專利名稱：一種康復(fù)助行機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于助行機(jī)器人及康復(fù)器械，具體涉及一種康復(fù)助行機(jī)器人。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代老齡化社會(huì)中腦卒中風(fēng)成為一種高發(fā)疾病，下肢運(yùn)動(dòng)障礙成為腦卒中風(fēng)、原發(fā)性腦損傷等中樞神經(jīng)損傷的典型后遺癥之一。人體康復(fù)工程要求在中風(fēng)急性期過(guò)后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，以防止長(zhǎng)時(shí)間臥床導(dǎo)致的下肢肌肉萎縮，同時(shí)激發(fā)大腦神經(jīng)的代償作用，重組大腦神經(jīng)功能，達(dá)到部分恢復(fù)肢體原有運(yùn)動(dòng)功能的目的。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練采用人工輔助的方式，需要占用大量的醫(yī)療和人力資源，且不能提供穩(wěn)定地、適應(yīng)患者康復(fù)水平的運(yùn)動(dòng)輸入量。除此之外，老年人的隨著年齡增長(zhǎng)出現(xiàn)前庭功能減弱、肢體力量退化，導(dǎo)致協(xié)調(diào)性出現(xiàn)退化，行動(dòng)不便，生活質(zhì)量下降，同時(shí)也大大增加了日常行動(dòng)過(guò)程中缺乏有效支撐、助力輔助下發(fā)生跌倒等外傷性事故的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前老齡化人口結(jié)構(gòu)下，照顧老年人的生活起居越來(lái)越成為家庭個(gè)人的一大負(fù)擔(dān)。推廣使用康復(fù)機(jī)器人是解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。康復(fù)機(jī)器人涉及到醫(yī)療康復(fù)、人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)控制以及康復(fù)器械等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。下肢的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的自由度有特殊的要求，而無(wú)需他人輔助的康復(fù)機(jī)器人在功能上對(duì)于外界地形環(huán)境自適應(yīng)能力和運(yùn)行過(guò)程中的安全性要求很高?，F(xiàn)有助行機(jī)器人為滿足支撐需要底盤往往比較龐大，難以靈活地通過(guò)狹窄環(huán)境；控制器人機(jī)交互算法僅依靠用戶操作指令或單一的人機(jī)交互力，輸入信息融合度不足的缺點(diǎn)，不能很好體現(xiàn)用戶行動(dòng)意圖，智能化程度不高；運(yùn)動(dòng)功能簡(jiǎn)單，對(duì)于機(jī)器人使用過(guò)程中的安全防護(hù)也欠缺考慮。現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)器人基本均為主動(dòng)式機(jī)器人，需要用戶本身較高的操作靈活性，不能很好滿足實(shí)際康復(fù)需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種康復(fù)助行機(jī)器人，解決現(xiàn)有康復(fù)助行機(jī)器人難以靈活通過(guò)狹窄環(huán)境、運(yùn)動(dòng)功能簡(jiǎn)單、對(duì)用戶操作靈活性要求較高的問(wèn)題，以更好滿足實(shí)際康復(fù)需要。本發(fā)明的一種康復(fù)助行機(jī)器人，包括扶手架、連接架，平板式微型計(jì)算機(jī)、S型支撐桿和底盤，其特征在于所述扶手架為U形架，U形架兩端分別通過(guò)扶手套筒連接扶手推桿，左邊的扶手套筒和扶手推桿之間裝有左拉壓力傳感器，右邊的扶手套筒和扶手推桿之間裝有右拉壓力傳感器；所述連接架為垂直放置的矩形架，扶手架通過(guò)四個(gè)水平放置的直線軸承與連接架在其四個(gè)頂點(diǎn)上固定；扶手架前部左或右側(cè)與連接架左或右豎邊中部之間裝有側(cè)拉壓力傳感器；平板式微型計(jì)算機(jī)通過(guò)支撐座安裝在連接架上；連接架下端裝有六維力傳感器，S型支撐桿一端連接六維力傳感器，S型支撐桿另一端通過(guò)套管安裝在底盤上，通過(guò)緊固螺釘調(diào)節(jié)S型支撐桿在套管內(nèi)的長(zhǎng)度；底盤上安裝有底座橫桿，底座橫桿兩端分別通過(guò)軸銷連接支撐架，底座橫桿與兩個(gè)支撐架的連接處安裝有角度傳感器，兩個(gè)電動(dòng)推桿的一端通過(guò)軸銷連接在底座橫桿中部，兩個(gè)電動(dòng)推桿的另一端通過(guò)軸銷分別連接在兩個(gè)支撐架中部，兩個(gè)支撐架末端分別安裝有萬(wàn)向輪；底盤底部中心對(duì)稱分布安裝三個(gè)麥克納姆輪，三個(gè)直流電機(jī)分別通過(guò)電機(jī)架和軸承固定在麥克納姆輪的內(nèi)側(cè)；底盤底部中心安裝有傾度傳感器；所述底盤上表面裝有控制箱，控制箱的后方底部分別安裝有左激光測(cè)距儀和右激光測(cè)距儀，控制箱的前方底部安裝有六個(gè)紅外線傳感器，其中探測(cè)方向?yàn)樽笙?