CN105342767A - 一种基于移动终端控制的智能轮椅 - Google Patents

Abstract

一种基于移动终端控制的智能轮椅，所述基于移动终端控制的智能轮椅包括轮椅的硬件机构、传感模块、移动终端和数据处理云终端，其中，通过传感模块采集使用者在起坐训练过程中的至少一个监测数据以及通过移动终端采集使用者的个人信息，并由所述移动终端将所述至少一个监测数据以及所述个人信息通过无线网络上传至数据处理云终端进行数据处理后提供针对所述起坐训练的训练建议和/或训练计划。本发明实现了针对下肢瘫痪使用者的起坐训练功能，以及通过传感模块、移动终端和数据处理云终端实现了人机交互功能，能够针对使用者的康复情况提供康复训练建议且具备适时调整功能。本发明的实现大大加快了下肢瘫痪者的康复进程。

Description

一种基于移动终端控制的智能轮椅

技术领域

本发明涉及一种康复机械装置，尤其涉及一种基于移动终端控制的智能轮椅。

背景技术

调查表明，全世界每年大约产生五千万个中风患者，仅仅中国每21秒就会新增一个中风患者。根据2012年部分省市部分人群调查，我国脑中风患病率约为1.82％，而中风患者有85％的可能性需要物理康复治疗。另外，由于生活习惯等原因，脑中风发病正在趋向年轻化，40-50岁人群已经逐渐成为主要发病人群。全世界关于中风的研究，一直在不断地进行中，这些研究旨在以最大的可能性去恢复患者原本的身体素质。虽然传统的康复服务能够发挥一定的效力，但因其价格昂贵、对人力资源的高度依赖性，并不是人们的最佳选择。医生一般会建议患者每天进行两小时的康复训练，然而，大多数患者目前仅能获得每周两小时的训练，还远远不能满足康复训练的要求。

我国的康复轮椅，近十年来有较快发展。除原有产业基础外，有的企业已采取合资形式提高产品质量和增加品种。总的来看，我国的康复轮椅行业比较薄弱，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距，但我国也根据自身特色研制出了技术指标接近国外先进水平的康复训练系统。应该说国内已具有康复轮椅基本技术和研究实力，一等院校和研究单位已经从事了多年康复工程方面的研究。如清华大学在国内率先研制了卧式下肢康复训练系统，在这项成果中采用了虚拟现实技术。此外，上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工程大学、广东工业大学等高校也开展了相关的研究。分析国内外近代新产品，其主要特点是：(1)传统产品与计算机技术相结合，形成机电一体化或人工智能化产品。(2)将生物材料技术用于人体康复，形成人机一体化产品。(3)根据人体功能的可塑性，设计一些装置，促进功能的恢复和再生。

中国专利(公告号为CN201005940Y)公开了一种智能控制下肢康复运动器。该实用新型涉及一种智能控制下肢康复运动器，具体是指一种利用被动锻炼的原理康复人体下肢的智能控制的下肢康复运动器。该下肢康复运动器包括安装在轮椅上的下肢运动组件、控制该下肢运动组件工作的智能控制单元以及提供动力的电源装置，该智能控制单元包括用于控制该下肢运动组件运动时间的定时控制器以及用于调整该下肢运动组件运动速度的速度控制器。该实用新型具有可以在需要的任意时刻对患者进行康复，并且还能够记忆患者被动治疗的时间的长短并设置该治疗时间以及控制治疗过程中该下肢康复运动器运动速率的快慢的功能，同时该下肢康复运动器工作噪声小，工作安全可靠。

