CN104398347A - 一种新型轮椅式电动步行训练装置及控制方法 - Google Patents

一种新型轮椅式电动步行训练装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种新型轮椅式电动步行训练装置及控制方法,可用于电动轮椅代步和站立移动步行训练。该装置包括嵌入式上位机、运动控制单元、姿态变换控制单元、步态测量单元、人机交互单元。在上述各单元的协调控制下,该装置可工作于电动轮椅代步、站立步行训练两种工作模式,其中站立步行训练模式可分为主动训练模式和被动训练模式。本发明可以为老人和下肢残障人群提供代步以及不同下肢康复阶段的下肢站立式减重步行训练。

Description

一种新型轮椅式电动步行训练装置及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种新型轮椅式电动步行训练装置及方法,属于康复医疗领域,适用于下肢不便的老人和下肢康复期的残障人士。
背景技术
[0002] 随着科技进步和人民生活水平的提高,我国和世界上许多国家都正在进入老龄化。在老龄人群中,心脑血管疾病使老年瘫痪患者的人数不断增多,并呈现年轻化的趋势。而且现在交通运输工具的使用迅速增长,由交通事故造成的神经性损伤和肢体伤害的人数也随之增长。临床医学和理论医学证明,这些患者如果只是进行手术治疗和药物治疗,并不能达到完全的功能恢复,而必须要配合正确的功能性康复训练。目前在较大型的医院和康复中心都设有康复训练科以及护理人员,为患者提供专业的肢体功能康复训练。虽然患者得到了专业的康复训练,由于高重复性、高强度、高体力消耗,使得人工康复训练消耗了大量的人力和物力。鉴于此,部分医疗机构引入了大型康复训练机器人来代替人工,一方面节省了人力,另一方面能够给患者提供科学规范的康复训练。受到了患者的欢迎。但由于训练费用高昂,也使得采用康复训练机器人进行肢体康复训练的患者数量较少。因此,肢体康复训练设备的小型化、操作简单化,使得普通患者能够实现家庭式自主康复训练,将是未来的发展趋势。
发明内容
[0003] 为了解决上述问题,本发明提出了一种新型轮椅式电动步行训练装置及控制方法,一方面可实现代步功能,另一方面可实现家庭式步行训练。
[0004] 一种新型轮椅式电动步行训练装置,包括椅背,轮椅框架,座椅、扶手、嵌入式上位机、运动控制单元、人机交互单元,其特征在于,还包括用于电动轮椅模式和步行训练模式变换的姿态变换控制单元、用于采集步行训练模式下步行状态的步态测量单元,嵌入式上位机通过信号线分别与姿态变换控制单元、步态测量单元相连接;姿态变换控制单元,包括用于抬高扶手高度的扶手升降机构、用于将座椅从两个扶手之间移开的座椅调整机构。
[0005] 优选的,所述的扶手升降机构为由驱动电机驱动的铰接升降机构,该机构共有两个,左右对称设置于扶手与扶手下方轮椅框架之间,升降机构向上的最大行程大于0.5m,小于lm,在轮椅模式和步行训练模式变换时,用于将扶手抬升至设定高度。
[0006] 优选的,座椅调整机构包括驱动电机和由驱动电机驱动的座椅导轨,座椅导轨设置于座椅和座椅下方的轮椅框架之间,在轮椅模式和步行训练模式变换时,用于将座椅从臀部移开。
[0007] 优选的,步态测量单元由陀螺仪、加速度传感器、磁场计构成。
[0008] 优选的,嵌入式上位机采用基于ARM的嵌入式控制器。
[0009] 优选的,还设置有降低患者下肢承重的减重带。
[0010] 优选的,嵌入式上位机与各控制单元采用CAN总线连接。
[0011] 一种新型轮椅式电动步行训练装置的控制方法,包括以下步骤:
[0012] 步骤1:系统状态上电自检,如果检测到故障,系统通过人机交互单元显示报警状态,并提示故障状态,如果无障碍,执行步骤2。
[0013] 步骤2:利用人机交互单元选择工作模式,如果选择电动轮椅模式,执行步骤3,如果选择步行训练模式,执行步骤4。
