一种用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统及下肢外骨骼控制方法

摘要

本发明提出一种用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统及下肢外骨骼控制方法，系统包括：中央控制器、电源模块、传感器模块、人机交互装置、外骨骼动力驱动装置、穿戴式下肢外骨骼；通过传感器模块采集人体髋关节、腿部姿态、背部姿态、踝部压力、拐杖压力信息数据，建立患者步态相位数据集；根据截瘫患者康复训练步态相位，向外骨骼动力驱动模块的摆动相髋关节电机输出前运动方向助力矩，而向支撑相髋关节输出同步的向后伸展方向助力矩；完成对下肢外骨骼的主动训练控制，满足截瘫患者主动肌力康复训练需求。本发明可以队下肢外骨骼进行控制，能够实现截瘫患者前期的被动康复训练，以及中期根据患者姿态变化的主动康复训练，实现主动肌力恢复过程。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗康复工程技术领域，尤其涉及一种用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统及下肢外骨骼控制方法。

背景技术

全世界因脊髓损伤引起的肢体活动障碍患者每年的发病率在25万至50万之间，脊髓损伤以青壮年为主，年龄在40岁以下的占百分之八十，这对家庭和社会造成了长期而沉重的经济负担。传统的截瘫矫形器是无主动动力的，以双侧髋膝踝足矫形器(HKAFO)或双侧膝踝足矫形器(KAFO)最为常见，主要依靠患者身体重心前倾及骨盆侧倾达到跨步，而进行站立或者行走康复训练时需要是用拐杖。随着科技的进步，将机器人、新型传感技术、机电一体化等工程学与医学、仿生学相结合的产物——下肢康复机器人开始出现。融合机器人技术和康复医学原理的下肢外骨骼机器人可使截瘫患者在行走中达到康复治疗的目的，是解决下肢功能障碍康复难题的新手段，并在医疗康复过程中发挥着重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提出有效应用于截瘫患者下肢康复训练的肢外骨骼控制系统及下肢外骨骼控制方法。

为达到上述目的，本发明提出一种用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统，包括穿戴式下肢外骨骼、中央控制器、人机交互装置、电源模块、传感器模块和动力驱动装置；

所述穿戴式下肢外骨骼以人体下肢结构设计，包括：背部支撑、腿部支撑和足底支撑；

所述中央控制器和所述电源模块固定于所述背部支撑，所述传感器模块包括分别设于腿部支撑相应关节处位置的左/右腿姿态传感器、膝关节角度传感器、背部姿态传感器和髋关节角度传感器，以及包括设于足底支撑的足底压力传感器；

所述动力驱动装置驱动所述穿戴式下肢外骨骼各个部位活动，所述人机交互装置、电源模块、传感器模块和动力驱动装置均与所述中央控制器信号连接。

进一步的，还包括一根拐杖，所述拐杖上设有拐杖压力传感器，所述拐杖压力传感器与所述中央控制器信号连接。

进一步的，所述动力驱动装置包括左髋部电机、右髋部电机和两台伺服驱动器；

所述左髋部电机和所述右髋部电机分别设于所述腿部支撑的左右髋部，通过两台所述伺服电机分别驱动。

本发明还提出一种用于截瘫患者的下肢外骨骼步态跟随控制方法，包括对人体姿态数据监测和步态相位分析；

利用传感器模块获取康复运动实时数据，采用卡尔曼滤波算法处理传感器模块人体姿态数据，结合下肢外骨骼髋关节角度的测量，得到：

K

所述步态相位分析方法为：根据足底压力传感器组的4个压力传感器在不同时间段输出的压力值以及外骨骼髋关节处的运动角度值，采用比例算法对所采集的人体姿态数据进行数据融合，识别步态相位。比例算法的总体框图如图2所示。结合不同步态相位，外骨骼髋关节角度变化幅度以及步态相位切换时的阈值角度，分析得出准确的步态相位。

该控制方法主要在于运动数据融合，其过程主要是：先对4个足底压力信号进行求和处理，确定足底所选压力区域的压力总和；P

设定比例值阈值pinv

本发明还提出一种用于截瘫患者的下肢外骨骼控制方法，包括以下步骤：

步骤1，设置针对不同患者的下肢外骨骼康复训练安全范围，患者穿戴好该下肢外骨骼后，通过中央控制器记录康复运动限制姿态位置；

步骤2，启动下肢外骨骼，患者抓握住拐杖后，系统初始化进入站立姿态(零位)，进入等待模式选择状态；

步骤3，模式选择：选择被动康复训练模式，截瘫患者通过拐杖模块操控下肢外骨骼进行行走、坐下、站立训练动作，拐杖模块将指令传入中央控制器；中央控制器将控制指令传入伺服电机驱动器；

