面向偏瘫患者的康复机器人按速度辅助算法及系统实现

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在偏瘫患者的康复训练中,患者主动参与训练过程有助于提升康复的效率。外骨骼机器人作为一种新型的穿戴式康复训练设备,可应用于偏瘫患者的步态康复训练中,并提供多种康复训练模式。其中,大多数外骨骼机器人采用被动式的康复训练,无法让患者充分地主动参与康复训练,导致康复效率低下。此外,在康复的不同阶段,患者的恢复情况不同,其步行速度也不同,所需的辅助力大小也不同,因此需要外骨骼能提供适应不同步行速度的按需辅助算法。现有的按需辅助算法无法根据患者的主动运动速度提供自适应的辅助力,导致患者与外骨骼之间产生对抗,十分不利于患者的康复训练。本文提出了针对康复外骨骼机器人的按速度辅助算法,主要针对偏瘫患者主动参与训练过程中的速度自适应问题进行研究,充分利用患者的健侧和患侧的运动数据,使患者健患侧都可以主动参与到康复训练中。算法分为以下两个部分:(1).步态映射算法:步态映射算法的基本目的是采集患者健侧腿的运动数据,并使用动态运动基元进行建模,然后生成患侧肢体的参考运动轨迹,从而可以自动适应患者健侧的步幅、步速和步态运动周期等。(2).按速度辅助算法:得到患侧的参考轨迹以后,为了充分利用患侧肢体已恢复的运动能力,使患者的患侧肢体也能主动参与到康复训练中,本文提出了按速度辅助算法。该算法在参考轨迹上设置了一个滑动窗口,窗口的长度可根据患者患侧肢体的实际运动轨迹和参考轨迹之间的误差自适应地改变。通过改变该窗口的长度,可自动提取最匹配当前患侧肢体运动速度的参考轨迹区间,并基于改进的路径控制算法和该段参考轨迹生成合适的关节辅助力,使得外骨骼机器人可以自动适应患侧主动运动的速度。此外,本文提出的算法在针对偏瘫患者步态康复训练的康复外骨骼机器人平台上进行了验证,设计了多组对比实验,验证传统被动训练算法、常规按需辅助算法和本文提出的按速度辅助算法在1 km/h、3 km/h和5 km/h三种不同步行速度下的有效性。此外,本文采集了实验过程中患者与外骨骼之间的交互力进行对比分析,通过与被动训练算法和常规按需辅助算法的对比,可以看到,本文提出的按速度辅助算法不仅可以自适应多种步行速度,还能减小患者与外骨骼之间的交互力,从而减少患者与外骨骼之前的对抗过程,提升患者的主动参与度。
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