[0014] 步骤3:嵌入式上位机根据人机交互单元的信息输入,生成运动指令,通过信号线发送至运动控制单元,由运动控制单元驱动电动轮椅按照运动指令在指定速度和方向下运动,实现步行训练器电动轮椅代步功能,执行步骤5 ;
[0015] 步骤4:停止步行训练器的移动功能,并设定扶手上升高度;嵌入式上位机向姿态变换控制单元发送电动轮椅模式和步行训练模式变换切换的信号,驱动扶手和座椅动作,将扶手升降至指定高度,将座椅从两个扶手之间移开;步态测量单元采集步行训练模式下步行状态信息,并上传嵌入式上位机,采用基于惯性单元测量的姿态测量方法进行信息处理;依据信息处理结果,调整运动单元的速度和方向,实现步行训练;
[0016] 步骤5:如工作模式无变换,继续当前模式;如接收到停止指令,则停止当前模式;如工作模式变为步行训练模式,则跳至步骤4 ;如果选择退出系统,则跳至步骤8 ;
[0017] 步骤6:如工作模式无变换,继续当前模式;如接收到停止指令,则停止当前模式;如工作模式变为电动轮椅模式,则跳至步骤7 ;如果选择退出系统,则跳至步骤8 ;
[0018] 步骤7:嵌入式上位机向姿态变换控制单元发送电动轮椅模式和步行训练模式变换切换的信号,驱动扶手和座椅动作,恢复至电动轮椅状态,执行步骤4 ;
[0019] 步骤8:系统控制姿态变换单元将步行训练器恢复至电动轮椅状态,并退出系统。
[0020] 优选的,步行训练模式分为主动训练模式和被动训练模式,主动训练模式下,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果,通过运动单元调整步行训练器的速度略小于步行速度;被动训练模式下,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果,通过运动单元调整步行训练器速度略大于步行速度。
[0021] 优选的,被动训练模式中设置有难度分级功能,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果及难度级别的选择,通过运动单元调整步行训练器速度。
[0022] 本发明在电动轮椅模式下,使用者可以通过操纵杆控制驱动机构实现普通电动轮椅功能;在步行训练模式下,系统通过控制升降装置将使用者由坐姿转换为站姿,并通过减重带降低患者下肢的承重量。使用者通过人机交互界面可选择合适自己的训练难度,系统将控制车体运行在指定的速度下,带动使用者进行步行训练。本发明采用科学的步行训练模式,能够为使用者提供标准的步行训练速度和身体减重量,从而将使用者的步行训练科学化和专业化,大大提高使用者的下肢行走功能的康复效果。
附图说明
[0023] 图1为本发明训练装置坐姿侧视图。
[0024] 图2为本发明训练装置坐姿俯视图。
[0025] 图3为本发明训练装置站姿侧视图。
[0026] 图4为本发明训练装置站姿俯视图。
[0027] 图5为本发明训练装置控制系统结构图。
[0028] 图6为本发明训练装置控制方法流程图。
具体实施方式
[0029] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0030] 参见图1,2,3,4,本发明是一种新型轮椅式电动步行训练装置,包括椅背1,轮椅框架5,左扶手2a,右扶手2b,绑带扣一 18a,绑带扣二 18b,绑带扣三18c,绑带扣四18d,左铰接升降机构3a,右铰接升降机构3b,左升降电机8a,右升降电机8b,座椅14,座椅左导轨4a,座椅右导轨4b,座椅驱动电机13,左移动驱动电机7a,右移动驱动电机7b,左移动驱动轮6a,右移动驱动轮6b,左万向轮10a,右万向轮10b,电池9,左辅助把手12a,右辅助把手12b,交互面板11。控制系统包括嵌入式上位机、运动控制单元、姿态变换控制单元、步态测量单元、人机交互单元。
[0031] 其中,嵌入式上位机为系统中央控制器,负责系统人机交互指令处理、运动规划、步态训练策略生成。嵌入式上位机通过CAN总线与其他控制单元相连接。
