CN110890148B - 一种基于康复训练器的安全防护系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于康复训练器的安全防护系统及方法，所述的安全防护系统包括康复训练器、传感器、处理器以及电机。本发明在使用者采用所述康复训练器进行康复训练时，利用传感器对设备使用者的实时信息进行采集，经处理器分析和判断后输出使用者的安全状态，从而根据使用者的安全状态对使用者进行安全防护，确保使用者安全。采用本发明提供的安全防护系统及方法，可对使用者的人身安全进行充分保护，其结构完整，逻辑简单，易于实现，稳定性高，可操作性强，为各类型康复训练器提供了一种通用且完善的安全防护机制。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种基于康复训练器的安全防护系统及方法。
背景技术
由于人们生活压力的加大及生活的不规律，脑部疾病患者的比例正在逐年增加，由脑部疾病导致的四肢运动功能性障碍的患者也在迅速增加。目前科学研究表明脑血管疾病或者外伤导致的神经损伤所引发的下肢瘫痪的患者经过正规的康复训练可以明显减少或减轻瘫痪的概率及后遗症，较早进行康复训练还可以维持现有运动关节的活动度。通常病人需要在专业护理人员的帮助下才能进行康复训练，但医疗费用的昂贵和护理人员的匮乏，使得康复训练器的作用日益提高，同时也对康复训练器的安全性提出了较高的要求。
康复训练器主要用于病人的康复性治疗，所以训练器必须确保病人的稳定和安全。目前已经设计出来一些康复训练器，比如外骨骼机器人，基于仿生原理进行设计，结合人体工程学，可以穿戴于患肢。每个关节上都对应有单独的驱动装置，患者佩戴后可以确保机器人的运动模式和人体自由度同轴。外骨骼机器人优点明显，缺点也很明显，对于某些不能很好保持重心的患者，机器人不能较为可靠地保护使用者的安全。同样，其他康复训练器也存在类似的对于使用者安全的防护问题。由于康复训练器缺乏通用的安全防护机制，康复训练器的发展和实际应用都受到了极大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于康复训练器的安全防护系统及方法，以解决现有的康复训练器缺乏通用的安全防护机制，导致其使用受限的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于康复训练器的安全防护系统，所述的安全防护系统包括：康复训练器、传感器、处理器以及电机；所述康复训练器包括骨盆偏移机构、骨盆升降机构、立柱、底部支架以及可移动轮；所述传感器包括力传感器、扭矩传感器、电位计以及位置传感器；所述力传感器包括左侧力传感器和右侧力传感器；所述扭矩传感器包括左侧扭矩传感器和右侧扭矩传感器；所述位置传感器包括主动轮编码器和立柱编码器；
所述力传感器和所述扭矩传感器安装在所述骨盆偏移机构上；所述左侧力传感器和所述左侧扭矩传感器安装在所述骨盆偏移机构左侧；所述右侧力传感器和所述右侧扭矩传感器安装在所述骨盆偏移机构右侧；所述骨盆升降机构的一端连接所述骨盆偏移机构，所述骨盆升降机构的另一端连接所述立柱；所述电位计安装在所述骨盆偏移机构与所述骨盆升降机构的连接处；所述立柱底部固定在所述底部支架上；所述底部支架的四个角上分别安装四个所述可移动轮；安装在所述底部支架前方的所述可移动轮为被动轮，安装在所述底部支架后方的所述可移动轮为主动轮；所述主动轮编码器安装在所述主动轮上；所述立柱编码器安装在所述立柱上；
所述力传感器、所述扭矩传感器、所述电位计、所述位置传感器的输出端分别与所述处理器的输入端连接；所述处理器的输出端连接所述电机的输入端；所述电机的输出端分别连接所述康复训练器的所述骨盆升降机构以及所述可移动轮。
一种基于康复训练器的安全防护方法，所述的安全防护方法基于所述的安全防护系统；所述安全防护方法包括：
当使用者采用所述康复训练器进行康复训练时，以所述使用者的骨盆中心点为原点建立所述安全防护系统的系统坐标系；
立柱编码器采集所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离并发送至处理器；
所述处理器根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态；所述安全状态为行走状态或跌倒状态；所述跌倒状态为垂直跌倒状态、前倾后仰跌倒状态或侧向摔倒状态；
力传感器采集所述使用者的骨盆所受到的力值并发送至所述处理器；主动轮编码器采集所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离并发送至所述处理器；
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的力值和所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态；
扭矩传感器采集所述使用者的骨盆所受到的扭矩值并发送至所述处理器；电位计采集所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度并发送至所述处理器；
