一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统技术方案

一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息发送至助残外骨骼控制器；助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种外骨骼系统，属于医疗器械领域。
技术介绍
目前国内、外外骨骼主要分为两类，助残外骨骼和助力外骨骼。助力外骨骼主要针对健全人，使其在行走、背负重物时减轻其使用者的负担。助残外骨骼主要应用于下肢有残疾的残疾人，使重新获得正常行走能力。通过专利可以查询到的助残外骨骼，如Rewalk助残外骨骼，该外骨骼具备为瘫痪的下肢提供外部助力，并带动其运动的功能，该外骨骼应用仍必须使用双拐。其控制算法是通过监测人体运动重心，控制外骨骼带动下肢运动，并通过双拐控制人体平衡。其最大的特点在于能使双腿残疾的残疾人能够重新站起来，在双拐的辅助下实现“四足”行走。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于健全肢体运动监测，控制残肢运动的外骨骼系统。本专利技术的技术解决方案是：一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息发送至助残外骨骼控制器；助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下：(1)在当前控制周期，实时接收并记录健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；(3)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制下残肢驱动装置依照健全一侧下肢的运动开始前摆、支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下：(1)在当前控制周期，实时接收并按段记录健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，并根据实时接收的同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；所述的按段记录为将健全一侧下肢从支撑到前摆完成为第一段，健全一侧下肢从前摆完成到下残肢与地面垂直过程为第二段，健全一侧下肢从与地面垂直到后摆完成为第三阶段；(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，则根据接收的监测信息，判断健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动是否完成，若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直接进入步骤(3)；(3)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的第一段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制下残肢驱动装置开始前摆；进入步骤(4)；(4)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否到达与地面垂直的位置，若到达该位置，则根据当前控制周期记录的第二段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，进入步骤(5)；(5)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健全一侧上肢是否开始后摆，若开始后摆，则在开始后摆时刻根据当前控制周期记录的第三段健全一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成控制指令，控制下残肢驱动装置根据控制指令中的内容对人体进行支撑，完成当前控制周期的运动，进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。本专利技术与现有技术相比有益效果为：1、本专利技术通过采集和使用健全肢体信息，触发和控制下残肢驱动装置，带动残肢或假肢运动。与现有方案相比，本专利技术系统架构合理，助残效果更好，使残疾人行走运动更加协调，更接近健全人行走；2、本专利技术中使用的控制算法的核心是基于人体基本行走运动规律，使用驱动装置带动假肢或残肢模仿健全肢体运动，该功能适应了不同使用者的行走习惯，使得不同的使用者稍加训练，即可迅速适应该专利技术装置，该专利技术的适用性很强。附图说明图1为本专利技术系统框图；图2为本专利技术健全肢体检测装置示意图；图3为本专利技术下残肢驱动装置示意图。具体实施方式本专利技术主要的针对应用人群是一个下肢瘫痪，或残缺，通过监测人体其他健全肢体运动，不需要双拐辅助，实现残疾人摆脱双拐，双足重新行走的目的。本装置在下文中简称“助残外骨骼系统”。如图1所示，本专利技术是一种基于健全肢体运动监测，控制残肢运动的外骨骼系统，包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；健全肢体监测装置具体包含上肢监测装置和下肢监测装置。助残外骨骼系统的工作流程为：健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息通过数字总线发送至助残外骨骼控制器；助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。下面分别对上述各部分进行详细说明。(一)健全肢体监测装置健全肢体监测装置，是一种监测健全上肢或下肢运动的监测装置。上肢监测装置是主要功能是监测上肢肩关节和肘关节的角度和角速度，并将上述信息通过数字总线传输给助残外骨骼控制器；下肢监测装置主要监测髋关节和膝关节的角度和角速度，并将上述信息通过数字总线传输给助残外骨骼控制器。健全肢体监测装置由两个角度传感器、传感器接口电路、控制电路和通讯电路组成，如下图2所示。以上角度传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，其特征在于：包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息发送至助残外骨骼控制器；助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指令发送至下残肢驱动装置；下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残肢运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外骨骼系统，其特征在于：
包括健全肢体监测装置、下残肢驱动装置和助残外骨骼控制器；
健全肢体监测装置实时监测健全一侧下肢膝关节和髋关节的位置和运动速
度，以及同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度；将监测的信息发送至助
残外骨骼控制器；
助残外骨骼控制器根据接收到的监测信息，计算下残肢运动指令，将该指
令发送至下残肢驱动装置；
下残肢驱动装置安装在下残肢上，根据运动指令驱动残肢运动或者代替残
肢运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的外
骨骼系统，其特征在于：所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下：
(1)在当前控制周期，实时接收并记录健全一侧下肢膝关节和髋关节的位
置和运动速度，并根据实时接收的同侧上肢肩关节和肘关节的位置和运动速度，
判断人体是否处于行走状态，若为行走状态则执行步骤(2)；否则，发送静止
状态指令，使下残肢驱动装置处于静止状态；
(2)判断当前控制周期是否为初始控制周期即启动周期，若为启动周期，
则根据接收的监测信息，判断健全一侧的下肢前摆动以及上肢后摆动是否完成，
若未完成相应动作，则继续等待接收新的监测信息，直至健全一侧的下肢前摆
动以及上肢后摆动完成，进入步骤(3)；若当前控制周期不是启动周期，则直
接进入步骤(3)；
(3)实时接收健全一侧上肢的肩关节和肘关节的位置和运动速度，判断健
全一侧上肢是否开始开始前摆，在开始前摆时刻根据当前控制周期记录的健全
一侧下肢的膝关节和髋关节的位置和运动速度形成启动控制指令，控制下残肢
驱动装置依照健全一侧下肢的运动开始前摆、支撑，完成当前控制周期的运动，
进入下一控制周期，从步骤(1)开始循环执行。
3.根据权利要求1所述的一种基于健全肢体运动监测、控制残肢运动的
外骨骼系统，其特征在于：所述的助残外骨骼控制器实现步骤如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢二宝，郑继贵，杜滨，朱晓荣，刘旭亮，于志远，何程函，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11