專利名稱：下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置和方法。測量系統(tǒng)主要是通過檢測患者在主動運(yùn)動模式下進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)外骨骼機(jī)械腿與患者間的人-機(jī)耦合力，用來提取運(yùn)動過程中的人腿主動力，作為下肢康復(fù)機(jī)器人外骨骼機(jī)械腿動態(tài)步態(tài)軌跡和驅(qū)動力控制依據(jù)。
背景技術(shù)：
在已有下肢康復(fù)技術(shù)中，外骨骼機(jī)械腿是一種直接作用于患者，通過施加力的作用，改變患者下肢神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)功能特性的體外裝置。它能模擬人腿在跑步機(jī)上步行，具有類似人腿的機(jī)構(gòu)和動態(tài)特性。該系統(tǒng)具有兩種工作模式，一種被動運(yùn)動模式外骨骼機(jī)械腿完全抑制患者的異常運(yùn)動，帶動患者按預(yù)定的生理步態(tài)軌跡訓(xùn)練；另一種主動運(yùn)動模式， 外骨骼機(jī)械腿抑制患者有限的異常運(yùn)動，同時(shí)通過不斷地檢測人-機(jī)耦合力，幫助患者根據(jù)自己的意愿實(shí)時(shí)地調(diào)整步態(tài)軌跡，增加其主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度，在此狀態(tài)下外骨骼機(jī)械腿與患者間耦合力的檢測非常重要，是實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)械腿動態(tài)步態(tài)軌跡和驅(qū)動力控制的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置和方法，應(yīng)用本人-機(jī)耦合力檢測系統(tǒng)對人和外骨骼機(jī)械腿間的耦合力進(jìn)行檢測， 測得的數(shù)據(jù)傳輸給外骨骼機(jī)械腿的控制系統(tǒng)作為外骨骼機(jī)械腿動態(tài)步態(tài)軌跡和驅(qū)動力控制依據(jù)，使得在主動運(yùn)動模式下患者根據(jù)自己的意愿實(shí)時(shí)地調(diào)整步態(tài)軌跡，增加其主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是當(dāng)在下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人被訓(xùn)練人主動運(yùn)動模式時(shí)，分析機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)模型得到人腿主動力的方向并估算其力的范圍，選取合適的傳感器，設(shè)計(jì)人-機(jī)耦合力測量裝置，用于測量人腿主動力方向上的人-機(jī)耦合力，并起到聯(lián)接人腿與外骨骼機(jī)械腿的作用。再根據(jù)測得的人-機(jī)耦合力，結(jié)合機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)模型推導(dǎo)出人腿主動力的大小，作為控制系統(tǒng)對外骨骼機(jī)械腿動態(tài)步態(tài)軌跡和驅(qū)動力的控制依據(jù)。根據(jù)上述的構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置，包括了左右兩條外骨骼機(jī)械腿、電機(jī)和康復(fù)靴， 其特征在于所述兩個(gè)外骨骼機(jī)械腿的上大腿和小腿上各裝有一個(gè)人-機(jī)耦合力檢測機(jī)構(gòu)。上述人-機(jī)耦合力檢測機(jī)構(gòu)包含有內(nèi)卡環(huán)、外卡環(huán)、拉、壓力傳感器、傳感器固定螺母、圓弧形金屬墊塊、微型直線導(dǎo)軌和聯(lián)接導(dǎo)桿，所述拉、壓力傳感器的兩端均為外螺紋桿，其一端旋入一個(gè)內(nèi)螺紋塊，該內(nèi)螺紋塊固定于內(nèi)卡環(huán)上；另一端穿過圓弧形金屬墊塊和一個(gè)支架中間的圓孔由傳感器固定螺母固定，該支架固定于外卡環(huán)上；一根聯(lián)接導(dǎo)桿固定于外卡環(huán)上；拉、壓力內(nèi)卡環(huán)與外卡環(huán)間通過一對對稱分布的微型直線導(dǎo)軌聯(lián)接；拉、壓力傳感器與支架之間、支架與傳感器固定螺母分別有一對圓弧形的金屬墊塊，聯(lián)接導(dǎo)桿與所述外骨骼機(jī)械腿上大腿和小腿連接，拉、壓力傳感器的輸出電線連接采集卡?！N下肢康復(fù)機(jī)器人人-機(jī)耦合力的檢測方法，采用上述裝置進(jìn)行檢測，其特征在于具體檢測步驟如下
