CN109700643A - 多功能助行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能助行机器人，该机器人由辅助行走模块、连接护具、控制模块、检测模块等四个模块组成，四个模块通过机械连接和信息传递，由单片机进行控制，实现助力行走的功能。本助行机器人，解决了康复护理人员的缺乏与护理费用高昂，现有助行器难以独立操作的问题。用户可通过人机交互界面，监测用户的身体状况，帮助残疾人进行康复治疗，重新获得行走能力，同时可辅助行动不便的老年人行走，帮助老年人消除生理行动有障碍的限制，使老年人的生活更加舒适方便。

Description

多功能助行机器人

技术领域

本发明属于辅助行走机械领域，具体涉及一种可帮助下肢功能障碍人群完成日常代步行走和康复训练的多功能助行机器人。

背景技术

目前，残疾人的日常活动问题十分严重，除了对肢体运动功能丧失患者的早期手术治疗和必要的药物治疗外，早期康复治疗对于肢体功能障碍者有巨大的意义，在患病初期对患者进行被动式关节活动度维持训练，逐渐扩大其关节活动度，能够最终达到康复的目的。

但是专业的康复护理人员的缺乏与高昂的护理费用，大部分患者选择在家中由家人辅助康复，市场上现有的助行器如固定型、交互型、前方有轮型，都存在着难以独立操作和价格昂贵的问题。由于训练方法与经验的限制，导致患者在早期无法达到良好的训练效果，错过了最佳的治疗时期。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提供了一种多功能助行机器人，帮助下肢功能障碍人群完成日常代步行走和康复训练。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种多功能助行机器人，其特征在于：包括穿戴在人体腿部的连接护具和安装在连接护具上的辅助行走模块，所述辅助行走模块包括固定板、行走电机、曲柄杆、连杆机构和辅助脚掌，所述固定板固定安装在连接护具上，用于支撑整个辅助行走模块，所述行走电机安装在固定板上，所述曲柄杆的一端固定安装在行走电机的输出轴上，另一端通过连杆机构与辅助脚掌相连，行走电机转动过程中通过连杆机构带动辅助脚掌进行上下运动，模拟人走路动作，所述连杆机构包括辅助三脚架、后腿三脚架、大腿摆杆、小腿摆杆、第一辅助连杆和第二辅助连杆，所述第一辅助连杆的一端和大腿摆杆顶部通过同一根轴铰接曲柄杆的另一端，第一辅助连杆的另一端与辅助三脚架顶部的顶点铰接相连，所述小腿摆杆顶端以及第二辅助连杆的一端通过同一根轴铰接在大腿摆杆下端，第二辅助连杆的另一端与辅助三脚架中部的顶点铰接相连并通过第一销轴铰接在连接护具上部，所述后腿三脚架顶部的顶点与所述辅助三脚架底部的顶点铰接相连，所述小腿摆杆的底端与后腿三脚架中部的顶点铰接相连并通过第二销轴铰接安装在连接护具下部，在辅助三脚架的一个边、后腿三脚架的一个边、小腿摆杆以及第二辅助连杆之间形成平行四边形机构，所述辅助脚掌固定安装在后腿三脚架底部的顶点，用于在辅助行走模块行走时作为辅助支撑与地面接触。

作为改进，所述辅助脚掌通过扭簧和销轴与后腿三脚架底部的顶点相连，通过扭簧保持辅助脚掌接触地面的柔性传递。

作为改进，所述辅助脚掌包括脚底板和多个柔性爪，所述柔性爪安装在脚底板四周并向外延伸，柔性爪向外延伸的端部低于脚底板高度，使得辅助脚掌着地时柔性爪先于脚底板着地。

作为改进，所述柔性爪通过扭簧和设有限位装置的销轴与脚底板相连。

作为改进，所述小腿摆杆上设有防止人前倾摔倒的辅助支撑架。

作为改进，所述连接护具包括腰部护具和设于腰部护具两侧的两个腿部护具，所述腿部护具包括大腿外骨骼、小腿外骨骼和脚部护具，腰部护具两侧分别设有一个弧形的腰部固定架，所述辅助行走模块的固定板固定安装在腰部固定架上，所述大腿外骨骼通过大腿关节安装在腰部固定架上，大腿外骨骼与小腿外骨骼之间通过膝关节相连，小腿外骨骼与脚部护具之间通过踝关节相连，所述大腿外骨骼由上大腿骨与下大腿骨铰接组成，在上大腿骨与下大腿骨铰接处的铰接轴上设有大腿穿戴护具，所述小腿外骨骼上设有小腿穿戴护具，所述大腿关节的关节轴与第一销轴同轴固定相连，膝关节的关节轴与第二销轴同轴固定相连。

