一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，属于康复医疗技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统


：
[0001]本专利技术属于康复医疗
，具体涉及通过映射方式实现下肢外骨骼康复训练系统，用于下肢功能障碍患者的下肢康复训练
。
技术背景
：
[0002]下肢外骨骼是一种穿戴在人体下肢外侧部位的机械装置，它可以通过传感器
、
控制器和执行器等部件实现对人体下肢运动的辅助或增强
。
下肢外骨骼现已广泛应用于康复训练领域，帮助因神经或脊髓损伤而导致的下肢运动功能障碍患者恢复行走能力
。
然而，目前的下肢外骨骼存在安全性不高
、
患者运动自主性不强和步行训练动作不标准等问题
。
[0003]如公布号为“CN 111821143 A”的中国专利技术专利公开了一种下肢康复训练外骨骼机器人，该专利技术通过输入训练参数来驱动外骨骼进行运动，患者按照设定好的训练参数进行训练，为被动式康复训练，步态训练轨迹单一，难以适应不同的康复训练需求
。
公布号为“CN 109940584A”的中国专利技术专利公开了一种外骨骼机器人及其检测人体运动意图的检测方法，使用足底压力应变片
、
编码器
、
力传感器和电容传感器检测穿戴者的行走
、
上楼
、
下楼和坐下等运动意图，并根据穿戴者的运动意图确定下肢外骨骼下一步的运动模式，该专利技术能够较为准确地检测穿戴者的运动意图，但在运动过程中穿戴者无法自主调节外骨骼的步长<br/>、
步宽等参数，穿戴者的运动自主性不高
。

