模拟上下楼梯的康复训练方法及下肢康复机器人技术

本发明专利技术公开了模拟上下楼梯的康复训练方法，属于下肢运动损伤康复治疗的技术领域，旨在增加康复训练的多样性，提高患者训练效率和环境适应能力。该方法由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。为了实现该方法，本发明专利技术还公开了一种下肢康复机器人。

The rehabilitation training method of simulating up and down stairs and the rehabilitation robot of lower limbs

【技术实现步骤摘要】
模拟上下楼梯的康复训练方法及下肢康复机器人
本专利技术涉及下肢运动损伤康复治疗的
，具体涉及一种模拟上下楼梯的康复训练方法及下肢康复机器人。
技术介绍
当前，由于脑卒中、脊柱损伤等原因，下肢运动功能损伤的患者逐年递增。在国内康复治疗医师较少的背景下，很多患者在进行康复治疗、肌能恢复训练时选择使用下肢康复机器人进行训练与治疗。现有下肢康复机器人辅助训练方法大多基于走路或使用踏车等两种形式。针对目前下肢康复机器人训练模式单一的问题，有必要增加康复训练的多样性，提高患者康复训练效率与环境适应能力。
技术实现思路
为了增加康复训练的多样性，提高患者康复训练效率和环境适应能力，本专利技术的目的之一是公开了一种模拟上下楼梯的康复训练方法，其由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。在本专利技术的一实例中，获取所述腿部运动模型的过程具体为：在人的髋关节、膝关节和踝关节设置角度采集仪，在人上下楼梯时采集髋关节、膝关节以及踝关节的角度变化以得到第一数据，对所述第一数据采用移动平均法做滤波处理以得到第二数据，针对所述第二数据中的异常值做前后平均填充以得到第三数据；采用傅里叶或B-样条线对第三数据进行拟合以得到腿部运动模型。在本专利技术的一实例中，根据皮尔逊相关系数或DTW距离进行相似度计算以判断所述腿部运动模型的周期。在本专利技术的一实例中，所述背板带动人体上下移动是基于人体重心位置变化曲线进行的，所述人体重心位置变化曲线如以下公式所示：其中，yt表示t时刻人体重心位置；a1、a2、a3、b1、b2、b3均为常数，根据不同腿部模型的发生变化。在本专利技术的一实例中，获取所述人体重心变化曲线的过程包括以下步骤：S1、基于腿部运动模型和真实的楼梯环境，以人的头部为起始点自上而下计算各关节点的位置以及判断人体的运动状态；S2、基于S1中计算的各关节点位置以及人体的运动状态，以人的最低点为起始点自下而上再次计算各关节点的位置并绘制以得到第二运动模型；S3、以髋关节竖直位置为人体重心位置，基于第二运动模型修正并计算得到人体重心位置变化曲线。本专利技术的目的之二是提供一种下肢康复机器人，用以实现上述所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，包括支撑架、控制模块、驱动器、背板以及两个机械腿；所述背板安装于所述支撑架上，所述驱动器用于驱使所述背板上下移动；所述机械腿安装在所述背板的底部，所述机械腿的底部设置有脚踏板，脚踏板悬空；所述控制模块基于腿部运动模型控制两条机械腿以模拟上下楼梯时腿部的动作，同时所述控制模块基于所述人体重心位置变化曲线控制驱动器以使背板带动人体上下移动。在本专利技术的一实例中，7、所述背板与所述支撑架通过滑轨连接以能够在竖直方向上运动，所述驱动器包括滚珠丝杠和驱动电机，滚珠丝杠于背板连接，驱动电机固定在支撑架上。在本专利技术的一实例中，所述背板上设置有用于与人体相对固定的吊带。在本专利技术的一实例中，位于所述背板对应于头部上方和人体左右两侧的位置设置有扶手。本专利技术的有益效果为：1)本专利技术提出了模拟上下楼梯的康复训练方法，增加了康复训练的多样性，有助于病人的恢复；2)本专利技术在腿部模拟上下楼梯的同时加入了人体重心位置变化的模拟，使得康复训练的逼真程度更高，更加贴合实际生活中的上下楼梯状态，有利于病人的恢复；3)经过拟合后的腿部运动模型的逼真度高，更加贴近实际的上下楼梯的状态。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是上楼梯时髋膝踝三关节角度轨迹变化示意图；图2是下楼梯时髋膝踝三关节角度轨迹变化示意图；图3是上楼梯时步态仿真示意图；图4是下楼梯时步态仿真示意图；图5是上楼时人体重心的拟合曲线示意图；图6是下肢康复机器人进行康复训练时的程序流程图；图7是下肢康复机器人的结构示意图。附图标记：1、背板；2、扶手；3、机械腿；4、脚踏板；5、驱动电机；6、滚珠丝杠；7、支撑架。具体实施方式下面参照附图来描述本专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本专利技术的技术原理，并非旨在限制本专利技术的保护范围。实施例1：本实施例公开了一种模拟上下楼梯的康复训练方法，其由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。因为只带动人腿的运动无法准确的模拟上下楼梯时的运动状态，在模拟中加入了人体重心的调节之后会使得上下楼梯的模拟更加逼真，有助于患者的恢复。针对当前下肢康复机器人垂直运动有限的问题，提出动态重心调节，以保证连续及多次运动。获取所述腿部运动模型的过程具体为：在人的髋关节、膝关节和踝关节设置角度采集仪，在人上下楼梯时采集髋关节、膝关节以及踝关节的角度变化以得到第一数据，对第一数据采用移动平均法做滤波处理以得到第二数据，针对第二数据中的异常值做前后平均填充以得到第三数据；采用傅里叶或B-样条线对第三数据进行拟合以得到腿部运动模型。腿部运动模型是一种变化曲线，图1和图2示出了上下楼梯时的腿部运动模型。根据皮尔逊相关系数或DTW距离进行相似度计算以判断腿部运动模型的周期。这一过程在此不进行赘述。参见图3和图4，背板带动人体上下移动是基于人体重心位置变化曲线进行的，获取人体重心变化曲线的过程包括以下步骤：S1、基于腿部运动模型和真实的楼梯环境，以人的头部为起始点自上而下计算各关节点的位置以及判断人体的运动状态；S2、基于S1中计算的各关节点位置以及人体的运动状态，以人的最低点为起始点自下而上再次计算各关节点的位置并绘制以得到第二运动模型；图3和图4示出了第二运动模型的仿真结果。S3、以髋关节竖直位置为人体重心位置，基于第二运动模型修正并计算得到人体重心位置变化曲线。人体重心位置变化曲线如公式(1)所示：其中，yt表示t时刻人体重心位置；a1、a2、a3、b1、b2、b3均为常数，根据不同腿部模型的发生变化。图5中示出了对公式1的拟合曲线。使用这一方法能够增加康复训练的多样性，提高患者训练效率和环境适应能力。实施例2：参见图7，本实施例公开了一种下肢康复机器人，用于实现实施例1中所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其包括底座、支撑架、控制模块、驱动器、背板以及两个机械腿。控制模块在附图中未示出。支撑架固定在底座上，背板与支撑架通过滑轨连接以使其能够在竖直方向上运动。驱动器包括滚珠丝杠和驱动电机，滚珠丝杠与背板连接，驱动电机固定在支撑架上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于：由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。/n

