CN109124907B

CN109124907B - 一种多功能助行装置

Info

Publication number: CN109124907B
Application number: CN201810810927.XA
Authority: CN
Inventors: 李军强; 崔梦雅; 王娟; 郭士杰
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: CN109124907A

Abstract

本发明公开了一种多功能助行装置，包括足行系统、姿态转换机构和轮行系统；所述足行系统和姿态转换机构都安装于轮行系统上。该助行装置通过姿态转换机构实现使用者坐姿和站姿的转换以及以坐姿和站姿两种姿态运动。坐姿时，应用轮行系统实现使用者快速、长距离移动。站姿时，姿态转换机构辅助使用者站立，避免了跌倒的发生。使用者站姿时，可通过足行系统和轮行系统的协调运动，实现使用者应用足行系统在轮行系统之上进行步行运动。在使用者以站姿进行步行运动时，既可以通过自身的力量进行主动步行运动，又可应用足行系统带动人体足部运动，实现被动运动。

Description

一种多功能助行装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体是一种多功能助行装置。

背景技术

外出运动对保持老年人健康状态，提高生活品质具有重要作用。运动可以增强老年人身体机能，防止与老化有关的身体功能下降，降低相关的发病率和死亡率。但是，随着年龄的增加，老年人运动能力减弱，外出意愿减弱。步行是老年人运动的重要形式，对步行运动的需求，使各类助行器得到广泛应用。然而普通助行装置许多情况下不能满足使用者在功能性、舒适性、安全性等方面的需求，因此智能助行装置研究受到广泛关注。目前常见的智能助行装置可大致分为四种类型：智能助行器、智能轮椅、下肢助行外骨骼以及智能手杖。

智能助行器是在传统助行器的基础上加装动力或制动装置、检测系统、控制系统等，助行和使用方式与传统助行器类似。使用时，使用者双手或前臂支撑于助行器上，使用者应用自身的力量运动。按执行元件不同，可分为主动式智能助行器和被动式智能助行器。主动式智能助行器通常应用电机作为执行元件。如麻省理工学院研发的应用于室内的智能助行器，该系统可以为使用者提供支撑力和导航。应用力传感器感知使用者的输入指令，应用声纳阵列探测前方的障碍物，应用摄像机检测天花板上的标识点来定位。被动式智能助行器不具备主动运动能力，通常采用伺服制动器作为执行元件，可为使用者提供导航、避障等功能，并可为使用者提供辅助力，防止跌倒。如日本东北大学研制的被动式智能助行器，使用时使用者双手扶于扶手上，两个后轮上均装有伺服制动器；车体上装有两个立体校准摄像机，用以对人体的姿态进行检测，基于获得的姿态，控制器控制伺服制动器处于相应的状态，使机器人对使用者提供辅助力，防止跌倒。

智能轮椅通常是在普通电动轮椅的基础上增加传感器系统和控制系统，或者在一个移动机器人的基础上，增加一个座椅进行构建，其中人机接口技术与导航技术是关键技术。智能轮椅可以使使用者以坐姿安全、方便、快速的方式进行移动。如中科院自动化研究所研发的多模态智能轮椅，该装置具有视觉和口令导航功能，综合运用了图像处理、计算机视觉和语音识别等技术，使人能通过语音和面部表情动作控制轮椅行走，还具有简单的人机对话功能，从精神层面上减轻了有些轮椅使用者因没有看护者的心理孤独感。

下肢外骨骼机器人具有多种用途，用于辅助行走时，外骨骼足部与地面直接接触，直接驱动人体相应关节运动，使使用者在大范围内运动。如中国科学院深圳先进技术研究院研制的下肢助行外骨骼，该装置应用于老年人和有运动功能障碍的患者，其机构由背包装置、髋关节、膝关节、踝关节和人体连接装置构成。髋关节和膝关节由直流伺服电机驱动，踝关节为被动关节，外骨骼在小腿和大腿部设置有人体的连接装置。该装置使用时配有一副智能拐杖，应用智能拐杖上的操作装置控制外骨骼运动。

