專利名稱：一種康復助行機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于助行機器人及康復器械，具體涉及一種康復助行機器人。
背景技術：
現(xiàn)代老齡化社會中腦卒中風成為一種高發(fā)疾病，下肢運動障礙成為腦卒中風、原發(fā)性腦損傷等中樞神經(jīng)損傷的典型后遺癥之一。人體康復工程要求在中風急性期過后進行運動康復訓練，以防止長時間臥床導致的下肢肌肉萎縮，同時激發(fā)大腦神經(jīng)的代償作用，重組大腦神經(jīng)功能，達到部分恢復肢體原有運動功能的目的。傳統(tǒng)康復訓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、適應患者康復水平的運動輸入量。除此之外，老年人的隨著年齡增長出現(xiàn)前庭功能減弱、肢體力量退化，導致協(xié)調(diào)性出現(xiàn)退化，行動不便，生活質(zhì)量下降，同時也大大增加了日常行動過程中缺乏有效支撐、助力輔助下發(fā)生跌倒等外傷性事故的風險。當前老齡化人口結構下，照顧老年人的生活起居越來越成為家庭個人的一大負擔。推廣使用康復機器人是解決上述問題的一個有效途徑。康復機器人涉及到醫(yī)療康復、人機交互、運動控制以及康復器械等多學科交叉領域。下肢的康復運動訓練過程對機器人運動的自由度有特殊的要求，而無需他人輔助的康復機器人在功能上對于外界地形環(huán)境自適應能力和運行過程中的安全性要求很高?，F(xiàn)有助行機器人為滿足支撐需要底盤往往比較龐大，難以靈活地通過狹窄環(huán)境；控制器人機交互算法僅依靠用戶操作指令或單一的人機交互力，輸入信息融合度不足的缺點，不能很好體現(xiàn)用戶行動意圖，智能化程度不高；運動功能簡單，對于機器人使用過程中的安全防護也欠缺考慮。現(xiàn)有的康復機器人基本均為主動式機器人，需要用戶本身較高的操作靈活性，不能很好滿足實際康復需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種康復助行機器人，解決現(xiàn)有康復助行機器人難以靈活通過狹窄環(huán)境、運動功能簡單、對用戶操作靈活性要求較高的問題，以更好滿足實際康復需要。本發(fā)明的一種康復助行機器人，包括扶手架、連接架，平板式微型計算機、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，扶手架通過四個水平放置的直線軸承與連接架在其四個頂點上固定；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；平板式微型計算機通過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套管安裝在底盤上，通過緊固螺釘調(diào)節(jié)S型支撐桿在套管內(nèi)的長度；底盤上安裝有底座橫桿，底座橫桿兩端分別通過軸銷連接支撐架，底座橫桿與兩個支撐架的連接處安裝有角度傳感器，兩個電動推桿的一端通過軸銷連接在底座橫桿中部，兩個電動推桿的另一端通過軸銷分別連接在兩個支撐架中部，兩個支撐架末端分別安裝有萬向輪；底盤底部中心對稱分布安裝三個麥克納姆輪，三個直流電機分別通過電機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距儀和右激光測距儀，控制箱的前方底部安裝有六個紅外線傳感器，其中探測方向為左向、前向、右向的紅外線傳感器各2個；所述控制箱內(nèi)部裝有信號采集電路、電機驅(qū)動電路和鋰電池，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、各激光測距儀及各紅外線傳感器輸出信號通過信號采集電路轉(zhuǎn)換為相應數(shù)字信號，送至平板式微型計算機進行處理；電機驅(qū)動電路執(zhí)行平板式微型計算機輸出的控制信號，分別驅(qū)動各直流電機及各電動推桿；鋰電池為各電氣部件、平板式微型計算機及各直流電機供電；所述平板式微型計算機加載環(huán)境自適應模塊、運動意圖辨識模塊、速度控制模塊、 跌倒預防模塊和電機驅(qū)動模塊； A.環(huán)境自適應模塊進行下述操作Al.