CN110946742A - 一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置及方法，包括固定于减重车车体的腰撑组件；所述的腰撑组件与下肢外骨骼机器人上端连接；当下肢外骨骼机器人处于单支撑相且准备迈步、足部未落地时，加速的减重车向腰撑组件与下肢外骨骼机器人的连接处施加向前的加速度推力，使得下肢外骨骼机器人重心提高、位置前移。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1：利用减重车加速运动，产生的推力使机器人重心转移。2：使用推力的方法来完成模仿人体膝关节屈曲到直立的过程。3：利用机械结构刚性来模仿人体膝关节和肌肉协同作用下完成的迈步动作。

Description

一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置及方法。

背景技术

在临床上出现了各种的患者(比如脑卒中、脊髓损伤、骨折术后等引起的下肢运动功能障碍的恢复期患者)，目前在临床上没有太多的训练设备，而且康复需求不断扩大，然而专业康复人员缺乏；一对一模式人力资本高且耗时费力。

人在行走的过程中，重心呈现一种动态变化的状态，在不同的步态下，人的重心会发生转移。目前产品还没有一种合适的方式去度过重心转移过程(尤其是足部压力最大点时刻)。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置及方法，使用推力的方法来完成模仿人体膝关节屈曲到直立的过程。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，包括控制器、固定于减重车车体的腰撑组件、与腰撑组件连接的下肢外骨骼机器人；所述的控制器包括速度控制模块、电机驱动模块；

所述的速度控制模块，用于向电机驱动模块发送加速信号，加速信号是指：使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻突然加速的信号；

减重车的加速度形成向前的推力作用于腰撑组件与下肢外骨骼机器人的连接处，辅助下肢机器人重心转移。

优选的，所述的下肢外骨骼机器人具有膝关节屈伸自由度和髋关节屈伸自由度。

进一步地，所述的速度控制模块用于向电机驱动模块发送加速信号，加速信号是指：使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻开始加速，加减速的时间为(8％-12％)T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同。

进一步地，所述的控制器还包括步态信息采集模块；

所述的步态信息采集模块，用于实时接收下肢机器人发出的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；

所述速度控制模块，在下肢机器人起步时，根据下肢机器人发来的步态信息计算出减重车的正常速度并将正常速度信息发送至电机驱动模块，电机驱动模块驱动电机使减重车以正常速度行驶；速度控制模块还通过电机驱动模块使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻开始加速，加减速的时间为(8％-12％)T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同，在加减速过程中电机驱动模块驱动电机使减重车加减速。减重车始终跟随下肢机器人，即下肢机器人不动，减重车也不动；当下肢机器人开始行走，则减重车从停车状态变成以一定的速度行驶。

优选的，所述的腰撑组件还连接主动辅助重心转移机构。

更优选的，速度控制模块通过电机驱动模块、电机使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻开始加速，加减速的时间为10％T，加减速过程中加速至减重车正常速度的2倍，加减速过程中加速时间和减速时间相同。

优选的，所述的腰撑组件通过机器人安装板与下肢外骨骼机器人的髋关节上方连接。

本发明还提供一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的方法，包括如下步骤：控制器通过驱动减重车驱动装置(例如，减重车驱动装置包括电机，电机驱动减重车的驱动轮转动而直线行驶)连接使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻突然加速，减重车的加速度形成向前的推力作用于腰撑组件与下肢外骨骼机器人的连接处，辅助下肢机器人重心转移。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：1：利用减重车加速运动，产生的推力使机器人重心转移。2：使用推力的方法来完成模仿人体膝关节屈曲到直立的过程。3：利用机械结构刚性来模仿人体膝关节和肌肉协同作用下完成的迈步动作。本发明使用简捷方便不需要大量使用传感器；方法易于操作，可实现性较强；不需要额外使用多余的机械结构，节省物料；与减重车协同完成，成为独立的系统。

附图说明

图1膝关节受到最大承载力，自然弯曲完成迈步的时刻示意图；

图2减重车助力辅助下肢机器人重心转移的原理图；

图3-4下肢机器人与腰撑组件连接示意图；

图5腰撑组件结构图；

图6被动减重机构示意图；

图7主动辅助重心转移机构正视图；

图8主动辅助重心转移机构后侧视图；

图9-10为底盘驱动装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，包括控制器、固定于减重车车体的腰撑组件、与腰撑组件连接的下肢外骨骼机器人；所述的控制器包括速度控制模块、电机驱动模块；