智能手杖在帮助视力受损人员行走方面应用较多，在辅助老年人行走方面，其功能与智能助行器有许多相似之处，如名古屋大学和华中科技大学的研究人员联合研制的智能手杖。该装置用于老年人室内和室外环境的辅助行走，包括一个全向移动平台、一根铝杆和扶手。传感器系统包括一个六维力/力矩传感器和两个激光探测器。全向移动平台应用了三个专门设计的小体积全向轮。铝杆与全向移动平台间应用一个万向节连接，采用两个直流电机驱动，通过控制铝杆的姿态提高智能手杖的稳定性。六维力/力矩传感器安装于扶手下方，用于检测使用者的行走意向和倾倒趋势。两个激光探测器分别用以测量使用者膝部、躯干与智能手杖之间的距离，该信息用以防止跌倒。

目前智能助行设备中，智能助行器多是在传统助行器基础上，加装驱动或制动装置、检测系统和控制系统构成，有些智能助行器同时具有辅助使用者站立的功能，使用时，使用者双手或两个前臂支撑于智能助行器上，智能助行器感知使用者的意向运动信息，并跟随使用者运动，同时，提供辅助力，防止跌倒，但是，使用中不能为使用者腿部提供助行力。智能轮椅通常具有导航、避障能力，使用时，使用者乘坐于轮椅上，可以实现快速的远距离移动，但其功能单一，而且久坐不利于身体健康。外骨骼系统工作时依附于人体，可直接驱动人体相应关节运动，用于辅助老年人行走时，在行走过程中，平衡控制较为困难，多与拐杖或助行器配合使用。智能手杖使用时，使用者单手扶于手杖上，手杖跟随使用者运动，可进行导航，防止使用者跌倒，功能与智能助行器类似。

申请号201310394777.6的文献公开了一种步态助行机器人，此机器人的辅助站立座椅能够上下运动，可将人体向上抬升，但不能使人完全站立；步态训练类似于自行车脚踏板，以固定的模式主动对人进行步态助力训练，不能进行拟人步态的训练；车轮轮速与踏板步速的速比不可调。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多功能助行装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种多功能助行装置，其特征在于该助行装置包括足行系统、姿态转换机构和轮行系统；所述足行系统和姿态转换机构都安装于轮行系统上；

所述姿态转换机构包括支撑杆、操作手柄、扶手、座椅靠背、座椅伺服电机、座椅电机支架、第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、减速器、竖直导轨伺服电机、电机固定架、座椅支撑架、座椅支架、椅座、滑块、导轨、竖直导轨支架、竖直丝杠、竖直导轨、竖直导轨滑块、座椅轴承座、水平导轨滑块、水平导轨、水平丝杠、水平导轨支架、水平导轨电机支架、水平导轨伺服电机、蜗轮连接轴、蜗轮、蜗杆和蜗杆连接轴；

座椅支撑架固定在轮行系统的底板上；竖直导轨固定在竖直导轨支架上；竖直丝杠通过轴承安装在竖直导轨支架上；竖直导轨滑块套装于竖直丝杠和竖直导轨上，且与座椅支撑架固连；竖直导轨支架与座椅支架固连；竖直导轨伺服电机上安装有减速器，减速器通过电机固定架固定于座椅支架上；减速器输出轴上安装有第二同步带轮，竖直丝杠上安装有第一同步带轮，第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带连接；所述导轨固定在座椅支架上；套装于导轨上的滑块与固定在座椅靠背上的扶手连接；水平导轨支架安装在座椅支架上；水平丝杠通过轴承安装在水平导轨支架上；水平导轨固定在水平导轨支架上；水平导轨滑块套装在水平丝杠和水平导轨上；水平导轨伺服电机通过水平导轨电机支架固定于座椅支架上；水平丝杠与水平导轨伺服电机连接；水平导轨滑块与扶手连接；座椅伺服电机通过座椅电机支架固定在座椅靠背上；座椅轴承座固定座椅靠背上；蜗杆连接轴通过轴承安装在座椅轴承座上；蜗杆连接轴一端与座椅伺服电机连接，另一端与蜗杆连接；所述蜗轮连接轴上固定有蜗轮和椅座；蜗轮与蜗杆啮合；蜗轮连接轴通过轴承与座位靠背连接；支撑杆安装在扶手上；操作手柄安装在扶手上。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、该助行装置通过姿态转换机构实现使用者坐姿和站姿的转换以及以坐姿和站姿两种姿态运动。坐姿时，应用轮行系统实现使用者快速、长距离移动。站姿时，姿态转换机构辅助使用者站立，避免了跌倒的发生。使用者站姿时，可通过足行系统和轮行系统的协调运动，实现使用者应用足行系统在轮行系统之上进行步行运动。

