一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统及方法技术方案

一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统及方法，所述系统包括活动连接的移动保护架、外骨骼机器人、肌电信息采集设备、脑电信息采集设备和工控机；所述外骨骼机器人包括腿仿生支撑结构，腿仿生支撑结构位于腰部机构的左右对称安装；所述腿仿生支撑结构包括依次连接的髋关节集成电机、大腿调节杆、膝关节集成电机、小腿调节杆和足部智能传感靴，所述智能传感靴的底部设有足部压力传感器；所述控制方法包括被动控制模式和主动控制模式。本发明专利技术引入了患者主动运动意图，通过脑电、肌电信息实时反馈患者的生理状态，实时显示和记录康复训练的步速、时间、关节轨迹、驱动力和人机作用力等信息，良好适配不同患者，提高患者参与康复训练的积极性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统及方法。

技术介绍

[0002]随着我国老龄人口不断增加，脑卒中、关节损伤、偏瘫等疾病的患者也急剧增加。脑卒中、关节损伤、偏瘫，以及脊椎损伤、下肢神经损伤、多发性硬化症等疾病往往导致患者下肢行动能力丧失，严重影响患者生活质量。临床研究证明，对于神经损伤造成的运动功能缺失，例如下肢瘫痪或偏瘫，及时、科学的对受损功能反复重现可以提高患肢的运动功能恢复程度。
[0003]由于我国专业康复训练资源缺乏，很多患者可能错过最佳的康复时机，而康复辅助行走外骨骼机器人可以解决康复医疗资源紧张和人工训练工作量大等问题，并且可通过感知系统获得人体运动学和生理学数据，帮助康复师更准确地诊断评估病情，改进和优化康复策略。有数据表明，在外骨骼的辅助训练下，病人恢复行走能力的时间可缩短50％
‑
70％。随着人民生活水平的提高，患者对日常活动和康复训练的需要越来越大，康复辅助行走外骨骼机器人必将在辅助患者行走和康复治疗中起到重要的作用。
[0004]但是目前国内绝大部分康复外骨骼训练动作种类比较单一，运动范围具有局限性，多数忽略了患者的主动运动意图，缺乏患者生理状态的实时反馈，不能良好适配不同患者，因而不利于激发患者的主动意识、提高患者参与康复训练的积极性，很难达到理想的康复效果。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统及方法。
[0006]本专利技术的目的是以下述方式实现的：
[0007]一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统，所述系统包括活动连接的移动保护架、外骨骼机器人、肌电信息采集设备、脑电信息采集设备和工控机；所述外骨骼机器人包括腿仿生支撑结构，腿仿生支撑结构位于腰部机构的左右对称安装；所述腿仿生支撑结构包括依次连接的髋关节集成电机6、大腿调节杆、膝关节集成电机9、小腿调节杆和足部智能传感靴11，所述智能传感靴的底部设有足部压力传感器；所述大腿调节杆上设有大腿根部绑带7和大腿端部传感绑带8，所述小腿调节杆上设有小腿传感绑带10；所述肌电信息采集设备、脑电信息采集设备、髋关节集成电机6、膝关节集成电机9、大腿端部传感绑带8、小腿传感绑带10均与工控机通信连接。
[0008]所述髋关节集成电机和膝关节集成电机采用一体化集成驱动单元，内置减速器、电机、编码器、扭矩传感器和驱动器，所述电机的输出端与减速器的输入端连接，减速器的输出端与大腿调节杆连接，所述编码器、驱动器安装在电机上，所述扭矩传感器与电机的输出轴连接，所述编码器、扭矩传感器和驱动器均与工控机通信连接。
[0009]一种下肢外骨骼智能柔顺控制方法，所述方法包括被动控制模式和主动控制模
式；
[0010]所述被动控制模式包括以下步骤：S1:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度q
IN
,大腿端部传感绑带8和小腿传感绑带10分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
[0011]S2:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度Δq
M
,
[0012]S3：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度q
IN
,做差得到期望的角度和角速度q
D
,即q
D
＝q
IN
‑
Δq
M
,实现上层的闭环控制；
[0013]S4：工控机将期望的角度和角速度q
D
,发送给关节电机驱动器，实际的运动轨迹的角度和角速度q
F
,反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度Δq
D
,即Δq
D
＝q
D
‑
q
F
,关节电机驱动器根据控制量角度和角速度Δq
D
,输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制；