所述的速度控制模块，用于向电机驱动模块发送加速信号，加速信号是指：使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻突然加速的信号；

减重车的加速度形成向前的推力作用于腰撑组件与下肢外骨骼机器人的连接处，辅助下肢机器人重心转移。

优选的，所述的下肢外骨骼机器人具有膝关节屈伸自由度和髋关节屈伸自由度。

优选的，所述的速度控制模块用于向电机驱动模块发送加速信号，加速信号是指：使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻从正常速度(即初速度V₀)开始加速，加减速的时间为(8％-12％)T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍后减速，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同。此为第一次加减速过程，公式为如下：

其中h为第一次加减速过程的减重车位移，初速度V₀，最大速度V_f(即减重车正常速度的1.5-2.5倍)、末速度V₁以及加速度a_a、减速度a_d。V₀＝V₁。

此外，由于加减速，减重车位移距离大于机器人位移距离因此在减重车完成第一个加速减速过程后再加入一个先减速再加速至原速度的过程(位移公式原理同上述的公式)，并在此过程中弥补位移的差值。先减速再加速至原速度的过程紧随第一个加速减速过程之后，原速度指初速度V₀，先减速(逐渐减速至最小速度，最小速度根据需弥补位移差值、减速时间、减速度等得到)再加速至原速度的过程在本步态周期的剩余时间(约为50％T)内完成，先减速再加速至原速度的过程的持续时间为：小于或等于本步态周期的剩余时间。先减速再加速至原速度的过程也由速度控制模块计算并将此信号发送至电机驱动模块，由电机驱动模块驱动电机。先减速再加速至原速度的过程完成后，减重车在本步态周期的其余剩余时间内仍以V₀速度行驶。

此外，申请人声明弥补位移的差值的技术方案不是实现减重车助力辅助下肢机器人重心转移的目的所必须的技术特征。弥补位移的差值的技术方案还可以替换为：在第一个加减速过程完成后通过检测下肢机器人与减重车之间的位移变化以调整减重车行驶速度的方式。

需注意以上控制均是针对单个步态周期，其它步态周期的控制均需重复以上操作。在优选实施例中，机器人在一次步行中为匀速运动，此时其它步态周期无需再计算减重车正常速度，而只需使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻突然加速(即加减速过程)。

优选的，所述的控制器还包括步态信息采集模块；所述的步态信息采集模块，用于实时接收下肢机器人发出的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；所述速度控制模块，在下肢机器人起步时，根据下肢机器人发来的步态信息计算出减重车的正常速度并将正常速度信息发送至电机驱动模块，电机驱动模块驱动电机使减重车以正常速度行驶；速度控制模块还通过电机驱动模块使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻开始加速，加减速的时间为(8％-12％)T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同，在加减速过程中电机驱动模块驱动电机使减重车加减速。

所述的腰撑组件还连接主动辅助重心转移机构。

优选的，速度控制模块使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻开始加速，加减速的时间为10％T，加减速过程中加速至减重车正常速度的2倍，加减速过程中加速时间和减速时间相同。

所述的腰撑组件通过机器人安装板与下肢外骨骼机器人的髋关节上方连接。

一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的方法，包括如下步骤：控制器通过驱动减重车驱动装置使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻突然加速，减重车的加速度形成向前的推力作用于腰撑组件与下肢外骨骼机器人的连接处，辅助下肢机器人重心转移。所述的下肢外骨骼机器人具有膝关节屈伸自由度和髋关节屈伸自由度。具体地，使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻开始加速，加减速的时间为(8％-12％)T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍(优选为2倍)，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同。

减重车(即康复减重步行训练车，其上部设有减重悬吊装置，减重悬吊装置为现有技术)、下肢机器人(下肢康复机器人，其为现有技术)相连接，下肢机器人通过插销32(也可以为其它紧固装置)与腰撑组件10(腰撑组件用于连接下肢机器人与减重车，具有连接和支撑作用)端部的机器人安装板22连接以实现快速拆装，具体地，下肢机器人左、右髋关节上方的侧板上分别设有至少两个销孔44，插销32穿过销孔44和机器人安装板22上的销孔以实现下肢机器人、机器人安装板的相互固定，即下肢机器人和腰撑组件的连接处位于下肢机器人左、右髋关节上方。腰撑组件为2个且对称设置，下肢机器人左右两侧的侧板的销孔44均为至少2个且两侧侧板的销孔44对称设置(图3)。