【技术特征摘要】
1.模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于：由两条机械腿与人腿相对固定并带动人腿运动以模拟上下楼梯时人腿的动作，机械腿的运动是基于腿部运动模型进行的；在人腿运动的同时，通过背板与人体相对固定并带通人体上下移动以模拟上下楼梯时人体重心位置的变化。


2.根据权利要求1所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于，获取所述腿部运动模型的过程具体为：在人的髋关节、膝关节和踝关节设置角度采集仪，在人上下楼梯时采集髋关节、膝关节以及踝关节的角度变化以得到第一数据，对所述第一数据采用移动平均法做滤波处理以得到第二数据，针对所述第二数据中的异常值做前后平均填充以得到第三数据；采用傅里叶或B-样条线对第三数据进行拟合以得到腿部运动模型。


3.根据权利要求2所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于：根据上下楼梯时下肢关节角度变化，得到人体重心曲线变化，并对曲线进行修正以实现康复机器人可以提供真实连续的上下楼梯运动。


4.根据权利要求3所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于：所述背板带动人体上下移动是基于人体重心位置变化曲线进行的，所述人体重心位置变化曲线如以下公式所示：



其中，yt表示t时刻人体重心位置；a1、a2、a3、b1、b2、b3均为常数，根据不同腿部模型的发生变化。


5.根据权利要求4所述的模拟上下楼梯的康复训练方法，其特征在于，获取所述人体重心变化曲线的过...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫群，侯增广，石伟国，梁旭，任士鑫，王佳星，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11