CN107811820A - 一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，属于助行装置技术领域。本发明提供的智能拐杖包括拐杖本体和设置在拐杖本体上的小臂和手柄，手柄上内集成有控制模块，拐杖本体上设置有压力传感器模块。本发明解决了现有智能拐杖对外骨骼行走的智能引导控制方式及行走的稳定性存在局限性的问题。本发明综合压力传感器与陀螺仪两者反馈信息，可有效捕捉人体运动意图，提高了人体步态判定的准确性，为下肢外骨骼助力机器人辅助人体行走提供智能与安全的引导方式。

Description

一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖

技术领域

本发明属于助行装置技术领域，更具体地涉及引导下肢外骨骼机器人行走的智能拐杖。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

随着社会不断发展，老年人及下肢残障人士的生活质量越来越受到关注。可穿戴下肢外骨骼机器人作为一种智能装置可辅助人体行走，可改善上述人群的生活质量，是目前机器人研究的热点问题之一。本发明设计的智能拐杖，使得外骨骼的穿戴者可以通过双手控制拐杖来引导外骨骼辅助人体行走，将人的运动意图引入到下肢外骨骼助力机器人的控制中，既为外骨骼行走提供引导，同时提供安全防范控制的手段。提升了下肢外骨骼助力机器人行走的稳定性和安全性。

在现有技术条件下，用于下肢外骨骼机器人的控制拐杖有其局限性。目前关于智能拐杖的专利有以下几项：申请号为201420297024.3的“能够自动发出摔倒报警信号的拐杖”，依据陀螺仪检测倾角判断是否发出摔倒报警信号的智能拐杖；申请号为201210098831.8的“一种辅助行走的智能拐杖系统”，根据各传感器信息反馈自动调整拐杖位姿的智能拐杖系统；申请号为201510206931.1的“一种外骨骼使用的控制拐杖”，通过压力传感器检测使用者重心位置，控制外骨骼防止使用者摔倒的智能拐杖。上述专利所述智能拐杖均采用各传感器检测使用者相关信息，从而实现辅助人体行走。但人体行走随意性较大，如何将下肢机能衰减或下肢残障人士的行走意图引入到外骨骼辅助行走的控制中难度较大。上述专利未将检测人体姿态与重心位置相结合，侧重于人体失稳检测，对外骨骼行走的智能引导控制方式及行走的稳定性，存在局限性。

发明内容

为解决现有智能拐杖对外骨骼行走的智能引导控制方式及行走的稳定性存在局限性的固有问题，提出一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖。

本发明提供的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，包括拐杖本体和设置在拐杖本体上小臂和手柄，手柄内集成有控制模块，用于处理信息并判定人体运动意图，引导外骨骼助力机器人的行走轨迹；拐杖本体上还设置有压力传感器模块，用于采集人体重心区域及行走过程中的压力。

优选地，上述拐杖本体由第一支撑杆，第二支撑杆和第三支撑杆组合而成；第一支撑杆和第二支撑杆之间通过锁紧套连接；压力传感器模块设置于第二支撑杆和第三支撑杆之间，用于检测人体行走过程中拐杖触地压力。

优选地，上述控制模块上设有数据处理模块，用于预先处理拐杖倾角数据，减轻外骨骼主控板任务；控制模块还设有USB接口和电池充电/程序下载模块，为手柄内控制模块电池充电或下载调试程序。

优选地，上述控制模块上还设置有陀螺仪模块，用于检测人体行走过程中手臂的摆动角度及智能拐杖的倾角。

优选地，上述控制模块上还设置有无线发射模块，用于将数据处理模块的处理结果发送给外骨骼主控板。

优选地，上述压力传感器模块包括传感器上固定架，压力传感器，导向柱和传感器下固定架；压力传感器设置于传感器上固定架和传感器下固定架之间；上述传感器上固定架与传感器下固定架通过导向柱连接。

优选地，上述第一支撑杆为伸缩式支撑杆。

优选地，上述小臂上设置有与小臂铰接的臂套。

优选地，上述第第三支撑杆底部设置有脚垫。

优选地，上述压力传感器上端与下端分别与传感器上固定架和传感器下固定架通过螺纹连接。

本发明具有以下优点：

1、本发明的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，通过采用压力传感器与陀螺仪来共同判定人体所处步态周期中的相位以及步行状态，用以引导外骨骼机器人完成适宜的助力动作，智能拐杖可提高了人体步态判定的准确性，为下肢外骨骼助力机器人辅助人体行走提供智能与安全的引导方式。