如图4所示，腰撑组件固定于腰撑固定板9上；通过插销将腰撑固定板固定于扶手组件的扶手安装板38a上，而扶手安装板固定于车体滑块43上，车体两侧的车体滑块43可沿着竖向的车体两侧滑轨40滑动，此外，腰撑固定板可与主动辅助重心转移机构连接，在主动辅助重心转移机构驱动下可实现腰撑固定板、扶手安装板、腰撑组件、下肢机器人、滑块同步上下移动。值得一提的是，即便没有主动辅助重心转移机构，下肢机器人行走时的重心起伏也可以使腰撑组件等一起上下移动。

主动辅助重心转移机构为使腰撑组件上下移动以主动调整外骨骼机器人重心的升降动力机构。

腰撑组件包括被动减重机构(其为中国专利申请号201910705945.6、一种用于康复训练的外骨骼机器人的减重装置)，所述的被动减重机构包括：预紧力产生机构；与预紧力产生机构连接，且通过支点传递预紧力的支撑连接杆；与支撑连接杆连接的机器人安装板。

当主动辅助重心转移机构使腰撑组件向上或向下移动时，预紧力产生机构缩短或伸长。

优选的，所述的腰撑组件包括安装宽度调节机构、腰撑固定板、与腰撑固定板直接或间接地滑动连接的两个机器人安装板，安装宽度调节机构通过使两个机器人安装板向相反的方向横向滑动以放宽或收紧两个机器人安装板之间的距离。

优选的，升降动力机构可为伺服电缸或伺服电机-丝杆螺母机构。

在一个实施例中，所述的预紧力产生机构包括由上向下依次连接的固定连接座、导向杆、导向管和运动连接座；缓冲弹簧套接在导向杆和导向管的外周，同时限位在运动连接座和固定连接座之间，且所述的运动连接座的下部与支撑连接杆的受力端连接。

在另一个实施例中，所述的预紧力产生机构包括由上向下依次连接的固定连接座、导向杆、导向管、调节螺母和运动连接座；缓冲弹簧套接在导向杆和导向管的外周，同时限位在调节螺母和固定连接座之间，且所述的运动连接座的下部与支撑连接杆的受力端连接。

腰撑盖(如图3中10所指位置的部件)作为被动减重机构中除了机器人安装板以外的其它所有结构的遮挡外壳，不影响被动减重机构的横向平移，也不影响腰撑组件的上下移动。

主动辅助重心转移机构包括伺服电机1、第一丝杆7(其为滚珠丝杆)、第一螺帽4、腰撑连接座6等，第一螺帽4位于第一丝杠上且与第一丝杆螺纹连接，在第一丝杆旋转时第一螺帽上下移动；第一螺帽通过腰撑连接座连接腰撑固定板9，第一螺帽、腰撑连接座、腰撑固定板同步运动。由于腰撑固定板连接丝杆组件，且腰撑固定板通过滑座连接被动减重机构的固定安装板，因此，当丝杆螺帽组件带动腰撑固定板上下移动时整个腰撑组件跟随腰撑固定板一起上下移动。腰撑连接座位于两个被动减重机构之间，且腰撑连接座与任意一个被动减重机构之间的距离相同(图7-8)。

伺服电机1通过联轴器2连接丝杆固定座3，丝杆固定座3用于固定第一丝杆7的一端，第一丝杆7的另一端固定于第一丝杆滑座8中，第一丝杆滑座可在车体下部横杆33的滑动槽中滑动，滑动是指滚珠丝杆旋转过程中丝杆端部的滑动(其为现有技术)。

如图5所示，腰撑组件10包含被动减重机构、丝杆组件，被动减重机构如图6所示，被动减重机构为2个；丝杆组件包括滑座26、滑轨27、第二丝杆28、第二螺帽29、手轮30、丝杆连接座34、丝杆连接板35。

其中滑轨为两个，横向平行设置于腰撑固定板的上下两端，腰撑固定板沿车体左右延伸且基本水平设置，使用时腰撑固定板的高度对准待康复人体腰部。第二丝杆为左右旋螺纹丝杠，有两个第二螺帽，第二丝杠的旋转使得两个第二螺帽直线运动且运动方向相反，使两个被动减重机构呈左右对称同时向内或向外滑动(两者运动方向相反)，向外指向靠近丝杆端部的方向移动，向内则反之。

