功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置及控制方法，其中，动力式下肢外骨骼系统用于根据实时电机角度和电流信号，建立髋关节电机控制器和膝关节电机控制器的内部动力学模型，对动力学模型进行参数识别，得到髋关节电机控制器和膝关节电机控制器输出的力矩；功能电刺激系统用于接收动力式下肢外骨骼系统反馈的电机角度信息和电流信号，调整刺激参数以生成刺激电流对肌肉进行刺激，输出功能电刺激引起肌肉力矩，通过髋关节电机控制器和膝关节电机控制器输出的力矩和功能电刺激引起肌肉力矩共同驱动患者下肢运动。该装置可以减少电机力矩、功率以及能耗，并同时对患者的下肢肌肉进行康复训练、治疗。

【技术实现步骤摘要】
功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置及控制方法
本专利技术涉及康复设备
，特别涉及一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置及控制装置。
技术介绍
功能性电刺激(FunctionalElectricalStimulation，FES)属于神经肌肉电刺激(NeuromuscularElectricalStimulation，NES)的范畴，是利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的。利用功能型电刺激的方法，可以为患者带来一定的生理好处，如保持肌肉活力，防止肌肉萎缩，并逐步实现运动功能重建等。外骨骼康复机器人技术涉及机器人学、控制技术、步态分析、生物交互反馈和临床康复等多学科领域知识的交叉与融合。可穿戴式下肢外骨骼机器人常用于下肢运动功能障碍患者的助行和康复训练。外骨骼机器人可以为下肢运动功能障碍患者的运动提供较大的力矩支撑，并在一些较难实现的运动，如髋关节屈曲等动作提供很好的辅助作用。然而，功能性电刺激与下肢外骨骼机器人也各有其不足。功能性电刺激在诱发肌肉持续运动时持续的刺激也会导致肌肉的疲劳，过度使用反而会导致肌肉受损；同时对于长期瘫痪的患者而言，功能性电刺激产生的肌肉收缩力量较小，无法帮助患者自主运动，控制方面存在较大难度。绝大多数下肢外骨骼机器人系统采用液压、气压、电机等外力驱动方式使患者运动，无法符合人体自身肌肉骨骼运动方式，往往出现患者肌肉萎缩、关节磨损，甚至骨折等进一步损伤。因此，结合功能性电刺激与下肢外骨骼机器人既能在电机的作用下使患者产生运动、便于控制，又可以增强患者肌骨力量、优化肌骨协同关系、提升康复运动水平，最终达到重建患者运动机能的理想康复目标。截至当前，将二者结合的下肢外骨骼系统还较为少见。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置及控制方法，该装置通过混合驱动方式可减小髋、膝关节电机在摆动期的输出力矩，从而达到减少电机力矩、功率以及能耗的目的，并同时对患者的下肢肌肉进行康复训练、治疗。本专利技术的另一个目的在于提出一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼的控制方法。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置，包括：动力式下肢外骨骼系统和功能电刺激系统；所述动力式下肢外骨骼系统用于根据实时电机角度和电流信号，建立所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器的内部动力学模型，对所述动力学模型进行参数识别，得到所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩；所述功能电刺激系统用于接收所述动力式下肢外骨骼系统反馈的电机角度信息和电流信号，调整刺激参数以生成刺激电流对肌肉进行刺激，输出功能电刺激引起肌肉力矩，通过所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩和所述功能电刺激引起肌肉力矩共同驱动患者下肢运动。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼控制方法，包括：获取髋关节电机控制器和膝关节电机控制器的实时电机角度和电流信号，建立所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器的内部动力学模型，对所述动力学模型进行参数识别，得到所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩；建立患者-外骨骼构成的人机系统二自由度下肢动力学模型，并对所述人机系统二自由度下肢动力学模型进行参数识别，计算人机系统提供的总关节力矩；根据所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩以及所述人机系统提供的总关节力矩计算功能电刺激引起肌肉力矩；根据预设目标，利用当前步态周期的所述功能电刺激引起肌肉力矩及所述人机系统提供的总关节力矩，调节下一步态周期功能电刺激系统输出的刺激电流参数以及功能电刺激系统的刺激电流触发和髋关节电驱动器、膝关节电驱动器启动的时间差。本专利技术实施例的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置及控制方法的有益效果为：结合功能性电刺激的下肢外骨骼机器人，刺激患者下肢相应的肌肉，较大的发挥患者下肢肌肉的残存运动能力，协同外骨骼髋、膝关节电驱动器提供力矩支撑，帮助患者调整步态，降低电驱动器能耗。在不需采集无FES刺激时的电机电流和角度信号的情况下，仅使用人机系统二自由度动力学模型和驱动器动力学模型及采集FES刺激时电机电流和角度信号即可估计FES贡献的力矩，从而简化了FES和电机协同驱动的混合控制策略。整体实现方式简单，传感器较少，控制精度较高，具有较好的实施前景。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的下肢外骨骼系统步态规划框图；图3为根据本专利技术一个实施例的功能电刺激系统原理框图；图4为根据本专利技术一个实施例的人机系统力矩模型原理框图；图5为根据本专利技术一个实施例的功能电刺激与电机混合协同驱动的原理框图；图6为根据本专利技术一个实施例的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼控制方法流程图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置及控制方法。首先将参照附图描述根据本专利技术实施例提出的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置。图1为根据本专利技术一个实施例的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置结构示意图。如图1所示，该功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置包括：动力式下肢外骨骼系统100和功能电刺激系统200。动力式下肢外骨骼系统100用于根据实时电机角度和电流信号，建立髋关节电机控制器和膝关节电机控制器的内部动力学模型，对动力学模型进行参数识别，得到髋关节电机控制器和膝关节电机控制器输出的力矩。功能电刺激系统200用于接收动力式下肢外骨骼系统反馈的电机角度信息和电流信号，调整刺激参数以生成刺激电流对肌肉进行刺激，输出功能电刺激引起肌肉力矩，通过髋关节电机控制器和膝关节电机控制器输出的力矩和功能电刺激引起肌肉力矩共同驱动患者下肢运动。其中，下肢外骨骼系统包括骨盆支架110，髋关节系统120，膝关节系统130，踝关节系统140，连接髋关节系统120和膝关节系统130的大腿杆150，连接膝关节系统130与踝关节系统140的小腿杆160，以及支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置，其特征在于，包括：动力式下肢外骨骼系统和功能电刺激系统；/n所述动力式下肢外骨骼系统用于根据实时电机角度和电流信号，建立所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器的内部动力学模型，对所述动力学模型进行参数识别，得到所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩；/n所述功能电刺激系统用于接收所述动力式下肢外骨骼系统反馈的电机角度信息和电流信号，调整刺激参数以生成刺激电流对肌肉进行刺激，输出功能电刺激引起肌肉力矩，通过所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩和所述功能电刺激引起肌肉力矩共同驱动患者下肢运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置，其特征在于，包括：动力式下肢外骨骼系统和功能电刺激系统；
所述动力式下肢外骨骼系统用于根据实时电机角度和电流信号，建立所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器的内部动力学模型，对所述动力学模型进行参数识别，得到所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩；
所述功能电刺激系统用于接收所述动力式下肢外骨骼系统反馈的电机角度信息和电流信号，调整刺激参数以生成刺激电流对肌肉进行刺激，输出功能电刺激引起肌肉力矩，通过所述髋关节电机控制器和所述膝关节电机控制器输出的力矩和所述功能电刺激引起肌肉力矩共同驱动患者下肢运动。


