CN106726340A - 一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人 - Google Patents

一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，属于医用设备技术领域。本发明的发送器对准接收器不间断地发射光束，发射的光会被所述接收器接收或被测物体挡住，接收器会将接收的光信号转换成电信号，检测电路对用以检测由接收器输出的电信号，除去杂质滤出有效信号，并将有效电信号传输给主控板。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，且可测参数多，传感器结构简单，形式灵活、体积小的特点。本发明的主控板将采集到的拉力传感器和光电传感器信息通过程序算法对两者信息融合进行跌倒判定，光电传感器和拉力传感器两类信号融合判断，可提高判断的准确性，尤其是摔倒判定，提升机器人安全性能。

Description

一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人
技术领域
本发明涉及一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，属于医用设备技术领域。
背景技术
目前康复机器人已经广泛应用到康复护理、康复轮椅，康复机械手，假肢等，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术、新领域的发展。康复机器人作为机器人领域的一个重要分支，综合了机器人学、机械学、生物医学、电子学、计算机学、材料学等诸多领域，已经成为国际领域的一个研究热点。
现有专利(CN 201610101145.X)，现有机器人具有下肢康复训练功能，并具有一定步态检测和防摔倒功能。但现有的步态检测技术需要患者佩戴特定的设备且总体成本昂贵，对运动意图的判断准确率不高，对摔倒的判定采用单一的判定手段进行，准确率不够，会出现误判。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术对摔倒的判定采用单一的判定手段进行，准确率不够的问题，提供一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，包括：车架、减重吊带保护装置、驱动控制系统、显示屏和拉力传感器；还包括：光电检测系统。
光电检测系统包括：发送器、接收器、检测电路构成。发送器与接收器分别安装在车架的两侧；检测电路与接收器同侧安装；
发送器对准接收器不间断地发射光束，发射的光会被所述接收器接收或被测物体挡住，接收器会将接收的光信号转换成电信号，检测电路对用以检测由接收器输出的电信号，除去杂质滤出有效信号，并将有效电信号传输给主控板。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，且可测参数多，传感器结构简单，形式灵活、体积小的特点；
用户打开电源，系统通电，进入待运行状态；用户操控控制杆，即可通过控制杆向主控板发指令，主控板通过驱动器驱动驱动轮前进或通过两轮的速度差进行转向；安装于本智能安全保护的人体下肢康复训练机器人上的速度采集卡会采集速度信息实时显示在显示屏上；拉力传感器将拉力数据传输给数据采集板，数据采集板将拉力数据信息反馈给主控板；同时，光电检测系统将检测电路采集到的步态信息反馈给主控板；主控板对拉力数据信息和步态信息进行处理，判断用户是否存在跌倒可能，如果存在跌倒可能，则启动急停开关，刹车和减重吊带保护用户，防止用户跌倒；数据采集板和速度采集板获得的数据都将同时显示在显示屏上。
所述主控板对拉力数据信息和步态信息进行处理的方法为：
步骤一、拉力传感器采集患者腰部作用力的拉力数据，并与设定的跌倒拉力数据阈值进行对比；如果采集的拉力数据大于所述阈值，则主控板输出信号“1”；否则主控板输出信号“0”；
步骤二、光电检测系统采集到的步态信息与设定的正常步态信息进行对比；若与正常步态信息不同，则主控板输出信号“1”；否则主控板输出信号“0”；
步骤三、主控板对步骤一与步骤二输出的信号进行综合判断；当二者输出的信号均为“1”时，主控板作出“跌倒”的判定，此时开启防护系统。
车架包括：机器人整体外壳、驱动轮、从动轮；
减重吊带装置包括：减重吊带，减重吊带穿于患者腰部、腿部，当主控板通过特定程序算法判断用户存在摔倒可能时起到安全防护作用。
