基于患者步態(tài)測量下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于患者步態(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法，包括基于三軸加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法和下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法。基于三軸加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法主要根據(jù)安裝在下肢大小腿外側(cè)的三軸加速度計(jì)傳感器測量使用者下肢大小腿四個(gè)部位的彎曲角度，并結(jié)合使用者大腿和小腿長度信息，實(shí)現(xiàn)步態(tài)信息的測量。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法，根據(jù)患者步態(tài)信息，計(jì)算其重心所需升降高度，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)絲桿在直線導(dǎo)軌上的高度，以實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制。
【專利說明】基于患者步態(tài)測量下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于患者步態(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法，減輕患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的負(fù)擔(dān)。
【背景技術(shù)】
[0002]在人的日常生活中，平衡能力是人正常活動(dòng)的一項(xiàng)重要功能，生活中如行走、站立等各種活動(dòng)都以平衡作為基本的保障。許多還有下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙類疾病的患者均表現(xiàn)出不同程度的重心平衡功能障礙，這嚴(yán)重阻礙了他們下肢的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。
[0003]下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)是一種用于輔助治療下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙類疾病的自動(dòng)化醫(yī)療設(shè)備，主要由步態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、重力平衡機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)組成。各機(jī)構(gòu)通過協(xié)作運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)患者模擬健康人的行走模式進(jìn)行訓(xùn)練，逐漸達(dá)到恢復(fù)下肢運(yùn)動(dòng)技能的效果。作為一種協(xié)助患者恢復(fù)行走能力的康復(fù)器械，自適應(yīng)的控制其行走時(shí)重心升降是非常必要的。
[0004]本文提出以一種基于患者步態(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降的控制方法， 通過測量患者的步態(tài)信息，分析康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)需要升降的高度，來輔助患者調(diào)節(jié)重心，更輕松的進(jìn)行下肢的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是用于使用者在下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)難以自動(dòng)調(diào)節(jié)使用者重心高度的問題，提供了一種基于患者步態(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明公開了一種基于患者步態(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法， 包括基于三軸加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法和下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法?；谌S加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法主要根據(jù)安裝在下肢大小腿外側(cè)的三軸加速度計(jì)傳感器測量使用者下肢大小腿四個(gè)部位的彎曲角度，并結(jié)合使用者大腿和小腿長度信息，實(shí)現(xiàn)步態(tài)信息的測量。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法，根據(jù)患者步態(tài)信息，計(jì)算其重心所需升降高度，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)絲桿在直線導(dǎo)軌上的高度，以實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制。
[0008]當(dāng)使用者使用下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)時(shí)，在左下肢大腿、左下肢小腿、右下肢大腿、右下肢小腿外側(cè)分別佩戴一個(gè)三軸加速度計(jì)傳感器，其具體步驟如下:
[0009]步驟1:測量右下肢大腿長度RU、右下肢小腿長度Rd、左下肢大腿長度Lu、左下肢小腿長度Ld ；
[0010]步驟2:取第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器數(shù)據(jù)，所述第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器分別用于采集右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿的彎曲角度w 1、(0 2、《 3、《4 ;[0011]步驟3:計(jì)算使用者步態(tài)信息，結(jié)合步態(tài)信息計(jì)算所需調(diào)節(jié)升降的高度，輸出電機(jī)控制信號(hào)，詳細(xì)步驟如下 :
[0012]步驟3.1:利用第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器分別用于采集右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿的彎曲角度《 1、《2、《3、Co4，并結(jié)合使用者大腿長度，小腿長度數(shù)據(jù)Ru、Rd、Lu、Ld，依據(jù)以下計(jì)算公式，計(jì)算右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿四個(gè)部位的垂直高度:
[0013]Hru = RuX cos (co I),
[0014]Hrd = RdXcos (co 2),
