手臂支撐平臺(tái)的接觸力、壓力檢測(cè)裝置及數(shù)據(jù)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種位于手臂支撐平臺(tái)的壓力檢測(cè)裝置及數(shù)據(jù)分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] -種位于手臂支撐平臺(tái)的壓力檢測(cè)裝置用于康復(fù)機(jī)器人十分必要。目前我國(guó)由于 中風(fēng)、脊髓損傷、各種事故引起的肢體功能障礙患者的不斷增加，老年人由于年齡增長(zhǎng)不斷 出現(xiàn)的前庭功能減弱、肢體能力下降等癥狀，需要通過(guò)訓(xùn)練改善肢體功能。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練手 段需要大量醫(yī)療和人力資源等人工輔助的方式，高強(qiáng)度的訓(xùn)練任務(wù)繁重致使醫(yī)生沒(méi)有更多 的時(shí)間專注于臨床數(shù)據(jù)的分析和治療方案的改進(jìn)。被動(dòng)運(yùn)動(dòng)往往忽略被治療者的自身運(yùn)動(dòng) 意圖，減弱了醫(yī)生患者之間針對(duì)康復(fù)治療過(guò)程的交互性。同時(shí)，目前康復(fù)機(jī)器人支架普遍選 用鐵管支架，不能實(shí)現(xiàn)很好的穩(wěn)定性。
[0003] 平衡是指身體所處的一種姿態(tài)W及在運(yùn)動(dòng)或受到外力作用時(shí)能自動(dòng)調(diào)整并維持 姿勢(shì)的一種能力。人體平衡功能是日常各種生活活動(dòng)的一項(xiàng)重要保證，許多疾病或損傷可 引起坐位或站立平衡功能障礙。平衡功能評(píng)定是指依照特定方法或程序?qū)θ梭w的平衡功能 進(jìn)行定量或定性的描述和分析，因此，有平衡功能障礙的患者需要進(jìn)行系統(tǒng)全面地包括定 性、定量評(píng)價(jià)及障礙發(fā)生原因的診斷性評(píng)價(jià)。
[0004] 現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人基本均為主動(dòng)式機(jī)器人，而且現(xiàn)有康復(fù)機(jī)器人控制器人機(jī)交互 算法僅依靠用戶操作，輸入信息智能化程度不高，運(yùn)動(dòng)功能簡(jiǎn)單，不利于刺激患者主動(dòng)運(yùn) 動(dòng)，提高患者運(yùn)動(dòng)興趣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：
[0006] 本發(fā)明提出一種位于手臂支撐平臺(tái)的接觸力、壓力檢測(cè)裝置及數(shù)據(jù)分析方法，其 目的是解決W往所存在的問(wèn)題。
[0007] 技術(shù)方案：
[000引本發(fā)明提出一種位于手臂支撐平臺(tái)的接觸力、壓力檢測(cè)裝置及數(shù)據(jù)分析方法，包 括滑軌、手臂支撐板、壓力傳感器、支撐架、控制手柄、微型稱重傳感器、微型傳感器和拉力 傳感器。所述壓力傳感器通過(guò)螺孔安裝在侶合金滑軌上，另一端固定在手臂支撐板上測(cè)量 兩個(gè)手臂施加的力。
[0009] 所述的控制手柄與兩個(gè)微型稱重傳感器的一端固定在一起，所述的第一微型稱重 傳感器與第二微型稱重傳感器W同一中屯、軸固定放置，且第一微型稱重傳感器的表面601 與第二微型稱重傳感器的表面702在同一平面，第一微型稱重傳感器的表面602與第二微型 稱重傳感器的表面701位于同一平面。
[0010] 兩個(gè)微型稱重傳感器的一端與控制手柄連接，另一端與拉力傳感器連接，拉力傳 感器通過(guò)安裝支架固定在支撐架上。手柄穿過(guò)手臂支撐板并與手臂支撐板有一定間隙，W 實(shí)現(xiàn)方向手柄各個(gè)方向的拉動(dòng)。拉力傳感器固定在支撐架上，通過(guò)向上(或者向下)拉動(dòng)控 制手柄(5)提升(下降)手臂支撐平臺(tái)高度。W滑軌作為整個(gè)手臂支撐平臺(tái)的支撐架，由于其 軸承結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到其承重能力，也確保了整個(gè)平臺(tái)水平和垂直方向的穩(wěn)定性。
