一种调控上肢摆动的步态修正系统及方法

1.本发明涉及一种康复治疗的技术领域，尤其是一种调控上肢摆动的步态修正系统及方法。


背景技术：

2.随着经济的发展和交通业的发达，现在由于车祸、建筑施工等意外伤害而造成的肢体残疾已占到整个肢体残疾发生率的20％-30％，而且这一比例有继续增加的趋势。有相当一部分人在肢体残疾之后只注重治疗，作完手术之后没有进行康复训练，这种重手术轻康复的错误认识，使许多人在意外伤害或脑血管病后因后遗症成为残疾人，最终丧失了肢体的功能。
3.传统康复训练以康复医师为主，需程序化一对一康复治疗。常规康复训练过程常需耗费大量人力，且训练效果受治疗师水平影响。此外，常规康复训练过程中难以将负重、迈步、平衡三者有机结合起来，难以消除患者的异常步态。目前存在许多用于步态训练的康复设备，因其精准可控的训练模式、重复稳定的运动输入、及时客观的反馈等特点，可以用于解决下肢损伤患者康复训练过程中存在的各种问题。
4.在步行等动作中，人类的上肢和下肢的运动会相互影响，多项研究表明，自然的手臂摆动有助于迈步，增大患者的步幅，在康复计划中增加手臂的摆动可以使患者的步态正常化，从力学角度上来讲，正常的上肢摆动也可以更好的均衡人体的角动量，维持人体的平衡状态。对上肢进行的调控可以具有额外的优点，即减少患者步态的能量消耗，从而增加他/她行走一定距离所花费的努力，并因此增加患者的活动能力。
5.rewalk公司推出了用于中风偏瘫患者康复的restore，如图一所示，restore是一种电动、轻便的柔软外装套装设备，用于下肢残疾人的步态康复。restore柔性设计将自然运动与跖屈和背屈辅助相结合，可自适应地与患者自己的步态同步，以促进功能性步态训练。实时的数据反馈和可以调节的辅助水平使得康复医师能够优化疗程并跟踪每位患者的进展，但由于其结构相对复杂，造价较为昂贵；使用时依旧需要医生的配合；而且没有考虑上肢对于运动的影响。
6.在目前已经公开的发明专利方面，上海交通大学发布的目前正公开实审的发明专利《一种辅助脑卒中患者恢复步态的柔性下肢康复机器人》(申请号：202011358661.3)所提出的下肢康复机器人由多个机构构成，通过电机带动钢丝线驱动各个关节以帮助偏瘫患者回归正常的步态，但是其依然未曾考虑到上肢运动对整体步态的影响，再如目前正公开实审中的发明专利《一种上肢摆动装置及具有该装置的步行康复训练机器人》(申请号：201710811001.8)其使用一个可以升降和内收外展的上肢摆动装置来模拟正常人步行状态的上肢摆动，使得患者走起来更加协调，以此增加康复治疗效果，但该装置合成的摆动与正常的摆动依然存在一些区别，而且该装置无法携带，只能配合相应医疗设备使用，这无疑减少了其应用的空间。
7.综上所述，目前的康复治疗还存在以下问题：
8.1、要么整体体积庞大、结构复杂、造价高昂；
9.2、另外现有的外骨骼康复设备为了实现对完整下肢运动的模拟，使用了复杂的结构和算法，这增加了康复装置的成本；
10.3、同时在对人体的协调运动方面考虑不够周全，没有涉及到上肢运动对整体步态的影响，或者对上肢摆动的模拟不够真实。
11.综上所述，目前的康复治疗还需要进一步的改进。


技术实现要素：

12.本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提一种调控上肢摆动的步态修正系统及方法，其属于一种整体结构轻便，造价低廉的后续步态康复装置，并通过算法和装置，使设备可以实现自主调节，无需专业人士操作，让整个操作更加方便。