2、在使用者以站姿进行步行运动时，既可以通过自身的力量进行主动步行运动，又可应用足行系统带动人体足部运动，实现被动运动。本实施例中，足部与人体足部接触部位安装有三维力传感器，用以感知使用者足部的运动意向。使用者主动步行运动时，应用三维力传感器感知使用者足部运动意向，控制足行系统跟随使用者摆动相足部运动，同时以摆动相足部信息触发支撑相足部的足行系统运动，实现使用者的主动步行运动。使用者进行被动步行运动时，控制器按预定义步态参数控制足行系统运动，带动使用者运动。

3、使用者在进行步行运动时，轮行系统和足行系统协调运动，轮行系统的轮速与足行系统的步速具有可调的比例关系，即使用者按一定步速运动时，轮行系统既可以低速运行也可高速运行，速比可调。

4、本实施例中，轮行系统为四轮结构，两个后轮为主动轮，每个主动轮分别采用一个伺服电机驱动，两个前轮为从动轮，可实现前进、后退、转向等运动。

5、本实施例中，姿态转换机构具有两个平移自由度和一个旋转自由度，能够辅助人体实现坐姿与站姿的相互转换。两个平移自由度可以改变人体重心在矢状面内的位置，旋转自由度可以改变坐垫相对于靠背的角度，三个自由度配合运动，可以实现使用者坐姿和站姿的相互转换。

6、本实施例中，足行系统为对称结构，足行系统末端通过踏板与使用者足部连接，每侧各具有一个平移自由度和两个旋转自由度，每个自由度均使用伺服电机驱动，三个自由度配合运动，可以使踏板模拟人体足部的运动轨迹。

附图说明

图1为本发明多功能助行装置一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明多功能助行装置一种实施例的足行系统结构示意图；

图3为本发明多功能助行装置一种实施例的足底踏板结构连接示意图；

图4为本发明多功能助行装置一种实施例的足底踏板结构去掉足底踏板上边板后的连接示意图；

图5为本发明多功能助行装置一种实施例的图4沿A-A方向的剖视示意图；

图6为本发明多功能助行装置一种实施例的姿态转换机构前侧轴测图；

图7为本发明多功能助行装置一种实施例的姿态转换机构后侧轴测图；

图8为本发明多功能助行装置一种实施例的轮行系统结构示意图；

图9为本发明多功能助行装置一种实施例的坐姿使用图；

图10为本发明多功能助行装置一种实施例的姿态转换图；

图11为本发明多功能助行装置一种实施例的步行使用图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种多功能助行装置(参见图1-11，简称助行装置)，其特征在于该助行装置包括足行系统1、姿态转换机构2和轮行系统3；所述足行系统1和姿态转换机构2都安装于轮行系统3上；通过足行系统1可以实现使用者站姿时的主动、被动步行；通过姿态转换机构2可以进行坐姿-站姿相互转换；通过轮行系统3可以实现使用者坐姿时的快速、长距离移动；足行系统1和轮行系统3的协调运动，使使用者能够应用足行系统1在轮行系统3之上进行步行运动，实现足轮协调运动助行；

所述足行系统1包括左右对称且完全相同的左足行机构和右足行机构；每个机构都具有一个平移自由度和两个旋转自由度分别带动左右脚运动；以右足行机构为例，所述右足行机构包括足行导轨101、足行丝杠102、足行减速器103、第二足行伺服电机104、固定板105、第一足行轴承座106、L型连接板107、踏板支撑块108、足底踏板结构109、足部支撑板110、第一足行滑块111、连接结构112、足部连接轴113、第三足行伺服电机114、直角减速器115、第三足行电机支架116、轴连接板117、第二足行滑块118、第二足行轴承座119、板连接轴120、第二足行电机支架121、足行导轨支架122和第一足行伺服电机123；