腰撑固定板的两端与丝杆连接板35连接，丝杆连接板基本垂直于腰撑固定板，第二丝杆穿过两个丝杆连接板35且第二丝杆的至少一端位于丝杆连接板之外且该端部连接手轮。被动减重机构的固定安装板的侧面连接滑座，滑座可在腰撑固定板的滑轨上滑动；固定安装板18的正面连接丝杆连接座34，丝杆连接座34与第二螺母固定连接，当第二螺母直线运动时带动丝杆连接座、固定安装板、滑座一起横向滑动，而由于固定安装板是被动减重机构的一部分，因此被动减重机构也整体滑动，使得两个机器人安装板之间的距离可调整，适用于不同体型的待康复人体。

腰撑组件主要由腰撑固定板，两根滑轨、四个滑座、两套被动减重机构(被动减重机构内部包含缓冲弹簧)、两个第二螺帽、第二丝杆以及手轮等构成。其中两套被动减重机构呈左右对称固定于四个滑座上，同时其内部通过第二螺帽与第二丝杆螺纹连接，当转动手轮带动第二丝杆旋转时，因第二丝杆为左右螺丝丝杆，被动减重机构会呈左右对称同时向内或向外滑动以适应不同体态的患者。腰撑组件的机器人安装板与外骨骼机器人31通过左右两侧各两个插销32进行连接以实现快速拆装，具体见图4。

被动减重机构如图6所示，固定连接座11的下部连接一导向杆12，为了保证后续缓冲弹簧的压缩形变情况以及受力强度，在导向杆12的下部连接更大直径的导向管14，而在导向管14的下部则连接有调节螺母15，调节螺母15的下部连接运动连接座16，而在调节螺母15和固定连接座11之间的导向杆12和导向管14的外周还套接有缓冲弹簧13，以上结构形成预紧力产生机构。固定连接座11固定不动，运动连接座跟随腰撑固定板9、固定安装板18一起移动。导向杆插入导向管中，运动连接座16的上下运动过程中，由于固定连接座始终不动，与固定连接座固定连接的导向杆也固定不动，导向杆伸入导向管内的那部分导向杆长度发生变化。

运动连接座16的下部与支撑连接杆24的其中一端连接，支撑连接杆24的这一端成为受力端，支撑连接杆24的中部与支撑座23连接，支撑座23形成支撑连接杆24的力的支点，支撑连接杆24的另一端则与其中一个固定支座19连接，该固定支座19设置在平衡板21的下端，平衡板21与机器人安装板22平行设置且固定连接，平衡板21的上端同时连接另一固定支座19，两个固定支座19、平衡板21和机器人安装板22共同通过螺栓连接为一个整体。

平衡板21上端的固定支座同时连接平衡杆20，平衡杆20的另一端连接第三个固定支座19，第三个固定支座19同时与固定安装板18的上端连接，固定安装板18平行平衡板21设置，且安装板18的下端与支撑座23连接，此时，三个固定支座19和一支撑座23形成四个连接点，而支撑连接杆24、平衡板21、平衡杆20和固定安装板18则为四条边，以上结构共同形成四点支撑机构。

固定安装板18上端在第三个固定支座19的背面还连接单耳连接座17，单耳连接座17同时与固定连接座11连接(例如铰接等活动连接方式，即单耳连接座跟随整个腰撑组件运动，实际上，整个腰撑组件中除了固定连接座、导向杆以外，其余结构均在升降动力机构作用下上下移动)，同时，固定安装板18还与训练车的腰撑固定板9滑动连接，在康复训练中，外骨骼机器人和训练车通常配合使用，在本实施例中，机器人安装板22为一L型板，其与外骨骼机器人固定连接。

工作原理：缓冲弹簧始终处于压缩状态(具有预紧力，可通过调节调节螺母位置或在组装被动减重机构时使调节螺母处于导向管的特定位置(比如下部)而实现)，缓冲弹簧13压缩产生预紧力作用在与调节螺母15相连接的运动连接座16上；运动连接座16将力传给支撑连接杆24；支撑连接杆24以支撑座23为力支点将力传给固定支座19；固定支座19与平衡板21、机器人安装板22通过螺栓连接为一个整体；最终缓冲弹簧13的预紧力通过机器人安装板22作用在外骨骼机器人上(缓冲弹簧给机器人安装板提供向上的作用力)，以抵消外骨骼机器人自身重力。

而平衡杆20、支撑连接杆24、固定支座19、支撑座23组成的四点支撑杆机构，保证了机器人安装板22始终处在水平位置并做上下运动；缓冲弹簧13在外骨骼机器人行走过程中抵消主动辅助重心转移机构上下移动对外骨骼机器人和患者的冲击力，并在外骨骼机器人行走过程中，给予外骨骼机器人一定的起重助力。