[0015]Hlu = LuXcos (co 3),
[0016]Hld = LdXcos (co4)；
[0017]其中，H?代表右下肢大腿的垂直高度，Hrd代表右下肢小腿的垂直高度，Hlu代表左下肢大腿的垂直高度，Hld代表左下肢小腿的垂直高度；
[0018]步驟3.2:利用右下肢大腿的垂直高度H?、右下肢小腿的垂直高度ffd、左下肢大腿的垂直高度Hlu、左下肢小腿的垂直高度Hld，根據(jù)以下公式，計(jì)算右下肢的垂直高度Hr及左下肢距離的垂直高度Hl:
[0019]Hr = Hru+Hrd,
[0020]Hl = Hlu+Hld ；
[0021]步驟3.3:比較右下肢的垂直高度Hr及左下肢距離的垂直高度H1，通過以下公式，得到He，He取Hr與Hl中的最大值，由于使用者雙下肢中垂直高度高的下肢為提供運(yùn)動(dòng)支撐カ的下肢，它的高度應(yīng)為控制下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)應(yīng)處的高度，這樣才可以為使用者調(diào)節(jié)重心，減輕康復(fù)訓(xùn)練的負(fù)擔(dān)，
[0022]He = max {HI, Hr}；
[0023]步驟3.4:比較He與下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)當(dāng)前所處的高度Hn，如果He > Hn,則輸出上調(diào)信號(hào)，控制基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上升，反之，則輸出下降信號(hào)，控制基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)下降；控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)信號(hào)AStep與He和Hn的差值的絕對(duì)值成線性關(guān)系，公式如下，d為步進(jìn)電機(jī)每走一歩的距離，
r n//c-//n\
[0024]AStep =^
d ;
[0025]步驟4:返回步驟2。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0027](I)本發(fā)明所采用的控制方法，具有計(jì)算量小，算法復(fù)雜度低，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，采用簡單的處理器便可實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的控制，降低了成本。
[0028](2)本發(fā)明通過基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的升降，結(jié)構(gòu)簡單，更加易于控制。
[0029](3)本發(fā)明采用三軸加速度計(jì)測量使用者的步態(tài)信息，更加容易實(shí)現(xiàn)且成本低。【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的具體實(shí)施步驟圖。[0031]圖2為本發(fā)明的高度差計(jì)算示意圖。
[0032]圖3為本發(fā)明的基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖。
[0033]附圖中標(biāo)號(hào)為:基臺(tái)1、絲桿2、滑塊3、直線導(dǎo)軌4、步進(jìn)電機(jī)5、下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)連接裝置6。
【具體實(shí)施方式】
[0034]圖1為本發(fā)明的具體實(shí)施步驟圖。
[0035]本發(fā)明主要包括兩個(gè)部分，基于三軸加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法和下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法?；谌S加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法，測量左下肢大腿、左下肢小腿、右下肢大腿、右下肢小腿四個(gè)部位的彎曲角度信息，結(jié)合彎曲角度信息及下肢大小腿的長度信息，計(jì)算左右下肢的高度。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法，基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)包括基臺(tái)1、絲桿2、滑塊3、直線導(dǎo)軌4、步進(jìn)電機(jī)5和下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)連接裝置6 ;直線導(dǎo)軌4和絲桿2平行固定設(shè)置在基臺(tái)I上；滑塊3套接在直線導(dǎo)軌4和絲桿 2上；步進(jìn)電機(jī)5安裝在絲桿2上方；下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)連接裝置6固定安裝在滑塊3上； 根據(jù)左右下肢的高度，計(jì)算使用者所需調(diào)節(jié)升降的高度，控制步進(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)絲桿 2在直線導(dǎo)軌4上的高度，實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)控制?；诨颊卟綉B(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法的具體步驟如下:
[0036]步驟1:測量右下肢大腿長度Ru、右下肢小腿長度Rd、左下肢大腿長度Lu、左下肢小腿長度Ld。
[0037]步驟2:取第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器數(shù)據(jù)，所述第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器分別用于采集右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿的彎曲角度w 1、0 2、《3、《4。
[0038]步驟3:計(jì)算使用者步態(tài)信息，結(jié)合步態(tài)信息計(jì)算所需調(diào)節(jié)升降的高度，輸出電機(jī)控制信號(hào)，詳細(xì)步驟如下:
[0039]步驟3.1:利用第一三 軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器分別用于采集右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿的彎曲角度《 1、《2、《3、Co 4，并結(jié)合使用者大腿長度，小腿長度數(shù)據(jù)Ru、 Rd、Lu、Ld，依據(jù)以下計(jì)算公式，計(jì)算右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿四個(gè)部位的垂直高度。
[0040]Hru = RuX cos (co I),
[0041]Hrd = RdXcos (co 2),
[0042]Hlu = LuXcos (co 3),
[0043]Hld = LdXcos (co4)；