所述足行导轨支架122固定在轮行系统3的底板304上；足行导轨101固定在足行导轨支架122上；第一足行伺服电机123固定在足行导轨支架122上；足行丝杠102通过轴承安装在足行导轨支架122上；第一足行伺服电机123的输出轴通过联轴器与足行丝杠102连接；第二足行滑块118套装在足行丝杠102和足行导轨101上；第一足行滑块111套装在足行导轨101上；所述固定板105固定在第一足行滑块111和第二足行滑块118上；第一伺服电机123转动，带动足行丝杠102旋转，从而使第二足行滑块118带动固定板105做直线运动；第二足行轴承座119和足部支撑板110固定在固定板105上；第二足行伺服电机104上安装有足行减速器103，足行减速器103通过第二足行电机支架121固定在固定板105上；所述板连接轴120通过轴承安装在第二足行轴承座119上；板连接轴120的一端与足行减速器103输出轴通过联轴器连接，另一端与轴连接板117连接，通过第二足行伺服电机104转动进而带动轴连接板117旋转；所述第一足行轴承座106固定在轴连接板117上；第三足行伺服电机114上安装有直角减速器115，直角减速器115通过第三足行电机支架116固定在轴连接板117上；所述足部连接轴113通过轴承安装在第一足行轴承座106上；足部连接轴113的一端与直角减速器115输出轴通过联轴器连接，另一端与L型连接板107连接；足底踏板结构109通过连接结构112与L型连接板107连接；通过第三足行伺服电机114的转动带动L型连接板107转动，进而带动足底踏板结构109转动；所述踏板支撑块108固定在固定板105上；

所述姿态转换机构2包括支撑杆201、操作手柄202、扶手203、座椅靠背204、座椅伺服电机205、座椅电机支架206、第一同步带轮207、同步带208、第二同步带轮209、减速器210、竖直导轨伺服电机211、电机固定架212、座椅支撑架213、座椅支架214、椅座215、滑块216、导轨217、竖直导轨支架218、竖直丝杠219、竖直导轨220、竖直导轨滑块221、座椅轴承座222、水平导轨滑块223、水平导轨224、水平丝杠225、水平导轨支架226、水平导轨电机支架227、水平导轨伺服电机228、蜗轮连接轴229、蜗轮230、蜗杆231和蜗杆连接轴232；

座椅支撑架213固定在轮行系统3的底板304上；竖直导轨220固定在竖直导轨支架218上；竖直丝杠219通过轴承安装在竖直导轨支架218上；竖直导轨滑块221套装于竖直丝杠219和竖直导轨220上，且与座椅支撑架213固连；竖直导轨支架218与座椅支架214固连；竖直导轨伺服电机211上安装有减速器210，减速器210通过电机固定架212固定于座椅支架214上；减速器210输出轴上安装有第二同步带轮209，竖直丝杠219上安装有第一同步带轮207，第一同步带轮207与第二同步带轮209通过同步带208连接；竖直导轨伺服电机211转动，使得减速器210输出轴上的第二同步带轮209经同步带208带动装有第一同步带轮207的竖直丝杠219转动，从而使竖直导轨支架218相对于竖直导轨滑块221做直线运动，则可带动座椅靠背204上下运动；所述导轨217固定在座椅支架214上；套装于导轨217上的滑块216与固定在座椅靠背204上的扶手203连接；水平导轨支架226安装在座椅支架214上；水平丝杠225通过轴承安装在水平导轨支架226上；水平导轨224固定在水平导轨支架226上；水平导轨滑块223套装在水平丝杠225和水平导轨224上；水平导轨伺服电机228通过水平导轨电机支架227固定于座椅支架214上；水平丝杠225通过联轴器与水平导轨伺服电机228连接；水平导轨伺服电机228转动进而带动水平导轨滑块223作直线运动；水平导轨滑块223与扶手203连接，水平导轨滑块223直线运动可带动座椅靠背204前后水平运动；座椅伺服电机205通过座椅电机支架206固定在座椅靠背204上；座椅轴承座222固定在座椅靠背204上；蜗杆连接轴232通过轴承安装在座椅轴承座222上；蜗杆连接轴232一端通过联轴器与座椅伺服电机205连接，另一端与蜗杆231连接；所述蜗轮连接轴229上固定有蜗轮230和椅座215；蜗轮230与蜗杆231啮合；蜗轮连接轴229通过轴承与座位靠背204连接，使得蜗轮连接轴229与蜗轮230、椅座215之间无相对转动，蜗轮连接轴229与座位靠背204之间可相对转动；座椅伺服电机205带动蜗杆231转动，传动给蜗轮230，使得蜗轮连接轴229转动，带动椅座215转动；支撑杆201安装在扶手203上，使用者可将双手支撑于此处；操作手柄202安装在扶手203上，使用者可通过操纵操作手柄202来完成此助行装置的姿态转换、前进、后退和转向运动；姿态转换机构2具有两个平移自由度和一个旋转自由度；两个平移自由度可以改变人体重心在矢状面内的位置，旋转自由度可以改变椅座215相对于座椅靠背204的角度，三个自由度配合运动，可以实现使用者坐姿和站姿的相互转换。

