CN111631921A - 一种步行跟随康复训练设备与自动跟随控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步行跟随康复训练设备，主要由升降支架，行走底座和悬臂吊环组成，行走底座上安装有传感器和轮组部。自动跟随控制方法，通过传感器探测两侧小腿受检部的位置，从而判断出人体运动趋势，通过控制轮毂式麦克纳姆轮，实现步行跟随康复训练设备自动跟随使用者运动趋势的动作。本结构和方法，使用控制逻辑清晰，设备结构简单，具有悬挂人体、防跌倒、减重、自动跟随、行走趋势判断、减震与缓冲等功能。对于康复训练具有很好的帮助作用，且不限制使用者的运动范围，可以随意走动，对于使用者的康复具有积极的意义。

Description

一种步行跟随康复训练设备与自动跟随控制方法

技术领域

本发明涉及辅助康复训练的设备,具体说就是一种步行跟随康复训练设备,以及应用此设备的自动跟随控制方法。

背景技术

由于事故/伤病等原因造成下肢受损的病人,为了防止长时间的卧床导致肌肉萎缩,常常需要不断地进行站立和行走的训练,同时以达到康复的目的。另外,老年人的腿部肌肉无力,也常常导致其行动不便甚至丧失活动能力,严重影响老年人的生活质量.

现有技术中,申请号为2012100608925、2015205878671的专利，公布了一种可以全向移动的电动轮椅和全向电动医护床椅,但都不具备自动跟随的功能,只能借由人的控制实现各个方向的移动。且不具有下肢训练康复的功能。

申请号为2016210419406的单驱动仿生步态康复训练机器人系统，控制系统按照预先设定的参数，控制两个外骨骼式步行机构实现健全人的交替步态运动并达到医用跑台与仿生步态机器人的协调。但是只能在固定的场地和位置进行训练，不具备自动跟随和全向移动的功能。申请号为201720725354 .1的一种下肢康复设备的减重装置和申请号为201810128019.2的一种用于康复训练的减重装置，都可以实现下肢锻炼的减重功能。但是不具备自动跟随与行走功能。

申请号为2017100595330的一种机器人防护架，可以保护机器人在运行时不会摔打，但不具有自动引导的功能。

申请号为201711254276.2的一种骨科康复用行走训练装置，可以对人体进行减重，减轻脊柱和下肢的压力，且根据人体身高的不同进行调节，但只能进行直行，不具有自动跟随和全向移动的功能。申请号为2015109836992的自动跟随输液架，能够自动跟随，但是其原理是通过判断人体与整个输液架之间的相对距离和方位来执行跟随，不能主动判定趋势，而只能被动跟随。

申请号为201810407801 .8的一种可移动式并联柔索驱动下肢康复机器人及其实施方法，通过柔索牵引腿部穿戴装置带动患肢实现康复训练；机器人底部前方装万向从动轮，后方装后置驱动轮。机器人可实现被动、助力及主动模式的步态训练及步行训练。人体是被动的牵引康复训练。且不具备自动引动跟随的功能。

综上所述，目前现有技术中，对于下肢康复锻炼的设备中，还没有一种设备具备：悬挂、防跌倒、减重、自动跟随、行走趋势判断、减震与缓冲等功能于一体的康复设备。

发明内容

为应对现有技术中存在不足与对现有技术进行优化，本发明提出一种步行跟随康复训练设备，及应用此设备的自动跟随控制方法。

一种步行跟随康复训练设备的主要技术方案为：

主要由升降支架（1），行走底座（2）和悬臂吊环（13）组成，其特征在于行走底座（2）上安装有：传感器（5）、轮组部（3）和运动趋势控制模块；运动趋势控制模块安装于电控柜（8）中，与所述的传感器（5）电连接。

所述的传感器（5）为非接触式距离检测传感器；还包括传感器安装架（4）传感器安装架（4）垂直安装于底盘横梁（6）之间，所述的传感器（5）安装在传感器安装架（4）上；传感器（5）朝向两侧小腿受检部（181）发射光信号或声波信号。