作为改进，所述脚部护具、大腿穿戴护具和小腿穿戴护具均由尼龙塑料制成。

作为改进，该多功能助行机器人还包括控制模块和检测模块，所述控制模块与控制行走电机动作，所述检测模块主要由听觉信息感知模块和无线通讯模块组成，听觉信息感知模块包括音频信号采集与处理两部分，所述音频信号采集多路麦克风阵列，利用其中一路麦克风作为基准麦克风，音频信号处理部分包括对接收到的信号行有效语音检测处理，提取出所需的语音信号，对声音进行语音识别及与数据库匹配，进而反应应答，再由控制模块发出相应执行指令，使机器人的的行走电机执行对应动作。

作为改进，所述控制模块采用Android单片机，用于控制机器人的运动方式，并对检测模块的检测信息进行收集与处理，根据处理结果对各模块进行反馈。

作为改进，所述辅助行走模块有两个，两个辅助行走模块对称分布在连接护具两侧。

本发明产生的有益效果是：本发明中的多功能助行机器人，可以通过检测和控制设备，解决了现有产品无法独立操作的问题。有效帮助残疾人进行康复治疗，重新获得行走能力。同时可以辅助行动不便的老年人行走，帮助老年人消除生理行动有障碍的限制，使老年人的生活更加舒适方便。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例多功能助行机器人整体结构示意图；

图2是本发明实施例的工作流程示意图；

图3是本发明实施例中辅助行走模块的仿生的连杆机构三维模型示意图；

图4是本发明实施例中辅助行走模块的辅助脚掌结构示意图；

图5是本发明实施例中连接护具结构示意图。

图6是本发明实施例中大腿外骨骼结构示意图。

I-辅助行走模块，II-连接护具，III-控制模块，1-曲柄杆，2-行走电机，3-大腿摆杆，4-小腿摆杆，5-后腿三脚架，6-第一辅助连杆，7-第二辅助连杆，8-辅助脚掌，9-脚底板，10-柔性爪，11-辅助支撑架，12-大腿外骨骼，13-小腿外骨骼，14-脚部护具，15-大腿穿戴护具，16-小腿穿戴护具，17-腰部护具，18-坐垫，19-交互平台，20-固定板，21-腰部固定架，22-辅助三脚架，23-上大腿骨，24-下大腿骨，25-第一销轴，26-第二销轴，27-大腿关节，28-膝关节，29-踝关节。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施方案中，提供一种多功能助行机器人，如图1至图5所示，包括辅助行走模块I、连接护具II、控制模块III和检测模块。四个模块通过机械连接和信息传递，并由单片机进行控制，形成一个整体，进而实现助力行走的功能。

所述辅助行走模块I包括固定板20、行走电机2(本实施例中采用伺服电机)、曲柄杆1、连杆机构和辅助脚掌8，所述固定板20固定安装在连接护具II上，用于支撑整个辅助行走模块I，所述行走电机2安装在固定板20上，所述曲柄杆1的上端固定安装在行走电机2的输出轴上，另一端通过连杆机构与辅助脚掌8相连，行走电机2转动过程中通过连杆机构带动辅助脚掌8进行上下运动，模拟人走路动作，如图3所示，辅助行走模块I采用仿生行走连杆机构。参照临床步态分析(CGA)标准数据库中，一个正常步态周期内，骸关节和膝关节28的角度变化轨迹，设计出符合要求的连杆机构。所述连杆机构包括辅助三脚架22、后腿三脚架5、大腿摆杆3、小腿摆杆4、第一辅助连杆6和第二辅助连杆7，所述第一辅助连杆6的右端和大腿摆杆3顶部通过同一根轴铰接在曲柄杆1的下端，第一辅助连杆6的另一端与辅助三脚架22顶部的顶点铰接相连，所述小腿摆杆4顶端和第二辅助连杆7的下端通过同一根轴铰接所述大腿摆杆3下端，第二辅助连杆7的上端与辅助三脚架22的中部顶点(右侧)通过第一销轴25铰接相连，同时该第一销轴25与大腿外骨骼12和小腿外骨骼13之间的关节轴同轴固定相连，所述后腿三脚架5顶部的顶点与所述辅助三脚架22底部的顶点铰接相连，所述小腿摆杆4的底端与后腿三脚架5中部的顶点(右侧)通过第二销轴26铰接相连，第二销轴26与膝关节28的关节轴相连，在辅助三脚架22的右下边、后腿三脚架5的右上边、小腿摆杆4以及第二辅助连杆7之间形成平行四边形机构，所述辅助脚掌8固定安装在后腿三脚架5底部的顶点，用于在辅助行走模块I行走时作为辅助支撑与地面接触，所述小腿摆杆4下端设有固定相连的辅助支撑架11，辅助支撑架11下端设有与地面接触的柔性轮，防止人体前倾摔倒。