D患者的左、右腳分別穿入兩條外骨骼機(jī)械腿的康復(fù)靴中，在大腿、小腿處的人-機(jī)耦合力測量裝置由綁帶將人腿與外骨骼機(jī)械腿聯(lián)接在一起，以保證外骨骼機(jī)械腿帶動人腿共同進(jìn)行步行運(yùn)動；
2)打開電源，系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的生理步態(tài)進(jìn)行程序初始化；
3)外骨骼機(jī)械腿開始帶動人腿運(yùn)動按照預(yù)先設(shè)定的生理步態(tài)軌跡運(yùn)動；
4)在主動運(yùn)動模式下，人腿的主動力使得傳感器檢測到人-機(jī)耦合力，該力信號經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)信息輸出到人-機(jī)界面，同時(shí)后臺將其數(shù)據(jù)代入動力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算求得人腿主動力；
5)控制系統(tǒng)以人腿主動力的大小為依據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整外骨骼機(jī)械腿的步態(tài)軌跡和電機(jī)的輸出驅(qū)動力大小，以保證患者總是按照預(yù)先設(shè)定的生理步態(tài)軌跡行走的；
6)檢測步驟4)中的主動運(yùn)動模式指以患者為控制對象，外骨骼機(jī)械腿抑制患者有限的異常運(yùn)動，通過傳感器不斷地檢測人-機(jī)耦合力，改變外骨骼機(jī)械腿上電機(jī)的輸出驅(qū)動力大小，幫助患者根據(jù)自己的意愿實(shí)時(shí)地調(diào)整步態(tài)軌跡，增加其主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度；
7)檢測步驟4)中的人-機(jī)耦合力指在主動運(yùn)動模式下，患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練過程中人腿與外骨骼機(jī)械腿上的人-機(jī)耦合力檢測裝置間的相互作用力；
8)檢測步驟4)中的人腿主動力計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置，包括左右兩條外骨骼機(jī)械腿(9)、電機(jī)(1)和康復(fù)靴(6 )，其特征在于所述兩個(gè)外骨骼機(jī)械腿(9 )的上大腿和小腿上各安裝有一個(gè)人-機(jī)耦合力檢測機(jī)構(gòu)(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置，其特征在于所述人-機(jī)耦合力檢測機(jī)構(gòu)(2)包含有內(nèi)卡環(huán)(11)、外卡環(huán)(13)、拉、壓力傳感器(17)、傳感器固定螺母 (16)、圓弧形金屬墊塊(15)、微型直線導(dǎo)軌(10)和聯(lián)接導(dǎo)桿(18)，所述拉、壓力傳感器(17) 的兩端均為外螺紋桿，其一端旋入一個(gè)內(nèi)螺紋塊(12)，該內(nèi)螺紋塊(12)固定于內(nèi)卡環(huán)(11) 上；另一端穿過圓弧形金屬墊塊(15)和一個(gè)支架(14)中間的圓孔由傳感器固定螺母(16) 固定，該支架(14)固定于外卡環(huán)(13)上；一根聯(lián)接導(dǎo)桿(18)固定于外卡環(huán)(13)上；拉、壓力內(nèi)卡環(huán)(11)與外卡環(huán)(13)間通過一對對稱分布的微型直線導(dǎo)軌(10)聯(lián)接；拉、壓力傳感器(17)與支架(14)之間、支架(14)與傳感器固定螺母(16)分別有一對圓弧形的金屬墊塊(15)，聯(lián)接導(dǎo)桿(18)與所述外骨骼機(jī)械腿上大腿和小腿連接，拉、壓力傳感器(17)的輸出電線連接采集卡。