所述轮行系统3包括后轮直角减速器301、轮行伺服电机302、万向轮303、底板304、后轮305、后轮底板轴承座306、后轮连接轴307和轮行电机支架308；所述万向轮303安装在底板304上；后轮底板轴承座306安装在底板304上；轮行伺服电机302上安装有后轮直角减速器301，后轮直角减速器301与通过轮行电机支架308固定于底板304上；后轮连接轴307通过轴承安装在后轮底板轴承座306上；后轮连接轴307的一端与后轮直角减速器301通过联轴器连接，另一端与后轮305连接；每个后轮305分别采用一个轮行伺服电机302独立驱动，可使后轮差速以实现此助行装置的转向。

所述足底踏板结构109包括足底踏板上边板1091、足部固定带1092、三维力传感器1093、足底踏板下边板1094和橡胶底部1095；足底踏板下边板1094通过连接结构112与L型连接板107连接；橡胶底部1095固定在足底踏板下边板1094上，在足行系统1运动时，橡胶底部1095为足底踏板结构109与踏板支撑块108的接触起到缓冲作用；足底踏板上边板1091通过三个三维力传感器1093与足底踏板下边板1094连接；足部固定带1092固定在足底踏板上边板1091上，用以使用者足部与足底踏板结构109的连接；在此助行装置坐姿状态时，足底踏板结构109的上表面与足部支撑板110的上表面平齐，为使用者坐姿时的足部提供足够的活动空间。

所述连接结构112包括导杆1121、橡胶垫1122、止动环1123、螺母1124、弹簧1125和直线轴承1126；足底踏板下边板1094内部安装有直线轴承1126和止动环1123；止动环1123用于固定直线轴承1126；导杆1121穿过直线轴承1126的内圈与螺母1124配合将足底踏板下边板1094和L型连接板107连接；弹簧1125套于导杆1121上，弹簧1125两端分别与足底踏板下边板1094和L型连接板107接触，在足行系统1运动中起调整作用；橡胶垫1122固定在导杆1121上，在足底踏板下边板1094沿着导杆1121轴向运动时避免刚体之间相接触，起到缓冲作用。

所述助行装置还包括控制器8、驱动器9、电池11、第一水平导轨防护罩4、第二水平导轨防护罩5、同步带轮防护罩6、蜗轮蜗杆防护罩7、第一竖直导轨风琴罩10、第一足行电机防护罩12、第一足行系统风琴罩13、第二足行电机防护罩14、第三足行电机防护罩15、防护罩16、第二足行系统风琴罩17、水平导轨电机防护罩18、座椅电机防护罩19和第二竖直导轨风琴罩20；