[0011] 根據(jù)方向手柄和壓力傳感器協(xié)同控制康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，識(shí)別用戶期望的運(yùn) 動(dòng)軌跡。
[0012] 所述壓力傳感器根據(jù)人手臂主要受力點(diǎn)分別放置在單側(cè)測(cè)力平臺(tái)上，可W設(shè)置= 支點(diǎn)、四支點(diǎn)、六支點(diǎn)等測(cè)力平臺(tái)。本文W=個(gè)傳感器為例，既在理論和實(shí)踐上解決了力學(xué) 上的結(jié)構(gòu)靜不定問(wèn)題，同時(shí)又減少了傳感器數(shù)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。
[0013] 所述手臂支撐平臺(tái)能夠在具有神經(jīng)運(yùn)動(dòng)損傷的對(duì)象中，在自然行走行為中評(píng)估、 賦能和訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行壓力及運(yùn)動(dòng)意圖分析。本發(fā)明具有衡量用戶行走平衡能力功能， 實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶行走能力的分析，其中包括平衡能力和力量分析，并根據(jù)壓力重屯、偏移方向控 制康復(fù)機(jī)器人。通過(guò)用戶兩側(cè)=個(gè)傳感器的壓力裝置不僅在靜止?fàn)顟B(tài)能夠分析行走活動(dòng)， 辨識(shí)用戶的行走意圖而且可W在各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程過(guò)那種持續(xù)觀察用戶平衡行走能力，運(yùn)不僅 是一種對(duì)運(yùn)動(dòng)功能有意義的診斷評(píng)價(jià)方法，并且對(duì)康復(fù)領(lǐng)域疾病診斷、運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)等各 方面均有重要的使用價(jià)值。
[0014] 本發(fā)明提出一種位于手臂支撐平臺(tái)的壓力檢測(cè)裝置，根據(jù)壓力傳感器的壓力值， 進(jìn)行壓力定量分析進(jìn)行如下計(jì)算：
[001引 A.根據(jù)立個(gè)壓力傳感器放置位置M;(如.v;)、M;(.4知、(也姑，計(jì)算人體 手臂平均壓力重屯、坐標(biāo)Xave、Yave :
[0017]式中，n為采樣次數(shù)。
[0018] B.根據(jù)壓力傳感器采集到的壓力值fl，f2，f3，計(jì)算出=個(gè)壓力傳感器的平均受力 值f lave、f 2av、f 3ave，用Fave表示支撐面平均受力值。
[0020] 并根據(jù)Fl=Flave = flave+f2ave+f3ave，F(xiàn)r = Frave = f' lave+f' 2ave+f' 3ave計(jì)算出用戶對(duì)左 側(cè)手臂支撐平臺(tái)和右側(cè)手臂支撐平臺(tái)的壓力Fl，化。
[0021] C.根據(jù)人體手臂平均壓力重屯、坐標(biāo)差值，計(jì)算出平均重屯、半徑和距離其最遠(yuǎn)的距 離，表明患者訓(xùn)練時(shí)橫向移動(dòng)距離。在使用康復(fù)機(jī)器人的過(guò)程中，壓力傳感器重屯、坐標(biāo)Xave、 Yave的變化和支撐面平均受力值的變化趨勢(shì)。根據(jù)手臂壓力重屯、偏移，分析出用戶的期望行 走方向。
[0023]所述的微型稱重傳感器，根據(jù)患者在手柄處施加的壓力，進(jìn)行人的意圖辨識(shí)并生 成機(jī)器人的期望軌跡。當(dāng)支撐平臺(tái)僅僅受方向手柄控制，我們忽略支撐平臺(tái)上重屯、偏移，只 對(duì)手臂支撐平臺(tái)接觸力裝置數(shù)據(jù)分析，其數(shù)據(jù)分析方法如下步驟：
[0024] W微型稱重傳感器(6)返回的壓力值判斷有無(wú)前后直行運(yùn)動(dòng)意圖，W微型稱重傳 感器(7)返回的壓力值判斷有無(wú)左右直行運(yùn)動(dòng)意圖。測(cè)力平臺(tái)上左側(cè)和右側(cè)手柄上微型稱 重傳感器返回的信號(hào)壓力值分別為Fls、Flt、Frs、Frt:
[0026] 其中Fi為意圖交互力向量，是力傳感器的原始力信號(hào)向量通過(guò)左右側(cè)傳感器的距 離長(zhǎng)量轉(zhuǎn)化的，包含了X方向上的合力Fix、Y方向的合力Fiy W及轉(zhuǎn)向角度0。因此，可W看出 意圖交互力Fi的各元素值是與對(duì)應(yīng)方向上人體真實(shí)意圖速度是成比例的。