2、本发明操作方便，实用性强，下肢外骨骼助力机器人的使用者通过智能拐杖，拐杖底部的压力传感器模块检测得出行走过程中的步态周期，用拐杖上的陀螺仪模块测试表达人体的姿态信息，通过实时检测行走时拐杖倾角及拐杖触地压力，获取人体主观上的行走意图，将人引入“控制环路”中，安全准确的引导外骨骼行走。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是本发明的实施例的结构示意图。

图2是本发明的实施例的手柄位置的剖面结构示意图。

图3是本发明的实施例的压力传感器模块结构示意图。

附图标记说明：拐杖本体1，手柄2，小臂3，压力传感器模块101，传感器上固定架1011，第二支撑杆安装孔10111，压力传感器1012，导向柱1013，传感器下固定架1014，第三支撑杆安装孔10141，第一支撑杆102，第二支撑杆103,锁紧套104,第三支撑杆105，脚垫106，控制模块201，数据处理模块2011，USB接口2012，电池充电/程序下载模块2013，陀螺仪模块2014，无线发射模块2015，小臂安装孔202，第一支撑杆安装孔203，臂套301。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

参照图1所示，根据本发明的所示出的实施例，提供一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，包括拐杖本体1和设置在拐杖本体上的小臂3和手柄2，拐杖本体1由第一支撑杆102、第二支撑杆103、锁紧套104、压力传感器模块101、第三支撑杆105及脚垫106组成。小臂3上设置有与小臂3铰接的臂套301，手柄2上方设有一个小臂安装孔202，小臂3安装在手柄2上方该小臂安装孔202内，手柄2下方设有一个第一支撑杆安装孔203，第一支撑杆102安装在该第一支撑杆安装孔203内，第一支撑杆102与第二支撑杆103通过锁紧套104固定。第一支撑杆102与第二支撑杆103可根据不同穿戴者调节拐杖高度。传感器上固定架1011上方设有一个第二支撑杆安装孔10111，第二支撑杆102安装在该第二支撑杆安装孔10111内，传感器下固定架1014下方设有一个第三支撑杆安装孔10141，第三支撑杆105安装在该第三支撑杆安装孔10141内，第三支撑杆105下端安装有脚垫106。拐杖本体1内还设置有电源和电源开关，此块电源为智能拐杖电源，设置于手柄2内，电源开关则设置手柄2的外侧。

参照图2所示，手柄2内部集成有控制模块201，控制模块201上设有数据处理模块2011，USB接口2012，电池充电/程序下载模块2013，陀螺仪模块2014，无线发射模块2015，其中USB接口安装在手柄端口；陀螺仪模块2014用于测量人体行走过程中拐杖倾角；数据处理模块2011用于预先处理拐杖倾角数据，减轻外骨骼主控板任务；无线发射模块2015用于将数据处理模块2011的处理结果发送给外骨骼主控板；电池充电/程序下载模块2013及USB接口2012为手柄2内控制模块201电池充电或下载调试程序。

参照图3所示，压力传感器模块101包括：传感器上固定架1011、压力传感器1012、导向柱1013、传感器下固定架1014。传感器上固定架1011与第二支撑杆103采用螺纹连接，传感器下固定架1014与第三支撑杆105采用螺纹连接，压力传感器1012上端通过3个螺钉与传感器上固定架1011连接，压力传感器1012下端通过3个螺钉与传感器下固定架1014连接，传感器上固定架1011与传感器下固定架1014间安装有3根垂直导向柱1013，用于承受径向力及其产生力矩，使得压力传感器只检测来自拐杖底部的压力。

本发明的工作原理如下：

本发明针对用户需求，可单独作为右拐杖或左拐杖分别使用，或者右拐杖或左拐杖同时使用。下面以右拐杖或左拐杖同时使用为例，详细说明下一原理：

首先打开智能拐杖电源和下肢外骨骼电源开关，控制模块201(智能拐杖主控板)及数据处理模块2011(下肢外骨骼主控板)分别进入初始化程序。在初始化完成后智能拐杖开始引导第二支撑杆103和第三支撑杆105运动；第二支撑杆103和第三支撑杆105组合的结构可称为下肢外骨骼。