[0044]H?代表右下肢大腿的垂直高度，Ifd代表右下肢小腿的垂直高度，Hlu代表左下肢大腿的垂直高度，Hld代表左下肢小腿的垂直高度。
[0045]步驟3.2:利用右下肢大腿的垂直高度H?、右下肢小腿的垂直高度ffd、代表左下肢大腿的垂直高度Hlu、左下肢小腿的垂直高度Hld，根據(jù)以下公式，計(jì)算右下肢的垂直高度Hr 及左下肢距離的垂直高度Hl。[0046]Hr = Hru+Hrd,
[0047]Hl = Hlu+Hld ；
[0048]步驟3.3:比較右下肢的垂直高度Hr及左下肢距離的垂直高度Hl，通過以下公式，得到Hc，Hc取Hr與Hl中的最大值。由于使用者雙下肢中垂直高度高的下肢為提供運(yùn)動(dòng)支撐カ的下肢，它的高度應(yīng)為控制下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)應(yīng)處的高度，這樣才可以為使用者調(diào)節(jié)重心，減輕康復(fù)訓(xùn)練的負(fù)擔(dān)。
[0049]He = max {HI, Hr}；
[0050]步驟3.4:比較He與下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)當(dāng)前所處的高度Hn，如果He > Hn,則輸出上調(diào)信號(hào)，控制基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上升，反之，則輸出下降信號(hào)，控制基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)下降?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)5運(yùn)動(dòng)步數(shù)信號(hào)A Step與He和Hn的差值的絕對(duì)值成線性關(guān)系，公式如下，d為步進(jìn)電機(jī)5每走一歩的距離。
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種基于患者步態(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法，包括:基于三軸加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法和下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法；基于三軸加速度計(jì)傳感器的步態(tài)測量方法，采用四個(gè)三軸加速度計(jì)傳感器，測量左下肢大腿、左下肢小腿、右下肢大腿、右下肢小腿四個(gè)部位的彎曲角度信息，結(jié)合彎曲角度信息及下肢大小腿的長度信息，計(jì)算患者步態(tài)信息；康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)升降控制方法，根據(jù)患者步態(tài)信息，計(jì)算使用者所需調(diào)節(jié)升降的高度，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)絲桿在導(dǎo)軌上的高度，實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于患者步態(tài)測量的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)自適應(yīng)升降控制方法，其特征在于:當(dāng)使用者使用下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)時(shí)，在左下肢大腿、左下肢小腿、右下肢大腿、右下肢小腿外側(cè)分別佩戴一個(gè)三軸加速度計(jì)傳感器，其具體步驟如下:步驟1:測量右下肢大腿長度Ru、右下肢小腿長度Rd、左下肢大腿長度Lu、左下肢小腿長度Ld;步驟2:取第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器數(shù)據(jù)，所述第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器分別用于采集右下肢大腿、 右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿的彎曲角度w 1、0 2、《3、《4;步驟3:計(jì)算使用者步態(tài)信息，結(jié)合步態(tài)信息計(jì)算所需調(diào)節(jié)升降的高度，輸出電機(jī)控制信號(hào)，詳細(xì)步驟如下:步驟3.1:利用第一三軸加速度計(jì)傳感器、第二三軸加速度計(jì)傳感器、第三三軸加速度計(jì)傳感器和第四三軸加速度計(jì)傳感器分別采集右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿的彎曲角度《1、《2、《3、《 4，并結(jié)合使用者大腿長度，小腿長度數(shù)據(jù)Ru、Rd、Lu、Ld， 依據(jù)以下計(jì)算公式，計(jì)算右下肢大腿、右下肢小腿、左下肢大腿，左下肢小腿四個(gè)部位的垂直高度:Hru = RuXcos(Ol),Hrd = RdX cos (w 2)，Hlu = LuX cos (w 3)，Hld = LdX cos (o4)；其中，H?代表右下肢大腿 的垂直高度，Hrd代表右下肢小腿的垂直高度，Hlu代表左下肢大腿的垂直高度，Hld代表左下肢小腿的垂直高度；步驟3.2:利用右下肢大腿的垂直高度H?、右下肢小腿的垂直高度ffd、左下肢大腿的垂直高度Hlu、左下肢小腿的垂直高度Hld，根據(jù)以下公式，計(jì)算右下肢的垂直高度Hr及左下肢距離的垂直高度Hl:Hr = Hru+Hrd,Hl = Hlu+Hld ；步驟3.3:比較右下肢的垂直高度Hr及左下肢距離的垂直高度H1，通過以下公式，得到 He, He取Hr與Hl中的最大值，由于使用者雙下肢中垂直高度高的下肢為提供運(yùn)動(dòng)支撐力的下肢，它的高度應(yīng)為控制下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)應(yīng)處的高度，這樣才可以為使用者調(diào)節(jié)重心， 減輕康復(fù)訓(xùn)練的負(fù)擔(dān)，He = max {HI, Hr}；步驟3.4:比較He與下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)當(dāng)前所處的高度Hn，如果He > Hn,則輸出上調(diào)信號(hào)，控制基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上升，反之，則輸出下降信號(hào)，控制基于步進(jìn)電機(jī)的直線絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)下降；控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)信號(hào)△ Step與He和Hn的差值的絕對(duì)值成線性關(guān)系，公式如下，d為步進(jìn)電機(jī)每走一歩的距離，
【文檔編號(hào)】A61H1/02GK103519971SQ201310481700
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】宋愛國, 倪得晶, 李會(huì)軍, 崔建偉, 吳涓, 樊金成, 樊天潤 申請(qǐng)人:東南大學(xué)常州研究院, 常州市錢璟康復(fù)器材有限公司