分析各紅外線傳感器的數(shù)字信號，判斷是否左向、前向、右向任意一個紅外線傳感器返回高電平信號，是則進行A2，否則置環(huán)境感知信號Iv = 0，左向速度鎖定信號Li、 前向速度鎖定信號Lf、右向速度鎖定信號Lr置0，將Iv、Li、Lf、Lr輸入到電機驅(qū)動模塊； 轉(zhuǎn)A3 ；A2.置Iv= 1，將對應的左向速度鎖定信號Li、前向速度鎖定信號Lf、右向速度鎖定信號Lr置1，將Iv、Li、Lf、Lr輸入到電機驅(qū)動模塊；轉(zhuǎn)A3 ；A3.分析傾度傳感器傳回的傾角數(shù)字信號α，計算重力補償分量Ff Ff = GXSina ,式中，G為康復助行機器人總重量；將Ff輸入到運動意圖辨識模塊；B.運動意圖辨識模塊進行下述操作Bi.接收用戶輸入的行走模式指令，重力補償分量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Fl、右手推拉力數(shù)字信號Fr，以及側(cè)拉壓力傳感器25傳回的水平力數(shù)字信號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’、人機相對位移近距離閾值Sn’以及人機相對位移遠距離閾值Sf’ ；B3.判斷運動意圖，以前向和左向為正方向，順序包括下述過程B3-1.計算轉(zhuǎn)向意圖力Frlr = Fl-Fr ；判斷是否Frr，彡Frlr彡Frl，，是則無轉(zhuǎn)向意圖，否則有轉(zhuǎn)向意圖，進行過程B3-2 ；B3-2.計算前后直行意圖力Flfb = Ff+Fl+Fr ；判斷是否Fib，( Flfb ( Flf，，是則無前后直行意圖，否則有前后直行意圖，進行過程B3-3 ；B3-3.計算左右直行意圖力Fllr = Flh;判斷是否Fir，彡Fllr彡F11，，是則無左右直行意圖，否則有左右直行意圖；B4.將？1~11~、？1作、？111~、有或無轉(zhuǎn)向意圖、有或無前后直行意圖、有或無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·’。以前向和左向為正方向設定運動速度，順序包括下述過程進行下述操作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輸入到跌倒預防模塊；D.跌倒預防模塊進行如下操作Dl.接收左、右激光測距儀輸入的用戶左、右兩腿與機器人之間相對位移數(shù)字信號 Sl與S2，接收意圖辨識模塊輸入的人機相對位移近距離閾值Sn’以及人機相對位移遠距離閾值Sf ’ ；D2.判斷用戶是否處于正常行走狀態(tài)，以前向為正方向，順序包括下述過程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；否則進行D2-2 ；D2-2.判斷是否max{Si，S2} > Sf，，是則為即將跌倒狀態(tài)，置Vlfb = K4X (2X Sf' -S1-S2)，Vr、Vllr保持不變；否則進行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.電機驅(qū)動模塊進行如下操作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合成得到機器人運動的合速度V，根據(jù)三輪全向移動要求，將V進行速度分解后分別得到三個麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，將三個轉(zhuǎn)動速度對應的速度控制信號輸出到電機驅(qū)動電路；E4.判斷是否Iv = 0，是則向電機驅(qū)動電路輸出電動推桿正轉(zhuǎn)驅(qū)動信號，否則向電機驅(qū)動電路輸出電動推桿反轉(zhuǎn)驅(qū)動信號。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，對應該三種行走模式，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 ；人機相對位移近距離閾值Sn’分別為=0. 6m、0. 6m、0. 6m ；人機相對位移遠距離閾值Sf ’分別為=0. 8m、0. 9m、
