CN101803988B - 多功能智能助立助行康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能智能助立助行机器人，整个机器人基本包含三个部分：机械助立装置、底盘移动装置、监测控制装置。机械助立装置包括支撑底座、摆动臂、电动推杆、扶手装置。底盘移动装置包括底座、电机固定架、四个麦克纳姆轮、刹车棘轮、刹车片等。监测控制装置包括力传感器阵列、视觉传感器、测距传感器等，另外机器人还包含动力源蓄电池等。该机器人可实现对使用者的助立助行辅助，使用者在坐姿的情况下机器人可以将使用者安全舒适的扶起，使用者在行走的过程中机器人对使用者的移动意图进行判断，能够进行全方位协同移动。同时机器人还可以对使用者的移动步态进行检测判断使用者的平稳性，并对使用者实时做出相应的扶持。通过使用此机器人可以安全有效帮助下肢受伤病人进行康复训练和帮助体弱的老年人进行日常的活动。

Description

多功能智能助立助行康复机器人

技术领域

本发明涉及助立助行康复设备，具体地指一种多功能智能助立助行康复机器人。该机器人能辅助使用者进行由坐姿变站立以及站立行走等康复训练，同时具有对使用者的康复训练进行检测和保护功能。

技术背景

由于事故、伤病等原因造成下肢受损的病人，为了防止长时间的卧床导致肌肉萎缩，常常需要不断的进行站立和行走的训练，同时以达到康复的目的。另外，老年人的腿部肌肉无力，也常常导致其行动不便甚至丧失活动能力，严重影响着老年人的生活质量。特别是随着近年来社会的老龄化加剧以及一些伤病事故的增多，采用人为辅助的方法来帮助病人进行康复训练和照顾老年人的生活越来越成为社会和家庭的负担。

设计一种能够辅助下肢运动功能障碍病人和老年人实现坐姿到站姿的相互转换以及帮助其安全行走的智能化装置有着广泛的社会需求。很多个人和机构在这方面作出了巨大的努力，但现有的相关设备，功能都比较单一，只能单纯地实现辅助站立或者辅助行走的功能，并且智能化程度都不高，难以实现使用者科学安全的自我训练康复或活动，往往需要他人的看护或部分辅助。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种多功能智能助立助行康复机器人，该机器人能够辅助使用者实现坐姿状态到站立状态的相互转化和辅助使用者行走，并实现对其辅助的运动进行安全保护。

本发明提供的一种多功能智能助立助行康复机器人，其特征在于，该机器人的结构为：

支撑底座安装在底盘上，摆动臂通过第一销轴与支撑底座相连，支撑底座通过连接板和第二销轴与电动推杆的固定端连接，摆动臂通过连接板和第三销轴与电动推杆的推杆端连接，通过电动推杆的伸缩来实现摆动臂的前后摆动；高低调节臂的下端嵌套在摆动臂内，高低调节臂上端套在紧固杆的一端连接，紧固杆的另一端安装有扶手横杆；扶手横杆的两端分别安装有扶手管，扶手管上均安装有扶手板，扶手板的前端均安装有扶手，同时在扶手的前面均安装有刹车握把，刹车握把通过刹车线与两个后轮的刹车杆相连；二个扶手板的侧边均安装有一个挂板，挂板中间开有滚动槽和多个挂钩槽，挂板通过一个能够固紧的挂板滚轴与连接带相连，连接带的末端有挂钩；

底盘的底部分别安装有四个全方位移动轮，四个电机分别通过固定在底盘前、后端的两侧，四根传动轴分别穿过四个轴承将四个电机和四个全方位移动轮相连；在后端的两个传动轴上还分别安装有一个刹车棘轮，在后端二个电机固定架上分别通过销轴安装有刹车杆，在二个刹车杆的末端分别装有一个刹车片；