实际上，缓冲弹簧始终处于压缩状态，区别仅在于压缩的程度不同。

训练车开始工作时(例如患者穿戴上外骨骼机器人后行走，行走模式为被动模式即完全由外骨骼机器人带动患者行走；或者主动模式即由患者自己带动外骨骼机器人一起行走)，伺服电机-丝杆螺母结构带动腰撑连接座6、腰撑固定板9、腰撑组件10一起上下移动(腰撑组件在最下端与最上端之间来回移动)。

当伺服电机-丝杆螺母结构使腰撑组件10向上移动时，腰撑固定板9、固定安装板18、运动连接座16向上移动，而固定连接座11固定不动，缓冲弹簧13被进一步压缩，向运动连接座16施加向下的回弹力，通过杠杆结构给予另一侧的机器人安装板向上的缓冲作用力，即弹簧在腰撑组件10上行过程中提供向上的缓和助力，可以减少主动辅助重心转移机构带来的冲击力，使得整个腰撑组件的上行过程更为柔顺。

当伺服电机-丝杆螺母结构使腰撑组件10向下移动时，腰撑固定板9、固定安装板18、运动连接座16向下移动，而固定连接座11固定不动，缓冲弹簧逐渐回弹伸长，此时缓冲弹簧仍处于压缩状态，给予另一侧的机器人安装板向上的缓冲作用力，可以抵消主动辅助重心转移机构带来的冲击力，使得整个腰撑组件的下行过程更为平缓柔顺。

值得一提的是，在一个实施例中，被动减重机构不设置用于调节预紧力大小的调节螺母，缓冲弹簧直接限位于运动连接座和固定连接座之间，通过选用一定性能(K值)的缓冲弹簧以实现本发明目的。其它部件、工作原理均与包含调节螺母的技术方案相同。

减重车的底盘驱动装置包括左右对称设置的两组驱动组件，所述的驱动组件包括作为支点的铰链轴3’、用于安装铰链轴的连接板10’、分别固定于连接板上的铰链轴两侧的动力驱动机构以及前轮组件；动力驱动机构的重量大于前轮组件的重量，使动力驱动机构的驱动轮5’始终与地面接触(图9-10)。

两组驱动组件左右对称设置。以上结构中，铰链轴作为支点，动力驱动机构、前轮组件通过铰链轴构成类似跷跷板结构，前轮组件构成跷跷板的一端，动力驱动机构构成跷跷板的另一端。因动力驱动机构一端重量大于前轮组件一端，当动力驱动机构遇到凸起或者凹坑时，在重力作用下驱动轮将始终保持与地面接触状态，从而避免悬空或打滑。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。所述的驱动轮设置于训练车中前部，两组驱动组件的两个驱动轮的中心连线(沿左右方向延伸)与训练车站立位置(待康复人体站立于该位置，待康复人体即患者)的中心连线(沿左右方向延伸，以患者双腿平齐站立于训练车站立位置时患者两腿中心的连线为患者中心连线)重合，使训练车在转弯或掉头时两组驱动组件的两个驱动轮做差速运动从而使训练车以训练车站立位置为中心做旋转运动。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。动力驱动机构包括动力机构、用于将动力机构的动力传递给驱动轮的传动机构、始终与地面接触的所述的驱动轮，驱动轮固定于连接板的后侧。

优选的，所述的动力机构包括伺服电机6’、与伺服电机连接的减速机14’、与伺服电机连接的驱动器7’(即电机驱动器)，传动机构包括第二同步带轮11’、同步带12’(即同步齿轮带)、第一同步带轮13’，伺服电机、减速机、第二同步带轮、同步带、第一同步带轮、驱动轮依序连接。每组驱动组件设有一个驱动轮以及两个连接板，驱动轮安装于两连接板之间，图9中，另一侧的连接板被遮挡而没有在图中示出。第二同步带轮与减速机同轴设置，第一同步带轮与驱动轮同轴设置，第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带连接。伺服电机、减速机分别通过电机安装板、减速机安装板安装在连接板上，且伺服电机、减速机安装于驱动轮的后方。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。前轮组件包括前轮2’、用于安装前轮的前轮安装板1’，前轮安装板固定于连接板前部。驱动组件还包括固定于主梁后侧的后轮9’。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。所述的连接板中部偏前位置与铰接座通过铰接轴铰接，铰接座4’固定于主梁8’下端，连接板中部偏前位置位于连接板前部与连接板后侧之间。