该专利提供的智能控制下肢康复运动器仅是实现下肢被动锻炼的功能，只能作为一种简单的机械式康复运动器材。该设备仅仅是完成使用者下肢锻炼，不具备辅助使用者站立的功能，这种仅仅基于机械训练方式的助力器械并不能很好地实现人机互动的理念，也不能通过与使用者的信息交互来了解使用者下肢康复进程，以便及时调整康复计划。对于患有不同程度疾病的使用者，传统的康复运动器便很难进行协调，并且使用者每天训练的次数和强度因人而异，康复的进程也在不断发生变化，传统的康复运动器械显然不能满足需求。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于移动终端控制的智能轮椅，所述基于移动终端控制的智能轮椅包括轮椅的硬件机构、传感模块、移动终端和数据处理云终端，其中，通过所述传感模块采集使用者在起坐训练过程中的至少一个监测数据以及通过所述移动终端采集使用者的个人信息，并由所述移动终端将所述至少一个监测数据以及所述个人信息通过无线网络上传至所述数据处理云终端进行数据处理后提供针对所述起坐训练的训练建议和/或训练计划。

根据一个优选实施方式，所述传感模块包括设置在脚踏板上的脚踏板传感器、安装在坐垫上的坐垫传感器、安装在扶手上的扶手传感器和安装在靠背上的背部传感器，通过所述脚踏板传感器、所述坐垫传感器、所述扶手传感器和所述背部传感器采集使用者在起坐训练过程中的受力大小数据与脚踏板受力持续时间数据。

根据一个优选实施方式，所述传感模块还包括连通所述脚踏板传感器、所述坐垫传感器、所述扶手传感器和所述背部传感器的放大电路、A/D转换电路以及单片机，并且所述脚踏板传感器、所述坐垫传感器、所述扶手传感器和所述背部传感器采集到的电信号经所述放大电路放大后传输至所述A/D转换电路并输入到所述单片机进行处理，由所述单片机将处理后的数据传输至所述移动终端。

根据一个优选实施方式，所述移动终端安装于终端支撑架上并与所述数据处理云终端无线连接，所述移动终端用于将所述传感模块采集到的数据经由无线网络发送至所述数据处理云终端，以便制定出适合使用者的起坐训练计划，并且所述起坐训练计划能够通过所述移动终端调整或重新制定，以便形成适合使用者的个性化的训练计划。

根据一个优选实施方式，所述数据处理云终端含有数据预处理模块，所述数据预处理模块对所述移动终端传输的所述至少一个监测数据和所述个人信息进行数据预处理后标准化为包含使用者身高、体重、年龄的生理数据和包含使用者起坐训练过程中所述轮椅的硬件机构提供的支撑力大小的身体机能数据。

根据一个优选实施方式，所述处理数据云终端还包括专家知识库，所述专家知识库基于所述数据预处理模块形成的生理数据和身体机能数据判断使用者所处的阶段，同时针对使用者所处阶段完成起坐训练计划推荐。

根据一个优选实施方式，所述数据处理云终端能够根据所述传感模块监测到的使用者在完成所述起坐训练计划过程中的身体机能数据的变化而调整所述起坐训练计划。

根据一个优选实施方式，所述起坐训练计划至少包括单次起坐训练的时长、所述轮椅的硬件机构提供的支撑力大小、每天完成起坐训练的次数和每次起坐训练的间隔时长。

根据一个优选实施方式，所述数据处理云终端通过对至少100个使用者的身高、体重、年龄、训练量、每次训练所用力的百分比进行相似性度量聚类分析来完成单个使用者个性化训练计划的制定。

根据一个优选实施方式，所述轮椅的硬件机构包括用于辅助使用者坐起训练的六杆机构和用于实现脚踏板与车架弹性连接的弹性连接件。

本发明提供的基于移动终端控制的智能轮椅至少具有如下优势：

(1)本发明的智能轮椅在轮椅的硬件机构部分布置有四组传感器，可及时采集使用者最新的训练康复数据，以便数据处理云终端对数据进行分析处理后给出康复建议或制定训练计划。