1.Om0所述電機驅(qū)動模塊的操作E3中，三輪全向移動要求，見R ·西格沃特，I · R ·諾巴克什著，李人厚譯《自主移動機器人導論》，西安交通大學出版社，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需要的機械結構。人機力接觸面采用可調(diào)節(jié)推握扶手設計，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運動輪配合，使人機重心點保持在底盤支撐平面內(nèi)，避免運動時由于過大的支撐力矩而造成傾覆，同時亦為用戶創(chuàng)造出足夠大的自由行走空間。本發(fā)明放棄了現(xiàn)有助行機器人均采用的底盤機械結構半封閉不可變模式，而是在底盤兩邊的安裝可動態(tài)調(diào)整的外展式支撐架，使機器人底盤在環(huán)境允許條件下能夠充分展開，達到穩(wěn)定人機重心的目的，為用戶實現(xiàn)有效地靜態(tài)支撐，而在通過電梯門等狹窄走道時外展式支撐架內(nèi)收，使機器人能夠順利通過。本發(fā)明利用底盤圓周上三個對稱安裝的主動式麥克納姆輪，以運動矢量合成的方式實現(xiàn)機器人真正的全向移動，而沒有采用目前助行機器人普遍使用的兩輪差分驅(qū)動方式。本發(fā)明這種驅(qū)動方式能夠使機器人底盤在保持軸向姿勢不變的狀態(tài)下仍能夠?qū)崿F(xiàn)橫向上的運動，克服了傳統(tǒng)兩輪差分驅(qū)動方式不能實現(xiàn)左右平行移動和爬坡時驅(qū)動能力不足的限制。底盤兩邊安裝有外展式支撐架和電動推桿，外展式支撐架末端安裝有被動式萬向輪， 能夠配合主動式麥克納姆輪，保證機器人在外展式支撐架處于特定外展角度時均具有良好的靜態(tài)支撐和動態(tài)移動能力。 本發(fā)明所搭載傳感器分人一機檢測類與機一環(huán)境檢測類兩種。人一機檢測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，均用于檢測人機交互力；底盤處向后安裝的兩個激光測距儀，用于測量用戶腿部與機器人之間的相對距離。機一環(huán)境檢測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，用于檢測與機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，用于檢測人機運動時所處地面的水平傾角；底座橫桿與支撐架連接關節(jié)處安裝的角度傳感器，用于測量外展式支撐架的外展角度。機器人自身搭載可充電鋰電池作為移動電源，為控制器、傳感器和執(zhí)行器提供動力。
機器人運動時，能夠以紅外線傳感器組和傾度傳感器感知周圍環(huán)境，對機械外形和運動模式做出適當回應。當面向左右的兩組紅外線傳感器沒有檢測到地面突起或凹陷信號時，電動推桿推動支撐架展開；當紅外線傳感器檢測到距離內(nèi)臺階、過道墻壁等突起或凹陷信號時，電動推桿收縮，收攏支撐架。通過上述動態(tài)改變機器人機械外形，以使機器人同時達到增大底盤接觸面積和可適應狹窄過道的目的。左、前、右任何一向紅外線傳感器檢測到障礙物時，均會將該向的機器人運動速度鎖定為0，實現(xiàn)避障功能。傾度傳感器用來檢測機器人所處地面的傾角，實現(xiàn)人機交互力的重力補償，防止機器人在斜面運動時出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。運動協(xié)同控制方面，機器人將屏幕操作指令、力傳感器陣列傳回的人機力交互信號和兩個激光測距儀傳回的人機相對位移信號作為輸入，通過運動意圖辨識模塊得到用戶的行走意圖，繼而通過速度控制模塊得到的機器人運動速度，在用戶運動意圖方向上能夠跟隨用戶運動速度，而在非意圖方向上的機器人運動會得到抑制，從而實現(xiàn)為用戶提供行動助力，并且穩(wěn)定非運動意圖方向上的搖晃的目的。接著，通過跌倒預防模塊判別用戶是否處于即將跌倒狀態(tài)，進而對機器人運動速度進行相應的修正，以調(diào)整機器人走位，實現(xiàn)動態(tài)防跌倒輔助支撐。最后調(diào)用電機驅(qū)動模塊向底層電機驅(qū)動電路輸出電機轉(zhuǎn)速控制量，通過直流電機驅(qū)動麥克納姆輪，從而實現(xiàn)人機協(xié)同運動。本發(fā)明擁有全方向運動和自適應行走環(huán)境的機械結構，能夠自適應復雜的外界環(huán)境，實現(xiàn)障礙物檢測與規(guī)避避障、防止滑坡等功能。