轮组部（3）由安装于底盘横梁（6）上的轮毂式麦克纳姆轮（31）构成。轮毂式麦克纳姆轮（31）具有全方向运动的能力。且选用轮毂部分自带电机的麦克纳姆轮，具有自驱动的能力，简化了结构。

通过传感器（5）探测两侧小腿受检部（181）的位置信息，运动趋势控制模块根据所述位置信息，判断出人体（18）运动趋势方向，从而控制轮组部（3）向所述趋势方向运行。

整体上呈C字形，悬臂吊环（13）可悬吊人体（19）。

自动跟随控制方法，使用上述的一种步行跟随康复训练设备，采用如下方式进行行走趋势判断和控制策略：

a)人体（18）穿着外骨骼机器（19）；外骨骼机器（19）通过吊钩（172）连接悬臂（14）上的吊带（17）。使用者处于准备状态。

b)小腿受检部（181）位于传感器（5）的前方。

c)传感器（5）通过发射激光或超声波，探测两个小腿受检部（181）距离传感器（5）的远近和两个小腿受检部（181）之间的距离大小；通过运动趋势控制模块预先设定的判断方式，判断人体（18）的运动趋势方向。通过反射波判断两个小腿受检部（181）各自与传感器（5）之间的距离，并同时判断出两个小腿受检部（181）之间的距离，以及两个小腿受检部（181）之间连线与传感器安装架（4）的夹角。借此几个数据，判断使用者的运动趋势。

d)通过控制轮毂式麦克纳姆轮（31），实现步行跟随康复训练设备自动跟随使用者运动趋势的动作。

本结构和方法，使用控制逻辑清晰，设备结构简单，具有悬挂人体、防跌倒、减重、自动跟随、行走趋势判断、减震与缓冲等功能。对于康复训练具有很好的帮助作用，且不限制使用者的运动范围，可以随意走动，对于使用者的康复具有积极的意义。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明整体使用状态立体图。

图2是本发明主视图。

图3是本发明底座部位图。

图4是本发明轮毂式麦克纳姆轮及缓冲装置图。

图5是本发明减震及吊带图。

图6是本发明减震及吊带三维视图。

图7是本发明直动推杆部位图。

其中：

1-升降支架，2-行走底座，3-轮组部，31-轮毂式麦克纳姆轮，32-轮毂，33-轴承座板，34-减震滑套，35-减震簧，36-铰接部，37-铰接板，38-横梁固定板，4-传感器安装架，5-传感器，6-底盘横梁，7-连接纵梁，8-电控柜，9-固定支架，10-伸缩支架，11-直动推杆，111-推杆下铰接部，112-推杆上铰接部，113-S形称重传感器，12-扶手，13-悬臂吊环，14-悬臂，15-减震吊环部，151-阻尼器压板，152-导向轴，153-轴套，154-阻尼器安装块，155-悬臂连接端，156-吊环拉板，16-阻尼器，17-吊带，171-旋转吊环，172-吊钩，18-人体，181-小腿受检部，19-外骨骼机器。

具体实施方式

下面结合具体附图来说明本发明的典型实施方式。

如图1-7所示：

如图2，一种步行跟随康复训练设备的主要技术方案为：主要由升降支架（1），行走底座（2）和悬臂吊环（13）组成，行走底座（2）上安装有：传感器（5）和轮组部（3）。所述的传感器（5）为非接触式距离检测传感器。

还包括传感器安装架（4）；传感器安装架（4）垂直安装于底盘横梁（6）之间，所述的传感器（5）安装在传感器安装架（4）上。传感器（5）朝向两侧小腿受检部（181）发射光信号或声波信号。

电控柜（8）中安装电池和运动趋势控制模块等控制装置，通过导线和各个被控部分连接。

轮组部（3）由安装于底盘横梁（6）上的轮毂式麦克纳姆轮（31）构成。轮毂式麦克纳姆轮（31）具有全方向运动的能力。且选用轮毂部分自带电机的麦克纳姆轮，具有自驱动的能力，简化了结构。