(2)本发明的智能轮椅通过移动终端也可调整系统推荐的康复训练计划或者重新制定康复训练计划，以形成个性化的康复训练计划。

附图说明

图1是本发明的智能轮椅模块示意图；

图2是本发明的传感模块示意图；

图3是本发明的轮椅的硬件机构的结构示意图；

图4是本发明的电池和离合器位置示意图；

图5是本发明的靠背第一位置示意图；

图6是本发明的靠背第二位置示意图；

图7是本发明的靠背第三位置示意图；和

图8是本发明的靠背第四位置示意图。

附图标记列表

1：主动轮2：车架3：从动轮

4：脚踏板5：脚踏板传感器：6：弹性连接件

7：坐垫8：坐垫传感器9：离合按钮

10：终端支撑架11：扶手12：扶手传感器

13：靠背14：卡扣15：背部传感器

16：保护外壳17：把手18：传动链条

19：驱动杆20：支撑架21：挡板

22：伺服电机23：手动轮24：手刹

25：电池26：离合器

具体实施方式

下面结合附图和实施例进行详细说明。

图1示出了本发明的基于移动终端控制的智能轮椅模块示意图。如图1所示，本发明的基于移动终端控制的智能轮椅包括轮椅的硬件机构、传感模块、移动终端和数据处理云终端。其中，轮椅的硬件机构用于完成轮椅的常规移动功能以及实现使用者的起坐训练功能。如图2所示，传感模块包括脚踏板传感器、坐垫传感器、扶手传感器、背部传感器、放大电路、A/D转换电路和单片机。如图3所示，脚踏板传感器5、坐垫传感器8、扶手传感器12、背部传感器15分别用于使用者在起坐训练过程中实现对脚踏板4处、坐垫7处、扶手11处及靠背13处的压力大小数据和脚踏板4处压力持续时间数据的采集。单片机完成采集数据的初步分析。由单片机将初步分析的数据传输至移动终端。移动终端用于接收传感模块采集的使用者监测数据，同时采集初次使用者个人信息数据，并将监测数据和个人信息数据传输至数据处理云终端。移动终端也可以接受数据处理云终端的反馈数据，并根据该反馈数据通过单片机控制轮椅的起坐训练机构，帮助使用者完成起坐训练。使用者可以根据自身特点在移动终端上调整数据处理云终端提供的训练计划，制定个性化的训练计划。数据处理云终端用于收集移动终端传输的传感模块采集的监测数据和移动终端采集的个人信息数据并实现对该数据处理分析，确定使用者所处训练恢复的阶段，以及反馈该阶段的训练计划至移动终端。

在使用者起坐康复训练过程中，通过将传感模块采集的使用者至少一个监测数据经移动终端发送至数据处理云终端，将移动终端采集的使用者个人信息数据发送至数据处理云终端，数据处理云终端根据接收的监测数据和个人信息数据完成数据处理分析，提供针对使用者后续训练计划的建议方案。本发明实现了针对下肢瘫痪使用者的起坐训练功能，以及通过传感模块、移动终端和数据处理云终端实现了人机交互功能，能够针对使用者的康复情况提供康复训练计划且具备适时调整功能。

根据一个优选实施方式，传感模块至少包括四组压力传感器。如图3所示，四组压力传感器分别为设置于脚踏板4上的脚踏板传感器5、安装于坐垫7上的坐垫传感器8、安装于扶手11上的扶手传感器12和安装于靠背13上的背部传感器15。优选地，四组传感器用于采集使用者的受力数据。脚踏板传感器5可测量使用者在起立过程站立时间和受力大小。坐垫传感器8可监测使用者坐着时的压力大小。扶手传感器12可监测使用者起立过程手臂用力大小。背部传感器15可监测使用者站立过程背部肌肉发力。本发明的智能轮椅在轮椅的硬件机构上布置的四组传感器，可及时采集使用者最新的训练康复数据，以便数据处理云终端适时的对数据进行分析处理后给出至少包括训练进度和训练建议的数据信息，为使用者提供切实可行的训练计划。

如图2所示，传感模块还包括连通各压力传感器的放大电路、A/D转换电路以及单片机。传感器选用美国Futek公司LLB450压力传感器。量程13344N，额定输出2mV/V，传感器将采集的电信号经放大电路放大，传输至A/D转换电路，然后输入到单片机初步处理，由单片机将处理数据传输至移动终端。

