【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于步态测量，具体涉及一种基于下肢机器人的地面步态训练系统及训练方法。
技术介绍
1、步态康复主要针对因中风、脊髓损伤、帕金森病、阿尔茨海默病等导致的步态异常，通过系统化的训练和评估，从而帮助患者恢复正常步态，提高生活质量。但是传统康复手段的康复功能存在不全面、人工成本高、效率低等问题，康复机器人应运而生。当前国内的康复设备处于发展期，市场上的康复设备虽然能够克服部分传统康复手段存在的问题，但基本都是纯粹机械式、重复式的辅助运动，不能实现与评定方法结合的目的。同时现有的一些康复动平衡训练区使用传统的高台阶方式进行训练，康复人员一旦跌倒扭伤，存在较大的受伤风险。另外，普通康复训练机器人针对拐弯训练的内容相对单一，并不能有效的将信息收集与训练相结合，康复效率低。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题和不足，本专利技术提供了一种基于下肢机器人的地面步态训练系统及训练方法，通过下肢机器人与地面步态训练系统相结合的方式，融入具有更加科学性和专业性的步态训练方法，提高下肢康复的效率和下肢机器人的利用率。
2、为实现专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种基于下肢机器人的地面步态训练系统，包括步道，所述步道表面包括等距节律行走区域、“8”字行走区域和动平衡训练区域3个训练区域；步道内设置有主控模块，每个训练区域内均设有地面感应模块、音乐灯光模块和磁吸条导引模块，所述主控模块与地面感应模块、音乐灯光模块电性连接；
4、所述主控模块包
5、所述“8”字行走区域包括两个类椭圆行走区域，每个类椭圆行走区域设有中心点标识，每个类椭圆行走区域由四个直线行走路线和四个弯道行走路线围成，“8”字行走区域下设有足底压力检测模块。
6、优选地，地面感应模块采用电阻式薄膜压力传感器作为感应器件，其可以识别人体的踩踏信号，并根据模拟量输入值获取人体足底压力数据与分布，为使用患者的下肢康复状况提供部分数据支撑，在获取人体足底压力数值与趋势变化的前提下，该方案相比于使用精密的足底压力板更具性价比。
7、优选地，音乐灯光模块采用ws2812芯片型号led灯珠，与主控模块间单线连接控制，灯光亮度与颜色根据不同训练模式与音乐节奏变换，为使用患者提供视觉引导。
8、优选的，磁条导引模块布置在地面步态训练系统内外圈两侧，用以为下肢机器人提供道路引航信号，下肢机器人感应磁极与诱导磁条高度差保持在20-40mm内。
9、优选地，所述“8”字行走区域的两侧布置磁条导引模块。
10、优选地，两个类椭圆行走区域中心间隔为1.5m。
11、优选地，每个类椭圆行走区域按照两个直线行走路线、四个弯道行走路线、两个直线行走路线的顺序围成。
12、优选地，所述动平衡训练区域包括中间的行走区域，用以模拟独木桥，两侧区域利用可编程led灯模拟流水效果，用以模拟河流，行走区域两侧还设置有地面感应模块，当使用患者走出“独木桥”时进行警示音效提醒。
13、利用上述系统进行地面步态训练的方法，包括以下步骤：
14、选择训练模式；
15、使用患者进入相应训练模式的起点，根据地面指示灯光在相应区域内训练，同时下肢机器人的激光雷达步态测量模块进行患者步态信息实时计算，地面感应模块记录患者每次迈步的足底压力趋势；
16、主控模块接收激光雷达步态测量模块和地面感应模块的信息，由数据处理模块根据采集到的步速、步长、步宽、平均步态周期、足底压力分布区域进行权重，输出速度、步数、准确性和平稳性指标，进而对使用患者的跌倒风险进行预测，并进行持续观察，与前次训练测评结果对比。
17、下肢机器人的激光雷达步态测量模块进行患者步态信息实时计算与存储，训练过程中，人体处于机器人两驱动轮连线中间位置，与机器人同步运动，主控系统每周期采集一次驱动轮速，因此人体行走平均速度vavg为：
18、
19、其中ωr与ωl分别为左右驱动轮角速度，r为驱动轮半径，n为采集次数。
20、在训练过程中，激光雷达步态测量模块可以反馈出人体的行走步数、步宽、平均步态周期等参数，随着步行能力的提升，完成一次步行训练的所用步数应该呈减小的趋势。
21、人体行走时的足底压力分布由足底压力检测模块采集而来，压力分布呈矩阵形式。假设共迈出n步，每一步的足底压力分布矩阵为pi，其中i＝1,2,…,n，每个pi是一个6×3的矩阵，将每个pi展开成一个18×1的向量pi，可得每一步的总压力ti为：
22、