、前向、右向的紅外線傳感器各2個(gè)；所述控制箱內(nèi)部裝有信號(hào)采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和鋰電池，所述左拉壓力傳感器、右拉壓力傳感器、側(cè)拉壓力傳感器、六維力傳感器、各角度傳感器、傾度傳感器、各激光測(cè)距儀及各紅外線傳感器輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)，送至平板式微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行平板式微型計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)各直流電機(jī)及各電動(dòng)推桿；鋰電池為各電氣部件、平板式微型計(jì)算機(jī)及各直流電機(jī)供電；所述平板式微型計(jì)算機(jī)加載環(huán)境自適應(yīng)模塊、運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊、速度控制模塊、 跌倒預(yù)防模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊； A.環(huán)境自適應(yīng)模塊進(jìn)行下述操作Al.分析各紅外線傳感器的數(shù)字信號(hào)，判斷是否左向、前向、右向任意一個(gè)紅外線傳感器返回高電平信號(hào)，是則進(jìn)行A2，否則置環(huán)境感知信號(hào)Iv = 0，左向速度鎖定信號(hào)Li、 前向速度鎖定信號(hào)Lf、右向速度鎖定信號(hào)Lr置0，將Iv、Li、Lf、Lr輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊； 轉(zhuǎn)A3 ；A2.置Iv= 1，將對(duì)應(yīng)的左向速度鎖定信號(hào)Li、前向速度鎖定信號(hào)Lf、右向速度鎖定信號(hào)Lr置1，將Iv、Li、Lf、Lr輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；轉(zhuǎn)A3 ；A3.分析傾度傳感器傳回的傾角數(shù)字信號(hào)α，計(jì)算重力補(bǔ)償分量Ff Ff = GXSina ,式中，G為康復(fù)助行機(jī)器人總重量；將Ff輸入到運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊；B.運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊進(jìn)行下述操作Bi.接收用戶輸入的行走模式指令，重力補(bǔ)償分量Ff，扶手推桿上左拉壓力傳感器M、右拉壓力傳感器6傳回的左手推拉力數(shù)字信號(hào)Fl、右手推拉力數(shù)字信號(hào)Fr，以及側(cè)拉壓力傳感器25傳回的水平力數(shù)字信號(hào)Flh ；Β2.分析用戶輸入的行走模式指令，確定轉(zhuǎn)向速度最大值Vr’、前后直行速度最大值Vlfb’、左右直行速度最大值Vllr’、前進(jìn)力閾值Flf ’、后退力閾值Fib’、左轉(zhuǎn)力閾值 Frl ’、右轉(zhuǎn)力閾值Frr’、水平左行力閾值Fl 1 ’、水平右行力閾值Fir’、人機(jī)相對(duì)位移近距離閾值Sn’以及人機(jī)相對(duì)位移遠(yuǎn)距離閾值Sf’ ；B3.判斷運(yùn)動(dòng)意圖，以前向和左向?yàn)檎较颍樞虬ㄏ率鲞^(guò)程B3-1.計(jì)算轉(zhuǎn)向意圖力Frlr = Fl-Fr ；判斷是否Frr，彡Frlr彡Frl，，是則無(wú)轉(zhuǎn)向意圖，否則有轉(zhuǎn)向意圖，進(jìn)行過(guò)程B3-2 ；B3-2.計(jì)算前后直行意圖力Flfb = Ff+Fl+Fr ；判斷是否Fib，( Flfb ( Flf，，是則無(wú)前后直行意圖，否則有前后直行意圖，進(jìn)行過(guò)程B3-3 ；B3-3.計(jì)算左右直行意圖力Fllr = Flh;判斷是否Fir，彡Fllr彡F11，，是則無(wú)左右直行意圖，否則有左右直行意圖；B4.將？1~11~、？1作、？111~、有或無(wú)轉(zhuǎn)向意圖、有或無(wú)前后直行意圖、有或無(wú)左右直行意圖輸入到速度控制模塊；C.速度控制模塊接收意圖辨識(shí)模塊輸入的轉(zhuǎn)向速度最大值Vr’、前后直行速度最大值Vlfb’、左右直行速度最大值Vllr’、前進(jìn)力閾值Flf ’、后退力閾值Fib’、左轉(zhuǎn)力閾值 1~1’、右轉(zhuǎn)力閾值？燈’、水平左行力閾值？11’、水平右行力閾值？11·’。以前向和左向?yàn)檎较蛟O(shè)定運(yùn)動(dòng)速度，順序包括下述過(guò)程進(jìn)行下述操作Cl.判斷是否有轉(zhuǎn)向意圖，是則置轉(zhuǎn)向速度Vr = FrlrX |2X |Frlr卜Frl，+Frr，I/ Kl，否則置Vr = 0 ；轉(zhuǎn)向速度轉(zhuǎn)換系數(shù)Kl為120N2Xs/m 180N2Xs/m；然后判斷是否Vr > Vr'，是則置Vr = Vr'；否則判斷是否Vr < -Vr'，是則置Vr =-Vr，，否則Vr不變；C2.判斷是否有前后直行意圖，是則置前后直行速度Vlfb = FlfbX |2X FlfbI-Flf' +Fib，|/K2 ；否則置Vlfb = 0 ；前后直行速度轉(zhuǎn)換系數(shù)Κ2為 180N2Xs/m 220N2Xs/m ；然后判斷是否Vlfb > Vlfb，，是則置Vlfb = Vlfb，；否則判斷是否Vlfb < -Vlfb', 是則置Vlfb =-Vlfb，，否則Vlfb不變；C3.判斷是否有左右直行意圖，是則置左右直行速度Vllr = FllrX |2X Fllrl-Fir +Fir，|/K3，否則置Vllr = 0 ；左右直行速度轉(zhuǎn)換系數(shù)K3為 IOON2 X s/m 150N2Xs/m ；然后判斷是否Vllr > Vllr’，是則置Vllr = Vllr’，否則判斷是否Vllr < -Vllr’， 是置取Vllr = -Vllr’，否則Vllr不變；C4.