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值以及所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度确定所述使用者的安全状态；
所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，对所述使用者进行安全防护或协助所述使用者进行康复训练。
可选的，所述以所述使用者的骨盆中心点为原点建立所述安全防护系统的系统坐标系，具体包括：
将所述左侧力传感器安装位置的中心点作为A点，右侧力传感器安装位置的中心点作为B点，直线AB的中心点作为所述系统坐标系的原点O；将所述康复训练器的骨盆偏移机构的左移方向作为所述系统坐标系的x轴正方向，底部支架的后移方向作为所述系统坐标系的y轴正方向，骨盆升降机构的上升方向作为所述系统坐标系的z轴正方向，建立所述安全防护系统的系统坐标系。
可选的，所述处理器根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态，具体包括：
所述处理器根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离sz，采用公式
确定原点O在z轴方向的加速度az；其中tz为移动距离sz对应的移动时间；
若所述原点O在z轴方向的加速度az大于z轴方向加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者双腿力量不足导致的垂直跌倒状态。
可选的，所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的力值和所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态，具体包括：
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的力值，采用公式Fy＝F1+F2确定所述使用者的骨盆所受到的合力Fy；其中F1为左侧力传感器采集的力值；F2为右侧力传感器采集的力值；
根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离sy，采用公式
确定原点O在y轴方向的加速度ay；其中ty1为移动距离sy对应的移动时间；
若所述使用者的骨盆所受到的合力Fy大于合力阈值且所述原点O在y轴方向的加速度ay大于y轴方向加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者与康复训练器行走速度不匹配导致的前倾后仰跌倒状态。
可选的，所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值以及所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度确定所述使用者的安全状态，具体包括：
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值，采用公式
确定所述使用者的骨盆所受到的扭矩合力Fz；其中T1为左侧扭矩传感器采集的扭矩值；T2为右侧扭矩传感器采集的扭矩值；l2为左侧力传感器与与左侧扭矩传感器之间的距离；l1为右侧力传感器与与右侧扭矩传感器之间的距离；
根据所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度θy，采用公式
确定原点O绕y轴转动的角加速度αy；其中ty2为转过角度θy对应的时间；
若所述使用者的骨盆所受到的扭矩合力Fz大于扭矩合力阈值且所述原点O绕y轴转动的角加速度αy大于y轴角加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者单侧腿部力量不足导致的侧向摔倒状态。
可选的，所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，对所述使用者进行安全防护，具体包括：
若所述处理器确定所述使用者的安全状态为跌倒状态，所述处理器控制所述电机抱死，停止所述康复训练器的所有动作。
可选的，所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，协助所述使用者进行康复训练，具体包括：
若所述处理器确定所述使用者的安全状态不为跌倒状态，则确定所述使用者的安全状态为行走状态；
若所述使用者的安全状态为行走状态，所述处理器根据所述合力Fy的大小，通过所述电机控制可移动轮的移动速度和移动距离；