本发明的移动终端用于接收传感模块采集的使用者监测数据，并将该数据经由无线网络传输至数据处理云终端。同时移动终端可以接受数据处理云终端的反馈数据，并由单片机根据该反馈数据控制轮椅的起坐训练机构，完成使用者起坐训练。使用者可以根据自身特点在移动终端上调整数据处理云终端提供的训练建议，制定个性化的训练计划。初次使用，使用者需注册账户，并填写包括性别、年龄、身高、体重等信息。此外，使用者可自己选择智能轮椅提供支撑力的大小，或者通过移动终端的测试功能检测使用者所需轮椅设备提供支撑力的大小。移动终端通过无线网络将使用者提供的信息上传至数据处理云终端，并结合数据处理云终端中的专家知识库，以及后期使用者使用过程中所收集到的传感模块监测数据经过分析，制定出适合该使用者的系统推荐的训练计划。另一方面，使用者也可以通过自己调整系统推荐的计划或者重新制定自己想要的训练计划，形成自己的个性化康复训练计划。制定一个康复训练计划的需要设置的属性包括单次起坐训练的时间、轮椅提供支撑力的大小、每天所需完成起坐训练的次数、每次起坐训练的间隔时长以及起坐训练总天数。使用者在训练的过程中，移动终端不但会管理每天的训练计划是否被执行，而且会监控每一次的训练情况。每次训练结束之后，移动终端会向数据处理云终端发送消息，数据处理云终端将分析使用者的训练数据并对今天的训练给出整体评分，移动终端将数据处理云终端返回的结果显示在屏幕上。为了方便使用者使用，可以通过移动终端来控制轮椅供支撑力的大小，以更适合使用者的方式进行康复训练。此外，为了避免使用者遗忘了训练，移动终端会定时提醒，帮助使用者完成当天的训练。移动终端每天也会推送一些康复小技巧，在训练之余学习一些有助于使用者康复的知识，以帮助使用者更快的康复。同时移动终端作为智能轮椅与互联网连接的一个接口，将智能轮椅中传感模块收集的数据通过互联网传输到数据处理云终端上存储。将收集到的数据存储到数据处理云终端上，一方面可以避免在手机上存储大量传感模块监测数据而占用使用者手机大量的存储空间，另一方面，将数据汇总到数据处理云终端上可以利用数据处理云终端更强大的运算能力更快的处理数据，利用收集到的数据以及其本身存储的专家知识库，经过机器学习算法分析，为使用者提供符合康复普遍规律又同时考虑到使用者自身特点的训练计划，以及返回每天的训练成果评价。

根据一个优选实施方式，数据处理云终端存有每个使用者的康复训练状态，在采集到至少100个使用者的康复训练数据后，针对所有使用者的康复训练数据，所述数据处理云终端通过对所有基于移动终端控制的智能轮椅使用者的身高、体重、年龄、训练量、每次训练所用力的百分比进行相似性度量聚类分析，完成单个使用者精细的个性化训练计划制定。

图3和图4示出了本发明基于移动终端控制的智能轮椅的轮椅硬件机构示意图。如图3所示，本发明的轮椅硬件机构至少包括单自由度六杆机构的辅助起坐训练机构。六杆机构能够模拟健康人坐下与起立的轨迹。优选地，轮椅的硬件机构还包括弹性连接件6。弹性连接件6用于连接脚踏板4和车架2。弹性连接件6能够伸长和收缩，从而在弹性连接件6伸长是能让使用者站在地面上，在弹性连接件6缩短时也能够让使用者坐着时把脚防御脚踏板4上。具体地，随着使用者起立，重心前倾，加载在脚踏板上的力增大，该弹性连接件6可以伸长，从而让使用者可以稳当地踏在地面上。使用者坐下时，重心后移，加载在脚踏板4上的压力减小，弹性连接件6可以收缩起来，使用者脚部依然置于脚踏板4上。优选地，轮椅的硬件机构还包括将靠背13处的杆件机构包裹起来的保护外壳16。保护外壳16可以防止周围人员在驱动杆19运行时受到伤害。如图3所示，本发明的轮椅硬件机构包括主动轮1、车架2、从动轮3、脚踏板4、坐垫7、离合按钮9、终端支撑架10、扶手11、靠背13、卡扣14、把手17、传动链条18、驱动杆19、支撑架20、挡板21、伺服电机22、手动轮23和手刹24。如图4所示，本发明的轮椅的硬件机构还包括电池25和离合器26。