將Vr、Vlfb、Vllr輸入到跌倒預(yù)防模塊；D.跌倒預(yù)防模塊進(jìn)行如下操作Dl.接收左、右激光測(cè)距儀輸入的用戶左、右兩腿與機(jī)器人之間相對(duì)位移數(shù)字信號(hào) Sl與S2，接收意圖辨識(shí)模塊輸入的人機(jī)相對(duì)位移近距離閾值Sn’以及人機(jī)相對(duì)位移遠(yuǎn)距離閾值Sf ’ ；D2.判斷用戶是否處于正常行走狀態(tài)，以前向?yàn)檎较?，順序包括下述過(guò)程D2-1.判斷是否Sn，< Sl < Sf，并且Sn，< S2 < Sf，，是則為正常行走狀態(tài)，Vr、 Vlfb、Vllr保持不變；否則進(jìn)行D2-2 ；D2-2.判斷是否max{Si，S2} > Sf，，是則為即將跌倒?fàn)顟B(tài)，置Vlfb = K4X (2X Sf' -S1-S2)，Vr、Vllr保持不變；否則進(jìn)行D2-3 ；跌倒速度轉(zhuǎn)換系數(shù)K4為-2. 0/ s -3. 0/s ；D2-3.判斷是否min{Sl，S2} < Sn，，是則為過(guò)于靠近狀態(tài)，分別置Vr = K5XVr、 Vlfb = K5XVlfb、Vllr = K5XVllr ；否則Vr、Vlfb、Vllr保持不變；靠近速度轉(zhuǎn)換系數(shù)K5 為 0. 9 1. 5 ；Ε.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行如下操作El.接收 Ιν、Li、Lf、Lr、Vr、Vlfb、Vllr ；E2.順序執(zhí)行以下操作E2-1.判斷是否Lf = 1且Vlfb > 0，是則置Vlfb = 0 ；否則Vlfb保持不變；E2-2.判斷是否Ll = 1且Vllr > 0，是則置Vllr = 0 ；否則Vllr保持不變；E2-3.判斷是否Lr = 1且Vllr < 0，是則置Vllr = 0 ；否則Vllr保持不變；
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E3.將上述Vr、Vlfb、Vllr合成得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的合速度V，根據(jù)三輪全向移動(dòng)要求，將V進(jìn)行速度分解后分別得到三個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，將三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的速度控制信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；E4.判斷是否Iv = 0，是則向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出電動(dòng)推桿正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，否則向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出電動(dòng)推桿反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。所述用戶輸入的行走模式指令，包括慢速行走模式、中速行走模式和快速行走模式，對(duì)應(yīng)該三種行走模式，轉(zhuǎn)向速度最大值Vr’分別為0. 4m/s、0. 6m/s、0. 8m/s ；前后直行速度最大值Vlfb’分別為0. 4m/s、0. 6m/s、0. 9m/s ；左右直行速度最大值Vllr’分別為0. 3m/s、
0.4m/s、0. 5m/s ；前進(jìn)力閾值Flf，分別為3N、4N、5N ；后退力閾值Fib，分別為-2N、_3N、_4N ； 左轉(zhuǎn)力閾值Frl’分別為3N、4N、4N ；右轉(zhuǎn)力閾值Frr’分別為-3N、-4N、-4N ；水平左行力閾值FIT分別為5N、6N、7N ；水平右行力閾值Fir，分別為=-5N、_6N、_7N ；人機(jī)相對(duì)位移近距離閾值Sn’分別為=0. 6m、0. 6m、0. 6m ；人機(jī)相對(duì)位移遠(yuǎn)距離閾值Sf ’分別為=0. 8m、0. 9m、
1.Om0所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的操作E3中，三輪全向移動(dòng)要求，見R ·西格沃特，I · R ·諾巴克什著，李人厚譯《自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)論》，西安交通大學(xué)出版社，2006年9月第一版，ISBN 7-5605-2161-4/TP · 432。本發(fā)明采用符合人體工程學(xué)需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)。人機(jī)力接觸面采用可調(diào)節(jié)推握扶手設(shè)計(jì)，扶手高度和俯仰角度都可以自由地調(diào)節(jié)以滿足不同身高體型用戶的需要。S型支撐桿與底部五個(gè)運(yùn)動(dòng)輪配合，使人機(jī)重心點(diǎn)保持在底盤支撐平面內(nèi)，避免運(yùn)動(dòng)時(shí)由于過(guò)大的支撐力矩而造成傾覆，同時(shí)亦為用戶創(chuàng)造出足夠大的自由行走空間。本發(fā)明放棄了現(xiàn)有助行機(jī)器人均采用的底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)半封閉不可變模式，而是在底盤兩邊的安裝可動(dòng)態(tài)調(diào)整的外展式支撐架，使機(jī)器人底盤在環(huán)境允許條件下能夠充分展開，達(dá)到穩(wěn)定人機(jī)重心的目的，為用戶實(shí)現(xiàn)有效地靜態(tài)支撐，而在通過(guò)電梯門等狹窄走道時(shí)外展式支撐架內(nèi)收，使機(jī)器人能夠順利通過(guò)。