23、相比于步数，速度能够更加直观的反映使用者的步行能力，进一步的，通过比较行走训练过程中弯道区域与直道区域的平均速度差异大小，可以在一定程度上反映使用者的犹豫程度，并通过比较长期训练下的速度差异，了解步行能力的提升状况。
24、单步平均总压力为：
25、
26、则足底压力分布的标准差σ为：
27、
28、在“8”字行走训练区域，平稳性指标由足底压力分布的标准差给出，其代表了反映了足底压力分布的波动程度。较小的标准差表示压力分布较为均匀，步态较稳定；较大的标准差则表示压力分布变化较大，步态不稳定。
29、同时，数据处理模块还可以输出左右脚平均足底压力的分布图，通过比较左右脚的足底压力分布标准差，可以评估步态的对称性。显著不同的标准差表明一侧肢体负荷过大或过小，可能是由于步态不对称引起的。对于老年人或有跌倒风险的人群，行走的平稳性与对称性可以作为早期预警指标，帮助及时采取干预措施。
30、将行走的偏离程度作为准确性指标d，步道行走区域两侧的地面感应模块与机器人的磁极感应模块均可以提供该指标数据,较大的偏离程度意味着使用者可能无法很好的掌握身体的左右平衡能力。
31、对上述四个指标数据(人体行走平均速度，行走步数，足底压力分布，偏离程度)进行标权重，作为综合步行能力指标i，并在每次步行训练结束后，比较数据差异，对行走能力训练的效果进行评价，也可与数据库内同等身高、体重的健康人群的数据进行比较。
32、
33、其中，vavg为人体行走平均速度，n为行走步数，σ为足底压力分布的标准差，d为准确性指标。
34、在每次训练结束后，可根据单独报告指标与综合步行能力指标来对使用者的步行能力进行评判，并对其跌倒风险进行一定程度的预测，可根据收集的大量健康受试群体数据进行阈值划分，并由此评判风险程度。同时可与长期报告数据进行对比，对使用者步行能力的恢复趋势进行显示。
35、综上，地面步态训练系统记录患者每次迈步的足底压力趋势，通过二者信息的相结合，由数据本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于下肢机器人的地面步态训练系统，包括步道，其特征在于，所述步道表面包括等距节律行走区域、“8”字行走区域和动平衡训练区域3个训练区域；步道内设置有主控模块，每个训练区域内均设有地面感应模块、音乐灯光模块和磁吸条导引模块，所述主控模块与地面感应模块、音乐灯光模块电性连接；
2.根据权利要求1所述的基于下肢机器人的地面步态训练系统，其特征在于，所述“8”字行走区域的两侧布置磁条导引模块。
3.根据权利要求2所述的基于下肢机器人的地面步态训练系统，其特征在于，两个类椭圆行走区域中心间隔为1.5m；每个类椭圆行走区域按照两个直线行走路线、四个弯道行走路线、两个直线行走路线的顺序围成。
4.根据权利要求1所述的基于下肢机器人的地面步态训练系统，其特征在于，所述动平衡训练区域包括中间的行走区域，用以模拟独木桥，两侧区域利用可编程LED灯模拟流水效果，用以模拟河流，行走区域两侧还设置有地面感应模块，当使用患者走出“独木桥”时进行警示音效提醒。
5.利用权利要求1-4任一所述系统进行地面步态训练的方法，其特征在于，包括以下步骤：
<...【技术特征摘要】
1.一种基于下肢机器人的地面步态训练系统，包括步道，其特征在于，所述步道表面包括等距节律行走区域、“8”字行走区域和动平衡训练区域3个训练区域；步道内设置有主控模块，每个训练区域内均设有地面感应模块、音乐灯光模块和磁吸条导引模块，所述主控模块与地面感应模块、音乐灯光模块电性连接；
2.根据权利要求1所述的基于下肢机器人的地面步态训练系统，其特征在于，所述“8”字行走区域的两侧布置磁条导引模块。
3.根据权利要求2所述的基于下肢机器人的地面步态训练系统，其特征在于，两个类椭圆行走区域中心间隔为1.5m；每个类椭圆行走区域按照两个直线行走路线、四个弯道行走路线、两个直线行走路线的顺序围成。
4.根据权利要求1所述的基于下肢机器人的地面步态训练系统，其特征在于，所述动平衡训练区域包括中间的行走区域，用以模拟独木桥，两侧区域利用可编程led灯模拟流水效果，用以模拟河流，行走区域...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋韬，刘剑翔，陈旭，明志发，赵冬冬，解文翰，
申请(专利权)人：上海金矢机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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