根據(jù)每一次運動后用戶的反饋體驗，更新調(diào)整平板式微型計算機裝載的各模塊中力閾值、相對位移閾值等參數(shù)，對運動障礙度較重的用戶設定較小的位移閾值和力閾值，對運動障礙度較輕的用戶設定較大的位移閾值和力閾值，以滿足不同用戶和各個康復階段的需要，在康復訓練和運動輔助時為用戶在運動意圖方向上提供行走助力，同時，利用激光測距儀檢測和記錄用戶康復訓練過程中的步態(tài)信息，提供防跌倒支撐運動安全保護；能夠檢測使用者康復訓練數(shù)據(jù)，量化步態(tài)信息，還可以通過平板微型計算機上的無線網(wǎng)卡接入互聯(lián)網(wǎng)，為康復醫(yī)學專家分析提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)遠程醫(yī)療診斷和康復指導。本發(fā)明彌補了一般康復機器人輸入信息融合度不足和主動式機器人操作靈活性要求過高的問題，解決了用戶運動障礙和機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為平板式微型計算機加載的各模塊示意圖。圖中扶手架1，平板式微型計算機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，激光測距儀 12，紅外線傳感器13，底盤14，底座橫桿15，電動推桿16，支撐架17，萬向輪18，角度傳感器 19，麥克納姆輪20，直流電機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具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的實施例，包括扶手架1、連接架23，平板式微型計算機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通過四個水平放置的直線軸承7與連接架23在其四個頂點上固定；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 ；平板式微型計算機2通過支撐座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另一端通過套管安裝在底盤14上，通過緊固螺釘10調(diào)節(jié)S型支撐桿9在套管內(nèi)的長度；底盤14上安裝有底座橫桿15，底座橫桿兩端分別通過軸銷連接支撐架17，底座橫桿15與兩個支撐架17的連接處安裝有角度傳感器19，兩個電動推桿16的一端通過軸銷連接在底座橫桿15中部，兩個電動推桿16的另一端通過軸銷分別連接在兩個支撐架中部，兩個支撐架末端分別安裝有萬向輪18 ；底盤14底部中心對稱分布安裝三個麥克納姆輪20，三個直流電機21分別通過電機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激光測距儀12，控制箱11的前方底部安裝有六個紅外線傳感器13，其中探測方向為左向、前向、右向的紅外線傳感器各2個；所述控制箱11內(nèi)部裝有信號采集電路、電機驅(qū)動電路和鋰電池，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、各激光測距儀12及各紅外線傳感器13輸出信號通過信號采集電路轉(zhuǎn)換為相應數(shù)字信號，送至平板式微型計算機進行處理；電機驅(qū)動電路執(zhí)行平板式微型計算機輸出的控制信號，分別驅(qū)動各直流電機及各電動推桿；鋰電池為各電氣部件、平板式微型計算機及各直流電機供電。如圖4所示，所述平板式微型計算機加載環(huán)境自適應模塊、運動意圖辨識模塊、速度控制模塊、跌倒預防模塊和電機驅(qū)動模塊。本發(fā)明使用時，麥克納姆輪20的直流電機21抱閘，鎖定機器人位置，為用戶提供靜態(tài)支撐。電動推桿將輔助外展式支撐架展開，方便用戶進入到機器人使用位置。用戶扶握扶手進入到使用位置，通過觸摸式顯示屏上選擇運動模式，確定后控制程序激活所載的各個傳感器和控制回路，松開電機抱間，進入到運動模式。用戶手握扶手架上的扶手推桿，在全方向平面上自由行走。機器人通過力傳感器陣列和激光測距儀得到人機力與交互信息和步態(tài)信息，經(jīng)過信號采集電路后作為運動意圖辨識模塊的輸入，辨識出用戶當前的行為模式和運動意圖，進而調(diào)用相應模塊，輸出三個直流電機的控制量，控制三個主動式麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，實現(xiàn)人機協(xié)同運動。