本發(fā)明利用底盤圓周上三個(gè)對(duì)稱安裝的主動(dòng)式麥克納姆輪，以運(yùn)動(dòng)矢量合成的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人真正的全向移動(dòng)，而沒有采用目前助行機(jī)器人普遍使用的兩輪差分驅(qū)動(dòng)方式。本發(fā)明這種驅(qū)動(dòng)方式能夠使機(jī)器人底盤在保持軸向姿勢(shì)不變的狀態(tài)下仍能夠?qū)崿F(xiàn)橫向上的運(yùn)動(dòng)，克服了傳統(tǒng)兩輪差分驅(qū)動(dòng)方式不能實(shí)現(xiàn)左右平行移動(dòng)和爬坡時(shí)驅(qū)動(dòng)能力不足的限制。底盤兩邊安裝有外展式支撐架和電動(dòng)推桿，外展式支撐架末端安裝有被動(dòng)式萬(wàn)向輪， 能夠配合主動(dòng)式麥克納姆輪，保證機(jī)器人在外展式支撐架處于特定外展角度時(shí)均具有良好的靜態(tài)支撐和動(dòng)態(tài)移動(dòng)能力。 本發(fā)明所搭載傳感器分人一機(jī)檢測(cè)類與機(jī)一環(huán)境檢測(cè)類兩種。人一機(jī)檢測(cè)類傳感器包括扶手架兩側(cè)與扶手套筒后端安裝的拉壓力傳感器，扶手架與S型支撐桿之間安裝的六維力傳感器，均用于檢測(cè)人機(jī)交互力；底盤處向后安裝的兩個(gè)激光測(cè)距儀，用于測(cè)量用戶腿部與機(jī)器人之間的相對(duì)距離。機(jī)一環(huán)境檢測(cè)類傳感器包括底盤處分別朝前方和左右兩方安裝的紅外線傳感器，用于檢測(cè)與機(jī)器人距離較近的障礙物和地面突起、凹陷邊緣；底盤底部安裝的傾度傳感器，用于檢測(cè)人機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)所處地面的水平傾角；底座橫桿與支撐架連接關(guān)節(jié)處安裝的角度傳感器，用于測(cè)量外展式支撐架的外展角度。機(jī)器人自身搭載可充電鋰電池作為移動(dòng)電源，為控制器、傳感器和執(zhí)行器提供動(dòng)力。
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠以紅外線傳感器組和傾度傳感器感知周圍環(huán)境，對(duì)機(jī)械外形和運(yùn)動(dòng)模式做出適當(dāng)回應(yīng)。當(dāng)面向左右的兩組紅外線傳感器沒有檢測(cè)到地面突起或凹陷信號(hào)時(shí)，電動(dòng)推桿推動(dòng)支撐架展開；當(dāng)紅外線傳感器檢測(cè)到距離內(nèi)臺(tái)階、過(guò)道墻壁等突起或凹陷信號(hào)時(shí)，電動(dòng)推桿收縮，收攏支撐架。通過(guò)上述動(dòng)態(tài)改變機(jī)器人機(jī)械外形，以使機(jī)器人同時(shí)達(dá)到增大底盤接觸面積和可適應(yīng)狹窄過(guò)道的目的。左、前、右任何一向紅外線傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，均會(huì)將該向的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度鎖定為0，實(shí)現(xiàn)避障功能。傾度傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處地面的傾角，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互力的重力補(bǔ)償，防止機(jī)器人在斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)協(xié)同控制方面，機(jī)器人將屏幕操作指令、力傳感器陣列傳回的人機(jī)力交互信號(hào)和兩個(gè)激光測(cè)距儀傳回的人機(jī)相對(duì)位移信號(hào)作為輸入，通過(guò)運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊得到用戶的行走意圖，繼而通過(guò)速度控制模塊得到的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度，在用戶運(yùn)動(dòng)意圖方向上能夠跟隨用戶運(yùn)動(dòng)速度，而在非意圖方向上的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)會(huì)得到抑制，從而實(shí)現(xiàn)為用戶提供行動(dòng)助力，并且穩(wěn)定非運(yùn)動(dòng)意圖方向上的搖晃的目的。接著，通過(guò)跌倒預(yù)防模塊判別用戶是否處于即將跌倒?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行相應(yīng)的修正，以調(diào)整機(jī)器人走位，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)防跌倒輔助支撐。最后調(diào)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊向底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速控制量，通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明擁有全方向運(yùn)動(dòng)和自適應(yīng)行走環(huán)境的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠自適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)與規(guī)避避障、防止滑坡等功能。