若所述使用者的安全状态为行走状态，所述处理器根据所述扭矩合力Fz的大小，通过所述电机控制骨盆升降机构的升降速度和升降距离。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种基于康复训练器的安全防护系统及方法，所述的安全防护系统包括康复训练器、传感器、处理器以及电机。本发明在使用者采用所述康复训练器进行康复训练时，利用传感器对设备使用者的实时信息进行采集，经处理器分析和判断后输出使用者的安全状态，从而根据使用者的安全状态对使用者进行安全防护，确保使用者安全。采用本发明提供的安全防护系统及方法，可对使用者的人身安全进行充分保护，其结构完整，逻辑简单，易于实现，稳定性高，可操作性强，为各类型康复训练器提供了一种通用且完善的安全防护机制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于康复训练器的安全防护系统的安全防护机制示意图；
图2为本发明提供的基于康复训练器的安全防护系统的功能示意图；
图3为本发明提供的基于康复训练器的安全防护系统的结构示意图；
图4为本发明提供的系统坐标系建立过程示意图；
图5为本发明提供的骨盆升降机构内部四连杆机构的结构简图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
医疗设备主要对病人进行辅助性康复治疗，对于各种病症引起的肢体功能不足进行治疗和康复训练，所以康复训练器必须确保病人稳定和安全。目前在医用机器人行业内还没有通用的防跌倒安全防护机制，医疗设备公司皆自行研发适用于本公司设备的安全防护机制，因此一种新型的较为完善和通用的安全防护机制的提出就显得尤为重要。本发明的目的是提供一种基于康复训练器的安全防护系统及方法，以解决现有的康复训练器缺乏通用的安全防护机制，导致其使用受限的问题。本发明提供的安全防护系统及方法，通过数据的采集、处理和控制输出，对于跌倒的防护方法进行系统性的描述和逻辑判断，保证康复患者的安全。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的基于康复训练器的安全防护系统的安全防护机制示意图。图2为本发明提供的基于康复训练器的安全防护系统的功能示意图。图3为本发明提供的基于康复训练器的安全防护系统的结构示意图。参见图1和图2，本发明所述的安全防护系统包括：康复训练器1、传感器2、处理器3以及电机4。使用者(人)采用所述康复训练器1进行康复训练。在使用者采用所述康复训练器1进行康复训练的过程中，利用所述传感器2对设备使用者的实时信息进行采集；经处理器3分析和判断设备使用者的跌倒和使用行为特征后，输出使用者的安全状态；根据此安全状态控制电机4的动作，进一步通过电机4的动作控制康复训练器1的动作，进而影响人的动作，对使用者进行安全防护，确保使用者安全。本发明安全防护功能由行为采集、数据处理、行为输出三部分组成，三部分之间彼此交换信息，形成一个节节反馈的封闭系统，形成“人-传感器-处理器-电机-人”的安全防护机制。
具体的，如图3所示，所述康复训练器包括骨盆偏移机构101、骨盆升降机构102、立柱103、底部支架104以及可移动轮。所述传感器2包括力传感器、扭矩传感器、电位计205以及位置传感器。所述力传感器具体包括右侧力传感器201和左侧力传感器202；所述扭矩传感器包括右侧扭矩传感器203和左侧扭矩传感器204；所述位置传感器包括主动轮编码器206和立柱编码器(图中未示出)。
其中，所述力传感器和所述扭矩传感器安装在所述骨盆偏移机构101上，分别用于测量使用者骨盆所受到的力和扭矩。具体的，所述右侧力传感器201和所述右侧扭矩传感器203安装在所述骨盆偏移机构101右侧；所述左侧力传感器202和所述左侧扭矩传感器204安装在所述骨盆偏移机构101左侧。所述骨盆升降机构102的一端连接所述骨盆偏移机构101，所述骨盆升降机构102的另一端连接所述立柱103。所述骨盆升降机构102可以沿所述立柱103进行升降运动。所述电位计205安装在所述骨盆偏移机构101与所述骨盆升降机构102的连接处。所述立柱103底部固定在所述底部支架104上。所述底部支架104的四个角上分别安装四个所述可移动轮。安装在所述底部支架104后方的所述可移动轮为主动轮105，安装在所述底部支架104前方的所述可移动轮为被动轮106。所述主动轮编码器206安装在所述主动轮上105。所述立柱编码器安装在所述立柱103上。
如图2所示，所述力传感器、所述扭矩传感器、所述电位计、所述位置传感器的输出端分别与所述处理器3的输入端连接；所述处理器3的输出端连接所述电机4的输入端；所述电机4的输出端分别连接所述康复训练器的所述骨盆升降机构102以及所述可移动轮。所述电机4用于控制所述骨盆升降机构102以及所述可移动轮的动作。在实际应用中，通常采用三个电机分别控制所述骨盆升降机构102、所述可移动轮的左轮以及所述可移动轮的右轮的动作。
使用者在使用康复训练器设备的过程中，各种传感器2(包括力传感器、扭矩传感器、位置传感器、电位计)采集使用者的行为特征，并将人的行为特征输送至处理器3，所述行为特征包括行走行为特征、跌倒行为特征和其他特征。所述处理器3不限于名义上的处理器，是一种通用的负责数据和信息运算、判断及输出的器件，且不限于硬件，可以为软件、程序或代码等处理工具。所述处理器3分析判断人的行为特征并输出指令给电机4，所述电机4为通称，不特指电动机，为一种可对设备进行控制及动力输出的器件，能够对于设备的防护机制进行主动调节，控制防护机制中的各个部件的运动。所述电机4通过对康复训练器1的器械行为进行操作，保护设备使用者的安全。