通过传感器（5）探测两侧小腿受检部（181）的位置，从而判断出人体（18）运动趋势方向，从而控制轮组部（3）向所述趋势方向运行。

图3，作为优选的实施方式一，所述的传感器（5）为多个沿传感器安装架（4）直线等分安装的；所述的传感器（5）为激光传感器或超声波传感器。只要是能够检测直线距离的传感器均可，不限于上述的两种方式，也可以是红外线测距传感器、24GHZ雷达传感器等非接触式传感器。

图3，作为优选的实施方式二，如果选用的是单个的传感器，那么为了获得小腿受检部（181）的多个距离值，需要配置多个传感器（5），所述的传感器（5）数量为4-20个。且相邻传感器（5）之间的间距控制在5cm以内。

作为优选的实施方式三，传感器（5）也可选用激光雷达；激光雷达安装在感器安装架（4）中部。本案选用的激光雷达为360°激光扫描测距雷达，仅安装一个即可，进一步降低了设备的复杂程度。如选用型号为LIDAR RPLIDAR-A3的激光扫描测距雷达，扫描频率为16000次每秒，足以建立两侧小腿受检部（181）的位置数据，且在室内外均可使用。

图7，作为优选的实施方式四，其特征在于升降支架（1）中还包括直动推杆（11），直动推杆（11）下部连接推杆下铰接部（111），上部连接推杆上铰接部（112），通过直动推杆（11）推拉伸缩支架（10）伸缩，根据不同身高和恢复状况的使用者来说，以调节悬臂吊环（13）的高度。

图5和6，作为优选的实施方式五，所述的悬臂吊环（13）包括悬臂（14）和吊带（17），其特征在于悬臂（14）和吊带（17）之间安装减震吊环部（15）；减震吊环部（15）由阻尼器压板（151），导向轴（152），轴套（153），阻尼器安装块（154），吊环拉板（156）和阻尼器（16）构成；阻尼器安装块（154）通过悬臂连接端（155）固定于悬臂（14）端部；导向轴（152）穿过阻尼器安装块（154）上的轴套（153），并带动阻尼器压板（151）沿轴套（153）上下滑动；阻尼器（16）固定在阻尼器安装块（154）上，横向布置的阻尼器压板（151）向下运动时可压迫纵向布置的阻尼器（16）的伸出轴；旋转吊环（171）连接在吊环拉板（156）上，吊环拉板（156）固定于导向轴（152）上；阻尼器压板（151）和吊环拉板（156），分别位于阻尼器安装块（154）的上下侧。

主要起到减震的作用。

图6，作为优选的实施方式六，所述的阻尼器（16）为可调节的液压缓冲器。

图7，作为优选的实施方式七，还包括S形称重传感器（113），S形称重传感器（113）安装于直动推杆（11）与推杆上铰接部（112）之间。S型称重传感器主要用于测固体间的拉力和压力,也称之为拉压力传感器。此传感器采用合金钢材质,胶密封防护处理,安装容易,使用方便,适用于吊秤,配料秤,机改秤等电子测力称重系统。安装这一零件的作用是对使用者进行称重，以作为后续减重措施参考数值。

图4，作为优选的实施方式八，所述的轮毂式麦克纳姆轮（31）通过缓冲装置连接于底盘横梁（6）上；缓冲装置包括：轴承座板（33），减震簧（35）和铰接板（37）；轮毂式麦克纳姆轮（31）的轮毂（32）固定连接于轴承座板（33）；轴承座板（33）上具有两个圆柱套形状的减震滑套（34）；减震簧（35）容纳于减震滑套（34）中，减震滑套（34）下部封闭，使得减震簧（35）沿着减震滑套（34）轴线做上下往复运动；减震簧（35）中的轴的上部和铰接板（37）相固定连接；铰接板（37）通过铰接部（36）铰接横梁固定板（38）；所述的缓冲装置通过横梁固定板（38）固定于底盘横梁（6）；其特征在于：轮毂式麦克纳姆轮（31）与横梁固定板（38）或底盘横梁（6）之间为弹性连接。