根據(jù)每一次運(yùn)動(dòng)后用戶的反饋體驗(yàn)，更新調(diào)整平板式微型計(jì)算機(jī)裝載的各模塊中力閾值、相對(duì)位移閾值等參數(shù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)障礙度較重的用戶設(shè)定較小的位移閾值和力閾值，對(duì)運(yùn)動(dòng)障礙度較輕的用戶設(shè)定較大的位移閾值和力閾值，以滿足不同用戶和各個(gè)康復(fù)階段的需要，在康復(fù)訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)輔助時(shí)為用戶在運(yùn)動(dòng)意圖方向上提供行走助力，同時(shí)，利用激光測(cè)距儀檢測(cè)和記錄用戶康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的步態(tài)信息，提供防跌倒支撐運(yùn)動(dòng)安全保護(hù)；能夠檢測(cè)使用者康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，量化步態(tài)信息，還可以通過(guò)平板微型計(jì)算機(jī)上的無(wú)線網(wǎng)卡接入互聯(lián)網(wǎng)，為康復(fù)醫(yī)學(xué)專家分析提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷和康復(fù)指導(dǎo)。本發(fā)明彌補(bǔ)了一般康復(fù)機(jī)器人輸入信息融合度不足和主動(dòng)式機(jī)器人操作靈活性要求過(guò)高的問(wèn)題，解決了用戶運(yùn)動(dòng)障礙和機(jī)器人操作性要求之間的矛盾。


圖1為本發(fā)明主視圖；圖2為圖1的俯視圖；圖3為圖1的側(cè)視圖；圖4為平板式微型計(jì)算機(jī)加載的各模塊示意圖。圖中扶手架1，平板式微型計(jì)算機(jī)2，支撐座3，扶手套筒4，扶手推桿5，右拉壓力傳感器6，直線軸承7，六維力傳感器8，S型支撐桿9，緊固螺釘10，控制箱11，激光測(cè)距儀 12，紅外線傳感器13，底盤14，底座橫桿15，電動(dòng)推桿16，支撐架17，萬(wàn)向輪18，角度傳感器 19，麥克納姆輪20，直流電機(jī)21，傾度傳感器22，連接架23，左拉壓力傳感器M，側(cè)拉壓力傳感器2具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的實(shí)施例，包括扶手架1、連接架23，平板式微型計(jì)算機(jī)2、S型支撐桿9和底盤14;所述扶手架1為U形架，U形架兩端分別通過(guò)扶手套筒4連接扶手推桿5，左邊的扶手套筒4和扶手推桿5之間裝有左拉壓力傳感器M，右邊的扶手套筒4和扶手推桿5之間裝有右拉壓力傳感器6 ；所述連接架23為垂直放置的矩形架，扶手架1通過(guò)四個(gè)水平放置的直線軸承7與連接架23在其四個(gè)頂點(diǎn)上固定；扶手架1前部左或右側(cè)與連接架23左或右豎邊中部之間裝有側(cè)拉壓力傳感器25 ；平板式微型計(jì)算機(jī)2通過(guò)支撐座3安裝在連接架23上；連接架23下端裝有六維力傳感器8，S型支撐桿9 一端連接六維力傳感器8，S型支撐桿9另一端通過(guò)套管安裝在底盤14上，通過(guò)緊固螺釘10調(diào)節(jié)S型支撐桿9在套管內(nèi)的長(zhǎng)度；底盤14上安裝有底座橫桿15，底座橫桿兩端分別通過(guò)軸銷連接支撐架17，底座橫桿15與兩個(gè)支撐架17的連接處安裝有角度傳感器19，兩個(gè)電動(dòng)推桿16的一端通過(guò)軸銷連接在底座橫桿15中部，兩個(gè)電動(dòng)推桿16的另一端通過(guò)軸銷分別連接在兩個(gè)支撐架中部，兩個(gè)支撐架末端分別安裝有萬(wàn)向輪18 ；底盤14底部中心對(duì)稱分布安裝三個(gè)麥克納姆輪20，三個(gè)直流電機(jī)21分別通過(guò)電機(jī)架和軸承固定在麥克納姆輪20的內(nèi)側(cè)；底盤14底部中心安裝有傾度傳感器22 ；所述底盤14上表面裝有控制箱11，控制箱11的后方底部分別安裝有兩個(gè)激光測(cè)距儀12，控制箱11的前方底部安裝有六個(gè)紅外線傳感器13，其中探測(cè)方向?yàn)樽笙?、前向、右向的紅外線傳感器各2個(gè)；所述控制箱11內(nèi)部裝有信號(hào)采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和鋰電池，所述左拉壓力傳感器M、右拉壓力傳感器6、側(cè)拉壓力傳感器25、六維力傳感器8、各角度傳感器19、傾度傳感器22、各激光測(cè)距儀12及各紅外線傳感器13輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)，送至平板式微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行平板式微型計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)各直流電機(jī)及各電動(dòng)推桿；鋰電池為各電氣部件、平板式微型計(jì)算機(jī)及各直流電機(jī)供電。如圖4所示，所述平板式微型計(jì)算機(jī)加載環(huán)境自適應(yīng)模塊、運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊、速度控制模塊、跌倒預(yù)防模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。