2.根据权利要求1所述的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置，其特征在于，所述动力式下肢外骨骼系统包括骨盆支架、髋关节系统、膝关节系统、踝关节系统、连接所述髋关节系统和所述膝关节系统的大腿杆、连接所述膝关节系统与所述踝关节系统的小腿杆以及支撑左、右两侧上肢的左肘拐和右肘拐；
所述大腿杆包括上大腿杆和下大腿杆，所述上大腿杆与所述髋关节系统连接，所述下大腿杆与所述膝关节系统连接；
所述小腿杆包括上小腿杆和下小腿杆，所述上小腿杆与所述膝关节系统连接，所述下小腿杆与所述踝关节系统连接；
所述上大腿杆插入所述下大腿杆内，所述上大腿杆插入所述下大腿杆配合的部分均设计有矩形通孔，通过插入条形通孔内的螺栓实现所述上大腿杆和所述下大腿杆的固定连接，并通过调整上所述大腿杆和所述下大腿杆配合部分矩形孔的位置，实现大腿杆的长度调节；
所述髋关节系统包括髋关节电驱动器及髋关节电机控制器，所述髋关节电机控制器用于实时获取所述髋关节电驱动器电机角度和电流信号，所述髋关节电驱动器用于驱动髋关节运动；
所述膝关节系统包括膝关节电驱动器及膝关节电机控制器，所述膝关节电机控制器实时获取所述膝关节电驱动器电机角度和电流信号，所述膝关节电驱动器用于驱动膝关节运动；
所述左肘拐和所述右肘拐上设置控制按钮，用于控制所述动力式下肢外骨骼系统和功能电刺激系统。


3.根据权利要求1所述的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置，其特征在于，
所述骨盆支架、所述大腿杆和所述小腿杆上均安装有柔性绑带，用于固定所述外骨骼系统。


4.根据权利要求1所述的功能电刺激和电机混合驱动的下肢外骨骼装置，其特征在于，所述髋关节系统、所述膝关节系统和所述踝关节系统为主动式关节系统，通过各自的关节电机驱动各个关节运动。


5...

【专利技术属性】
技术研发人员：关鑫宇，李银波，任峻立，刘伟峰，季林红，杨沂霖，韩新宇，时展鹏，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11