当病患(即待康复人体)使用减重车(即康复用减重步态训练车，其上部设有减重悬吊装置，减重悬吊装置为现有技术)和下肢康复机器人时，当病患处于单支撑相的压力最大点时，膝关节应处于整个步态中的最低点，同时需要腿部骨骼肌将人体支撑起来以完成步行的动作。对于病患，缺少自主的完成该动作的能力。本发明为下肢康复机器人和病患提供辅助完成该重心转移的装置。通过在足部压力最大点的时刻，减重车给予下肢康复机器人一前进方向的加速度产生推力，以助病患完成重心转移这一过程。待康复人体穿戴下肢机器人，待康复人体的运动模式为被动模式，完全由下肢康复机器人带动病患行走，而在单次行走中，下肢康复机器人的所有步的步态周期相同、步长相同，模拟其为匀速运动；待康复人体的运动模式也可以为主动模式。

如图1所示，在人体步行动态过程中，人体呈现出图示状态时，膝关节受到最大承载力，同时也是膝关节自然弯曲完成迈步的时刻。

其过程如下，

人体正常完成一步的行走需要如下的几个步骤

1：双支撑相

2：单支撑相

3：摆动相

其中本发明解决的问题出现在单支撑相中，单支撑相分为如下几个阶段，

1：足部着地

2：重心偏移到一侧

3：足部离地

4：膝关节屈曲增大

5：足部落地

人体迈步过程中，从单侧足跟离地到膝关节弯曲加大行进至膝关节载荷最大点，对于偏瘫病患来说，难以完成膝关节的弯曲行为，以完成膝关节屈曲受力的过程。

本发明，就此做了一系列的辅助措施。减重平衡车(即减重车)以及下肢康复机器人的组合使用，可以减少康复医护人员的人力资源。由于目前下肢恢复机器人膝关节还不具备与健康人体膝关节一样的屈曲性能，因此为了让偏瘫病患完成步行姿态的运动，在如图2位置处，减重平衡车将产生一个加速推力F让下肢康复机器人和病患度过如图2所示的单支撑相压力最大点，并且重新提高重心。

本发明的解决的问题来源于上述的单支撑相2-4的过程中，当病患的重心移到一侧时，准备迈步，当足部离开地面时，全部载荷移到了另一侧足部。正常人体此时会出现膝关节弯曲的现象，以此来承载步行过程中的最大载荷。由于偏瘫之类的病患不能自主的完成这一动作，就需要借助下肢恢复机器人的辅助力。由于机器人膝关节的机械性能，要模仿人体膝关节的自然肌肉屈曲难度较大，本发明中，将机器人膝关节的辅助力通过平衡车来传递给病患。

减重车和下肢外骨骼机器人通过腰撑组件来连接，并且由于这部分的连接将减重车加速产生的推力传递到下肢外骨骼机器人以辅助病患完成步态进行中的重心转移。如图3所示，外骨骼机器人和腰撑组件的连接处位于外骨骼机器人髋关节上方，使用插销易于拆卸，方便使用时整体结构的移动。如图3所示部分为下肢机器人和减重车的连接部分。当减重车运动时，减重车加速产生的力由腰撑部分传递给机器人。

在载荷最大的时刻，病患足部承载最大的负载，此时机器人的膝关节弯曲，整体重心下降，整个结构的重心也同步下降。此时减重平衡车提供一同向的短时加速产生推力，由于机器人膝关节的机械特性(膝关节屈伸自由度、髋关节屈伸自由度)，这种推力将机器人前推，同时膝关节直立，完成重心的恢复，达到步行过程中，辅助重力转移的目的。其中，推力将机器人重心转移的原理如图2-3。减重车加速产生推力F，作用在与下肢机器人的连接处，将推力F分解成2f、3f，力3f沿着大腿传递到膝关节，力2f产生向前和向上的作用，力4f为传递的力3f，力6f为沿着小腿的力，力5f为分支力产生向上和向前的效果。由力6f产生的向下力使足部压力增大，产生与运动方向相反的静摩擦力7f(足部未移动)。由此下肢机器人在跨步过程中具有向前和向上的运动并且保持足部不移动，因此整个系统重心会在跨步过程中升高。例如，加速过程使用2倍的默认速度(最高加速到2倍默认速度，即2倍正常速度)，并且在10％的时间(10％的步态周期)内完成加速减速过程。此加速过程产生的推进效果有限，达成重心转移需要多个方式共同作用完成。