本發(fā)明使用時(shí)，麥克納姆輪20的直流電機(jī)21抱閘，鎖定機(jī)器人位置，為用戶提供靜態(tài)支撐。電動(dòng)推桿將輔助外展式支撐架展開，方便用戶進(jìn)入到機(jī)器人使用位置。用戶扶握扶手進(jìn)入到使用位置，通過(guò)觸摸式顯示屏上選擇運(yùn)動(dòng)模式，確定后控制程序激活所載的各個(gè)傳感器和控制回路，松開電機(jī)抱間，進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)模式。用戶手握扶手架上的扶手推桿，在全方向平面上自由行走。機(jī)器人通過(guò)力傳感器陣列和激光測(cè)距儀得到人機(jī)力與交互信息和步態(tài)信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路后作為運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊的輸入，辨識(shí)出用戶當(dāng)前的行為模式和運(yùn)動(dòng)意圖，進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)模塊，輸出三個(gè)直流電機(jī)的控制量，控制三個(gè)主動(dòng)式麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前向的紅外線傳感器陣列可以檢測(cè)行走環(huán)境的凹陷、突起邊緣，實(shí)現(xiàn)避障功能。傾度傳感器能夠檢測(cè)行走環(huán)境的水平傾角，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互力的重力補(bǔ)償功能；電動(dòng)推桿能夠根據(jù)紅外線傳感器傳回的外界環(huán)境信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整支撐架的外展角度，在環(huán)境允許時(shí)增大運(yùn)動(dòng)底盤面積，同時(shí)適應(yīng)電梯口等狹窄的走道環(huán)境。激光測(cè)距儀能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)人機(jī)位置交互位置信息，判別用戶是否為即將跌倒?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而通過(guò)修正機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度調(diào)整機(jī)器人走位和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)防跌倒輔助支撐。 當(dāng)運(yùn)動(dòng)結(jié)束，用戶在顯示屏人機(jī)交互界面上選擇退出，剎車鎖定麥克納姆輪，使底盤固定，外展式支撐架向內(nèi)收緊，機(jī)器人保存記錄用戶康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程的步態(tài)信息，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。用戶松開扶手退出人機(jī)交互區(qū)，完成一次康復(fù)訓(xùn)練或活動(dòng)。
權(quán)利要求
1. 一種康復(fù)助行機(jī)器人，包括扶手架(1)、連接架(23)，平板式微型計(jì)算機(jī)0)、s型支撐桿(9)和底盤(14)，其特征在于所述扶手架(1)為U形架，U形架兩端分別通過(guò)扶手套筒(4)連接扶手推桿(5)，左邊的扶手套筒(4)和扶手推桿( 之間裝有左拉壓力傳感器(M)，右邊的扶手套筒(4)和扶手推桿( 之間裝有右拉壓力傳感器(6)；所述連接架為垂直放置的矩形架，扶手架 (1)通過(guò)四個(gè)水平放置的直線軸承(7)與連接架在其四個(gè)頂點(diǎn)上固定；扶手架(1)前部左或右側(cè)與連接架左或右豎邊中部之間裝有側(cè)拉壓力傳感器0 ；平板式微型計(jì)算機(jī)( 通過(guò)支撐座( 安裝在連接架上；連接架下端裝有六維力傳感器(8)，S型支撐桿(9) 一端連接六維力傳感器(8)， S型支撐桿(9)另一端通過(guò)套管安裝在底盤(14)上，通過(guò)緊固螺釘(10)調(diào)節(jié)S型支撐桿 (9)在套管內(nèi)的長(zhǎng)度；底盤(14)上安裝有底座橫桿(15)，底座橫桿兩端分別通過(guò)軸銷連接支撐架(17)，底座橫桿(1 與兩個(gè)支撐架(17)的連接處安裝有角度傳感器(19)，兩個(gè)電動(dòng)推桿(16)的一端通過(guò)軸銷連接在底座橫桿(1 中部，兩個(gè)電動(dòng)推桿(16)的另一端通過(guò)軸銷分別連接在兩個(gè)支撐架中部，兩個(gè)支撐架末端分別安裝有萬(wàn)向輪(18)；底盤(14)底部中心對(duì)稱分布安裝三個(gè)麥克納姆輪(20)，三個(gè)直流電機(jī)分別通過(guò)電機(jī)架和軸承固定在麥克納姆輪OO)的內(nèi)側(cè)；底盤(14)底部中心安裝有傾度傳感器02)；所述底盤(14)上表面裝有控制箱(11)，控制箱(11)的后方底部分別安裝有兩個(gè)激光測(cè)距儀(12)，控制箱(11)的前方底部安裝有六個(gè)紅外線傳感器(13)，其中探測(cè)方向?yàn)樽笙?