技术实现思路

：
[0004]本专利技术目的在于，针对上述下肢外骨骼康复训练系统中存在的下肢外骨骼存在安全性不高
、
患者运动自主性不强和步行训练动作不标准等不足，设计了一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，该系统通过传感器组采集正常人行走时的关节角度数据，将正常人的步态数据映射到下肢外骨骼，使得患者在康复训练中的步态更加接近正常人，行走姿态更加标准自然，从而提高康复训练效果；训练前康复治疗师可以根据患者的关节活动度范围设定不同训练系数，将训练系数与控制器模块生成的参考步态轨迹相乘，以修正下肢外骨骼的步态训练轨迹，使得下肢外骨骼能适应不同患者或同一患者不同康复阶段的需求
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的主要技术方案如下：
[0006]一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，至少包括传感器组
、
控制器模块和下肢外骨骼
。
所述传感器组至少包括2个传感器，固定在正常人下肢，用于采集正常人行走时的下肢关节角度值并实时发送给控制器模块；所述传感器组可以为角度传感器
、
惯性传感器
、
陀螺仪等任意测量角度的传感器；所述关节角度值可以为髋关节角度值
、
膝关节角度值和踝关节角度值等
。
[0007]所述下肢外骨骼至少包括驱动电机机械结构，所述下肢外骨骼穿戴在患者身上，用于辅助患者进行康复训练；所述下肢外骨骼的驱动电机带动下肢外骨骼跟随正常人运动；所述机械结构构成下肢外骨骼的本体，连接各个驱动电机并为穿戴下肢外骨骼的患者
行走提供支撑
。
[0008]所述下肢外骨骼还包括电源组件，所述电源组件包括急停按钮和限位开关，所述急停按钮用于当患者需要紧急关闭下肢外骨骼时，通过按下急停按钮实现紧急制动；所述限位开关用于当电机转动角度超过预设的最大转动角度时，系统自动断开电路以保护患者安全，所述电源组件为驱动组件提供动力
。
[0009]所述下肢外骨骼的机械结构至少由足部穿戴件
、
小腿支撑件
、
大腿支撑件和腰部穿戴件组成，所述小腿支撑件和大腿支撑件的长度可根据患者的身高和腿长进行调节
。
[0010]所述控制器模块至少包括输入接口
、
输出接口和步态轨迹生成器，所述控制器模块的输入接口与传感器组电连接，用于接收传感器组采集的角度信号；所述步态轨迹生成器先根据接收到的角度信号规划出参考步态轨迹
f(t)
，再根据患者的关节活动度修正所述参考步态轨迹
f(t)
，得到适合患者行走的步态训练轨迹
q(t)
，并从所述步态训练轨迹
q(t)
中解算出驱动下肢外骨骼动作的运动信号；所述控制器模块的输出接口与下肢外骨骼的驱动电机电连接，用于将所述运动信号输出至下肢外骨骼的驱动电机，使下肢外骨骼按照步态轨迹生成器生成的步态训练轨迹
q(t)
进行运动
。
[0011]所述控制器模块还可以包括步态轨迹调整器，根据患者的行走能力和康复状况通过所述步态轨迹调整器预设训练的步态参数：步速
、
步长
、
步宽和步高等，训练时所述步态轨迹调整器根据预设的步态参数调节下肢外骨骼的运动轨迹
。
[0012]所述控制器模块的步态轨迹生成器生成下肢外骨骼的步态轨迹的具体过程为：首先康复治疗师测量患者的关节活动度，并将患者的关节活动度与正常人的关节活动度作比值得到训练系数
a(0
＜
a≤1)
；然后控制器模块的步态轨迹生成器根据传感器组采集到的正常人下肢的髋关节角度值和膝关节角度值，使用最小二乘法拟合传感器组采集到的离散角度数据，得到参考步态轨迹
f(t)
；再将参考步态轨迹
f(t)
与训练系数
a
相乘得到适用于患者行走的步态训练轨迹
q(t)
；最终所述控制器模块的步态轨迹生成器根据所述步态训练轨迹
q(t)
解算出驱动下肢外骨骼动作的运动信号，通过输出接口将所述运动信号输出至下肢外骨骼的驱动电机，以带动下肢外骨骼按照步态训练轨迹
q(t)
进行运动；
[0013]所述下肢外骨骼康复训练系统的训练过程至少包含以下步骤：
[0014]步骤一：康复治疗师根据患者的关节活动度设定训练系数
a(0
＜
a≤1)
；
[0015]步骤二：将传感器组固定在正常人下肢；
[0016]步骤三：穿戴好传感器组的正常人保持站立状态不动，对传感器组进行校准；
[0017]步骤四：根据患者的大腿长度和小腿长度调节下肢外骨骼的小腿支撑件和大腿支撑件的长度，患者穿戴好下肢外骨骼；
[0018]步骤五：启动外骨骼，正常人开始行走，患者在外骨骼地驱动作用下跟随正常人行走；在下肢康复训练过程中，可根据患者的行走能力和体力状况，调节下肢外骨骼的步态训练参数，所述训练参数至少包括：行走速度
、
步长
、
步宽
、
步高等，以适应不同患者的训练需求；
[0019]该系统将正常人的运动状态映射到下肢外骨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于：该系统至少由传感器组
、
控制器模块和下肢外骨骼组成；所述传感器组至少包括2个传感器，固定在正常人下肢，用于采集正常人行走时的下肢关节角度值；所述下肢外骨骼至少包括驱动电机和机械结构，所述下肢外骨骼穿戴在患者身上，用于辅助患者进行康复训练；所述控制器模块至少包括输入接口
、
输出接口和步态轨迹生成器，所述控制器模块的输入接口与传感器组电连接，用于接收传感器组采集的角度信号；所述步态轨迹生成器生成适合患者行走的步态训练轨迹
q(t)
，并从该步态训练轨迹
q(t)
中解算出驱动下肢外骨骼动作的运动信号；所述控制器模块的输出接口与下肢外骨骼的驱动电机电连接，将所述运动信号输出至下肢外骨骼的驱动电机，使下肢外骨骼按照步态轨迹生成器生成的步态训练轨迹
q(t)
进行运动；所述下肢外骨骼康复训练系统使用传感器组采集正常人行走时的下肢关节角度信号，经控制器模块处理后将正常人的关节角度信号映射至下肢外骨骼进行康复训练，使穿戴下肢外骨骼的患者能够跟随正常人进行下肢行走运动
。2.
根据权利要求1所述的一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于：所述传感器组，通常固定在正常人单侧下肢，固定位置可以是大腿前侧
、
小腿前侧
、
脚背和骨盆处等
。3.
根据权利要求1所述的一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于：所述控制器模块的步态轨迹生成器先根据接收到的角度信号规划出参考步态轨迹
f(t)
，再根据患者的关节活动度修正所述参考步态轨迹
f(t)
，得到适合患者行走的步态训练轨迹
q(t)
，并从所述步态训练轨迹
q(t)
中解算出驱动下肢外骨骼动作的运动信号
。4.
根据权利要求1所述的一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于：所述控制器模块的控制器模块还可包括步态轨迹调整器，根据患者的行走能力和康复状况通过所述步态轨迹调整器预设训练的步态参数：步速
、
步长
、
步宽和步高等；患者训练时根据所述步态轨迹调整器预设的步态参数调节下肢外骨骼的运动轨迹
。5.
根据权利要求1所述的一种基于传感器映射的下肢外骨骼康复训练系统，其特征在于：所述控制器模块的步态轨迹生成器生成适合患者行走的步态训练轨迹的具体过程为：
5.1
康复治疗师测量患者的关节活动度，并将患者的关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琳，章旭，杨思创，潘海鸿，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：