所述控制器8安装在座椅支撑架213上，与操作手柄202和驱动器9通信连接，用于对该助行装置各个伺服电机(包括第一足行伺服电机123、第二足行伺服电机104、第三足行伺服电机114、座椅伺服电机205、竖直导轨伺服电机211、水平导轨伺服电机228和轮行伺服电机302)的控制，可实现该助行装置的前进、后退和转向运动，姿态转换机构的转换，足轮协调运动；控制器8还与三维力传感器1093通信连接，用于对第一足行伺服电机123、第二足行伺服电机104、第三足行伺服电机114的控制，可实现人在轮行系统3之上的主动步行；驱动器9安装在座椅支撑架213上，通过控制器8发出的信号来驱动此助行装置的各个伺服电机协调运转；电池11安装在底板304上，为整个助行装置提供能量；第一水平导轨防护罩4安装在水平导轨支架226上，用于右侧扶手下面的直线运动系统的防护；第二水平导轨防护罩5安装在座椅支架214上，用于左侧扶手下的直线导轨的防护；同步带轮防护罩6安装在座椅支撑架213上，用于第一同步带轮207、同步带208和第二同步带轮209的防护；蜗轮蜗杆防护罩7安装在座椅靠背204上，用于蜗轮蜗杆机构的防护；第一竖直导轨风琴罩10的一端安装在座椅支撑架213上，另一端安装在竖直导轨滑块221的一侧上；第二竖直导轨风琴罩20的一端安装在座椅支撑架213上，另一端安装在竖直导轨滑块221另一侧上；第一竖直导轨风琴罩10和第二竖直导轨风琴罩20都用于座椅竖直运动部位的防护；第一足行电机防护罩12安装在足行导轨支架122上，用于驱动足部直线运动的第一足行伺服电机123输出轴及其轴连接部分的防护；第一足行系统风琴罩13一端安装在足行导轨支架122上，另一端安装在第二足行滑块118上；第二足行系统风琴罩17一端安装在足行导轨支架122上，另一端安装在第一足行滑块111上；第一足行系统风琴罩13和第二足行系统风琴罩17都用于足行系统1的水平直线运动部位的防护；第二足行电机防护罩14安装在固定板105上，用于第二足行伺服电机104、足行减速器103及其轴连接部分的防护；第三足行电机防护罩15安装在轴连接板117上，用于第三足行伺服电机114、直角减速器115及其轴连接部分的防护；防护罩16安装在第一足行滑块111和第二足行滑块118上，用于足行系统1的水平直线运动部位的防护；水平导轨电机防护罩18安装在座椅支架214上，用于右侧扶手下面的驱动直线运动的水平导轨伺服电机228输出轴及其轴连接部分的防护；座椅电机防护罩19安装在座椅靠背204上，用于座椅伺服电机205输出轴及其轴连接部分的防护。

本发明多功能助行装置的工作原理和工作流程是：

坐姿时，使用者坐在椅座215上，双手握在支撑杆201上，如图9所示。

坐姿与站姿转换过程如图10所示。由坐姿转换到站姿的过程中，使用者双足通过足部固定带1092与足底踏板结构109连接，双手握在支撑杆201或双臂架在扶手203上。使用者通过操作手柄202控制控制器8，竖直导轨伺服电机211转动，使竖直导轨支架218带动座椅靠背204向上运动，同时水平导轨伺服电机228转动，使水平导轨滑块223带动座椅靠背204水平向前运动，且座椅伺服电机205转动带动椅座215转动。座椅伺服电机205、竖直导轨伺服电机211、水平导轨伺服电机228组合运动使用者完全站立。由站姿转换到坐姿的过程中，使用者双足通过足部固定带1092与足底踏板结构109连接，双手握在支撑杆201或双臂架在扶手203上。使用者通过操作手柄202控制控制器8，座椅伺服电机205带动椅座215旋转，竖直导轨伺服电机211带动座椅靠背204向下运动，水平导轨伺服电机228带动座椅靠背204水平向后运动。座椅伺服电机205、竖直导轨伺服电机211、水平导轨伺服电机228相互配合，协调运动，辅助使用者坐下。

