基于磁定位的下肢康复训练外骨骼步态参数获取与规划控制

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下肢康复训练外骨骼是一种面向下肢运动功能障碍患者的新型康复器械,目前国内在此方面的研究尚处于起步阶段。下肢康复训练外骨骼在进行运动控制前,一般需要进行步态参数的采集与规划,国内外当前常用的方法有计算机视觉等,它们都存在着设备成本高、对检测环境要求高、检测参数单一的缺点,且与外骨骼是分离的,在外骨骼运行过程中使用时会存在视线遮挡等问题。本文针对国内外现有下肢康复训练外骨骼在步态数据采集与规划方面的不足,研究了一种基于磁定位技术的下肢康复训练外骨骼步态参数获取与规划控制系统。首先,按照安全性、可调节性与轻便型三个原则设计并制作了下肢康复训练外骨骼机械装置。其次,提出了基于磁定位技术的步态参数获取与步态规划方法。设计了模拟信号调理电路,模数转换电路对磁传感器检测到的信号进行放大滤波等处理。建立磁偶极子模型,完成了磁传感器对空间永磁体的定位,根据坐标变换,得到下肢关节的转角数据,进一步由步态规划得到位移、速度、加速度结合的多点定位控制指令参数。完成了外骨骼控制系统的搭建,通过Labview开发了上位机人机交互界面,通过电机控制器多点位的定位方法,实现了外骨骼的快速响应和精准控制。最后,对整个外骨骼进行了一系列测试,主要包括步态参数获取的误差实验以及外骨骼运行实验。实验结果表明,本文研究的基于磁定位技术的步态参数规划方法切实可行,由此方法得到的控制参数输入控制器后,外骨骼运行连续平稳,但外骨骼在运行过程中采集到的步态参数与规划目标在时间上存在一定的延迟。
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