CN104690746A - 一种用于外骨骼系统的智能肘杖 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于外骨骼系统的智能肘杖，包括肘杖基体，还包括安装于肘杖基体内的如下组件：至少用以测量所述肘杖下端与地面的接触压力的压力传感器，至少用以对所述肘杖内电机的位置、速度及电流进行控制的控制模块，以及，至少用以测量自身俯仰角和滚动角，并采集压力传感器的信息和控制模块的信息的姿态仪传感器，并且，至少所述姿态仪传感器还与上位机连接。其使用起来更加方便和安全。

Description

一种用于外骨骼系统的智能肘杖

技术领域

本发明涉及一种助行器，尤其涉及一种用于外骨骼系统的智能肘杖。 

背景技术

外骨骼机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的构成包括驱动系统，控制系统，感受系统和机械结构系统等。它的任务是协助或取代人类工作，例如生产业、建筑业，或者危险的工作。

现有的外骨骼机器人的整套系统通常由外骨骼的本身和两个肘杖（或其他助行器，walking aids）组成。其中肘杖能够辅助人体支撑体重、保持平衡和行走，特别是能辅助患有如下症状的患者：

（1）双侧下肢无力或不协调，如脊髓损伤、小儿麻痹、脊柱碎裂；

（2）单侧下肢无力且不允许该侧肢体负重时，如踝骨折或半月板切除的早期；

（3）累及全身的双侧严重无力或不协调，或双上肢无使用手杖的足够力量的情况，如进行性肌营养不良或颅外伤。 

但是现有的外骨骼系统缺乏良好的人机互动性能，操作不便，例如，以色列的外骨骼机器人——rewalk机器人，它的人机交互系统在穿戴者的手腕处，如果要对外骨骼进行操作，穿戴者必须使用两只手来操作，十分不便，而且还存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种使用更加方便和安全的智能肘杖。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于外骨骼系统的智能肘杖，包括肘杖基体，以及安装于肘杖基体内的如下组件：

至少用以测量所述肘杖下端与地面的接触压力的压力传感器，

至少用以对所述肘杖内电机的位置、速度及电流进行控制的控制模块，

以及，至少用以测量自身俯仰角和滚动角，并采集压力传感器的信息和控制模块的信息的姿态仪传感器，

并且，至少所述姿态仪传感器还与上位机连接。

作为上述方案的进一步优化，所述姿态仪传感器安装在所述肘杖的手柄内。

作为上述方案的进一步优化，所述姿态仪传感器包括加速度传感器和陀螺仪传感器。

作为上述方案的进一步优化，所述姿态仪传感器通过CAN总线与上位机连接。

作为上述方案的进一步优化，所述控制模块包括安装在所述肘杖的手柄末端的手动控制摇杆和/或控制按钮，更优选地，所述手动控制摇杆上设有控制按钮。

作为上述方案的进一步优化，它还包括：至少用以显示所述外骨骼系统的基本信息或上位机指令的显示模块。

作为上述方案的进一步优化，所述显示模块包括状态显示屏，所述状态显示屏安装在所述肘杖上端。

作为上述方案的进一步优化，所述肘杖下端还连接有压力传感器容器，所述压力传感器容器内安装有压力传感器。

作为上述方案的进一步优化，所述压力传感器、控制模块、姿态仪传感器和显示模块均通过CAN总线与上位机连接。

本发明的有益效果主要表现为：通过将传感器、遥杆和显示屏与肘杖有效结合在一起，给使用者提供了一个良好的人机接口，极大地简化了对智能肘杖的操作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明采集信息的处理流程示意图。

其中1是CAN总线，2是压力传感器，3是压力传感器容器，4是手动控制摇杆，5是姿态仪传感器，6是状态显示屏，7是手柄，8是肘杖主体，9是连接上位机的CAN总线。

 

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种用于外骨骼系统的智能肘杖，包括姿态仪传感器5，手动控制摇杆4、压力传感器2、压力传感器容器3、状态显示屏6和CAN总线1，所述的姿态仪传感器5安装在肘杖的手柄7中，所述的手动控制摇杆4安装在肘杖手柄7的末端，所述的压力传感器2安装在肘杖主体8部分的下端，所述的压力传感器2位于压力传感器容器3内，所述的状态显示屏6安装在肘杖的上端，所述的压力传感器2、状态显示屏6、手动控制摇杆4和姿态仪传感5器通过CAN总线1与上位机连接，所述的姿态仪传感器5包括加速度传感器和陀螺仪传感器，所述的手动控制摇杆4上设有按钮。

