【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)康復(fù)機(jī)器人，具體涉及一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法。
技術(shù)介紹
1、對(duì)于下肢運(yùn)動(dòng)障礙的人群來講，除去手術(shù)和藥物治療外，合理的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)恢復(fù)步行功能十分重要。在使用步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過程中，機(jī)器人帶動(dòng)患者下肢運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，配合科學(xué)的骨盆控制訓(xùn)練能夠改善患者關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，從而促進(jìn)其步行運(yùn)動(dòng)功能得到恢復(fù)。
2、主流的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人有外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和踏板式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人兩種類型。外骨骼式步態(tài)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，骨盆會(huì)隨著外骨骼系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng)，但由于下肢被限制在矢狀面上，骨盆的運(yùn)動(dòng)軌跡與自然步態(tài)下差異較大，影響步態(tài)動(dòng)力學(xué)。踏板式康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，骨盆的運(yùn)動(dòng)是在人體關(guān)節(jié)及機(jī)器人系統(tǒng)的約束條件下被動(dòng)產(chǎn)生的。這兩種訓(xùn)練方式下的骨盆運(yùn)動(dòng)未進(jìn)行主動(dòng)驅(qū)動(dòng)且未進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃，骨盆運(yùn)動(dòng)很難符合實(shí)際步態(tài)，髖、膝、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)也會(huì)受到影響而偏離期望的軌跡。而采用現(xiàn)有的三次/五次多項(xiàng)式法、樣條曲線法、梯形速度法等軌跡規(guī)劃算法進(jìn)行骨盆運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)，常存在運(yùn)動(dòng)不夠柔順、實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜、以及相鄰周期之間運(yùn)動(dòng)銜接性差等缺陷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，可以根據(jù)不同患者的骨盆運(yùn)動(dòng)范圍和步態(tài)參數(shù)對(duì)步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整。本專利技術(shù)提出的步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法在不影響步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的前提下，增加了步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。本專利技術(shù)具有
2、本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：
3、一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，包括骨盆上下運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃、骨盆左右運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和骨盆繞垂直軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃，其中骨盆上下運(yùn)動(dòng)采用正弦函數(shù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，骨盆左右運(yùn)動(dòng)采用tau-j理論進(jìn)行軌跡規(guī)劃，骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用tau-j理論進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
4、進(jìn)一步優(yōu)化，所述骨盆上下運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：將站立時(shí)骨盆的初始高度作為零點(diǎn)時(shí)，基于正弦函數(shù)的骨盆上下運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方程為
5、
6、其中，h為步行中骨盆上下運(yùn)動(dòng)范圍,t步態(tài)周期，t∈[0,t]；
7、在以足跟著地事件劃分的步態(tài)周期中，骨盆上下運(yùn)動(dòng)的軌跡函數(shù)為
8、
9、進(jìn)一步優(yōu)化，所述骨盆左右運(yùn)動(dòng)為骨盆在左右兩個(gè)端點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)端點(diǎn)分別看作單次運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)，且僅對(duì)兩個(gè)端點(diǎn)之間的單次運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
10、進(jìn)一步優(yōu)化，所述骨盆左右運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：確定由右向左的方向?yàn)檎较驎r(shí)，以從骨盆最右側(cè)運(yùn)動(dòng)到最左側(cè)的軌跡為目標(biāo)軌跡，基于內(nèi)部tau-j理論的骨盆左右運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方程為
11、
12、其中，kx為tau-j策略的耦合系數(shù)，x0為步行中骨盆左右運(yùn)動(dòng)的范圍,t為步態(tài)周期。
13、進(jìn)一步優(yōu)化，所述tau-j策略的耦合系數(shù)kx取(0,0.5)時(shí)，基于tau-j理論的骨盆左右運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃曲線在運(yùn)動(dòng)的開始和結(jié)束階段的速度都為零；tau-j策略的耦合系數(shù)kx取0.4時(shí)，基于tau-j理論的骨盆左右運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方程規(guī)劃與正常步態(tài)下的骨盆左右運(yùn)動(dòng)軌跡擬合程度較高的柔順軌跡。
14、進(jìn)一步優(yōu)化，所述骨盆繞垂直軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為骨盆繞垂直軸的扭轉(zhuǎn)在正向最大轉(zhuǎn)角和反向最大轉(zhuǎn)角兩個(gè)運(yùn)動(dòng)端點(diǎn)間往復(fù)擺動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)端點(diǎn)分別看作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，且僅對(duì)兩個(gè)端點(diǎn)之間的單次運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
15、進(jìn)一步優(yōu)化，所述骨盆繞垂直軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：確定垂直軸豎直向上為正方向，繞垂直軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為扭轉(zhuǎn)正方向時(shí)，以骨盆從反向最大轉(zhuǎn)角向正向最大轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為目標(biāo)軌跡，基于tau-j理論的骨盆繞垂直軸的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方程為
16、
17、其中，kr為tau-j策略的耦合系數(shù)，r0為步行中骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的范圍，t為步態(tài)周期。
18、進(jìn)一步優(yōu)化，所述tau-j策略的耦合系數(shù)kr取(0,0.5)時(shí)，基于tau-j理論的骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃曲線在運(yùn)動(dòng)開始與結(jié)束時(shí)刻的速度、加速度均為零；tau-j策略的耦合系數(shù)kr取0.2時(shí)，根據(jù)tau-j理論的骨盆繞垂直軸的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方程規(guī)劃與正常步態(tài)下的骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡擬合程度較高的柔順軌跡。
19、本專利技術(shù)的有益效果為：