或者选择选择主动步态训练模式，根据不同患者下肢肌力情况设置相对应的步态助力值；采集人体姿态数据，分析患者步态相位及运动趋势，中央控制器计算出相对应的电机驱动助力矩，发送控制指令传入伺服电机驱动器，控制下肢外骨骼跟随截瘫患者步态趋势运动；

步骤4，实时采集监测下肢外骨骼状态数据、人体姿态数据、足底压力和拐杖模块数据，根据给定的模糊规则进行模糊推理，然后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制参数，以此调节控制系统参数；中央控制器发出控制指令控制下肢外骨骼做出相应的姿态动作；

步骤6，训练周期结束，通过拐杖模块发送停止训练指令，系统进入站立等待状态；紧急情况通过急停按钮停止当前训练。

进一步的，所述被动康复训练模式包括以下步骤：

步骤A1，模式选择为被动康复训练模式，系统处于站立初始状态，中央控制器根据不同患者所设定的内环限制位置，设定相应的指定站立、左/右侧行走、坐下动作数据集；等待接收拐杖模块控制意图指令；

步骤A2，电机内置编码器、左/右腿姿态传感器和背部姿态传感器进入状态数据采集状态，将下肢外骨骼实时状态传入中央控制器；

步骤A3，患者移动左侧拐杖模块，带动下肢外骨骼右侧作为摆动相向前移动，下肢外骨骼左侧作为支撑相稳定患者身体平衡；相反的，患者移动右侧拐杖模块，带动下肢外骨骼左侧作为摆动相向前移动，下肢外骨骼右侧作为支撑相稳定患者身体平衡；

步骤A4，移动两侧拐杖模块于两侧，按下站立指令按钮，设备进入站立初始状态；

步骤A5，同时操作两侧拐杖模块，发送坐下动作指令，下肢外骨骼调节姿态，膝关节向内屈曲，髋关节向外伸展，执行坐下动作指令；

步骤A6，根据被动训练过程姿态、电机力矩等数据变化调整模糊PID控制参数，输出对应的电机控制信号；

步骤A7,被动康复训练结束，设备进入站立初始状态。

进一步的，所述主动步态训练模式包括以下步骤：

步骤B1：模式选择为主动步态训练模式，根据不同患者下肢肌力情况设置相对应的步态助力值，并设置步态训练内环限位；下肢外骨骼处于站立初始化状态；

步骤B2：开启主动步态训练模式，传感器模块采集患者与下肢外骨骼人机数据，包括患者姿态数据、足底压力数据及其变化趋势、髋关节扭矩、角速度和拐杖模块压力值及其变化趋势；

步骤B3：采用卡尔曼滤波算法处理传感器模块人体姿态数据，结合髋关节角度、力矩和足底压力传感器组数据集，进行数据融合，分析患者步态相位以及步态相位趋势；

步骤B4：根据主动训练过程姿态、电机力矩等数据变化调整模糊PID控制参数，中央控制器输出对应的控制信号调整伺服驱动器控制参数；

步骤B5：跟随患者步态意图进行辅助康复训练，进行主动行走、站立动作；

步骤B6：结束主动步态训练，下肢外骨骼进入站立等待状态。

与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明的用于截瘫患者的下肢外骨骼主动康复训练模式能够跟随患者步态变化趋势给予一定助力矩辅助患者进行康复训练，并对患者髋膝关节状态、足底区域压力、拐杖区域压力进行实时监测，同时对下肢外骨骼控制参数进行实时调控以适应不同情况下的扰动变化，实现对患者的步态跟随主动康复训练效果。

附图说明

图1为本发明实施例中用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中同时包括步态相位分析方法中比例算法总体框图；

图3为本发明实施例中用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统的系统框图；

图4为本发明实施例中CANopen网络通信架构图；

图5为本发明实施例中PID闭环控制框图的结构框图；

图6为本发明实施例中足底压力传感器组示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。

如图1所示，本发明提出一种用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统，包括穿戴式下肢外骨骼、中央控制器100、人机交互装置、电源模块200、传感器模块和动力驱动装置；