[0032] 运动控制单元负责步行训练器的移动功能,包括左移动驱动电机7a,右移动驱动电机7b,移动驱动电机控制器。在不同运行模式下,运动可控制单元根据嵌入式上位机通过CAN总线发送的移动指令,控制左移动驱动电机7a和右移动驱动电机7b在指定速度和方向下运行;
[0033] 姿态变换控制单元负责步行训练器的姿态变换功能,包括左升降电机8a,右升降电机8b,升降驱动控制器,座椅驱动电机13,座椅驱动控制器。在步行训练模式下,姿态变换控制单元根据嵌入式上位机通过CAN总线发送的移动指令,控制左升降电机8a和右升降电机Sb将左扶手2a和右扶手2b通过左铰接升降机构3a和右铰接升降结构3b升降至指定高度;座椅驱动控制器控制座椅驱动电机13将座椅14在座椅导轨4a,4b上滑动至轮椅后方。
[0034] 步态测量单元负责对人体下肢步行状态进行测量。在步行训练模式下,步态测量单元对人体运动过程中下肢的步幅、步频等运动参数进行测量,并通过CAN总线发送至嵌入式上位机。
[0035] 人机交互单元负责系统与使用者的交互,包括对使用者控制指令的接收和系统运行状态的显示和报警。
[0036] 本实施例中,嵌入式上位机采用三星公司基于ARM920T内核的S3C2410ARM9微处理器,也可米用其他形式的嵌入式微处理器,操作系统为基于Linux2.6内核的实时多任务操作系统。
[0037] 运动控制单元的电机驱动控制器、姿态变换单元的升降控制器以及座椅控制器均采用TI公司TMS320LF2407DSP微处理器。运动控制单元的左移动驱动电机7a和右移动驱动电机7b采用直流有刷电机加蜗轮蜗杆减速器方式;姿态变换单元的左升降电机8a、右升降电机8b和座椅驱动电机13均采用电动推杆。
[0038] 步态测量单元采用基于MEMS陀螺仪、加速度计、磁场计相结合设计的惯性姿态传感器。
[0039] 人机交互单元用于接收使用者命令输入,包括操纵杆15,触摸屏17和辅助功能键16。人机交互单元中的操纵杆用于接收使用者在电动轮椅模式下运动控制指令输入,经过CAN总线发送至嵌入式上位机;辅助功能键16用于接收系统工作模式切换命令和系统设置指令,并将系统工作模式切换指令和系统设置指令输送至嵌入式上位机;触摸屏17 —方面接收步行训练模式下训练参数的设置输入,另一方面显示步行训练器的运行状态以及步行训练模式下的状态反馈,包括使用者下肢步行速度,系统运行速度,升降高度,减重重量等。触摸屏17还可提供部分娱乐功能。
[0040] 新型轮椅式电动步行训练控制系统具备两种运行模式,分别为电动轮椅模式和步行训练模式。
[0041] 在电动轮椅模式下,嵌入式上位机根据操纵杆的拨动方向和幅度,以及通过触摸屏选择的运行速度等级,生成运动指令,并通过CAN总线发送至运动控制单元,运动控制单元控制左移动驱动电机8a和右移动驱动电机Sb运行在指定速度,完成步行训练器电动轮椅代步功能。
[0042] 在步行训练模式下,嵌入式上位机根据触摸屏17的指令输入,首先停止步行训练器的移动功能,然后控制姿态变换单元将扶手2a,2b升降至指定高度,将座椅14移动至轮椅后方。根据主动训练模式和被动训练模式的不同,以及使用者下肢摆动情况,通过运动控制单元将步行训练器的移动速度控制在指定速度和方向上。
[0043] 本实施例中升降机构向上的最大行程为0.7m,一般为了符合使用者的身高,设置升降机构向上的最大行程大于0.5m,小于lm,可以根据不同年龄设置固定的升降机构向上的最大行程;也可以采用升降机构向上的最大行程为lm,在使用过程中根据使用者的实际情况,在系统中设置合适的数值,以便在步行训练时调整升降机构向上的行程符合使用者身高的要求。
[0044] 本实施例新型轮椅式电动步行训练装置的控制方法,包括以下步骤:
[0045] 步骤1:系统状态上电自检,如果检测到故障,系统通过人机交互单元显示报警状态,并提示故障状态,如果无障碍,执行步骤2。
[0046] 步骤2:利用人机交互单元选择工作模式,如果选择电动轮椅模式,执行步骤3,如果选择步行训练模式,执行步骤4。
[0047] 步骤3:嵌入式上位机根据人机交互单元的信息输入,生成运动指令,通过信号线发送至运动控制单元,由运动控制单元驱动电动轮椅按照运动指令在指定速度和方向下运动,实现步行训练器电动轮椅代步功能,执行步骤5 ;