上述实施例，为对本发明设备结构进行的详尽描述，应用本发明的设备产生的自动控制方法实施例如下。

图1，自动跟随控制方法，使用上述的一种步行跟随康复训练设备，采用如下方式进行行走趋势判断和控制策略：

a)人体（18）穿着外骨骼机器（19）；外骨骼机器（19）通过吊钩（172）连接悬臂（14）上的吊带（17）。使用者处于准备状态。

b)小腿受检部（181）位于传感器（5）的前方。

c)传感器（5）通过发射激光或超声波，探测两个小腿受检部（181）距离传感器（5）的远近和两个小腿受检部（181）之间的距离大小；通过运动趋势控制模块预先设定的判断方式，判断人体（18）的运动趋势方向。通过反射波判断两个小腿受检部（181）各自与传感器（5）之间的距离，并同时判断出两个小腿受检部（181）之间的距离，以及两个小腿受检部（181）之间连线与传感器安装架（4）的夹角。借此几个数据，判断使用者的运动趋势。

d)通过控制轮毂式麦克纳姆轮（31），实现步行跟随康复训练设备自动跟随使用者运动趋势的动作。

图1，图7，作为自动跟随控制方法的优选实施例一，通过如下手段，实现人体（18）减重目的：

a)吊钩（172）挂住人体（18）上的外骨骼机器（19）；

b)直动推杆（11）中的推杆向上推出，直到吊带（17）绷紧；

c)S形称重传感器（113）测出人体（18）和外骨骼机器（19）的总重量；

上述过程中，人体（18）保持静止状态；通过控制直动推杆（11）向下缩回一定距离，使得S形称重传感器（113）测得的值，相比于总重量减小到设定值为止，从而达到减重目的。

本结构和方法，使用控制逻辑清晰，设备结构简单，具有悬挂人体、防跌倒、减重、自动跟随、行走趋势判断、减震与缓冲等功能。对于康复训练具有很好的帮助作用，且不限制使用者的运动范围，可以随意走动，对于使用者的康复具有积极的意义

另外，本发明的实施方式是表示本发明的内容的一例，可以进一步与其它的公知技术组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内省略一部分等进行变更来构成。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (11)

1.一种步行跟随康复训练设备，主要由升降支架（1），行走底座（2）和悬臂吊环（13）组成，其特征在于：行走底座（2）上安装有：传感器（5）、轮组部（3）和运动趋势控制模块；运动趋势控制模块安装于电控柜（8）中，与所述的传感器（5）电连接；

所述的传感器（5）为非接触式距离检测传感器；还包括传感器安装架（4）传感器安装架（4）垂直安装于底盘横梁（6）之间，所述的传感器（5）安装在传感器安装架（4）上；

轮组部（3）由安装于底盘横梁（6）上的轮毂式麦克纳姆轮（31）构成；

通过传感器（5）探测两侧小腿受检部（181）的位置信息，运动趋势控制模块根据所述位置信息，判断出人体（18）运动趋势方向，从而控制轮组部（3）向所述趋势方向运行；

整体上呈C字形，悬臂吊环（13）可悬吊人体（19）。

2.根据权利要求1所述的一种步行跟随康复训练设备，其特征在于所述的传感器（5）为多个沿传感器安装架（4）直线等分安装的；所述的传感器（5）为激光传感器或超声波传感器。

3.根据权利要求2所述的一种步行跟随康复训练设备，其特征在于所述的传感器（5）数量为4-20个。

4.根据权利要求1所述的一种步行跟随康复训练设备，其特征在于所述的传感器（5）为激光雷达；激光雷达安装在感器安装架（4）中部。

5.根据权利要求1或2或3或4任一所述的一种步行跟随康复训练设备，其特征在于升降支架（1）中还包括直动推杆（11），直动推杆（11）下部连接推杆下铰接部（111），上部连接推杆上铰接部（112），通过直动推杆（11）推拉伸缩支架（10）伸缩，以调节悬臂吊环（13）的高度。