穿戴式下肢外骨骼以人体下肢结构设计，包括：背部支撑、腿部支撑和足底支撑；

中央控制器100和电源模块200固定于背部支撑，传感器模块包括分别设于腿部支撑相应关节处位置的左/右腿姿态传感器310、膝关节角度传感器320、背部姿态传感器350和髋关节角度传感器360，以及包括设于足底支撑的足底压力传感器340和膝关节角度传感器320。

动力驱动装置驱动穿戴式下肢外骨骼各个部位活动，人机交互装置、电源模块200、传感器模块和动力驱动装置均与中央控制器信号连接。

还包括一根拐杖，拐杖上设有拐杖压力传感器，拐杖压力传感器与中央控制器信号连接，放置在拐杖肘托和手柄处的贴片薄膜压力传感器，其作用是通过人体在行走时施加在左右拐杖上的力的变化，判断左右两侧的压力值改变；并通过数据处理提前预知行走者的行走意图，在人体想要迈步时，髋关节电机能够自主运动，实现外骨骼的感知功能。

动力驱动装置包括左髋部电机520、右髋部电机和两台伺服驱动器510；左髋部电机和右髋部电机分别设于腿部支撑的左右髋部，通过两台伺服电机分别驱动。外骨骼动力驱动模块包括左右髋关节处的三相永磁同步交流伺服电机、伺服驱动器和减速器，为下肢外骨骼提供动力；电源模块经过电压转换供给中央控制器和外骨骼动力驱动装置。电源系统包括12V和5V DC-DC降压电路，3.3V稳压电路，电源模块硬件电路还包括电压检测和过流保护部分。

左右足底压力力传感器组，如图6所示，每一组为四个压力传感器组成；其作用是在外骨骼行走时，判断人体行走的步态相位，即处于支撑相或者处于摆动相。

人机交互模块主要包括上位机和拐杖模块，是用户使用外骨骼的主要交互手段。上位机通过发送数据包将控制信息发送到中央控制器，中央控制器接收数据并执行。拐杖的人机交互是通过嵌在拐杖内部的电路实现的，主要通过无线传输将控制信息传到中央控制器，中央控制器再通过CAN通信将控制数据传到各部分。

本发明还提出提供了一种用于截瘫患者的下肢外骨骼步态跟随控制方法，包括传感器模块获取康复运动实时数据，其中采用卡尔曼滤波算法处理传感器模块人体姿态数据，结合下肢外骨骼髋关节角度的测量，可以得到：

K

同时包括步态相位分析方法：根据足底压力传感器组的4个压力传感器在不同时间段输出的压力值以及外骨骼髋关节处的运动角度值，采用比例算法对所采集的人体姿态数据进行数据融合，识别步态相位。比例算法的总体框图如图2所示。结合不同步态相位，外骨骼髋关节角度变化幅度以及步态相位切换时的阈值角度，分析得出准确的步态相位。

该控制方法主要在于运动数据融合，其过程主要是：先对4个足底压力信号进行求和处理，确定足底所选压力区域的压力总和。P

设定比例值阈值pinv

所述用于截瘫患者的下肢外骨骼控制系统，控制系统框图如图3所示，获得康复训练数据，根据患者肢体运动趋势与主动训练运动需求，调节目标运动轨迹，实现截瘫患者步态跟随；运动位置范围分为外环和内环，外环为穿戴式下肢外骨骼的机械限位，内环为根据不同患者的下肢屈伸安全范围设置的内环位置限位；预设运动助力值，根据主动康复训练参数实时变化的控制特点采用模糊PID控制算法对下肢外骨骼控制参数进行优化调节；具体控制流程框图如图5；

根据本发明的一方面，一种用于截瘫患者的下肢外骨骼控制方法，包括如下步骤：

步骤1，设置针对不同患者的下肢外骨骼康复训练安全范围，患者穿戴好该下肢外骨骼后，通过中央控制器记录康复运动限制姿态位置；

步骤2，启动下肢外骨骼，患者抓握住拐杖后，系统初始化进入站立姿态(零位)，进入等待模式选择状态；

步骤3，模式选择：选择被动康复训练模式，截瘫患者通过拐杖模块操控下肢外骨骼进行行走、坐下、站立训练动作，拐杖模块通过2.4G无线模块将指令传入中央控制器；中央控制器将控制指令通过CAN总线传入伺服电机驱动器；