[0048] 步骤4:停止步行训练器的移动功能,并设定扶手上升高度;嵌入式上位机向姿态变换控制单元发送电动轮椅模式和步行训练模式变换切换的信号,驱动扶手和座椅动作,将扶手升降至指定高度,将座椅从两个扶手之间移开;步态测量单元采集步行训练模式下步行状态信息,并上传嵌入式上位机,采用基于惯性单元测量的姿态测量方法进行信息处理;依据信息处理结果,调整运动单元的速度和方向,实现步行训练;
[0049] 步骤5:如工作模式无变换,继续当前模式;如接收到停止指令,则停止当前模式;如工作模式变为步行训练模式,则跳至步骤4 ;如果选择退出系统,则跳至步骤8 ;
[0050] 步骤6:如工作模式无变换,继续当前模式;如接收到停止指令,则停止当前模式;如工作模式变为电动轮椅模式,则跳至步骤7 ;如果选择退出系统,则跳至步骤8 ;
[0051] 步骤7:嵌入式上位机向姿态变换控制单元发送电动轮椅模式和步行训练模式变换切换的信号,驱动扶手和座椅动作,恢复至电动轮椅状态,执行步骤4 ;
[0052] 步骤8:系统控制姿态变换单元将步行训练器恢复至电动轮椅状态,并退出系统。
[0053]为了进一步的优化系统功能,步行训练模式分为主动训练模式和被动训练模式,主动训练模式下,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果,通过运动单元调整步行训练器的速度略小于步行速度;被动训练模式下,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果,通过运动单元调整步行训练器速度略大于步行速度。
[0054] 被动训练模式中设置有难度分级功能,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果及难度级别的选择,通过运动单元调整步行训练器速度。
[0055] 新型轮椅式电动步行训练控制方法,步骤如下:
[0056] S51:系统上电。
[0057] S52:系统状态自检。如果检测到故障S53,系统通过人机交互单元显示报警状态,并提示故障状态。如果没有故障,步骤跳至S54。
[0058] S54:系统根据人机交互单元获取的模式选择,运行在不同模式下。如果选择电动轮椅功能,步骤跳至S55 ;如果选择步行训练模式,步骤跳至S57。
[0059] S55:系统根据操纵杆拨动的幅度和方向,控制轮椅运行在指定速度和方向下,完成电动轮椅代步功能S56。
[0060] S57:系统首先提示使用者通过绑带扣18a,18b, 18c, 18d以交叉方式跨接于两腿髋关节下方,并根据选定的减重量控制姿态变换单元将扶手2a,2b升至指定高度;在扶手2a,2b升起过程中将座椅14移动至轮椅后方.系统根据使用者选择的训练模式以及使用者下肢摆动情况,控制步行训练器移动在指定速度和方向下,完成步行训练S58。
[0061] S59:系统如果接收到停止指令,则停止当前模式。如果重新选择模式S510,则跳至步骤S54 ;如果选择退出系统,则跳至步骤S5111。
[0062] S5111:系统控制姿态变换单元将步行训练器恢复至坐姿状态,并退出系统。
[0063] 步行训练模式分为两种,分别为:主动训练模式和被动训练模式。其中主动训练方法为:根据步态测量单元获取的人体下肢摆动幅度和步速,设定步行训练器速度小于步行速度。被动训练模式方法为:根据步态测量单元获取的人体下肢摆动幅度和步速,设定步行训练器速度大于步行速度。在本实施例中,步行训练难度设定为低、中、高三个等级。在主动训练模式下,步行训练器设定速度分别低于步行速度15%。在被动训练模式下,步行训练器设定速度分别高于步行速度5%,10%,15%。