13.为了实现上述目的，本发明所设计的一种调控上肢摆动的步态修正系统，包括pid控制器、与pid控制器连接的两个imu以及手臂驱动机构，两个imu分别固定于两腿部并用于采集腿部的步态信息，所述的手臂驱动机构分别包括臂环、动量轮以及电机，其中，在臂环上固定有所述的电机，所述电机驱动所述的动量轮旋转，所述的臂环用于固定在与异常腿部对应的手臂上，所述的动量轮转动时用于给手臂提供一个力矩，使手臂朝摆动的方向摆动设定的角度，所述的电机与pid控制器电连接。
14.作为优选，为了方便操作，所述电机的输出轴与所述的动量轮连接。
15.作为优选，所述电机的输出轴连接有小锥齿轮，在臂环上连接有大锥齿轮，所述大锥齿轮与所述小锥齿轮啮合，通过上述结构，将电机横向设置，以减轻整个设备的重量，同时还能够实现带动手臂摆动的作用，上述通过电机转动带动自身晃动来产生相应方向的作用力，然后由小锥齿轮旋转带动大锥齿轮旋转，以此对手臂施加力矩。
16.作为优选，为了保证对手臂操作更加准确，所述的臂环安装在小臂的中间位置上。
17.为了方便安装，所述的臂环上设置有两个以上的定位环。
18.作为优选，所述的电机采用型号为maxon ec90的电机，所述电机的额定转速为4000rpm，所述电机的额定输出扭矩为15n.m。
19.本发明还公开了一种调控上肢摆动的步态修正方法，其使用反作用飞轮的原理，具体包括以下步骤：
20.s1、首先将两个imu分别安装到两个腿部位置，将臂环安装到与异常腿对应的手臂上，步态训练时，通过两个imu分别读取正常侧腿部关节角度θ1和异常侧关节角度θ2；
21.s2、然后通过对比在一个步态周期内两侧腿部的步态差值，将所述步态差值作为电机的控制参数；
22.s3、并在下一个步态周期中用电机施加一定的加速度a，并通过pid控制的方式实现加速度值的稳定；由于角动量守恒的原理，此时电机和动量轮将会给手臂施加一定的力矩，使手臂可以摆动一个更大的幅度β；且由于手臂和腿部的联动效果，步态也会随之发生变化，使得异常侧的步态更贴近于正常测的步态；并通过连续不断的测量与调节，最终实现对异常步态的矫正。
23.与现有技术相比较，本发明得到的一种调控上肢摆动的步态修正系统及方法，主要针对由于中风或者其他原因出现偏瘫，在康复训练之后基本实现了行走能力但是依然存
在异常步态的患者，通过该系统来调整患者的步态使患者可以恢复正常行走，在使用过程中，患者将臂环扣在异常步态一侧的手臂上并通过子母贴固定，并将检测步态数据的imu安装在腿部的适当位置，在使用过程中，设备将会检测患者正常测的步态数据，与异常侧的步态数据做对比，通过设备调节异常侧的手臂摆动幅度来间接影响患者的步态，在行走过程中进行不断的调整，使患者脱离异常步态的影响，相比现有的设备其整体结构更加简单，小巧，成本低廉，可以实现自主调节，无需专业人士操作，让整个操作更加方便。
附图说明
24.图1是本发明中一种调控上肢摆动的步态修正系统的工作原理图；
25.图2是实施例1一种调控上肢摆动的步态修正系统的整体结构示意图；
26.图3是实施例1中手臂驱动机构的结构示意图；
27.图4是实施例1中一种调控上肢摆动的步态修正方法的流程示意图；
28.图5是实施例1中下肢受损患者行走步态数据图；
29.图6是实施例1中下肢受损患者手臂摆动数据图。
30.图7是实施例2中手臂驱动机构的结构示意图。
31.图中：pid控制器1、imu2、手臂驱动机构3、臂环4、动量轮5、电机6、小锥齿轮7、大锥齿轮8、定位环9。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
33.实施例1：