運動過程中前向的紅外線傳感器陣列可以檢測行走環(huán)境的凹陷、突起邊緣，實現(xiàn)避障功能。傾度傳感器能夠檢測行走環(huán)境的水平傾角，實現(xiàn)人機交互力的重力補償功能；電動推桿能夠根據(jù)紅外線傳感器傳回的外界環(huán)境信號動態(tài)調(diào)整支撐架的外展角度，在環(huán)境允許時增大運動底盤面積，同時適應電梯口等狹窄的走道環(huán)境。激光測距儀能夠?qū)崟r檢測人機位置交互位置信息，判別用戶是否為即將跌倒狀態(tài)，進而通過修正機器人運動速度調(diào)整機器人走位和姿態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)防跌倒輔助支撐。 當運動結束，用戶在顯示屏人機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，機器人保存記錄用戶康復訓練過程的步態(tài)信息，然后進入待機狀態(tài)。用戶松開扶手退出人機交互區(qū)，完成一次康復訓練或活動。
權利要求
1. 一種康復助行機器人，包括扶手架(1)、連接架(23)，平板式微型計算機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)通過四個水平放置的直線軸承(7)與連接架在其四個頂點上固定；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 ；平板式微型計算機( 通過支撐座( 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)另一端通過套管安裝在底盤(14)上，通過緊固螺釘(10)調(diào)節(jié)S型支撐桿 (9)在套管內(nèi)的長度；底盤(14)上安裝有底座橫桿(15)，底座橫桿兩端分別通過軸銷連接支撐架(17)，底座橫桿(1 與兩個支撐架(17)的連接處安裝有角度傳感器(19)，兩個電動推桿(16)的一端通過軸銷連接在底座橫桿(1 中部，兩個電動推桿(16)的另一端通過軸銷分別連接在兩個支撐架中部，兩個支撐架末端分別安裝有萬向輪(18)；底盤(14)底部中心對稱分布安裝三個麥克納姆輪(20)，三個直流電機分別通過電機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激光測距儀(12)，控制箱(11)的前方底部安裝有六個紅外線傳感器(13)，其中探測方向為左向、前向、右向的紅外線傳感器各2個；所述控制箱(11)內(nèi)部裝有信號采集電路、電機驅(qū)動電路和鋰電池，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 、各激光測距儀(1 及各紅外線傳感器(1 輸出信號通過信號采集電路轉(zhuǎn)換為相應數(shù)字信號，送至平板式微型計算機進行處理；電機驅(qū)動電路執(zhí)行平板式微型計算機輸出的控制信號，分別驅(qū)動各直流電機及各電動推桿；鋰電池為各電氣部件、平板式微型計算機及各直流電機供電；所述平板式微型計算機加載環(huán)境自適應模塊、運動意圖辨識模塊、速度控制模塊、跌倒預防模塊和電機驅(qū)動模塊；A.環(huán)境自適應模塊進行下述操作Al.分析各紅外線傳感器的數(shù)字信號，判斷是否左向、前向、右向任意一個紅外線傳感器返回高電平信號，是則進行A2，否則置環(huán)境感知信號Iv = 0，左向速度鎖定信號Li、前向速度鎖定信號Lf、右向速度鎖定信號Lr置0，將Iv、Ll、Lf、Lr輸入到電機驅(qū)動模塊；轉(zhuǎn)A3 ； A2.置Iv = 1，將對應的左向速度鎖定信號Li、前向速度鎖定信號Lf、右向速度鎖定信號Lr置1，將Iv、Ll、Lf、Lr輸入到電機驅(qū)動模塊；轉(zhuǎn)A3 ；A3.分析傾度傳感器傳回的傾角數(shù)字信號α，計算重力補償分量Ff : Ff = GXSina，式中，G為康復助行機器人總重量；將Ff輸入到運動意圖辨識模塊；B.運動意圖辨識模塊進行下述操作Bi.