PA1＝PB1；在支撑期结束时刻为t20，腿脚尖与跑步机传送带恰好分离的时刻，则B点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，张岩岭，崔文，邵东升，高志阳，林玉屏，戴维，于振中，李文兴，
申请(专利权)人：哈工大机器人合肥国际创新研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34