通过广泛的调查得出，在使用者使用康复训练器1期间，主要存在以下几种安全隐患状态：
(1)由于使用者双腿力量不足致使站立不稳导致的垂直跌倒；
(2)由于使用者与康复训练器行走速度不匹配导致的前倾或后仰摔倒；
(3)由于使用者单侧腿部力量不足导致的侧向摔倒；
(4)由于发生安全隐患未能及时发现及处理造成使用者的二次伤害。
为消除上述安全隐患，本发明提供了一种基于康复训练器的安全防护方法，所述安全防护方法与所述安全防护系统的安全防护机制相同，此安全防护机制通过各个传感器测量使用者的力，通过处理器计算各方向的加速度，并通过坐标平移至同一系统坐标系下。由于单一坐标系内的单一变量不足以准确判断使用者的状态，故本发明采用所测量的值的组合来判断使用者的安全状态。所述安全状态为行走状态或跌倒状态；所述跌倒状态为垂直跌倒状态、前倾后仰跌倒状态或侧向摔倒状态。
基于本发明所述的安全防护系统，本发明还提供一种基于康复训练器的安全防护方法，所述安全防护方法包括：
步骤1：当使用者采用所述康复训练器进行康复训练时，以所述使用者的骨盆中心点为原点建立所述安全防护系统的系统坐标系。
由于是对使用者进行安全防护，故本发明将人体的骨盆中心点作为研究的对象，将所述康复训练器1的所有自由度及位置均变换至以O点为原点的坐标系下。图4为本发明提供的系统坐标系建立过程示意图，参见图3和图4，本发明将所述右侧力传感器201安装位置的中心点作为B点，左侧力传感器202安装位置的中心点作为A点，直线AB的中心点作为所述系统坐标系的原点O；将所述康复训练器的骨盆偏移机构101的左移方向作为所述系统坐标系的x轴正方向，底部支架104的后移方向作为所述系统坐标系的y轴正方向，骨盆升降机构102的上升方向作为所述系统坐标系的z轴正方向，建立所述安全防护系统的系统坐标系。
所述系统坐标系的原点O点为图4中AB连线的中点，图4中，A点和C点分别为左侧力传感器202和左侧扭矩传感器204的中心点，B点和D点分别为右侧力传感器201和右侧扭矩传感器203的中心点。由于A、B、C、D可相对移动的间距很小，故忽略A、B、C、D之间的相互移动，将A、B、C、D看作一个整体，为机构ABCD。机构ABCD的移动视为与O点的移动相同并由O点表示。其中，E为C、D中点，亦为电位计205安装位置。F点为机械结构内部点，即骨盆升降机构102内部的平面四连杆机构的靠近DC边且与DC边平行的边bc的中点。G点为骨盆升降机构102与立柱103接触的边ad的中点，即骨盆升降机构内四连杆机构abcd在立柱上的固定边(ad边)的中点。骨盆升降机构102内的四连杆机构abcd如图5所示。H点为立柱103与底部支架104的连接点，即立柱103与底部支架104的接触面的z方向与G点在同一直线上的点。
为了确定使用者的安全状态，需要首先建立力和位置的静力学模型。由于判断的依据为使用者骨盆中心自由度的组合，即O坐标系(系统坐标系)的状态，故建模的主要思想为将各点坐标系的自由度从H点转移至O点。
其中，H点到G点的位姿变换为：
式(1)中，l5为H、G之间的距离，为一变量，其大小可由立柱中的立柱编码器给出。Trans()为坐标平移变换函数，Trans(z，l5)中，第一个参数z表示沿着H坐标系的z方向平移，第二个参数表示沿z方向平移了l5，l5的大小由立柱中的立柱编码器给出。
G点与F点处有一平行四边形结构abcd，也称为机构GF，机构GF的四个顶点a、b、c、d为铰链，可以转动。
机构GF的平面建模简图见图5，为一平行四边形连杆结构，对边分别平行，两边结合点为铰链连接，其中ad边为固定边，其余各边ab、bc、cd均可活动。各边ad、ab、bc、cd的长度分别为lad、lab、lbc、lcd，每相邻两条边所夹的夹角分别为θ1、θ2、θ3、θ4(未用到的图中未标出)，例如两边ad、ab的夹角为θ1，ab、bc两边的夹角为θ2。根据平面四连杆的特性，可得当四连杆机构中的bc边移动时，bc边沿G坐标系的x轴方向和y轴方向都有移动，其中x和y方向移动的距离分别为：
式(2)和式(3)中，
为bc边沿G坐标系的x轴方向移动的距离；
为bc边沿G坐标系的y轴方向移动的距离。lab为一常量，θ1由平面四连杆结构内部的电位计205测量得出。由于在结构内部，且无坐标转换关系，故此电位计205未在图4标出。G点和F点分别为机构GF两边的中点，F在边bc上且杆上任意一点的运动规律相同，故以F点代替边bc，G点到F点的位姿变换为：
式(4)中，
表示bc边在G坐标系下沿x方向移动的距离，
为bc边沿G坐标系下y方向移动的距离。Trans()为坐标平移变换函数，此处第一个函数
表示沿G坐标系的x轴方向移动了
第二个函数
表示沿G坐标系的y轴方向平移了
F点到E点的位姿变换为：