步骤4，模式选择：选择主动步态训练模式，根据不同患者下肢肌力情况设置相对应的步态助力值；采集人体姿态数据，分析患者步态相位及运动趋势，中央控制器计算出相对应的电机驱动助力矩，通过CAN总线发送控制指令传入伺服电机驱动器，控制下肢外骨骼跟随截瘫患者步态趋势运动；达到下肢外骨骼步态跟随，患者主动康复训练的效果；

步骤5，实时采集监测下肢外骨骼状态数据、人体姿态数据、足底压力和拐杖模块数据，根据给定的模糊规则进行模糊推理，然后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制参数，以此调节控制系统参数；中央控制器发出控制指令控制下肢外骨骼做出相应的姿态动作；

步骤6，训练周期结束，通过拐杖模块发送停止训练指令，系统进入站立等待状态；紧急情况通过急停按钮停止当前训练；

具体地，选择下肢外骨骼被动康复训练模式，患者通过拐杖模块向中央控制器传输控制意图指令，中央控制器根据患者意图向伺服电机驱动器发送控制指令，根据不同患者所设定的内环限制位置，对患者下肢进行指定动作的被动康复运动训练，。包括如下步骤：

步骤A1，模式选择为被动康复训练模式，系统处于站立初始状态，中央控制器根据不同患者所设定的内环限制位置，设定相应的指定站立、左/右侧行走、坐下动作数据集；等待接收拐杖模块控制意图指令；

步骤A2，电机内置编码器、左/右腿姿态传感器和背部姿态传感器进入状态数据采集状态，将下肢外骨骼实时状态传入中央控制器；

步骤A3，患者移动左侧拐杖模块，带动下肢外骨骼右侧作为摆动相向前移动，下肢外骨骼左侧作为支撑相稳定患者身体平衡；相反的，患者移动右侧拐杖模块，带动下肢外骨骼左侧作为摆动相向前移动，下肢外骨骼右侧作为支撑相稳定患者身体平衡；

步骤A4，移动两侧拐杖模块于两侧，按下站立指令按钮，设备进入站立初始状态；

步骤A5，同时操作两侧拐杖模块，发送坐下动作指令，下肢外骨骼调节姿态，膝关节向内屈曲，髋关节向外伸展，执行坐下动作指令；

步骤A6，根据被动训练过程姿态、电机力矩等数据变化调整模糊PID控制参数，输出对应的电机控制信号；

步骤A7,被动康复训练结束，设备进入站立初始状态；

具体地，选择下肢外骨骼主动步态训练模式，开启主动步态训练模式后，传感器模块采集患者姿态数据、足底压力数据、髋关节扭矩和拐杖模块压力值；经过数据融合后下肢外骨骼设备将对患者步态相位进行识别，同时对患者步态变化趋势进行判断，跟随患者步态变化移动，并对患者下肢给予一定的助力矩，辅助患者完成相应的康复训练；主动康复训练可以很大的提高患者进行康复训练的积极性和康复效果。具体包括如下步骤：

步骤B1：模式选择为主动步态训练模式，根据不同患者下肢肌力情况设置相对应的步态助力值，并设置步态训练内环限位；下肢外骨骼处于站立初始化状态；

步骤B2：开启主动步态训练模式，传感器模块采集患者与下肢外骨骼人机数据，包括患者姿态数据、足底压力数据及其变化趋势、髋关节扭矩、角速度和拐杖模块压力值及其变化趋势；

步骤B3：采用卡尔曼滤波算法处理传感器模块人体姿态数据，结合髋关节角度、力矩和足底压力传感器组数据集，进行数据融合，分析患者步态相位以及步态相位趋势；

步骤B4：根据主动训练过程姿态、电机力矩等数据变化调整模糊PID控制参数，中央控制器输出对应的控制信号调整伺服驱动器控制参数；

步骤B5：跟随患者步态意图进行辅助康复训练，进行主动行走、站立动作；

步骤B6：结束主动步态训练，下肢外骨骼进入站立等待状态；

另一方面，本发明对比常见的通信方式优缺点以及下肢外骨骼硬件平台的硬件资源的使用情况，确定本发明模块间的底层为CAN通信，采用CANopen通信协议；用于实现数据整合与解析的功能，整个控制系统的CANopen网络通信架构如图4所示；中央控制器为主机，髋关节的两个伺服驱动器、传感器模块系统、电源模块作为从机，每个从机均有相应的CAN网络接口。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。