本实施例的智能肘杖基本组成部分的功能如下：

(1)姿态仪传感器5，安装在肘杖的手柄中，用于测量自身的俯仰角和滚动角，并采集压力传感器2的信息和控制手柄的信息，通过CAN总线1与上位机进行通信；

(2)手动控制摇杆4，安装在肘杖手柄的末端，用于接收用户的控制信息；

(3)压力传感器2，安装在肘杖的主体部分8下端，用于测量拐杖与地面的接触压力；

(4)压力传感器容器3，与拐杖的主体部分8连接，用于安装压力传感器；

(5)状态显示屏6，安装在肘杖的上部，用于显示外骨骼系统的基本信息或上位机命令。

肘杖本身可以作为人机接口使用，这种人机接口并不需要外骨骼的使用人员再通过其他控制器对外骨骼进行控制和观察外骨骼的当前状态，而是把一项已有的使用方便的人机接口通过加工，与拐杖融为一体，这样极大的方便了外骨骼的使用人员对外骨骼的操作。如果额外的设计一个控制器，那么使用者必须释放出一只手来操作该控制器，但是，对于截瘫等下肢失去运动能力的患者来说，这种操作有一定的风险，因为操作时，他不能手握拐杖，这样操作者重心的平衡很难得到保证。

智能肘杖采集信息时的工作流程如下（图2）：

首先，通过AD（模拟信号转换为数字信号的电路）采集压力传感器的模拟信号，以及加速度传感器与陀螺仪传感器的信息；然后，将加速度传感器与陀螺仪传感器的信息进行融合，获得肘杖的滚动角与俯仰角；接着采集手动控制摇杆的信息，将以上信息更新到状态显示屏，状态显示屏显示以上信息；接到上位机的信号后，将采集到的以上信息发送出去。

肘杖本身为外骨骼的使用人员提供了一个控制接口，可以直接通过手动控制摇杆进行控制。肘杖的控制模式有以下三种：

1位置控制，通过控制肘杖内电机的目标位置实现；

2速度控制，通过控制电机的运行速度实现；

3 电流控制，通过控制电机的力矩（电流）实现。

两个拐杖提供了6个可输入信息的窗口：

左侧肘杖的手动控制摇杆X轴输入信息，范围是-255到255，使用LX表示；左侧肘杖的手动控制摇杆Y轴输入信息，范围是-255到255，使用LY表示；左侧肘杖的手动控制摇杆的按钮输入信息，可选择1或者0，使用LB表示。右侧肘杖的手动控制摇杆X轴、Y轴和按钮的输入信息范围与左侧肘杖一样，依次用RX、RY和RB表示。

肘杖的控制模式采用如下方式计算，使用SUM标志记录手动控制摇杆按钮的按下次数，LB或者RB按下一次，SUM的数值自动加一，SUM数值除以3的余数为当前的控制模式（如上1、2、3的控制模式所述）。

左、右侧手动控制摇杆分别使用X，Y值控制电机的运转。例如，在位置模式1下时， LX利用X轴的数据对髋关节电机进行位置控制，电机的可控角度为0～90°，目标位置为P，计算公式为P =( LX+255)/510×90。

上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于外骨骼系统的智能肘杖，包括肘杖基体，其特征在于，还包括安装于肘杖基体内的如下组件：

至少用以测量所述肘杖下端与地面的接触压力的压力传感器，

至少用以对所述肘杖内电机的位置、速度及电流进行控制的控制模块，

以及，至少用以测量自身俯仰角和滚动角，并采集压力传感器的信息和控制模块的信息的姿态仪传感器，

并且，至少所述姿态仪传感器还与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述姿态仪传感器安装在所述肘杖的手柄内。

3.根据权利要求1所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述姿态仪传感器包括加速度传感器和陀螺仪传感器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述姿态仪传感器通过CAN总线与上位机连接。

5.根据权利要求1所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述控制模块包括安装在所述肘杖的手柄末端的手动控制摇杆和/或控制按钮。

6.根据权利要求5所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述手动控制摇杆上设有控制按钮。

7.根据权利要求1所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，它还包括：

至少用以显示所述外骨骼系统的基本信息或上位机指令的显示模块。

8.根据权利要求6所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述显示模块包括状态显示屏，所述状态显示屏安装在所述肘杖上端。

9.根据权利要求1所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述肘杖下端还连接有压力传感器容器，所述压力传感器容器内安装有压力传感器。

10. 根据权利要求7或8所述的用于外骨骼系统的智能肘杖，其特征在于，所述压力传感器、控制模块、姿态仪传感器和显示模块均通过CAN总线与上位机连接。