例如假设一个步态周期为5s，设定机器人正常步行速度为V₀(正常步行速度由L/T得来，即步长除以步态周期，那么减重车正常速度也为V₀,在机器人起步后减重车以V₀速度行驶)，在开始步行后的40％时间，即2s的时候减重车开始加速，同时允许±10％的误差，即在1.8s到2.2s之间均视为合理的加速开始区间，加减速时间设定为总时间的10％即为0.5s，即加速0.25s，减速0.25s。设定加速至2倍标准速度2V₀，之后减速。所以理想情况下，整体过程为步态开始后，减重车先以正常速度V₀行驶，2s进行加速，加速至2倍标准速度2V₀，之后减速至正常速度V₀，2.5s后完成整个加减速过程，并且加减速时间相同均为0.25s,之后减重车正常进行行驶(V₀)或者先减速后加速至原速度之后再正常行驶。

下肢机器人使用前，采集并输入病患的左右腿长L1，L2，估计步长L，前进一步需要的时间T。基于给定的相关数据可以计算出病患的估计行走速度L/T(作为正常行走速度)，机器人会以这个频率给予患者辅助行走的助力。具体地，患者的运动模式可以为被动模式，即患者完全在机器人带动下被动行走，而机器人的运动轨迹、步长、步态周期、步高等均为预设，在一次行走中，机器人的步长L、步态周期T均不变，模拟整个过程为匀速。患者的运动模式也可以为主动模式，即患者带动机器人行走。

以被动模式为例，在病患行走的过程中，将步态分为三种，分别为迈步，跨步，收步。同时三种步态分为左右脚的行走步态。迈步指开始起步时候的步态，由双腿并拢到其中一只腿迈出半步(通常右腿迈步起步)步长为半步，迈步周期为T/2；跨步指行走过程中正常交叉跨步行走，跨整个步长，跨步周期为T；收步为由跨步到双腿并拢停止的过程，步长为半步，周期为T/2。

具体地，下肢机器人与减重车控制器通过CAN总线连接。步态信息采集模块接收并解析由CAN总线传输的从下肢机器人发出的实时步态信息，在下肢机器人起步时(一开始减重车是静止状态)，速度控制模块根据步态信息采集模块接收并解析的步态信息(例如下肢机器人的步长L、步态周期T)计算出减重车的正常速度V₀＝L/T(例如当接收的CAN数据帧为跨步信息，步长330cm，步态周期3s，那么其正常速度为0.11m/s)，使电机驱动模块驱动电机使减重车以V₀的速度行驶。控制器每隔10ms接收一次步态信息。电机驱动模块用于驱动电机，而该电机与减重车的驱动轮连接，以驱动减重车前进。

控制器通过位置字状态(CAN数据帧)来识别步态，控制器接收到的状态字下文中会举例说明。由于每一步的迈步时间可以确定，步态中各个姿态出现的时间可以确定，同时允许出现±10％的误差，由于误差时间出现的波动性，整个系统处在平衡中(也就是一次行走中步态周期可以认为是T，步长是L)，也就是说这部分的误差在实际使用中不出现影响。数据帧的用例如下，

CAN数据帧格式：

B1～B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9

B1～B2：帧ID

B3：0x01--开始起步 0x02--当前步结束

B4：0x01--左脚跨步 0x02--右脚跨步 0x11--左脚起步 0x12--右脚起步

0x21--左脚收步 0x22--右脚收步

B5：步长低位

B6：步长高位

B7：步高

B8：迈步的时间 单位10ms

B9：0x01—训练停止 0x02—训练开始

控制器在每个周期(通讯时刻)接收步态信息帧，然后根据信息内容控制减重车的运动状态。步态信息是根据CAN通讯数据得到的，由CAN总线直接读取下肢机器人的步态信息，控制器接收的CAN报文的每一帧数据都会包含步长、周期、步态等信息，控制器解析报文然后发送指令控制减重车运动。

例如：下肢机器人在某一个周期(通讯时刻)发送了一帧数据：[618 01 01 33 022F 5F 02]，减重车的控制器收到这一帧数据，解析出来的动作是，开始迈步且是左腿跨步，跨步距离(即步长)和时间(即步态周期)也都在这一帧数据内容里，计算得到减重车速度，然后控制电机使减重车开始运动；在这个过程中，减重车依旧会实时接收机器人发送的步态数据帧(10ms接收一次)。使减重车在每个步态周期的(1±10％)*40％T时刻开始加速，加减速的时间为(8％-12％)T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍后开始减速，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同。