[0027] 用戶期望的運(yùn)動(dòng)速度向量為化：
[0029] 由于傳感器安裝存在不同的形變，得到的傳感器信號(hào)在沒(méi)有施加外力時(shí)，其初始 值存在一定誤差，因此為了區(qū)分干擾引起的變化還是正常受力狀態(tài)，本文設(shè)定了闊值，在闊 值范圍內(nèi)認(rèn)為是干擾信號(hào)反之認(rèn)為是作用力信號(hào)。
[0030] 計(jì)算出水平方向速度ig =姑X . (I巧x| - /?盛）.雄n (朽Z)，判斷Fix是否左右直行 意圖Fxm內(nèi)，若是則Vx = 0，否則判定二乂;：/;.其中Kax是比例修正常數(shù);Fxm是設(shè)定的X方向闊 值。
[0031] 同理計(jì)算出Y方向的速度。
[0032] 四個(gè)輪的線速度分別為：
[0034] 其中，vi(i = l，2,3,4)分別表示四個(gè)全向輪的線速度，0i(i = l，2,3,4)分別表示從 機(jī)器人幾何中屯、處測(cè)量的第i個(gè)輪與軸的夾角。
[0035] 傳感器接收到用戶行走模式的指令，并設(shè)定W前向?yàn)閥軸正方向，W右向?yàn)閄軸正 方向。根據(jù)計(jì)算出的壓力重屯、坐標(biāo)，判斷是否在所設(shè)置的各方向固定闊值內(nèi)，W確定康復(fù)機(jī) 器人有無(wú)前后直行意圖、有無(wú)左右直行意圖。根據(jù)運(yùn)動(dòng)辨識(shí)模塊控制量，辨識(shí)出人目前的行 為模式和運(yùn)動(dòng)意圖，W調(diào)節(jié)相應(yīng)模塊，輸出給直流電機(jī)的控制量，控制所有電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn) 速，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同作用。
[0036] 優(yōu)點(diǎn)效果:本發(fā)明提供一種手臂支撐平臺(tái)的接觸力、壓力檢測(cè)裝置及數(shù)據(jù)分析方 法，其主要有兩個(gè)功能。一方面用戶控制控制手柄，判斷康復(fù)機(jī)器人有無(wú)前后直行意圖、有 無(wú)左右直行意圖，辨識(shí)出人目前的行為模式和運(yùn)動(dòng)意圖；另一方面，在手臂支撐板上左側(cè)和 右側(cè)根據(jù)主要受力點(diǎn)放置=個(gè)壓力傳感器，衡量患者行走平衡能力W及期望運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0037] 本申請(qǐng)為結(jié)合相關(guān)臨床康復(fù)醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)出的一種為手臂支撐平臺(tái)的壓力檢測(cè)裝置， 其能夠結(jié)合當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別用戶行走意圖，并智能衡量用戶平衡功能。
[0038] 該裝置可W對(duì)有平衡功能障礙的患者進(jìn)行系統(tǒng)全面地包括定性、定量評(píng)價(jià)及障礙 發(fā)生原因進(jìn)行診斷性評(píng)價(jià)。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1是一種位于手臂支撐平臺(tái)的接觸力、壓力檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖2是控制手柄部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖3是一種位于手臂支撐平臺(tái)的接觸力、壓力檢測(cè)裝置系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖4是人行走意圖識(shí)別與壓力檢測(cè)各模塊示意圖；
[0043] 圖5是系統(tǒng)控制框圖
[0044] 附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0045] 1滑軌，2手臂支撐板，3壓力傳感器，4支撐架，5控制手柄，6第一微型稱重傳感器，7 第二微型稱重傳感器、8拉力