式(5)中，l3为F点和E点之间的距离，为一常量；E点为直线CD的中点且有一铰链使机构ABCD可以绕E点沿E点坐标系的y轴旋转，θy为旋转角度，由位置205处的电位计测得。Trans(y，l3)函数表示沿E点坐标系的y轴方向平移了l3。Roty()函数为坐标旋转变换函数，函数Roty(θy)表示绕E点坐标系的y轴旋转了θy。O点为AB的中点，故E点与构件ABCD及O点的移动位姿一致。
因此得到：
式(6)中，
为H点到O点的位姿变换，
为为H点到E点的位姿变换，
为H点到G点的位姿变换，
为G点到F点的位姿变换，
为F点到D点的位姿变换。
至此，即将所述安全防护系统中全部传感器测得的数据体现的自由度平移至了O点，O点坐标系具有x、y、z、
五个自由度(
方向具备自由度但不作为安全机制的判断依据，故未进行测量)。根据所得自由度建立如图3的安全防护模型及建立坐标系
其中
表示沿系统坐标系y轴进行旋转，
表示沿系统坐标系z轴进行旋转。下述x,y,z方向及
如无特殊说明，皆为此以O点为原点的系统坐标系。利用式(6)可计算安全防护系统中任意一点在其任一具备的自由度方向的移动在以O点为原点的系统坐标系下的相对移动。
关于加速度的相关计算方法如下：
对于各自由度上的位移，加速度的计算方式为：
对角度变化来说：
式(7)中a为O点移动的加速度，dt为单位时间，dv为某轴单位时间内移动的速度，ds为某轴单位时间内移动的距离。式(8)中，α为O点转动的角加速度，dω为对应自由度转过的角速度，dt为单位时间，dθ为对应自由度转过的角度。加速度可以反映使用者在某个自由度上移动的快慢程度，不同坐标轴上的加速度和力值的组合可以用于判断使用者安全状态。
力学模型的输入量为系统中的力传感器和扭矩传感器的测量值，用于形成力Fy及Fz，合力计算式如下：
Fy＝F1+F2 (9)
式(9)中Fy为力传感器的合力，式(10)中Fz为扭矩传感器的扭矩合力，F1、F2分别为左侧力传感器、右侧力传感器测量的力值。T1、T2分别为左侧扭矩传感器、右侧扭矩传感器测量的扭矩值，l1、l2分别为B、D两点之间的距离和A、C两点之间的距离。
式(9)中所求的Fy除配合其他变量判断使用者的安全状态外，还为底部主动轮105的移动提供信息。当使用者处于行走状态时，在移动过程中，康复训练器1的主动轮105的速度随Fy的大小而变快变慢，使用者移动的距离由主动轮105的编码器206获取，转化至以O点为原点的坐标系中反映为y方向的自由度。
式(10)中所求的Fz用于为骨盆升降机构102的上下移动提供信息，当使用者的骨盆上下移动时，骨盆升降机构102的上下移动的距离随Fz的大小变化，Fz越大，骨盆升降机构102移动的速度越大。骨盆升降机构102的移动距离由立柱内电机的编码器进行记录，构成O点坐标系下的z方向的自由度。
步骤2：所述立柱编码器采集所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离并发送至处理器。
处理器3主要对传感器2传输过来的数据进行分析和处理。处理器3内拥有两种逻辑，分别为未跌倒状态逻辑(即行走状态逻辑)和跌倒状态逻辑，两者的切换存在一定的逻辑判断。当所述安全防护系统在行走状态逻辑中时，传感器2输送至处理器3的数据主要用于意图识别，使搭配此安全防护系统的康复训练器1进行x轴方向、y轴方向、z轴方向的移动及y轴方向、z轴方向的转动。当本发明安全防护系统在跌倒状态逻辑中时，处理器3不再处理由力传感器、扭矩传感器和电位计传输过来的数据，直至使用者手动恢复未跌倒状态，从而对使用者的安全进行防护。
步骤3：所述处理器根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态。
所述安全状态为行走状态或跌倒状态；所述跌倒状态为垂直跌倒状态、前倾后仰跌倒状态或侧向摔倒状态。
具体为，所述处理器3根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离sz，采用公式
确定原点O在z轴方向的加速度az；其中tz为移动距离sz对应的移动时间；若所述原点O在z轴方向的加速度az大于z轴方向加速度阈值，则确定所述使用者的安全状态为由于使用者双腿力量不足导致的垂直跌倒状态。
步骤4：所述力传感器采集所述使用者的骨盆所受到的力值并发送至所述处理器3；所述主动轮编码器206采集所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离并发送至所述处理器3。
步骤5：所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的力值和所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态；具体包括：
所述处理器3根据所述使用者的骨盆所受到的力值，采用公式Fy＝F1+F2确定所述使用者的骨盆所受到的合力Fy；其中F1为左侧力传感器采集的力值；F2为右侧力传感器采集的力值；
根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离sy，采用公式