本发明使用分为三种状态，第一种状态是迈出右腿伸出左拐杖，第二种状态迈出左腿伸出右拐杖；第三种是停止行走时，将左右拐杖竖直立于身体两侧。

第一种状态:当使用者伸出右拐杖并触地时，右拐杖上压力传感器1012及陀螺仪模块2014检测拐杖触地压力值及拐杖倾角值，右拐杖触地压力值及拐杖倾角值输出给控制模块201，控制模块201对右拐杖触地压力值及拐杖倾角值进行信息融合处理，综合判断出使用者所处步态，并将判断结果通过无线发射模块2015传输给上位机，上位机根据接收到的信息驱动外骨骼各关节，使外骨骼穿戴者迈出左腿。

第二种状态:当左腿迈出后，使用者伸出左拐杖，触地后左拐杖上压力传感器1012及陀螺仪模块2014检测到拐杖触地压力值及拐杖倾角值，左拐杖触地压力值及拐杖倾角值输出给控制模块201，控制模块201对左拐杖触地压力值及拐杖倾角值进行信息融合处理，综合判断出使用者所处步态，并将该判断结果通过无线发射模块2015传输给上位机，上位机根据接收到的信息驱动外骨骼各关节，使外骨骼穿戴者迈出右腿。使用者通过不断往前伸出左右拐杖来引导外骨骼驱动各关节从而协助人行走。

第三种状态:当使用者想停止行走时，将左右拐杖竖直立于身体两侧，左右拐杖压力传感器1012及陀螺仪模块2014检测到拐杖触地压力值及拐杖倾角值，并将触地压力值及拐杖倾角值输出给控制模块201，控制模块201对左右拐杖触地压力值及拐杖倾角值进行信息融合处理，综合判断出使用者所处步态，并将该判断结果通过无线发射模块2015传输给上位机，上位机根据接收到的信息驱动外骨骼各关节，使外骨骼穿戴者停止行走。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改进或变型。

Claims (10)

1.一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，包括拐杖本体(1)和设置在拐杖本体(1)上小臂(3)和手柄(2)，其特征在于：

所述手柄(2)内集成有控制模块(201)，用于处理信息并判定人体运动意图，引导外骨骼助力机器人的行走轨迹；

所述拐杖本体(1)上还设置有压力传感器模块(101)，用于采集人体重心区域及行走过程中的压力。

2.根据权利要求1所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述拐杖本体(1)由第一支撑杆(102)，第二支撑杆(103)和第三支撑杆(105)组合而成；所述第一支撑杆(102)和第二支撑杆(103)之间通过锁紧套(104)连接；所述压力传感器模块(101)设置于第二支撑杆(103)和第三支撑杆(105)之间，用于检测人体行走过程中拐杖触地压力。

3.根据权利要求2所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述控制模块(201)上设有数据处理模块(2011)，用于预先处理拐杖倾角数据，减轻外骨骼主控板任务；所述控制模块(201)还设有USB接口(2012)和电池充电/程序下载模块(2013)，为手柄(2)内控制模块(201)电池充电或下载调试程序。

4.根据权利要求3所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述控制模块(201)上还设置有陀螺仪模块(2014)，用于检测人体行走过程中手臂的摆动角度及智能拐杖的倾角。

5.根据权利要求4所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述控制模块(201)上还设置有无线发射模块(2015)，用于将数据处理模块(2011)的处理结果发送给外骨骼主控板。

6.根据权利要求5所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述压力传感器模块(101)包括传感器上固定架(1011)，压力传感器(1012)，导向柱(1013)和传感器下固定架(1014)；所述压力传感器(1012)设置于传感器上固定架(1011)和传感器下固定架(1014)之间；所述传感器上固定架(1011)与传感器下固定架(1014)通过导向柱(1013)连接。

7.根据权利要求6所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述第一支撑杆(102)为伸缩式支撑杆。

8.根据权利要求7所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述小臂(3)上设置有与小臂(3)铰接的臂套(301)。

9.根据权利要求8所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述第第三支撑杆(105)底部设置有脚垫(106)。

10.根据权利要求9所述的一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，其特征在于：所述压力传感器(1012)上端与下端分别与传感器上固定架(1011)和传感器下固定架(1014)通过螺纹连接。