[0064] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型轮椅式电动步行训练装置,包括椅背,轮椅框架,座椅、扶手、嵌入式上位机、运动控制单元、人机交互单元,其特征在于,还包括用于电动轮椅模式和步行训练模式变换的姿态变换控制单元、用于采集步行训练模式下步行状态的步态测量单元,嵌入式上位机通过信号线分别与姿态变换控制单元、步态测量单元相连接;姿态变换控制单元,包括用于抬高扶手高度的扶手升降机构、用于将座椅从两个扶手之间移开的座椅调整机构。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述的扶手升降机构为由驱动电机驱动的铰接升降机构,该机构共有两个,左右对称设置于扶手与扶手下方轮椅框架之间,升降机构向上的最大行程大于0.5m,小于lm ;在轮椅模式和步行训练模式变换时,用于将扶手抬升至设定高度。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,座椅调整机构包括驱动电机和由驱动电机驱动的座椅导轨,座椅导轨设置于座椅和座椅下方的轮椅框架之间,在轮椅模式和步行训练模式变换时,用于将座椅从臀部移开。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置,其特征在于,步态测量单元由陀螺仪、加速度传感器、磁场计构成。
5.如权利要求4所述的装置,其特征在于,嵌入式上位机采用基于ARM的嵌入式控制器。
6.如权利要求5所述的装置,其特征在于,还设置有降低患者下肢承重的减重带。
7.如权利要求6所述的装置,其特征在于,嵌入式上位机与各控制单元采用CAN总线连接。
8.一种新型轮椅式电动步行训练装置的控制方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1:系统状态上电自检,如果检测到故障,系统通过人机交互单元显示报警状态,并提示故障状态,如果无障碍,执行步骤2。 步骤2:利用人机交互单元选择工作模式,如果选择电动轮椅模式,执行步骤3,如果选择步行训练模式,执行步骤4。 步骤3:嵌入式上位机根据人机交互单元的信息输入,生成运动指令,通过信号线发送至运动控制单元,由运动控制单元驱动电动轮椅按照运动指令在指定速度和方向下运动,实现步行训练器电动轮椅代步功能,执行步骤5 ; 步骤4:停止步行训练器的移动功能,并设定扶手上升高度;嵌入式上位机向姿态变换控制单元发送电动轮椅模式和步行训练模式变换切换的信号,驱动扶手和座椅动作,将扶手升降至指定高度,将座椅从两个扶手之间移开;步态测量单元采集步行训练模式下步行状态信息,并上传嵌入式上位机,采用基于惯性单元测量的姿态测量方法进行信息处理;依据信息处理结果,调整运动单元的速度和方向,实现步行训练; 步骤5:如工作模式无变换,继续当前模式;如接收到停止指令,则停止当前模式;如工作模式变为步行训练模式,则跳至步骤4 ;如果选择退出系统,则跳至步骤8 ; 步骤6:如工作模式无变换,继续当前模式;如接收到停止指令,则停止当前模式;如工作模式变为电动轮椅模式,则跳至步骤7 ;如果选择退出系统,则跳至步骤8 ; 步骤7:嵌入式上位机向姿态变换控制单元发送电动轮椅模式和步行训练模式变换切换的信号,驱动扶手和座椅动作,恢复至电动轮椅状态,执行步骤4 ; 步骤8:系统控制姿态变换单元将步行训练器恢复至电动轮椅状态,并退出系统。
9.如权利要求8所述方法,其特征在于,步行训练模式分为主动训练模式和被动训练模式,主动训练模式下,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果,通过运动单元调整步行训练器的速度略小于步行速度;被动训练模式下,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果,通过运动单元调整步行训练器速度略大于步行速度。
10.如权利要求9所述方法,其特征在于,被动训练模式中设置有难度分级功能,嵌入式上位机依据步行状态信息处理结果及难度级别的选择,通过运动单元调整步行训练器速度。
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