确定原点O在y轴方向的加速度ay；其中ty1为移动距离sy对应的移动时间；
若所述使用者的骨盆所受到的合力Fy大于合力阈值且所述原点O在y轴方向的加速度ay大于y轴方向加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者与康复训练器行走速度不匹配导致的前倾后仰跌倒状态。
步骤6：所述扭矩传感器采集所述使用者的骨盆所受到的扭矩值并发送至所述处理器；所述电位计采集所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度并发送至所述处理器。
步骤7：所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值以及所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度确定所述使用者的安全状态；具体包括：
所述处理器3根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值，采用公式
确定所述使用者的骨盆所受到的扭矩合力Fz；其中T1为左侧扭矩传感器采集的扭矩值；T2为右侧扭矩传感器采集的扭矩值；l2为左侧力传感器与与左侧扭矩传感器之间的距离；l1为右侧力传感器与与右侧扭矩传感器之间的距离；
根据所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度θy，采用公式
确定原点O绕y轴转动的角加速度αy；其中ty2为转过角度θy对应的时间；
若所述使用者的骨盆所受到的扭矩合力Fz大于扭矩合力阈值且所述原点O绕y轴转动的角加速度αy大于y轴角加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者单侧腿部力量不足导致的侧向摔倒状态。
步骤8：所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，对所述使用者进行安全防护或协助所述使用者进行康复训练。
电机部件主要执行内部处理器3传输过来的命令，用于配合使用者的移动和制止使用者的跌倒行为。内部处理器3运行逻辑算法，对数据进行处理和判断后输出使用者目前的安全状态和需要调节的外部部件，具体逻辑为，当处理器内的逻辑判断为跌倒状态时，即此时有跌倒行为特征时，此时处理器3对电机4进行控制，执行抱死操作，保护使用者安全且防止使用者受到二次伤害。当使用者恢复正常时，可在界面上操作以解除电机抱死命令，此时设备恢复正常运行状态。
关于安全机制的硬件逻辑，反映在安全机制中为：传感器2采集数据并传输数据至处理器3，处理器3判断当前安全状态，电机执行操作。如图3所示的安全机制的模型示意图中，201、202为力传感器，203、204为扭矩传感器，传感器2将接收到的力和扭矩发送至处理器3，处理器3根据式(9)计算合力Fy。当在行走状态逻辑的时候，合力Fy可使移动轮移动，移动轮采用力矩控制模式，即Fy越大，移动轮移动的移动速度越快，训练器1沿y方向运动，同时主动轮上的电机编码器206可以记录y方向的移动距离。扭矩传感器将检测到的T1、T2发送至处理器3，经由式(10)计算得出扭矩合力Fz，骨盆升降机构102配合腰部随Fz的大小增减速沿立柱上下移动，构成模型的z方向自由度，同时对应的编码器进行记录移动的距离sz。
所述康复训练器1上还安装有电位计205，骨盆偏移机构101沿此处x方向移动和绕y轴的旋转，带动电位计205旋转，记录对应方向上的变化，作为实时判断使用者在行走过程中绕y轴旋转的角度θy。综上各个传感器相配合，组成本发明安全机制的硬件逻辑。
关于行走状态及跌倒状态的判断逻辑，主要根据自由度的相关阈值来判断。当z方向对应的加速度az过大超过z轴方向加速度阈值时，为使用者双腿力量不足导致的摔倒，此时启动安全防护使康复训练器设备停止，防止对使用者造成二次伤害。加速度az的相关计算参照式(7)。
当y对应的加速度ay变化过大超过阈值且合力Fy过大超过所设定阈值时，此时为前倾或后倾跌倒状态；加速度ay的相关计算参照式(7)，合力Fy的计算参照式(9)。
当θy对应的加速度αy变化过大超过阈值且扭矩合力Fz过大超过阈值时，此时为使用者左右倾倒状态，此时启动安全防护使设备停止。加速度αy的相关计算参照式(8)，扭矩合力Fz的计算参照式(10)。
关于本发明安全机制的阈值的设定，各个阈值根据人正常行走时骨盆在各个自由度方向的力或加速度值所设定，使用者或开发者可以根据自身的情况进行增大或减小，以调节本发明安全防护系统的灵敏度。
其中，所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，对所述使用者进行安全防护，具体包括：
若所述处理器确定所述使用者的安全状态为跌倒状态，所述处理器控制所述电机抱死，停止所述康复训练器的所有动作。
所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，协助所述使用者进行康复训练，具体包括：