实施例1

结合图1、图2和图3说明本发明的数据采集过程。

为实现本发明的智能轮椅对使用者数据的采集，本发明的智能轮椅具有传感模块和移动终端。

如图3所示。本发明基于移动终端控制的智能轮椅中一共有四组传感器，分别是脚踏板传感器5，安装在脚踏板4上；坐垫传感器8，安装在坐垫7上；扶手传感器12，安装在扶手11上；背部传感器15，安装在靠背13上。当使用者使用本发明腰部锻炼结构辅助完成起坐训练时，使用者需要通过卡扣14将自身固定在靠背13上，靠背13沿着附图5、6、7、8所示靠背13的第一位置至第四位置的轨迹做往复运动，该往复运动的轨迹是模仿健康人起立时的腰部运动姿态轨迹，能够帮助使用者实现与健康人一般的起立动作。在该训练过程中，传感器分别能够采集使用者脚部、坐垫处、扶手处以及靠背处的人身体受力情况数据以及脚踏板受力时长数据。如图1或2所示，传感模块还包括放大电路、A/D转换电路和单片机。传感器将采集的电信号经放大电路放大，传输至A/D转换电路，然后输入到单片机初步处理，由单片机将传感模块监测数据传输至移动终端。

同时在使用者初次使用移动终端时，移动终端会完成使用者个人信息数据采集。包括性别、年龄、身高、体重等信息。

基于移动终端，该智能轮椅完成了在起坐训练过程中的使用者监测数据采集。同时完成了使用者个人信息数据采集。

实施例2

说明本发明的数据处理云终端进行的数据处理。数据处理包含三个部分：一是利用专家知识库进行康复训练计划推荐。数据处理云终端含有数据预处理模块。数据预处理模块对移动终端传输的使用者的监测数据和个人信息进行数据预处理，将监测数据和个人信息数据标准化为包含使用者身高、体重、年龄的基本生理数据和包含使用者每次起立过程轮椅提供的支撑力大小的身体机能数据。数据处理云终端的专家知识库根据使用者生理数据和身体机能数据的不同划分使用者所处恢复训练阶段，同时对所处的不同恢复阶段的使用者给出不同的起坐训练推荐计划。其中，起坐训练计划包括单次起坐训练的时长、轮椅提供支撑力的大小、每天所需完成起坐训练的次数和每次起坐训练的间隔时长。二是康复训练计划的实时调整。依据轮椅传感模块采集数据监测使用者恢复情况，若持续出现使用者用力增加情形，则适度减少轮椅支撑力，并将轮椅的支撑力数据更新到使用者起坐训练计划。采用同样的方法，数据处理云终端可对单次起坐训练的时长、每天所需完成起坐训练的次数或每次起坐训练的间隔时长的数据进行更新。三是利用机器学习等方法进行个性化起坐训练更新。数据处理云终端存有每个使用者的康复训练状态，在采集到大规模人群的康复训练数据后，针对所有使用者的康复训练数据，采用机器学习算法对人群进行聚类分析，其中聚类所使用的相似性度量方法主要由患者的身高、体重、年龄、训练量、每次训练所用力的百分比等变量计算得到。通过将相似性的人群聚类，来进行精细的使用者个性康复训练计划制定。个性康复训练计划包括单次起坐训练的时长、轮椅提供支撑力的大小、每天所需完成起坐训练的次数和每次起坐训练的间隔时长。