当控制器的步态信息采集模块接收到迈步信息，则减重车同步向前运动设定步长的半步距离；当控制器的步态信息采集模块接收到跨步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的距离；以上距离不是由控制器直接控制的，而是只要不接收到收步信息，则减重车一直不停车制动，默认一直向前行驶。当控制器的步态信息采集模块接收到收步信息，则使减重车停车制动(具体地，当控制器的步态信息采集模块接收到收步信息，则将该收步信息发送至电机驱动模块，由电机驱动模块控制电机驱动减重车停车制动，减速度为固定的电机参数)。

完成一个完整步态需要时间T，并且每一步都以T为周期完成，其中图1的单支撑相最大的情况出现在完整步态的40％时间处。开环控制不具有距离反馈系统，因此需要提前规划各个步态的状态，在收到如上跨步指令(跨步信息)之后，在下一个跨步周期T(指的是从现在开始的这个跨步周期)内，加速会发生在接收到跨步指令后，单一周期T的40％时间处，并且该时刻的±10％范围均为可接受的范围。减重车加速，并对下肢机器人产生推力，将下肢机器人重心推高。

本发明利用减重车腰部加速产生推力(指的是减重车加速对减重车与外骨骼机器人的连接处产生横向推力，连接处位于减重车腰部腰撑、髋关节上方)，所有类似的方法都能产生相似的效果，如背部产生推力，腿部产生推力等。

本文中列举了减重车腰撑组件、底盘驱动装置、主动辅助重心转移机构等的具体结构，实际上本发明的重点在于减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置及方法，减重车助力辅助下肢机器人重心转移的实现仅需下肢机器人与减重车连接即可(任何连接的方式均可，不局限于本文中的连接方式、具体结构，例如连接处还可以是机器人背部、机器人腿部等)。

以上显示描述了本发明的基本原理、主要特征以及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落进要求保护本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，包括控制器、固定于减重车车体的腰撑组件、与腰撑组件连接的下肢外骨骼机器人；所述的控制器包括速度控制模块、电机驱动模块；

所述的速度控制模块，用于向电机驱动模块发送加速信号，加速信号是指：使减重车在每个步态周期的（1±10%）*40%T时刻突然加速的信号；

减重车的加速度形成向前的推力作用于腰撑组件与下肢外骨骼机器人的连接处，辅助下肢机器人重心转移。

2.根据权利要求1所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，所述的下肢外骨骼机器人具有膝关节屈伸自由度和髋关节屈伸自由度。

3.根据权利要求1或2所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，所述的速度控制模块用于向电机驱动模块发送加速信号，加速信号是指：使减重车在每个步态周期的（1±10%）*40%T时刻开始加速，加减速的时间为（8%-12%）T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，所述的控制器还包括步态信息采集模块；

所述的步态信息采集模块，用于实时接收下肢机器人发出的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；

所述速度控制模块，在下肢机器人起步时，根据下肢机器人发来的步态信息计算出减重车的正常速度并将正常速度信息发送至电机驱动模块，电机驱动模块驱动电机使减重车以正常速度行驶；速度控制模块还通过电机驱动模块使减重车在每个步态周期的（1±10%）*40%T时刻开始加速，加减速的时间为（8%-12%）T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同，在加减速过程中电机驱动模块驱动电机使减重车加减速。

5.根据权利要求1所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，所述的腰撑组件还连接主动辅助重心转移机构。

6.根据权利要求1所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，速度控制模块使减重车在每个步态周期的（1±10%）*40%T时刻开始加速，加减速的时间为10%T，加减速过程中加速至减重车正常速度的2倍，加减速过程中加速时间和减速时间相同。

7.根据权利要求1所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的装置，其特征在于，所述的腰撑组件通过机器人安装板与下肢外骨骼机器人的髋关节上方连接。

8.一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的方法，其特征在于，包括如下步骤：控制器通过驱动减重车驱动装置使减重车在每个步态周期的（1±10%）*40%T时刻突然加速，减重车的加速度形成向前的推力作用于腰撑组件与下肢外骨骼机器人的连接处，辅助下肢机器人重心转移。

9.根据权利要求8所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的方法，其特征在于，所述的下肢外骨骼机器人具有膝关节屈伸自由度和髋关节屈伸自由度。

10.根据权利要求8所述的一种减重车助力辅助下肢机器人重心转移的方法，其特征在于，使减重车在每个步态周期的（1±10%）*40%T时刻开始加速，加减速的时间为（8%-12%）T，加减速过程中加速至减重车正常速度的1.5-2.5倍，加减速过程中加速时间和减速时间基本相同。

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