6.根据权利要求5所述的一种步行跟随康复训练设备，所述的悬臂吊环（13）包括悬臂（14）和吊带（17），其特征在于悬臂（14）和吊带（17）之间安装减震吊环部（15）；

减震吊环部（15）由阻尼器压板（151），导向轴（152），轴套（153），阻尼器安装块（154），吊环拉板（156）和阻尼器（16）构成；

阻尼器安装块（154）通过悬臂连接端（155）固定于悬臂（14）端部；

导向轴（152）穿过阻尼器安装块（154）上的轴套（153），并带动阻尼器压板（151）沿轴套（153）上下滑动；阻尼器（16）固定在阻尼器安装块（154）上，横向布置的阻尼器压板（151）向下运动时可压迫纵向布置的阻尼器（16）的伸出轴；

旋转吊环（171）连接在吊环拉板（156）上，吊环拉板（156）固定于导向轴（152）上；

阻尼器压板（151）和吊环拉板（156），分别位于阻尼器安装块（154）的上下侧。

7.根据权利要求1或6任一所述的一种步行跟随康复训练设备，其特征在于所述的阻尼器（16）为可调节的液压缓冲器。

8.根据权利要求7所述的一种步行跟随康复训练设备，其特征在于还包括S形称重传感器（113），S形称重传感器（113）安装于直动推杆（11）与推杆上铰接部（112）之间。

9.根据权利要求8所述的一种步行跟随康复训练设备，其特征在于所述的轮毂式麦克纳姆轮（31）通过缓冲装置连接于底盘横梁（6）上；缓冲装置包括：轴承座板（33），减震簧（35）和铰接板（37）；

轮毂式麦克纳姆轮（31）的轮毂（32）固定连接于轴承座板（33）；

轴承座板（33）上具有两个圆柱套形状的减震滑套（34）；减震簧（35）容纳于减震滑套（34）中，减震滑套（34）下部封闭，使得减震簧（35）沿着减震滑套（34）轴线做上下往复运动；

减震簧（35）中的轴的上部和铰接板（37）相固定连接；铰接板（37）通过铰接部（36）铰接横梁固定板（38）；所述的缓冲装置通过横梁固定板（38）固定于底盘横梁（6）；其特征在于：轮毂式麦克纳姆轮（31）与横梁固定板（38）或底盘横梁（6）之间为弹性连接。

10.自动跟随控制方法，使用如权利要求1或9所述的一种步行跟随康复训练设备，其控制方法特征在于，采用如下方式进行行走趋势判断和控制策略：

人体（18）穿着外骨骼机器（19）；外骨骼机器（19）通过吊钩（172）连接悬臂（14）上的吊带（17）；

小腿受检部（181）位于传感器（5）的前方；

传感器（5）通过发射激光或超声波，探测两个小腿受检部（181）距离传感器（5）的远近和两个小腿受检部（181）之间的距离大小；通过运动趋势控制模块预先设定的判断方式，判断人体（18）的运动趋势方向；

通过控制轮毂式麦克纳姆轮（31），实现步行跟随康复训练设备自动跟随使用者运动趋势的动作。

11.如权利要求10所述的自动跟随控制方法，其特征在于通过如下手段，实现人体（18）减重目的：

吊钩（172）挂住人体（18）上的外骨骼机器（19）；

直动推杆（11）中的推杆向上推出，直到吊带（17）绷紧；

S形称重传感器（113）测出人体（18）和外骨骼机器（19）的总重量；

上述过程中，人体（18）保持静止状态；通过控制直动推杆（11）向下缩回一定距离，使得S形称重传感器（113）测得的值，相比于总重量减小到设定值为止，从而达到减重目的。

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