接收用戶輸入的行走模式指令，重力補償分量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F1、右手推拉力數(shù)字信號Fr，以及側(cè)拉壓力傳感器25傳回的水平力數(shù)字信號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’、人機相對位移近距離閾值 Sn’以及人機相對位移遠距離閾值Sf’ ；B3.判斷運動意圖，以前向和左向為正方向，順序包括下述過程 B3-1.計算轉(zhuǎn)向意圖力Frlr = Fl-Fr ；判斷是否Frr，彡Frlr彡Frl，，是則無轉(zhuǎn)向意圖，否則有轉(zhuǎn)向意圖，進行過程B3-2 ；B3-2.計算前后直行意圖力Flfb = Ff+Fl+Fr ；判斷是否Fib，( Flfb ( Flf，，是則無前后直行意圖，否則有前后直行意圖，進行過程B3-3 ；B3-3.計算左右直行意圖力Fllr = Flh;判斷是否Fir，彡Fllr彡Fll，，是則無左右直行意圖，否則有左右直行意圖；B4.將Frlr、Flfb、Fllr、有或無轉(zhuǎn)向意圖、有或無前后直行意圖、有或無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’。以前向和左向為正方向設定運動速度，順序包括下述過程進行下述操作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輸入到跌倒預防模塊；D.跌倒預防模塊進行如下操作Dl.接收兩個激光測距儀輸入的用戶左、右兩腿與機器人之間相對位移數(shù)字信號Sl與 S2，接收意圖辨識模塊輸入的人機相對位移近距離閾值Sn’以及人機相對位移遠距離閾值 Sf，；D2.判斷用戶是否處于正常行走狀態(tài)，以前向為正方向，順序包括下述過程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；否則進行D2-2 ；D2-2.判斷是否max{Si，S2} > Sf，，是則為即將跌倒狀態(tài)，置Vlfb = K4X (2X Sf' -S1-S2)，Vr、Vllr保持不變；否則進行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.電機驅(qū)動模塊進行如下操作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合成得到機器人運動的合速度V，根據(jù)三輪全向移動要求， 將V進行速度分解后分別得到三個麥克納姆輪的轉(zhuǎn)動速度，將三個轉(zhuǎn)動速度對應的速度控制信號輸出到電機驅(qū)動電路；E4.判斷是否Iv = 0，是則向電機驅(qū)動電路輸出電動推桿正轉(zhuǎn)控制信號，否則向電機驅(qū)動電路輸出電動推桿反轉(zhuǎn)控制信號。
2.如權利要求1所述的康復助行機器人，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，對應該三種行走模式，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 ；人機相對位移近距離閾值Sn’分別為=0. 6m、0. 6m、0. 6m ；人機相對位移遠距離閾值Sf ’分別為=0. 8m、0. 9m、·1.Om0
全文摘要
一種康復助行機器人，屬于助行機器人及康復器械，解決現(xiàn)有康復助行機器人難以靈活通過狹窄環(huán)境、運動功能簡單、對用戶操作靈活性要求較高的問題，以更好滿足實際康復需要。本發(fā)明包括扶手架、連接架，平板式微型計算機、S型支撐桿和底盤，扶手架通過直線軸承與連接架固定，平板式微型計算機通過支撐座安裝在連接架上，連接架通過S型支撐桿安裝在底盤上；底盤上裝有控制箱，平板式微型計算機加載環(huán)境自適應模塊、運動意圖辨識模塊、速度控制模塊、跌倒預防模塊和電機驅(qū)動模塊。本發(fā)明能夠自適應復雜的外界環(huán)境，實現(xiàn)障礙物檢測與規(guī)避、防止滑坡等功能，提供防跌倒保護，解決了用戶運動障礙和機器人操作性要求之間的矛盾。
文檔編號A61H3/04GK102551994SQ20111043035
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權日2011年12月20日
發(fā)明者葉見羽, 王永驥, 霍衛(wèi)光, 黃劍 申請人:華中科技大學