控制箱安装在底盘的前端，控制箱的下部安装有面向前面的视觉传感器和两个面向后面的测距传感器；

六维力传感器安装在紧固杆的中间，压力传感器阵列分布在扶手板上。

本发明的优点在于：整个设计采用手推车式的设计，方便辅助使用者实现站立和行走。其中扶手的高度和角度都可以很方便地调节以适用于不同身高和不同习惯的使用者。扶手前安装有刹车握把保证使用者在实现由坐姿到站立时的安全，设计符合人体工程学。挂板的多挂钩设计也同样方便不同的使用者进行调整，挂板上的连接带在助立时对使用者产生向上的提升力，行走时其保持松弛方便使用者移动同时在使用者跌倒时起到保护作用。

另外，本机器人具有较高的智能度。整个机器人的底盘装有四个麦克纳姆轮，采用四轮驱动，可以实现全方位移动。本机器人可以通过自身的视觉传感器和测距传感器自动寻找使用者的位置。另外，通过扶手板上的压力传感器阵列和连接套上的六维力传感器检测判断使用者的行走的意图，通过主动的控制机构和执行机构对使用者进行协同辅助，并实现对其运动安全的保护。同时通过这些力传感器可以检测使用者助立时的状态，保护使用者安全。而安装于控制台后面的测距传感器在行走时实时监测使用者的移动步态，具有跌倒预判功能。同时机器人据此相应移动实现对使用者的防跌倒辅助。当使用者活动结束以后还可以安全地辅助使用者从站立状态回到坐姿状态。

此机器人的辅助运动可以安全有效的帮助病人实现下肢功能的康复训练，加快康复进程，防止下肢肌肉萎缩。另外也可以对老年人的日常活动进行智能辅助，提高其生活质量，可广泛应用于临床和家庭。

附图说明

图1为多功能智能助立助行康复机器人主视图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为多功能智能助立助行康复机器人控制箱主视图；

图5为图4的俯视图；

图6为图4的侧视图；

图7为多功能智能助立助行康复机器人车轮装配图；

图8为图7的A-A剖视图；

图9为多功能智能助立助行康复机器人扶手部分降低后主视图图；

图10为多功能智能助立助行机器人的控制示意图。

图中：扶手板1，扶手2，刹车握把3，扶手管4，挂板5，连接带6，紧固杆7，六维力传感器8，高低调节臂9，紧固螺钉10，摆动臂11，控制箱12，电机固定架13，麦克纳姆轮14，第三销轴15，电动推杆16，第二销轴17，支撑底座18，底盘19，压力传感器阵列20，刹车杆21，挂板滚轴22，扶手横杆23，行程开关24，电机25，后部挡板26，隔板27，蓄电池28，视觉传感器29，测距传感器30，底座31，轴承32，传动轴33，刹车棘轮34，前部护罩35，刹车片36，第一销轴37。

具体实施方式

此机器人为主动协同式的机器人，其本身不含轮椅部分可以实现自由的移动，大大增强了其应用的范围。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

图中所示的多功能智能助立助行机器人包括机械助立装置、底盘移动装置和监测控制装置。

如图1至3所示，机械助立装置的结构为：支撑底座18安装在底盘19上，摆动臂11通过第一销轴37与支撑底座18相连，支撑底座18通过连接板和第二销轴17与电动推杆16的固定端连接，摆动臂11通过连接板和第三销轴15与电动推杆16的推杆端连接，通过电动推杆16的伸缩来实现摆动臂11的前后摆动。高低调节臂9的下端嵌套在摆动臂11内，通过紧固螺钉10实现与摆动臂11的定位，方便不同身高的使用者调整，高低调节臂9上端套在紧固杆7的一端并通过螺钉紧固连接，紧固杆7的另一端安装有扶手横杆23。紧固杆7与扶手横杆23相连端的内部表面和扶手横杆23的中间安装部分的外表面都有滚花，通过安装在紧固杆7此端的两个螺钉实现与扶手横杆的夹紧固定，这样同样方便实现整个扶手部分角度的调整；扶手横杆23的两端分别安装有扶手管4，扶手管4上均安装有扶手板1，扶手板1的前端均通过螺纹装配有扶手2，同时在扶手2的前面均安装有刹车握把3，刹车握把3通过刹车线与两个后轮的刹车机构(刹车杆21)相连；二个扶手板1的侧边均安装有一个挂板5，挂板5中间开有滚动槽和多个挂钩槽，方便不同的使用者调节，挂板5通过一个可固紧的挂板滚轴22与连接带6相连，连接带6的末端有挂钩可与穿于人体上的保护布套相连。