34.如图2-图3所示，本实施例中所提供的一种调控上肢摆动的步态修正系统，包括pid控制器1、与pid控制器1连接的两个imu2以及手臂驱动机构3，两个imu2分别固定于两腿部并用于采集腿部的步态信息，所述的手臂驱动机构3分别包括臂环4、动量轮5以及电机6，其中，在臂环4上固定有所述的电机6，所述电机6驱动所述的动量轮5旋转，所述的臂环4用于固定在与异常腿部对应的手臂上，所述的动量轮5转动时用于给手臂提供一个力矩，使手臂朝摆动的方向摆动设定的角度，所述的电机6与pid控制器1电连接。
35.作为优选，为了方便操作，所述电机6的输出轴与所述的动量轮5连接。
36.工作时，将两个imu2分别安装到两个腿部位置，将臂环4安装到与异常腿对应的手臂上，步态训练时，通过两个imu2分别读取正常侧腿部关节角度θ1和异常侧关节角度θ2；然后通过对比在一个步态周期内两侧腿部的步态差值，将所述步态差值作为电机6的控制参数；并在下一个步态周期中用电机6施加一定的加速度a，并通过pid控制的方式实现加速度值的稳定；由于角动量守恒的原理，此时电机6和动量轮5将会给手臂施加一定的力矩，使手臂可以摆动一个更大的幅度β；且由于手臂和腿部的联动效果，步态也会随之发生变化，使得异常侧的步态更贴近于正常测的步态；并通过连续不断的测量与调节，最终实现对异常步态的矫正。
37.为了保证对手臂操作更加准确，所述的臂环4安装在小臂的中间位置上。
38.为了方便安装，所述的臂环4上设置有两个以上的定位环9，通过设置定位环9后期通过子母贴穿过定位环9进行固定，实现将臂环4快速安装到手臂上。
39.所述的电机6采用型号为maxon ec90的电机6，所述电机6的额定转速为4000rpm，所述电机6的额定输出扭矩为15n.m。
40.在本实施例中所述的imu为惯性传感器，属于常规技术，故此不做具体描述。
41.本实施例公开的一种调控上肢摆动的步态修正系统，其主要使用的是反作用飞轮的原理，因为对于一个孤立系统来说，角动量的总量必须保持不变，如果一个系统的一部分开始朝一个方向旋转，那么系统的其余部分必须朝相反的方向旋转，否则，总的角动量就会发生变化，而本实施例我们将手臂与本发明公开的一种调控上肢摆动的步态修正系统作为一个孤立系统，当该系统中的动量轮转动时就会给手臂提供一个力矩，这个力矩会使手臂朝摆动的方向摆动一定的角度，然后我们就可以依靠手臂摆动来调控存在异常步态的一侧下肢，使其能够恢复正常的运动状态。
42.本发明为了能够正常的调控人体的步态，本发明在每次异常侧即将运动到极限时，也即图1中的第三个和第五个状态时，通过电机6带动动量轮5旋转来对异常侧腿部对应的那一侧手臂施加力的作用，该时间节点通过腿部安装的imu来确定，通过电机6带动动量轮5来施加力；当手臂摆到最前端时，电机6带动动量轮5顺时针转动，就将会产生一个顺时针方向的旋转扭矩，为了使得动量守恒，整个手臂会受到一个逆时针方向的旋转扭矩，所以会向前摆动更大的角度，再通过手臂与腿部的联动，来带动腿部往前迈出更远的距离，当手臂摆倒最后时与前一个过程类似，只是方向相反，使得手臂向后摆动的作用。
43.为了方便计算，将手臂视为一根加载有圆形重物的杆件，上面加载的重物(为手臂驱动机构3)即设备的重量大约为1kg，设备中电机6的质量占大部分，可以近似为该圆形重物的半径是电机6的半径0.045m，若一个成年男性的手臂长度大约为0.733m，其中上臂长0.313m，前臂长0.237m，手长0.183m，手臂驱动机构3的加载位置大概在小臂的中间位置，距离肩关节的距离约为0.43m，由此可以计算出手臂整体的转动惯量j0＝9
×
0.7332/3 1/2
×1×
0.0452 1/2
×1×
0.432≈1.8，行走时人体手臂的摆动幅度大约为45
°