使用者站姿进行步行运动时如图11所示。使用者双手握在支撑杆201或双臂架在扶手203上，为使用者提供辅助力，防止使用者跌倒。使用者的步行运动分为使用者主动步行和使用者被动步行。主动步行时，通过三维力传感器1093获取人机交互力信息以控制足底踏板结构109跟随使用者足部运动。由每个足底踏板结构109上的三维力传感器1093所获取的力信息，来判断使用者摆动相足部在足行系统1的左足行机构还是右足行机构上，并驱动足行系统1这一侧的第一足行伺服电机123、第二足行伺服电机104和第三足行伺服电机114相互配合运转，带动足底踏板结构109跟随使用者的摆动相足部向前运动。同时，根据摆动相足部的位置与速度信息触发支撑相足部这一侧的足行系统1带动支撑相足部水平向后运动。当支撑相足部变为摆动相足部，摆动相足部变为支撑相足部后，同理运动，从而使左右脚在足行系统1上前后交替，完成使用者的主动步行运动。被动步行时，控制器8根据预定的步态参数，控制足行系统1左右两侧的足行机构交替运动，模拟人体足部的运动轨迹：控制一侧的第一足行伺服电机123、第二足行伺服电机104和第三足行伺服电机114转动，使这一侧的足行踏板109带动使用者的足部摆动，同时控制另一侧的第一足行伺服电机123转动，使相对应的足行踏板109带动使用者另一足部向后平移。被动步行时，足行踏板109为使用者足部提供助行力，带动使用者足部运动。

坐姿时，轮行系统3可以实现使用者快速、长距离地前进、后退和转向运动。步行时，根据使用者步速和后轮305的轮速之间的关系，建立以支撑相足部速度为自变量、以轮速为因变量的足轮协调运动模型，且轮行系统3的轮速和足行系统1的步速的速比可调，使得足行系统1与轮行系统3协调运动。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种多功能助行装置，其特征在于该助行装置包括足行系统、姿态转换机构和轮行系统；所述足行系统和姿态转换机构都安装于轮行系统上；

座椅支撑架固定在轮行系统的底板上；竖直导轨固定在竖直导轨支架上；竖直丝杠通过轴承安装在竖直导轨支架上；竖直导轨滑块套装于竖直丝杠和竖直导轨上，且与座椅支撑架固连；竖直导轨支架与座椅支架固连；竖直导轨伺服电机上安装有减速器，减速器通过电机固定架固定于座椅支架上；减速器输出轴上安装有第二同步带轮，竖直丝杠上安装有第一同步带轮，第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带连接；所述导轨固定在座椅支架上；套装于导轨上的滑块与固定在座椅靠背上的扶手连接；水平导轨支架安装在座椅支架上；水平丝杠通过轴承安装在水平导轨支架上；水平导轨固定在水平导轨支架上；水平导轨滑块套装在水平丝杠和水平导轨上；水平导轨伺服电机通过水平导轨电机支架固定于座椅支架上；水平丝杠与水平导轨伺服电机连接；水平导轨滑块与扶手连接；座椅伺服电机通过座椅电机支架固定在座椅靠背上；座椅轴承座固定座椅靠背上；蜗杆连接轴通过轴承安装在座椅轴承座上；蜗杆连接轴一端与座椅伺服电机连接，另一端与蜗杆连接；所述蜗轮连接轴上固定有蜗轮和椅座；蜗轮与蜗杆啮合；蜗轮连接轴通过轴承与座位靠背连接；支撑杆安装在扶手上；操作手柄安装在扶手上；

所述足行系统包括左右对称且完全相同的左足行机构和右足行机构；所述右足行机构包括足行导轨、足行丝杠、足行减速器、第二足行伺服电机、固定板、第一足行轴承座、L型连接板、踏板支撑块、足底踏板结构、足部支撑板、第一足行滑块、连接结构、足部连接轴、第三足行伺服电机、直角减速器、第三足行电机支架、轴连接板、第二足行滑块、第二足行轴承座、板连接轴、第二足行电机支架、足行导轨支架和第一足行伺服电机；