若所述处理器确定所述使用者的安全状态不为跌倒状态，则确定所述使用者的安全状态为行走状态；
若所述使用者的安全状态为行走状态，所述处理器根据所述合力Fy的大小，通过所述电机控制可移动轮的移动速度和移动距离；
若所述使用者的安全状态为行走状态，所述处理器根据所述扭矩合力Fz的大小，通过所述电机控制骨盆升降机构的升降速度和升降距离。
当在行走状态逻辑的时候，合力Fy的大小作为可移动轮移动速度的参考，使训练器1沿y方向运动，同时主动轮105上的电机编码器206可以记录y方向的移动距离。扭矩传感器检测到的T1和T2，使骨盆升降机构内部电机带动骨盆升降机构102配合腰部沿立柱103上下移动，构成模型的z方向自由度，同时立柱编码器记录移动的距离。骨盆偏移机构101与骨盆升降机构102的连接处设置有电位计205，骨盆偏移机构101沿此处x方向移动和绕y轴旋转，带动电位计205旋转，记录对应方向上的变化。
本发明中传感器2采集数据输送至处理器3。处理器3对模型及自由度进行判断，当z方向对应的加速度过大超过阈值时，为使用者双腿力量不足导致的摔倒，此时启动安全防护使设备停止，防止二次伤害。当ay、Fy过大超过阈值时，此时为前倾或后倾跌倒状态，当αy加速度变化过大超过阈值且Fz过大超过阈值时，此时为使用者左右倾倒，此时启动安全防护使设备停止。
本发明的行为输出部分由伺服电机4组成，伺服电机4由处理器3控制，当处理器3判断为任一跌倒状态时，首先处理器3不再处理由力传感器、扭矩传感器及电位计传输过来的数据，同时电机4抱死，即前文所述设备停止，防止设备的移动对使用者的二次伤害。在使用者恢复正常状态以后，可以在界面上进行操作，对跌倒状态进行解除，继续进行正常训练。
本发明安全防护方法在使用者采用所述康复训练器1进行康复训练时，利用传感器2对设备使用者的实时信息进行采集，经处理器3分析和判断后输出使用者的安全状态，从而根据使用者的安全状态对使用者进行安全防护，确保使用者安全。采用本发明提供的安全防护系统及方法，可对使用者的人身安全进行充分保护，其结构完整，逻辑简单，易于实现，稳定性高，可操作性强，为各类型康复训练器提供了一种通用且完善的安全防护机制，具有极高的实用价值。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于康复训练器的安全防护系统，其特征在于，所述的安全防护系统包括：康复训练器、传感器、处理器以及电机；所述康复训练器包括骨盆偏移机构、骨盆升降机构、立柱、底部支架以及可移动轮；所述传感器包括力传感器、扭矩传感器、电位计以及位置传感器；所述力传感器包括左侧力传感器和右侧力传感器；所述扭矩传感器包括左侧扭矩传感器和右侧扭矩传感器；所述位置传感器包括主动轮编码器和立柱编码器；
所述力传感器和所述扭矩传感器安装在所述骨盆偏移机构上；所述左侧力传感器和所述左侧扭矩传感器安装在所述骨盆偏移机构左侧；所述右侧力传感器和所述右侧扭矩传感器安装在所述骨盆偏移机构右侧；所述骨盆升降机构的一端连接所述骨盆偏移机构，所述骨盆升降机构的另一端连接所述立柱；所述电位计安装在所述骨盆偏移机构与所述骨盆升降机构的连接处；所述立柱底部固定在所述底部支架上；所述底部支架的四个角上分别安装四个所述可移动轮；安装在所述底部支架前方的所述可移动轮为被动轮，安装在所述底部支架后方的所述可移动轮为主动轮；所述主动轮编码器安装在所述主动轮上；所述立柱编码器安装在所述立柱上；
所述力传感器、所述扭矩传感器、所述电位计、所述位置传感器的输出端分别与所述处理器的输入端连接；所述处理器的输出端连接所述电机的输入端；所述电机的输出端分别连接所述康复训练器的所述骨盆升降机构以及所述可移动轮。
2.一种基于康复训练器的安全防护方法，其特征在于，所述的安全防护方法基于权利要求1所述的安全防护系统；所述安全防护方法包括：
当使用者采用所述康复训练器进行康复训练时，以所述使用者的骨盆中心点为原点建立所述安全防护系统的系统坐标系；
立柱编码器采集所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离并发送至处理器；
所述处理器根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态；所述安全状态为行走状态或跌倒状态；所述跌倒状态为垂直跌倒状态、前倾后仰跌倒状态或侧向摔倒状态；
力传感器采集所述使用者的骨盆所受到的力值并发送至所述处理器；主动轮编码器采集所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离并发送至所述处理器；
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的力值和所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态；
扭矩传感器采集所述使用者的骨盆所受到的扭矩值并发送至所述处理器；电位计采集所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度并发送至所述处理器；