，正常成年男性正常速度行走时一分钟大约能走90步左右，行走时手臂的摆动可以视为在重力作用下的自由摆动，做匀加速和匀减速运动，当手臂转动到接近最高点时，手臂摆动的角速度最小而角加速度最大，通过公式计算得出角加速度约为7.0rad/s2，在手臂摆动末期手臂的速度大约为0.14rad/s。在本实施例中电机6选择maxon ec90电机，额定转速为4000rpm，额定输出扭矩15n.m，动量轮5绕旋转轴的转动惯量j＝6
×
10-4
kg/m2，动量轮5转动的力矩由电机6提供，所以当电机6以额定功率转动时动量轮对手臂这个孤立系统产生的作用力矩为15n.m，足以驱动手臂转动一定角度。
44.如图5、图6所示，图中手臂的异常侧为腿部异常侧的对侧，该数据为一偏瘫患者康复后的步态数据以及手部运动数据图，可以明显的看出患者的异常侧腿部和其对应一侧的手臂摆动数据存在明显的问题，异常侧腿部的数据幅度较小而且存在明显的向后偏移的情况，这说明患者在行走的过程中向前迈步的时候，由于习惯问题，异常侧腿部难以向前迈出足够的距离，这导致异常侧向前迈出的角度小于正常侧；而且在作为正常侧迈步的支撑腿时，异常侧腿部也难以起到良好的支撑作用，这使得患者会不自觉的重心前倾让正常侧腿部迈得更远，这导致了异常侧向后运动的角度大于正常侧。与此同时，由于手臂与腿部在行走过程中的运动存在一定的联动效果，所以异常侧腿部对应的一侧手臂在运动过程中存在
运动幅度小和角度变化不规律的情况，因此通过本发明对对应手臂的运动调节，可以实现对腿部的运动调整，使其更加接近于正常侧行走的步态。
45.如图4所示，本实施例还公开了一种调控上肢摆动的步态修正方法，包括采用前述中一种调控上肢摆动的步态修正系统，本方法使用反作用飞轮的原理，其具体包括以下步骤：
46.s1、首先将两个imu2分别安装到两个腿部位置，将臂环4安装到与异常腿对应的手臂上，步态训练时，通过两个imu2分别读取正常侧腿部关节角度θ1和异常侧关节角度θ2；
47.s2、然后通过对比在一个步态周期内两侧腿部的步态差值，将所述步态差值作为电机6的控制参数；
48.s3、并在下一个步态周期中用电机6施加一定的加速度a，并通过pid控制的方式实现加速度值的稳定；由于角动量守恒的原理，此时电机6和动量轮5将会给手臂施加一定的力矩，使手臂可以摆动一个更大的幅度β；且由于手臂和腿部的联动效果，步态也会随之发生变化，使得异常侧的步态更贴近于正常测的步态；并通过连续不断的测量与调节，最终实现对异常步态的矫正。
49.本发明创造主要针对由于中风或者其他原因出现偏瘫，在康复训练之后基本实现了行走能力但是依然存在异常步态的患者，通过该系统来调整患者的步态使患者可以恢复正常行走，在使用过程中，患者将臂环扣在异常步态一侧的手臂上并通过子母贴固定，并将检测步态数据的imu安装在腿部的适当位置，在使用过程中，设备将会检测患者正常测的步态数据，与异常侧的步态数据做对比，通过设备调节异常侧的手臂摆动幅度来间接影响患者的步态，在行走过程中进行不断的调整，使患者脱离异常步态的影响，相比现有的设备其整体结构更加简单，小巧，成本低廉，最终可以实现自主调节，无需专业人士操作，让整个操作更加方便。
50.实施例2：
51.如图7所示，本实施例中所提供的一种调控上肢摆动的步态修正系统，作为优选，所述电机6的输出轴连接有小锥齿轮7，在臂环4上连接有大锥齿轮8，所述大锥齿轮8与所述小锥齿轮7啮合，通过上述结构，将电机横向设置，安装后电机纵向放置，最终能够减轻整个设备的重量，同时还能够实现带动手臂摆动的作用，上述通过电机转动带动自身晃动来产生相应方向的作用力，然后由小锥齿轮7旋转带动大锥齿轮8旋转，以此对手臂施加力矩。