行走电机2带动曲柄杆1旋转，曲柄杆1通过辅助三脚架22、后腿三脚架5、大腿摆杆3、小腿摆杆4、第一辅助连杆6和第二辅助连杆7组成连杆机构做行走运动，具体为曲柄杆1随电机转动时，带动大腿摆杆3和第一辅助连杆6摆动，进而通过辅助三脚架22、后腿三脚架5、小腿摆杆4以及第二辅助连杆7之间形成平行四边形机构带动后腿三脚架5下端仿人腿行走的规律上下动作，同时使得第一销轴25与第二销轴26之间的距离发生周期性改变，从而辅助带动小腿外骨骼13相对于大腿外骨骼12进行弯曲抬腿行走动作。

为了提高辅助脚掌8与地面接触的柔性，所述辅助脚掌8通过扭簧和销轴与后腿三脚架5底部的顶点相连，通过扭簧保持辅助脚掌8接触地面的柔性传递，所述辅助脚掌8包括脚底板9和多个柔性爪10，通过脚底板9可增大辅助行走模块I构与地面的接触面积，保证整个机器可以在地面上稳定的行走。

如图4所示，所述柔性爪10安装在脚底板9四周并向外延伸，柔性爪10向外延伸的端部低于脚底板9高度，使得辅助脚掌8着地时柔性爪10先于脚底板9着地，所述柔性爪10也通过扭簧我设于限位装置的销轴与脚底板9相连。

作为一种更优实施例，为了防止人使用过程中前倾摔倒，所述小腿摆杆4上设有防止人前倾摔倒的辅助支撑架11。

作为一种具体实施例，如图5所示，所述连接护具II包括腰部护具17和设于腰部护具17两侧的两个腿部护具，所述腿部护具包括大腿外骨骼12、小腿外骨骼13和脚部护具14，腰部护具17两侧分别设有一个弧形的腰部固定架21，所述辅助行走模块I的固定板20固定安装在腰部固定架21下端的关节轴上，所述大腿外骨骼12与腰部固定架21下端通过大腿关节27相连，大腿外骨骼12与小腿外骨骼13之间通过膝关节28相连，小腿外骨骼13与脚部护具14之间通过踝关节29相连，所述大腿外骨骼12由上大腿骨23与下大腿骨24铰接组成，在上大腿骨23与下大腿骨24铰接处的铰接轴上设有大腿穿戴护具15，所述小腿外骨骼13上设有小腿穿戴护具16。连接护具II在腰部固定架21的基础上共有三个关节：大腿关节27中，大腿外骨骼12通过铰链与腰部固定架21连接；膝关节28处，大腿外骨骼12与小腿外骨骼13铰接；脚部关节处，脚部护具14通过铰链与小腿外骨骼13连接。护具均由尼龙塑料制成，大腿穿戴护具15固定在大腿外骨骼12上，小腿穿戴护具16固定于小腿外骨骼13上，所述大腿关节27的关节轴与第一销轴25同轴固定相连，膝关节28的关节轴与第二销轴26同轴固定相连，大腿外骨骼12通过大腿穿戴护具15穿戴在用户大腿上，从而使人体的小腿与大腿跟随机构运动，脚部护具14通过关节安装在小腿外骨骼13上并可自由移动，保护用户脚部安全。

本发明所述控制模块III采用Android单片机，主要用于控制机器人的运动方式，并对多模块检测信息进行收集与处理，根据处理结果对各模块进行反馈。通过图6所示的固定于链接模块的交互平台19，实现各模块间的协调与人机交互操作。

本发明所述检测模块主要由听觉信息感知模块、无线通讯模块组成。听觉信息感知模块包括音频信号采集与处理两部分。多路麦克风阵列，利用其中一路麦克风作为基准麦克风，采用科大讯飞麦克风阵列模块XFM10412和连接科大讯飞开发平台的手机app实现语音识别功能，对接收到的信号行有效语音检测处理，提取出所需的语音信号，对声音进行语音识别及与数据库匹配，进而反应应答，再由控制中心发出相应执行指令，使机器人的执行对应动作。