、前向、右向的紅外線傳感器各2個(gè)；所述控制箱(11)內(nèi)部裝有信號(hào)采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和鋰電池，所述左拉壓力傳感器(M)、右拉壓力傳感器(6)、側(cè)拉壓力傳感器(25)、六維力傳感器(8)、各角度傳感器 (19)、傾度傳感器0 、各激光測(cè)距儀(1 及各紅外線傳感器(1 輸出信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)，送至平板式微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行平板式微型計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)各直流電機(jī)及各電動(dòng)推桿；鋰電池為各電氣部件、平板式微型計(jì)算機(jī)及各直流電機(jī)供電；所述平板式微型計(jì)算機(jī)加載環(huán)境自適應(yīng)模塊、運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊、速度控制模塊、跌倒預(yù)防模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；A.環(huán)境自適應(yīng)模塊進(jìn)行下述操作Al.分析各紅外線傳感器的數(shù)字信號(hào)，判斷是否左向、前向、右向任意一個(gè)紅外線傳感器返回高電平信號(hào)，是則進(jìn)行A2，否則置環(huán)境感知信號(hào)Iv = 0，左向速度鎖定信號(hào)Li、前向速度鎖定信號(hào)Lf、右向速度鎖定信號(hào)Lr置0，將Iv、Ll、Lf、Lr輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；轉(zhuǎn)A3 ； A2.置Iv = 1，將對(duì)應(yīng)的左向速度鎖定信號(hào)Li、前向速度鎖定信號(hào)Lf、右向速度鎖定信號(hào)Lr置1，將Iv、Ll、Lf、Lr輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；轉(zhuǎn)A3 ；A3.分析傾度傳感器傳回的傾角數(shù)字信號(hào)α，計(jì)算重力補(bǔ)償分量Ff : Ff = GXSina，式中，G為康復(fù)助行機(jī)器人總重量；將Ff輸入到運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊；B.運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊進(jìn)行下述操作Bi.接收用戶輸入的行走模式指令，重力補(bǔ)償分量Ff，扶手推桿上左拉壓力傳感器Μ、 右拉壓力傳感器6傳回的左手推拉力數(shù)字信號(hào)F1、右手推拉力數(shù)字信號(hào)Fr，以及側(cè)拉壓力傳感器25傳回的水平力數(shù)字信號(hào)Flh ；B2.分析用戶輸入的行走模式指令，確定轉(zhuǎn)向速度最大值Vr’、前后直行速度最大值 Vlfb，、左右直行速度最大值Vllr，、前進(jìn)力閾值Flf，、后退力閾值Fib，、左轉(zhuǎn)力閾值Frl，、 右轉(zhuǎn)力閾值Frr’、水平左行力閾值F11’、水平右行力閾值Fir’、人機(jī)相對(duì)位移近距離閾值 Sn’以及人機(jī)相對(duì)位移遠(yuǎn)距離閾值Sf’ ；B3.判斷運(yùn)動(dòng)意圖，以前向和左向?yàn)檎较?，順序包括下述過(guò)程 B3-1.計(jì)算轉(zhuǎn)向意圖力Frlr = Fl-Fr ；判斷是否Frr，彡Frlr彡Frl，，是則無(wú)轉(zhuǎn)向意圖，否則有轉(zhuǎn)向意圖，進(jìn)行過(guò)程B3-2 ；B3-2.計(jì)算前后直行意圖力Flfb = Ff+Fl+Fr ；判斷是否Fib，( Flfb ( Flf，，是則無(wú)前后直行意圖，否則有前后直行意圖，進(jìn)行過(guò)程B3-3 ；B3-3.計(jì)算左右直行意圖力Fllr = Flh;判斷是否Fir，彡Fllr彡Fll，，是則無(wú)左右直行意圖，否則有左右直行意圖；B4.將Frlr、Flfb、Fllr、有或無(wú)轉(zhuǎn)向意圖、有或無(wú)前后直行意圖、有或無(wú)左右直行意圖輸入到速度控制模塊；C.速度控制模塊接收意圖辨識(shí)模塊輸入的轉(zhuǎn)向速度最大值Vr’、前后直行速度最大值 Vlfb’、左右直行速度最大值Vllr’、前進(jìn)力閾值Flf ’、后退力閾值Fib’、左轉(zhuǎn)力閾值Frl’、 右轉(zhuǎn)力閾值Frr’、水平左行力閾值F11’、水平右行力閾值Fir’。以前向和左向?yàn)檎较蛟O(shè)定運(yùn)動(dòng)速度，順序包括下述過(guò)程進(jìn)行下述操作Cl.判斷是否有轉(zhuǎn)向意圖，是則置轉(zhuǎn)向速度Vr = FrlrX |2X |Frlr卜Frl，+Frr，/Kl, 否則置Vr = 0 ；轉(zhuǎn)向速度轉(zhuǎn)換系數(shù)Kl為120N2Xs/m 180N2Xs/m;然后判斷是否Vr > Vr，，是則置Vr = Vr，；否則判斷是否Vr < -Vr，，是則置Vr = -Vr，， 否則Vr不變；C2.判斷是否有前后直行意圖，是則置前后直行速度Vlfb = FlfbX |2X FlfbI-Flf' +Fib，|/K2 ；否則置Vlfb = 0 ；前后直行速度轉(zhuǎn)換系數(shù)K2為 180N2Xs/m 220N2Xs/m ；然后判斷是否Vlfb > Vlfb，，是則置Vlfb = Vlfb，；否則判斷是否Vlfb < -Vlfb，，是則置Vlfb = -Vlfb，，否則Vlfb不變；C3.判斷是否有左右直行意圖，是則置左右直行速度Vllr = FllrX |2X Fllrl-Fir +Fir，|/K3，否則置Vllr = 0 ；左右直行速度轉(zhuǎn)換系數(shù)K3為 IOON2 X s/m 150N2Xs/m ；然后判斷是否Vllr > Vllr’，是則置Vllr = Vllr’，否則判斷是否Vllr < -Vllr’，是置取Vllr = -Vllr’，否則Vllr不變；C4.