3.一種下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置進(jìn)行檢測，其特征在于具體檢測步驟如下1)患者的左、右腳分別穿入左、右兩條外骨骼機(jī)械腿(9)的康復(fù)靴(6)中，在大腿、小腿處的兩個(gè)人-機(jī)耦合力檢測裝置(2)由綁帶(19)將人腿與外骨骼機(jī)械腿(9)聯(lián)接在一起，以保證外骨骼機(jī)械腿(9)帶動人腿共同進(jìn)行步行運(yùn)動；2)打開電源，系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的生理步態(tài)進(jìn)行程序初始化；3)外骨骼機(jī)械腿(9)開始帶動人腿運(yùn)動按照預(yù)先設(shè)定的生理步態(tài)軌跡運(yùn)動；4)在主動運(yùn)動模式下，人腿的主動力使得傳感器(17)檢測到人-機(jī)耦合力，該力信號經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)信息輸出到人-機(jī)界面，同時(shí)后臺將其數(shù)據(jù)代入動力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算求得人腿主動力；5)控制系統(tǒng)以人腿主動力的大小為依據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整外骨骼機(jī)械腿(9)的步態(tài)軌跡和電機(jī)(1)的輸出驅(qū)動力大小，以保證患者總是按照預(yù)先設(shè)定的生理步態(tài)軌跡行走的；6)檢測步驟4)中的主動運(yùn)動模式指以患者為控制對象，外骨骼機(jī)械腿(9)抑制患者有限的異常運(yùn)動，通過傳感器(17 )不斷地檢測人-機(jī)耦合力，改變外骨骼機(jī)械腿(9 )上電機(jī) (1)的輸出驅(qū)動力大小，幫助患者根據(jù)自己的意愿實(shí)時(shí)地調(diào)整步態(tài)軌跡，增加其主動參與康復(fù)訓(xùn)練的程度；7)檢測步驟4)中的人-機(jī)耦合力指在主動運(yùn)動模式下，患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練過程中人腿與外骨骼機(jī)械腿(9)上的人-機(jī)耦合力檢測裝置(2)間的相互作用力；8)檢測步驟4)中的人腿主動力計(jì)算公式為=FmtJp + FekiL式中，τ·為被動訓(xùn)練模式時(shí)的驅(qū)動力矩，即按一定的生理規(guī)劃步態(tài)行走時(shí)整個(gè)系統(tǒng)所需的驅(qū)動力矩，其大小等于外骨骼機(jī)械腿的驅(qū)動力矩和人腿的主動力矩之和；Jrmt fl表示人腿主動力垂直于連桿方向的分力；Fdri為外骨骼機(jī)械腿的關(guān)節(jié)驅(qū)動力-,L為關(guān)節(jié)驅(qū)動力至關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離；&為卡環(huán)的安裝位置到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種下肢康復(fù)人-機(jī)耦合力檢測裝置和方法。本裝置包括左右兩條外骨骼機(jī)械腿、電機(jī)和康復(fù)靴，所述兩個(gè)外骨骼機(jī)械腿的上大腿和小腿上各安裝有一個(gè)人-機(jī)耦合力檢測機(jī)構(gòu)。本測量裝置主要是通過檢測患者在主動運(yùn)動模式下進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)外骨骼機(jī)械腿與患者間的耦合力，用來提取運(yùn)動過程中的人腿主動力。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測得的人-機(jī)耦合力可以作為下肢康復(fù)機(jī)器人外骨骼機(jī)械腿動態(tài)步態(tài)軌跡和驅(qū)動力控制的依據(jù)。
文檔編號A61B5/22GK102499700SQ201110295079
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者徐榴伶, 文忠, 沈林勇, 章亞男, 鐘翠華, 錢晉武 申請人:上海大學(xué)