多功能助行机器人工作顺序步骤如图2所示：

1、用户穿戴多功能助行机器人的连接护具II，身体放松，坐在机器腰部护具17的坐垫18上。

2、使用者自行带上监测心率的智能手环和腕臂式血压仪，基于Android的交互平台19随时监测使用者的身体状况，并对机器人的运动进行反馈。

3、启动本机器，通过基于Android的人机交互系统，判断用户是否完成穿戴，通过界面可以了解机器的整体状况。在人机交互系统通过语音选择行走模式。

4、机器根据所选运动模式，开始运动，带领用户进行行走，用户可双腿放松，在机构的运作下使用户双腿做行走运动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种多功能助行机器人，其特征在于：包括穿戴在人体腿部的连接护具和安装在连接护具上的辅助行走模块，所述辅助行走模块包括固定板、行走电机、曲柄杆、连杆机构和辅助脚掌，所述固定板固定安装在连接护具上，用于支撑整个辅助行走模块，所述行走电机安装在固定板上，所述曲柄杆的一端固定安装在行走电机的输出轴上，另一端通过连杆机构与辅助脚掌相连，行走电机转动过程中通过连杆机构带动辅助脚掌进行上下运动，模拟人走路动作，所述连杆机构包括辅助三脚架、后腿三脚架、大腿摆杆、小腿摆杆、第一辅助连杆和第二辅助连杆，所述第一辅助连杆的一端和大腿摆杆顶部通过同一根轴铰接曲柄杆的另一端，第一辅助连杆的另一端与辅助三脚架顶部的顶点铰接相连，所述小腿摆杆顶端以及第二辅助连杆的一端通过同一根轴铰接在大腿摆杆下端，第二辅助连杆的另一端与辅助三脚架中部的顶点铰接相连并通过第一销轴铰接在连接护具上部，所述后腿三脚架顶部的顶点与所述辅助三脚架底部的顶点铰接相连，所述小腿摆杆的底端与后腿三脚架中部的顶点铰接相连并通过第二销轴铰接安装在连接护具下部，在辅助三脚架的一个边、后腿三脚架的一个边、小腿摆杆以及第二辅助连杆之间形成平行四边形机构，所述辅助脚掌固定安装在后腿三脚架底部的顶点，用于在辅助行走模块行走时作为辅助支撑与地面接触。

2.如权利要求1所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述辅助脚掌通过扭簧和销轴与后腿三脚架底部的顶点相连，通过扭簧保持辅助脚掌接触地面的柔性传递。

3.如权利要求2所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述辅助脚掌包括脚底板和多个柔性爪，所述柔性爪安装在脚底板四周并向外延伸，柔性爪向外延伸的端部低于脚底板高度，使得辅助脚掌着地时柔性爪先于脚底板着地。

4.如权利要求3所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述柔性爪通过扭簧和设有限位装置的销轴与脚底板相连。

5.如权利要求1所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述小腿摆杆上设有防止人前倾摔倒的辅助支撑架。

6.如权利要求1至5任意一项所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述连接护具包括腰部护具和设于腰部护具两侧的两个腿部护具，所述腿部护具包括大腿外骨骼、小腿外骨骼和脚部护具，腰部护具两侧分别设有一个弧形的腰部固定架，所述辅助行走模块的固定板固定安装在腰部固定架上，所述大腿外骨骼通过大腿关节安装在腰部固定架上，大腿外骨骼与小腿外骨骼之间通过膝关节相连，小腿外骨骼与脚部护具之间通过踝关节相连，所述大腿外骨骼由上大腿骨与下大腿骨铰接组成，在上大腿骨与下大腿骨铰接处的铰接轴上设有大腿穿戴护具，所述小腿外骨骼上设有小腿穿戴护具，所述大腿关节的关节轴与第一销轴同轴固定相连，膝关节的关节轴与第二销轴同轴固定相连。

7.如权利要求6所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述脚部护具、大腿穿戴护具和小腿穿戴护具均由尼龙塑料制成。

8.如权利要求6所述的多功能助行机器人，其特征在于：该多功能助行机器人还包括控制模块和检测模块，所述控制模块与控制行走电机动作，所述检测模块主要由听觉信息感知模块和无线通讯模块组成，听觉信息感知模块包括音频信号采集与处理两部分，所述音频信号采集多路麦克风阵列，利用其中一路麦克风作为基准麦克风，音频信号处理部分包括对接收到的信号行有效语音检测处理，提取出所需的语音信号，对声音进行语音识别及与数据库匹配，进而反应应答，再由控制模块发出相应执行指令，使机器人的的行走电机执行对应动作。

9.如权利要求8所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述控制模块采用Android单片机，用于控制机器人的运动方式，并对检测模块的检测信息进行收集与处理，根据处理结果对各模块进行反馈。

10.如权利要求6所述的多功能助行机器人，其特征在于：所述辅助行走模块有两个，两个辅助行走模块对称分布在连接护具两侧。