底盘移动装置的结构为：底盘19的底部分别安装有四个全方位移动轮(即麦克纳姆轮)14，四个电机25分别通过四个电机固定架13固定在底盘19前、后端的两侧，各电机固定架13的套杯内分别安装有轴承32，四根传动轴33分别穿过四个轴承32将四个电机25和四个麦克纳姆轮14相连。在后端的两个传动轴33上还分别安装有一个刹车棘轮34，在后端二个电机固定架13上分别通过销轴安装有刹车杆21，在二个刹车杆21的末端分别装有一个刹车片36，通过二个刹车片36与二个刹车棘轮34的摩擦力实现刹车。

底盘由四个主动的全方位轮驱动，使得整个机器人可以实现全方位的移动。刹车机构采用棘轮的方式保证刹车能够一次性的刹死。

监测控制装置包括控制箱12，控制箱12安装在底盘19的前端，控制箱12包含底座31，后部挡板26和前部护罩35。如图4-6所示，控制箱通过隔板27分为两层，下层中安装有蓄电池28，控制箱12的下部安装有面向前面的视觉传感器29和两个面向后面的测距传感器30，视觉传感器29可以检测前方的障碍，两个后面的测距传感30在使用者使用时通过检测使用者两腿的姿态来判断使用者的状态从而实现对使用者的保护。控制箱12的上层用于安装主控制板、电机驱动板、速度采集板和数据采集板。

六维力传感器8安装在紧固杆7的中间，压力传感器阵列20分布在扶手板1上，两个传感器配合用以判断使用者行走的意图，从而控制四个全方位轮转动辅助行走。在刹车握把下端可以安装行程开关24，用于检测刹车状态。

机器人的控制方案如图10，其工作原理为：

机器人的数据采集卡同时采集六维力传感器8、压力传感器阵列20、视觉传感器29和两个测距传感器30的信号，对信号做放大、滤波处理，然后传递给主控制板。当机器人还没有到达患者位置时，主控制板通过对视觉传感器29和测距传感器30的信号进行分析来确定患者的位置；当患者进行康复训练时，通过分析两个测距传感器30的信号来确定患者的步态，对患者的步态进行分析判断患者行走的平稳性；通过分析压力传感器阵列20的信号确定患者的上身的平衡性；通过分析六维力传感器8的信号判断患者的行走意图。得到如上的信息后，主控制板对其进行整合，确定当前患者的状态以及行走意图，决策发出控制信号，通过电机驱动板和推杆控制板分别对安装在四个麦克纳姆轮14上的四个电机25和电动推杆16进行驱动，控制电机25带动四个麦克纳姆轮14进行转动。四个麦克纳姆轮14相应转速和转向的组合，实现整个机器人的全方位移动。与此同时，速度采集卡采集四个电机25的实际转速和转向，将信号处理后反馈给主控制板确定当前的机器人的移动是否与设定相符，从而进行反馈控制，实现安全准确的控制。电动推杆16控制部分，推杆控制板接收到主控制板的信号，控制电动推杆的伸缩量，并采集电动推杆自身的位移传感器的信号，进行反馈控制。