將Vr、Vlfb、Vllr輸入到跌倒預(yù)防模塊；D.跌倒預(yù)防模塊進(jìn)行如下操作Dl.接收兩個(gè)激光測(cè)距儀輸入的用戶左、右兩腿與機(jī)器人之間相對(duì)位移數(shù)字信號(hào)Sl與 S2，接收意圖辨識(shí)模塊輸入的人機(jī)相對(duì)位移近距離閾值Sn’以及人機(jī)相對(duì)位移遠(yuǎn)距離閾值 Sf，；D2.判斷用戶是否處于正常行走狀態(tài)，以前向?yàn)檎较?，順序包括下述過(guò)程D2-1.判斷是否Sn，< Sl < Sf，并且Sn，< S2 < Sf，，是則為正常行走狀態(tài)，Vr、Vlfb、Vllr保持不變；否則進(jìn)行D2-2 ；D2-2.判斷是否max{Si，S2} > Sf，，是則為即將跌倒?fàn)顟B(tài)，置Vlfb = K4X (2X Sf' -S1-S2)，Vr、Vllr保持不變；否則進(jìn)行D2-3 ；跌倒速度轉(zhuǎn)換系數(shù)K4為-2. 0/ s -3. 0/s ；D2-3.判斷是否min{Sl，S2} < Sn，，是則為過(guò)于靠近狀態(tài)，分別置Vr = K5XVr、Vlfb =K5XVlfb、Vllr = K5XVllr ；否則Vr、Vlfb, Vllr保持不變；靠近速度轉(zhuǎn)換系數(shù)K5為 0. 9 1. 5 ；E.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行如下操作El.接收 Iv、Ll、Lf、Lr、Vr、Vlfb、Vllr ；E2.順序執(zhí)行以下操作E2-1.判斷是否Lf = 1且Vlfb > 0,是則置Vlfb = 0 ；否則Vlfb保持不變； E2-2.判斷是否Ll = 1且Vllr > 0，是則置Vllr = 0 ；否則Vllr保持不變； E2-3.判斷是否Lr = 1且Vllr < 0，是則置Vllr = 0 ；否則Vllr保持不變； E3.將上述Vr、Vlfb, Vllr合成得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的合速度V，根據(jù)三輪全向移動(dòng)要求， 將V進(jìn)行速度分解后分別得到三個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，將三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的速度控制信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；E4.判斷是否Iv = 0，是則向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出電動(dòng)推桿正轉(zhuǎn)控制信號(hào)，否則向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出電動(dòng)推桿反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的康復(fù)助行機(jī)器人，其特征在于所述用戶輸入的行走模式指令，包括慢速行走模式、中速行走模式和快速行走模式，對(duì)應(yīng)該三種行走模式，轉(zhuǎn)向速度最大值Vr’分別為0. 4m/s、0. 6m/s、0. 8m/s ；前后直行速度最大值Vlfb，分別為0. 4m/s、0. 6m/s、0. 9m/s ；左右直行速度最大值Vllr，分別為0. 3m/s、·0.4m/s、0. 5m/s ；前進(jìn)力閾值Flf，分別為3N、4N、5N ；后退力閾值Fib，分別為-2N、_3N、_4N ； 左轉(zhuǎn)力閾值Frl’分別為3N、4N、4N ；右轉(zhuǎn)力閾值Frr’分別為-3N、-4N、-4N ；水平左行力閾值FIT分別為5N、6N、7N ；水平右行力閾值Fir，分別為=-5N、_6N、_7N ；人機(jī)相對(duì)位移近距離閾值Sn’分別為=0. 6m、0. 6m、0. 6m ；人機(jī)相對(duì)位移遠(yuǎn)距離閾值Sf ’分別為=0. 8m、0. 9m、·1.Om0
全文摘要
一種康復(fù)助行機(jī)器人，屬于助行機(jī)器人及康復(fù)器械，解決現(xiàn)有康復(fù)助行機(jī)器人難以靈活通過(guò)狹窄環(huán)境、運(yùn)動(dòng)功能簡(jiǎn)單、對(duì)用戶操作靈活性要求較高的問(wèn)題，以更好滿足實(shí)際康復(fù)需要。本發(fā)明包括扶手架、連接架，平板式微型計(jì)算機(jī)、S型支撐桿和底盤，扶手架通過(guò)直線軸承與連接架固定，平板式微型計(jì)算機(jī)通過(guò)支撐座安裝在連接架上，連接架通過(guò)S型支撐桿安裝在底盤上；底盤上裝有控制箱，平板式微型計(jì)算機(jī)加載環(huán)境自適應(yīng)模塊、運(yùn)動(dòng)意圖辨識(shí)模塊、速度控制模塊、跌倒預(yù)防模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。本發(fā)明能夠自適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)與規(guī)避、防止滑坡等功能，提供防跌倒保護(hù)，解決了用戶運(yùn)動(dòng)障礙和機(jī)器人操作性要求之間的矛盾。
文檔編號(hào)A61H3/04GK102551994SQ20111043035
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者葉見羽, 王永驥, 霍衛(wèi)光, 黃劍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)