所述足行导轨支架固定在轮行系统的底板上；足行导轨固定在足行导轨支架上；第一足行伺服电机固定在足行导轨支架上；足行丝杠通过轴承安装在足行导轨支架上；第一足行伺服电机的输出轴与足行丝杠连接；第二足行滑块套装在足行丝杠和足行导轨上；第一足行滑块套装在足行导轨上；所述固定板固定在第一足行滑块和第二足行滑块上；第二足行轴承座和足部支撑板固定在固定板上；第二足行伺服电机上安装有足行减速器，足行减速器通过第二足行电机支架固定在固定板上；所述板连接轴通过轴承安装在第二足行轴承座上；板连接轴的一端与足行减速器输出轴连接，另一端与轴连接板连接；所述第一足行轴承座固定在轴连接板上；第三足行伺服电机上安装有直角减速器，直角减速器通过第三足行电机支架固定在轴连接板上；所述足部连接轴通过轴承安装在第一足行轴承座上；足部连接轴的一端与直角减速器输出轴连接，另一端与L型连接板连接；足底踏板结构通过连接结构与L型连接板连接；所述踏板支撑块固定在固定板上。

2.根据权利要求1所述的多功能助行装置，其特征在于所述足底踏板结构包括足底踏板上边板、足部固定带、三维力传感器、足底踏板下边板和橡胶底部；足底踏板下边板通过连接结构与L型连接板连接；橡胶底部固定在足底踏板下边板上；足底踏板上边板通过三个三维力传感器与足底踏板下边板连接；足部固定带固定在足底踏板上边板上。

3.根据权利要求1所述的多功能助行装置，其特征在于所述连接结构包括导杆、橡胶垫、止动环、螺母、弹簧和直线轴承；足底踏板下边板内部安装有直线轴承和止动环；导杆穿过直线轴承的内圈与螺母配合将足底踏板下边板和L型连接板连接；弹簧套于导杆上，弹簧两端分别与足底踏板下边板和L型连接板接触；橡胶垫固定在导杆上。

4.根据权利要求1所述的多功能助行装置，其特征在于所述轮行系统包括后轮直角减速器、轮行伺服电机、万向轮、底板、后轮、后轮底板轴承座、后轮连接轴和轮行电机支架；所述万向轮安装在底板上；后轮底板轴承座安装在底板上；轮行伺服电机上安装有后轮直角减速器，后轮直角减速器与通过轮行电机支架固定于底板上；后轮连接轴通过轴承安装在后轮底板轴承座上；后轮连接轴的一端与后轮直角减速器连接，另一端与后轮连接。

5.根据权利要求1所述的多功能助行装置，其特征在于所述助行装置还包括控制器、驱动器、电池、第一水平导轨防护罩、第二水平导轨防护罩、同步带轮防护罩、蜗轮蜗杆防护罩、第一竖直导轨风琴罩、第一足行电机防护罩、第一足行系统风琴罩、第二足行电机防护罩、第三足行电机防护罩、防护罩、第二足行系统风琴罩、水平导轨电机防护罩、座椅电机防护罩和第二竖直导轨风琴罩；

所述控制器安装在座椅支撑架上，与操作手柄和驱动器通信连接；控制器还与三维力传感器通信连接；驱动器安装在座椅支撑架上；电池安装在底板上；第一水平导轨防护罩安装在水平导轨支架上；第二水平导轨防护罩安装在座椅支架上；同步带轮防护罩安装在座椅支撑架上；蜗轮蜗杆防护罩安装在座椅靠背上；第一竖直导轨风琴罩的一端安装在座椅支撑架上，另一端安装在竖直导轨滑块的一侧上；第二竖直导轨风琴罩的一端安装在座椅支撑架上，另一端安装在竖直导轨滑块另一侧上；第一足行电机防护罩安装在足行导轨支架上；第一足行系统风琴罩一端安装在足行导轨支架上，另一端安装在第二足行滑块上；第二足行系统风琴罩一端安装在足行导轨支架上，另一端安装在第一足行滑块上；第二足行电机防护罩安装在固定板上；第三足行电机防护罩安装在轴连接板上；防护罩安装在第一足行滑块和第二足行滑块上；水平导轨电机防护罩安装在座椅支架上；座椅电机防护罩安装在座椅靠背上。