本发明使用时，当多功能智能助立助行机器人接收到使用者要使用的信号时，其通过自身的视觉传感器29和测距传感器30应用机器人自动移动技术找到使用者的位置，当此机器人到达合适的位置时，电动推杆16收缩，将摆动臂11及其之上的扶手部分降下来，此时使用者将挂钩与穿于身上的保护布套相连，手握住扶手2和刹车握把3，系统确认使用者已经准备好后电动推杆16工作，推动摆动臂11上扬，带动使用者实现由坐姿变为站立。在辅助站立的过程中通过扶手板1上的压力传感器阵列20和连接管上的六维力传感器8检测使用者的状态，控制电动推杆16的速度，保证使用者的使用舒适。当使用者站立以后，连接带6处于松弛状态，这样使用者可以自由活动，扶着机器人向各个方向活动，扶手板1上的压力传感器阵列20和连接管上的六维力传感器8检测使用者的移动意图，控制器控制四个电机25带动麦克纳姆轮14作出相应的转动，实现与使用者协同移动，测距传感器30检测使用者的步态，控制器判断使用者的平稳状态，当使用者移动不平稳时机器人作出相应的移动，对使用者进行扶持。当使用者运动完以后，回到原来的位置，手握住扶手2和刹车握把3，控制电动16推杆收缩，将摆动臂11及其之上的扶手部分降下来，带动使用者实现由站立变为坐姿。此时，解下连接带6，完成一次康复训练或活动。

首先说明本发明的基本特点是采用四轮驱动，实现全方位自主移动。其辅助站立机构，能够帮助使用者在坐姿时方便实现站立，同时在完成站立后，能辅助使用者进行全方位移动。本机器人具有智能保护功能，在使用者使用的工程中，能够检测使用者的平稳状态，主动辅助保护使用者的安全。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明的驱动可以不采用全方位轮和四轮驱动，而采用部分传动机构，同样实现全方位自主移动。其中助立助行机构部分，其可能不采用电动推杆，而是类似驱动机构实现相同的功能。其传感器的相应种类可能有所删减，安装位置可能有所变动，但其在相同结构下同样实现对使用者的平稳性和步态的检测。其刹车机构和驱动机构可能采用不同的形式，但是实现基本类同的功能。因此，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种多功能智能助立助行康复机器人，其特征在于，该机器人的结构为： 

支撑底座（18）安装在底盘（19）上，摆动臂（11）通过第一销轴（37）与支撑底座（18）相连，支撑底座（18）通过连接板和第二销轴（17）与电动推杆（16）的固定端连接，摆动臂（11）通过连接板和第三销轴（15）与电动推杆（16）的推杆端连接，通过电动推杆（16）的伸缩来实现摆动臂（11）的前后摆动；高低调节臂（9）的下端嵌套在摆动臂（11）内，高低调节臂（9）上端套在紧固杆（7）的一端固定连接，紧固杆（7）的另一端安装有扶手横杆（23）；扶手横杆（23）的两端分别安装有扶手管（4），扶手管（4）上均安装有扶手板（1），扶手板（1）的前端均安装有扶手（2），同时在扶手（2）的前面均安装有刹车握把（3），刹车握把（3）通过刹车线与两个后轮的刹车杆（21）相连；二个扶手板（1）的侧边均安装有一个挂板（5），挂板（5）中间开有滚动槽和挂钩槽，挂板（5）通过一个能够固紧的挂板滚轴（22）与连接带（6）相连，连接带（6）的末端有挂钩；

底盘（19）的底部分别安装有四个全方位移动轮（14），四个电机（25）分别固定在底盘（19）前、后端的两侧，四根传动轴（33）分别穿过四个轴承（32）将四个电机（25）和四个全方位移动轮（14）相连；在后端的两个传动轴（33）上还分别安装有一个刹车棘轮（34），在后端二个电机固定架（13）上分别通过销轴安装有刹车杆（21），在二个刹车杆（21）的末端分别装有一个刹车片（36）；

控制箱（12）安装在底盘（19）的前端，控制箱（12）的下部安装有面向前面的视觉传感器（29）和两个面向后面的测距传感器（30）；

六维力传感器（8）安装在紧固杆（7）的中间，压力传感器阵列（20）分布在扶手板（1）上。

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