[0014]所述主动控制模式包括以下步骤：S1:在康复训练前，先通过肌电信息采集设备和脑电信息采集设备采集患者各个动作的肌电信号和脑电信号，建立人体运动步态轨迹的各个动作和肌电信号、脑电信号的映射关系，即肌电信号、脑电信号与人体髋关节、膝关节运动角度、角速度的对应关系，同时工控机不断记录患者行动过程中的足底压力、关节角度和关节力矩以建立步态轨迹库；
[0015]S2：在患者康复训练的过程中，实时采集患者的肌电信号和脑电信号，与步态轨迹库中的肌电信号和脑电信号对比，判断患者的运动意图，输出预测步态轨迹；
[0016]S3:通过当前关节角度、足底压力信息对预测步态轨迹进行判断；若判断正确，则进行S4中的步骤；若判断错误，则根据前一时刻运动状态从步态轨迹库中利用粒子群优化算法匹配最优数据，从而驱动当前时刻关节运动；
[0017]S4:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度q
IN
,大腿端部传感绑带8和小腿传感绑带10分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；
[0018]S5:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度Dq
M
,
[0019]S6：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度q
IN
,做差得到期望的角度和角速度q
D
,即q
D
＝q
IN
‑
Δq
M
,实现上层的闭环控制；
[0020]S7：工控机将期望的角度和角速度q
D
,发送给关节电机驱动器，实际的运动轨迹的角度和角速度q
F
,反馈给关节电机驱动器，两者做差得到控制量角度和角速度Δq
D
,即Δq
D
＝q
D
‑
q
F
,关节电机驱动器根据控制量角度和角速度Δq
D
,输出驱动电机，从而带动大腿调节杆和小腿调节杆运动，实现驱动器对电机的底层闭环控制。
[0021]本专利技术的有益效果：本专利技术引入了患者主动运动意图，通过脑电、肌电信息实时反馈患者的生理状态，实时显示和记录康复训练的步速、时间、关节轨迹、驱动力和人机作用力等信息，良好适配不同患者，因而有利于激发患者的主动意识、提高患者参与康复训练的积极性，达到理想的康复效果。
附图说明
[0022]图1是本专利技术康复外骨骼整体示意图。
[0023]图2是本专利技术康复外骨骼侧视示意图。
[0024]图3是本专利技术康复外骨骼正视示意图。
[0025]图4是本专利技术被动控制原理框图。
[0026]图5是本专利技术被动控制流程图。
[0027]图6是本专利技术主动控制原理框图。
[0028]图7是本专利技术主动控制流程图。
[0029]其中，1.主控制箱，2.移动保护架，3.背带，4.连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统，其特征在于：所述系统包括活动连接的移动保护架、外骨骼机器人、肌电信息采集设备、脑电信息采集设备和工控机；所述外骨骼机器人包括腿仿生支撑结构，腿仿生支撑结构位于腰部机构的左右对称安装；所述腿仿生支撑结构包括依次连接的髋关节集成电机(6)、大腿调节杆、膝关节集成电机(9)、小腿调节杆和足部智能传感靴(11)，所述智能传感靴的底部设有足部压力传感器；所述大腿调节杆上设有大腿根部绑带(7)和大腿端部传感绑带(8)，所述小腿调节杆上设有小腿传感绑带(10)；所述肌电信息采集设备、脑电信息采集设备、髋关节集成电机(6)、膝关节集成电机(9)、大腿端部传感绑带(8)、小腿传感绑带(10)均与工控机通信连接。2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼智能柔顺控制系统，其特征在于：所述髋关节集成电机和膝关节集成电机采用一体化集成驱动单元，内置减速器、电机、编码器、扭矩传感器和驱动器，所述电机的输出端与减速器的输入端连接，减速器的输出端与大腿调节杆连接，所述编码器、驱动器安装在电机上，所述扭矩传感器与电机的输出轴连接，所述编码器、扭矩传感器和驱动器均与工控机通信连接。3.一种下肢外骨骼智能柔顺控制方法，其特征在于：所述方法包括被动控制模式和主动控制模式；所述被动控制模式包括以下步骤：S1:从工控机输入标准步态轨迹数据的角度和角速度大腿端部传感绑带(8)和小腿传感绑带(10)分别实时检测人体腿部与外骨骼腿部之间的接触力；S2:分别通过力位映射模型将检测的接触力转换为修正的角度和角速度S3：然后与工控机标准步态轨迹数据的角度和角速度做差得到期望的角度和角速度即实现上层的闭环控制；S4：工控机将期望的角度和角速度发送给关节电机驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯源，汪永远，彭雪锋，刘华彬，戴宗妙，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一三研究所，
类型：发明
国别省市：