实施例3

说明本发明的移动终端实现数据处理云终端推荐的训练计划。移动终端可以接受数据处理云终端的反馈的推荐训练计划，并根据该反馈数据通过单片机控制轮椅的起坐训练机构，从而控制使用者单次起坐训练的时长、轮椅提供支撑力的大小、每天所需完成起坐训练的次数和每次起坐训练的间隔时间以及该阶段训练的天数。使用者在训练的过程中，移动终端不但会管理每天的训练计划是否被执行，而且会监控每一次的训练情况。每次训练结束之后，移动终端会向数据处理云终端发送消息，数据处理云终端将分析使用者的训练数据并对今天的训练给出整体评分，移动终端将数据处理云终端返回的结果显示在屏幕上。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述基于移动终端控制的智能轮椅包括轮椅的硬件机构、传感模块、移动终端和数据处理云终端，其中，通过所述传感模块采集使用者在起坐训练过程中的至少一个监测数据以及通过所述移动终端采集使用者的个人信息，并由所述移动终端将所述至少一个监测数据以及所述个人信息通过无线网络上传至所述数据处理云终端进行数据处理后提供针对所述起坐训练的训练建议和/或训练计划。

2.如权利要求1所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述传感模块包括设置在脚踏板(4)上的脚踏板传感器(5)、安装在坐垫(7)上的坐垫传感器(8)、安装在扶手(11)上的扶手传感器(12)和安装在靠背(13)上的背部传感器(15)，通过所述脚踏板传感器(5)、所述坐垫传感器(8)、所述扶手传感器(12)和所述背部传感器(15)采集使用者在起坐训练过程中的受力大小数据与脚踏板(4)受力持续时间数据。

3.如权利要求2所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述传感模块还包括连通所述脚踏板传感器(5)、所述坐垫传感器(8)、所述扶手传感器(12)和所述背部传感器(15)的放大电路、A/D转换电路以及单片机，并且所述脚踏板传感器(5)、所述坐垫传感器(8)、所述扶手传感器(12)和所述背部传感器(15)采集到的电信号经所述放大电路放大后传输至所述A/D转换电路并输入到所述单片机进行处理，由所述单片机将处理后的数据传输至所述移动终端。

4.如权利要求1所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述移动终端安装于终端支撑架(10)上并与所述数据处理云终端无线连接，所述移动终端用于将所述传感模块采集到的数据经由无线网络发送至所述数据处理云终端，以便制定出适合使用者的起坐训练计划，并且所述起坐训练计划能够通过所述移动终端调整或重新制定，以便形成适合使用者的个性化的训练计划。

5.如权利要求1所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述数据处理云终端含有数据预处理模块，所述数据预处理模块对所述移动终端传输的所述至少一个监测数据和所述个人信息进行数据预处理后标准化为包含使用者身高、体重、年龄的生理数据和包含使用者起坐训练过程中所述轮椅的硬件机构提供的支撑力大小的身体机能数据。

6.如权利要求5所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述处理数据云终端还包括专家知识库，所述专家知识库基于所述数据预处理模块形成的生理数据和身体机能数据判断使用者所处的阶段，同时针对使用者所处阶段完成起坐训练计划推荐。

7.如权利要求6所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述数据处理云终端能够根据所述传感模块监测到的使用者在完成所述起坐训练计划过程中的身体机能数据的变化而调整所述起坐训练计划。

8.如权利要求7所示的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述起坐训练计划至少包括单次起坐训练的时长、所述轮椅的硬件机构提供的支撑力大小、每天完成起坐训练的次数和每次起坐训练的间隔时长。

9.如权利要求6所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述数据处理云终端通过对至少100个使用者的身高、体重、年龄、训练量、每次训练所用力的百分比进行相似性度量聚类分析来完成单个使用者个性化训练计划的制定。

10.如权利要求1所述的基于移动终端控制的智能轮椅，其特征在于，所述轮椅的硬件机构包括用于辅助使用者坐起训练的六杆机构和用于实现脚踏板(4)与车架(2)弹性连接的弹性连接件(6)。