驱动控制系统包括：电源开关、控制杆、可充电电源、驱动电机、ARM主控板、驱动器、电机、速度采集卡、急停开关。电源开关接通电源，为电机、驱动器、主控板等各设备供电；控制杆控制机器人的行进速度和转向；急停控制开关控制机器人停止与行走。所述ARM主控板分析处理所述数据形成相应驱动指令，驱动指令控制所述驱动电机，使所述人体下肢运动康复训练机器人前进、后退、左转、右转或急停；并通过程序算法分析拉力传感器和光电传感器采集到的信息，对用户是否存在摔倒可能进行判断，如果发现存在摔倒可能，向急停开关发急停指令，电机停转、刹车、减重吊带提供安全保护；所述速度采集卡实时采集电机转速并反馈给主控板。
显示屏包括：显示屏、数据采集板，数据采集卡内置于显示屏的外壳内。显示屏实时显示机器人行进速度、行走方向、训练模式，以及拉力传感器采集到的力学数据和光电传感器采集到的膝关节和踝关节位置信息；
拉力传感器包括：拉力传感器，安装于车体与减重吊带结合部，拉力传感器采集患者腰部作用力的大小、方向，实时将拉力数据传输给数据采集板，通过主控板判定用户是否存在摔倒可能。
有益效果
(1)主控板将采集到的拉力传感器和光电传感器信息通过程序算法对两者信息融合进行跌倒判定，光电传感器和拉力传感器两类信号融合判断，可提高判断的准确性，尤其是摔倒判定，提升机器人安全性能。
(2)本发明通过光电检测系统检测患者步行过程中膝盖、脚踝等位置的信息，通过对位置信息的实时检测，形成步态健康状况报告，通过主控板(ARM)中的程序算法对采集到的膝盖和脚踝位置信息进行模态转换，判断用户运动意图，并对用户是否会出现摔倒状况进行判断。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明光电检测示意图；
图4为本发明控制系统图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1，用户贾某，男，56岁，体重70KG，身高160CM，偏瘫患者。其在康复训练过程中的病足“正常”步长,30-55CM,患病前步长为20-40CM，病足单步时间为9S，正常足单步时间为0.8S，依照其情况，在车架与减重吊带连接处的左前、左后、右前、右后位置安装拉力传感器，设置拉力传感器的跌倒判定阈值为171.5N，当四个拉力传感器中的任何一个值大于171.5N时，主控板反馈信号“1”(注：满足跌倒条件)，否则反馈信号“0”；光电传感器从用户站立初始位置沿步行前进方向按10cm间隔等距布置7组，当第二组光电传感器在3S内连续产生检测信号或第七组光电传感器因用户腿部遮挡而产生检测信号变换时，主控板反馈信号“1”(注：满足跌倒条件)，否则反馈信号“0”；主控板内刹车和减重吊带安全保护系统启动的条件为拉力传感器跌倒判定反馈信号为“1”及光电传感器跌倒判定反馈信号为“1”同时满足。第5组和第6组间光电传感器检测信号可反映用户病态步数多少，通过统计可形成患者健康状况报告，长时间康复训练和检测可反映患者的康复进展情况。
参见附图1，一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，它包括：机器人整体外壳、电源、驱动电机、主动轮、从动轮、刹车系统；
参见附图2：患者的康复训练在机器人车架范围内；
参见附图3：发送器(51)和接收器(52)及检测电路(53)构成。发送器发射光线会被接受器接收或被被测物体挡住，接收器会将接收的光信号转换成电信号并由检测电路检测到，检测电路对是否接收到电信号做出相应的反应，滤出有效信号和应用该信号，主控板(35)通过编制好的程序算法对跌倒进行判定处理——光电传感器从用户站立初始位置沿步行前进方向按10cm间隔等距布置7组，当第二组光电传感器在3S内产生连续检测信号或第七组光电传感器因用户腿部遮挡而产生检测信号变换时，主控板反馈信号“1”(注：满足跌倒条件)，否则反馈信号“0”；主控板内刹车和减重吊带安全保护系统启动的条件为拉力传感器跌倒判定反馈信号为“1”及光电传感器跌倒判定反馈信号为“1”同时满足。第5组和第6组间光电传感器检测信号可反映用户病态步数多少，通过统计可形成患者健康状况报告，长时间康复训练和检测可反映患者的康复进展情况。
参见附图4：控制系统主要包括电源开关、ARM主控板、驱动器、电机、急停开关、可充电电源、速度采集卡。用户打开电源，系统通电，进入待运行状态；用户操控控制杆，即可通过控制杆向主控板发指令，主控板通过驱动器驱动驱动轮前进或通过两轮的速度差进行转向；安装于本智能安全保护的人体下肢康复训练机器人上的速度采集卡会采集速度信息实时显示在显示屏上，同时，拉力传感器、光电传感器将通过数据采集板采集用户的步态信息并反馈给主控板，主控板对信息进行处理、判断用户是否存在跌倒可能，如果存在跌倒可能，则启动急停开关，刹车和减重吊带将保护用户，防止用户跌倒；数据采集板和速度采集板获得的数据都将同时显示在显示屏上。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)