20、本專利技術(shù)僅需提供患者的骨盆運(yùn)動(dòng)范圍和步態(tài)周期，即可根據(jù)軌跡規(guī)劃方程進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃，并且與正常步態(tài)下的骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡具有較高的擬合度；該方法生成的軌跡規(guī)劃曲線的速度、加速度連續(xù)，相鄰周期之間的軌跡曲線銜接性較好，骨盆康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在按照規(guī)劃的曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)啟動(dòng)、停止階段的穩(wěn)定性較好；采用仿生軌跡算法中的tau理論進(jìn)行骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃，更符合骨盆運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)特點(diǎn)；此外，本專利技術(shù)的軌跡規(guī)劃方法所需參數(shù)較少、計(jì)算簡(jiǎn)單，且能夠根據(jù)不同患者的個(gè)體差異調(diào)整骨盆運(yùn)動(dòng)軌跡，從而為患者提供更加合理和個(gè)性化的康復(fù)方案，因此，本專利技術(shù)具有較高的推廣價(jià)值。
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1.一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括骨盆上下運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃、骨盆左右運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和骨盆繞垂直軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃，其中骨盆上下運(yùn)動(dòng)采用正弦函數(shù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，骨盆左右運(yùn)動(dòng)采用Tau-j理論進(jìn)行軌跡規(guī)劃，骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用Tau-j理論進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
2.如權(quán)利要求1所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆上下運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：將站立時(shí)骨盆的初始高度作為零點(diǎn)時(shí)，基于正弦函數(shù)的骨盆上下運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方程為
3.如權(quán)利要求1所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆左右運(yùn)動(dòng)為骨盆在左右兩個(gè)端點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)端點(diǎn)分別看作單次運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)，且僅對(duì)兩個(gè)端點(diǎn)之間的單次運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
4.如權(quán)利要求3所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆左右運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：確定由右向左的方向?yàn)檎较驎r(shí)，以從骨盆最右側(cè)運(yùn)動(dòng)到最左側(cè)的軌跡為目標(biāo)軌跡，基于內(nèi)部Tau-j理論的骨盆左右運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方程為
5.如權(quán)利要求3所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)
6.如權(quán)利要求1所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆繞垂直軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為骨盆繞垂直軸的扭轉(zhuǎn)在正向最大轉(zhuǎn)角和反向最大轉(zhuǎn)角兩個(gè)運(yùn)動(dòng)端點(diǎn)間往復(fù)擺動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)端點(diǎn)分別看作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，且僅對(duì)兩個(gè)端點(diǎn)之間的單次運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
7.如權(quán)利要求6所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆繞垂直軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：確定垂直軸豎直向上為正方向，繞垂直軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為扭轉(zhuǎn)正方向時(shí)，以骨盆從反向最大轉(zhuǎn)角向正向最大轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為目標(biāo)軌跡，基于Tau-j理論的骨盆繞垂直軸的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方程為
8.如權(quán)利要求6所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述Tau-j策略的耦合系數(shù)kr取(0,0.5)時(shí)，基于Tau-j理論的骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃曲線在運(yùn)動(dòng)開始與結(jié)束時(shí)刻的速度、加速度均為零；Tau-j策略的耦合系數(shù)kr取0.2時(shí)，根據(jù)Tau-j理論的骨盆繞垂直軸的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方程規(guī)劃與正常步態(tài)下的骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡擬合程度較高的柔順軌跡。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括骨盆上下運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃、骨盆左右運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和骨盆繞垂直軸扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃，其中骨盆上下運(yùn)動(dòng)采用正弦函數(shù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，骨盆左右運(yùn)動(dòng)采用tau-j理論進(jìn)行軌跡規(guī)劃，骨盆扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用tau-j理論進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
2.如權(quán)利要求1所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆上下運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：將站立時(shí)骨盆的初始高度作為零點(diǎn)時(shí)，基于正弦函數(shù)的骨盆上下運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方程為
3.如權(quán)利要求1所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆左右運(yùn)動(dòng)為骨盆在左右兩個(gè)端點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)端點(diǎn)分別看作單次運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)，且僅對(duì)兩個(gè)端點(diǎn)之間的單次運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃。
4.如權(quán)利要求3所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述骨盆左右運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃為：確定由右向左的方向?yàn)檎较驎r(shí)，以從骨盆最右側(cè)運(yùn)動(dòng)到最左側(cè)的軌跡為目標(biāo)軌跡，基于內(nèi)部tau-j理論的骨盆左右運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方程為
5.如權(quán)利要求3所述的一種步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人骨盆運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述tau-j策略的耦合系數(shù)kx取(0,0.5)時(shí)，基于tau-j理論的骨盆左右運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃曲線在運(yùn)動(dòng)的開...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張書濤，朱欣欣，許金梁，王成林，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河南科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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