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值以及所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度确定所述使用者的安全状态；
所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，对所述使用者进行安全防护或协助所述使用者进行康复训练。
3.根据权利要求2所述的安全防护方法，其特征在于，所述以所述使用者的骨盆中心点为原点建立所述安全防护系统的系统坐标系，具体包括：
将所述左侧力传感器安装位置的中心点作为A点，右侧力传感器安装位置的中心点作为B点，直线AB的中心点作为所述系统坐标系的原点O；将所述康复训练器的骨盆偏移机构的左移方向作为所述系统坐标系的x轴正方向，底部支架的后移方向作为所述系统坐标系的y轴正方向，骨盆升降机构的上升方向作为所述系统坐标系的z轴正方向，建立所述安全防护系统的系统坐标系。
4.根据权利要求2所述的安全防护方法，其特征在于，所述处理器根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态，具体包括：
所述处理器根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的z轴方向的移动距离sz，采用公式
确定原点O在z轴方向的加速度az；其中tz为移动距离sz对应的移动时间；
若所述原点O在z轴方向的加速度az大于z轴方向加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者双腿力量不足导致的垂直跌倒状态。
5.根据权利要求2所述的安全防护方法，其特征在于，所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的力值和所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离确定所述使用者的安全状态，具体包括：
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的力值，采用公式Fy＝F1+F2确定所述使用者的骨盆所受到的合力Fy；其中F1为左侧力传感器采集的力值；F2为右侧力传感器采集的力值；
根据所述使用者的骨盆在所述系统坐标系的y轴方向的移动距离sy，采用公式
确定原点O在y轴方向的加速度ay；其中ty1为移动距离sy对应的移动时间；
若所述使用者的骨盆所受到的合力Fy大于合力阈值且所述原点O在y轴方向的加速度ay大于y轴方向加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者与康复训练器行走速度不匹配导致的前倾后仰跌倒状态。
6.根据权利要求2所述的安全防护方法，其特征在于，所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值以及所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度确定所述使用者的安全状态，具体包括：
所述处理器根据所述使用者的骨盆所受到的扭矩值，采用公式
确定所述使用者的骨盆所受到的扭矩合力Fz；其中T1为左侧扭矩传感器采集的扭矩值；T2为右侧扭矩传感器采集的扭矩值；l2为左侧力传感器与与左侧扭矩传感器之间的距离；l1为右侧力传感器与与右侧扭矩传感器之间的距离；
根据所述使用者的骨盆绕所述系统坐标系的y轴转过的角度θy，采用公式
确定原点O绕y轴转动的角加速度αy；其中ty2为转过角度θy对应的时间；
若所述使用者的骨盆所受到的扭矩合力Fz大于扭矩合力阈值且所述原点O绕y轴转动的角加速度αy大于y轴角加速度阈值，确定所述使用者的安全状态为由于使用者单侧腿部力量不足导致的侧向摔倒状态。
7.根据权利要求2所述的安全防护方法，其特征在于，所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，对所述使用者进行安全防护，具体包括：
若所述处理器确定所述使用者的安全状态为跌倒状态，所述处理器控制所述电机抱死，停止所述康复训练器的所有动作。
8.根据权利要求2所述的安全防护方法，其特征在于，所述处理器根据所述使用者的安全状态控制所述电机动作，协助所述使用者进行康复训练，具体包括：
若所述处理器确定所述使用者的安全状态不为跌倒状态，则确定所述使用者的安全状态为行走状态；
若所述使用者的安全状态为行走状态，所述处理器根据所述合力Fy的大小，通过所述电机控制可移动轮的移动速度和移动距离；
若所述使用者的安全状态为行走状态，所述处理器根据所述扭矩合力Fz的大小，通过所述电机控制骨盆升降机构的升降速度和升降距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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