1.一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，其特征在于：包括：车架、减重吊带保护装置、驱动控制系统、显示屏和拉力传感器；还包括：光电检测系统；
光电检测系统包括：发送器、接收器、检测电路构成；发送器与接收器分别安装在车架的两侧；检测电路与接收器同侧安装；
发送器对准接收器不间断地发射光束，发射的光会被所述接收器接收或被测物体挡住，接收器会将接收的光信号转换成电信号，检测电路对用以检测由接收器输出的电信号，除去杂质滤出有效信号，并将有效电信号传输给主控板。
2.如权利要求1所述的一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，其特征在于：训练方法为：用户打开电源，系统通电，进入待运行状态；用户操控控制杆，即可通过控制杆向主控板发指令，主控板通过驱动器驱动驱动轮前进或通过两轮的速度差进行转向；安装于本智能安全保护的人体下肢康复训练机器人上的速度采集卡会采集速度信息实时显示在显示屏上；拉力传感器将拉力数据传输给数据采集板，数据采集板将拉力数据信息反馈给主控板；同时，光电检测系统将检测电路采集到的步态信息反馈给主控板；主控板对拉力数据信息和步态信息进行处理，判断用户是否存在跌倒可能，如果存在跌倒可能，则启动急停开关，刹车和减重吊带保护用户，防止用户跌倒；数据采集板和速度采集板获得的数据都将同时显示在显示屏上。
3.如权利要求1所述的一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述主控板对拉力数据信息和步态信息进行处理的方法为：
步骤一、拉力传感器采集患者腰部作用力的拉力数据，并与设定的跌倒拉力数据阈值进行对比；如果采集的拉力数据大于所述阈值，则主控板输出信号“1”；否则主控板输出信号“0”；
步骤二、光电检测系统采集到的步态信息与设定的正常步态信息进行对比；若与正常步态信息不同，则主控板输出信号“1”；否则主控板输出信号“0”；
步骤三、主控板对步骤一与步骤二输出的信号进行综合判断；当二者输出的信号均为“1”时，主控板作出“跌倒”的判定，此时开启防护系统。
4.如权利要求1所述的一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述车架包括：机器人整体外壳、驱动轮、从动轮；减重吊带装置包括：减重吊带，减重吊带穿于患者腰部、腿部，当主控板通过特定程序算法判断用户存在摔倒可能时起到安全防护作用。
5.如权利要求1所述的一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述驱动控制系统包括：电源开关、控制杆、可充电电源、驱动电机、ARM主控板、驱动器、电机、速度采集卡、急停开关；电源开关接通电源，为电机、驱动器、主控板等各设备供电；控制杆控制机器人的行进速度和转向；急停控制开关控制机器人停止与行走；所述ARM主控板分析处理所述数据形成相应驱动指令，驱动指令控制所述驱动电机，使所述人体下肢运动康复训练机器人前进、后退、左转、右转或急停；并通过程序算法分析拉力传感器和光电传感器采集到的信息，对用户是否存在摔倒可能进行判断，如果发现存在摔倒可能，向急停开关发急停指令，电机停转、刹车、减重吊带提供安全保护；所述速度采集卡实时采集电机转速并反馈给主控板。
6.如权利要求1所述的一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述显示屏包括：显示屏、数据采集板，数据采集卡内置于显示屏的外壳内；显示屏实时显示机器人行进速度、行走方向、训练模式，以及拉力传感器采集到的力学数据和光电传感器采集到的膝关节和踝关节位置信息。
7.如权利要求1所述的一种智能安全保护的人体下肢康复训练机器人，其特征在于：所述拉力传感器包括：拉力传感器，安装于车体与减重吊带结合部，拉力传感器采集患者腰部作用力的大小、方向，实时将拉力数据传输给数据采集板，通过主控板判定用户是否存在摔倒可能。
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