CN115501089A - 一种助行设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种助行设备及其控制方法，该助行设备包括：步进组件；功能支架，包括第一支架、第二支架以及第三支架；第一升降支架和第二升降支架，分别与第二支架和第三支架呈X形交叉铰接，并间隔连接于步进组件；固定夹具，包括腰托和绑带，腰托的相对两端分别弹性连接第一升降支架和第二升降支架；驱动组件；检测组件，用于检测用户的体重和重心位置，以向驱动组件发送第一反馈信号，而使驱动组件驱动第一升降支架和/或第二升降支架靠近或远离步进组件运动，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件运动。本申请的助行设备能够根据用户着地情况自动调整减重比例，以有效增加用户行走能力。

Description

一种助行设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械电子设备技术领域，尤其涉及一种助行设备及其控制方法。

背景技术

步行康复训练对于中后期脑卒中下肢行动障碍治疗是一种非常重要且有效的办法，通常患者在该康复阶段需要进行重复的，任务导向的，基于下肢运动级别的针对性训练计划。而患者常常因为下肢力量不足导致不能够自主地进行训练，需要人为搀扶或者其他减重系统干预。其中，通常的下肢康复评估指标集中在三个方面：肌肉激活程度；体重支撑能力；身体平衡性，因此在训练时需要提供患者基本的下肢活动自由度，必要的减重措施使其能够借助余力支撑自身体重，以及激励自主维持身体平衡的措施。

然而，目前的减重系统，也即体重支撑助行设备大多是基于固定的框架，或是基于跑步机的绳索减重系统，而不能提供跟随患者移动的功能，以及根据患者体重、步态阶段、下肢行动能力的动态减重功能，因此极大地限制了下肢的康复效果。

发明内容

本申请提供的一种助行设备及其控制方法，以能够解决现有技术中的助行设备不能提供跟随用户移动的功能，以及根据用户体重、步态阶段、下肢行动能力的动态减重功能，因此极大地限制了下肢的康复效果的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种助行设备，其中，该助行设备包括：步进组件；功能支架，包括第一支架、第二支架以及第三支架，第一支架的一端垂直连接第二支架的一端，其另一端垂直连接第三支架，第二支架以及第三支架的另一端分别连接步进组件；升降机构，包括第一升降支架和第二升降支架，第一升降支架与第二支架呈X形交叉铰接，第二升降支架与第三支架呈X形交叉铰接，且第一升降支架的一端和第二升降支架的一端间隔连接于步进组件；固定夹具，包括相互连接的腰托和绑带，腰托的相对两端分别弹性连接第一升降支架的另一端和第二升降支架的另一端，并用于支撑用户的腰部，绑带用于穿戴在用户的胯部；驱动组件，连接第一升降支架和第二升降支架；检测组件，连接驱动组件，检测组件用于检测用户的体重和重心位置，以基于用户的体重和重心位置向驱动组件发送第一反馈信号，以使驱动组件驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件。

其中，助行设备还包括控制器，控制器连接驱动组件和检测组件，用于接收检测组件发送的第一反馈信号，以基于第一反馈信号向驱动组件发送升降控制指令，以使驱动组件响应升降控制指令驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端进行升降运动。

其中，检测组件包括压力采集鞋，压力采集鞋的鞋底设有压力传感器，压力传感器通信连接控制器，压力采集鞋用于穿戴在用户的足部，以通过压力传感器检测用户的体重和重心位置，以基于用户的体重和重心位置向所控制器发送第一反馈信号。

其中，步进组件包括第四支架、第五支架以及第六支架，第五支架的一端垂直连接第四支架的一端，其另一端连接第二支架远离第一支架的另一端，第六支架的一端垂直连接第四支架的另一端，其另一端连接第三支架远离第一支架的另一端。

其中，助行设备还包括麦克纳姆轮，麦克纳姆轮的数量为4个，且分别间隔活动连接在步进组件背离功能支架的一侧面上。

其中，检测组件还包括三维力传感器，三维力传感器连接腰托和驱动组件，驱动组件还连接麦克纳姆轮，三维力传感器用于检测腰托的运动趋势，以基于运动趋势向驱动组件发送第二反馈信号，以使驱动组件驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应运动趋势进行随动。

其中，助行设备还包括急停按钮，急停按钮连接第二支架和驱动组件，急停按钮用于接收用户的按压，以向驱动组件发送急停指令，而使驱动组件停止驱动麦克纳姆轮。

其中，助行设备还包括相互连接的障碍物检测器，障碍物检测器连接在第二支架背离固定夹具的一侧面上，并与驱动组件通信连接，以用于检测助行设备当前的行进方向上是否存在障碍物，并在存在有障碍物时，向驱动组件发送避障控制指令，以使驱动组件驱动麦克纳姆轮带动步进组件向绕开障碍物的方向行进。

其中，助行设备还包括状态切换开关和步进控制摇杆，状态切换开关和步进控制摇杆分别连接驱动组件，状态切换开关用于对驱动组件的工作状态在被动减重推行模式和动态减重跟随模式之间进行切换，以在将驱动组件的工作状态切换为被动减重推行模式，步进控制摇杆接收用户施加的推力，以基于推力的方向向驱动组件发送相应的行进控制指令，以使驱动组件驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应推力的方向进行运动。

为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种助行设备的控制方法，其中，该助行设备包括：步进组件；功能支架，包括第一支架、第二支架以及第三支架，第一支架的一端垂直连接第二支架的一端，其另一端垂直连接第三支架，第二支架以及第三支架的另一端分别连接步进组件；升降机构，包括第一升降支架和第二升降支架，第一升降支架与第二支架呈X形交叉铰接，第二升降支架与第三支架呈X形交叉铰接，且第一升降支架的一端和第二升降支架的一端间隔连接于步进组件；固定夹具，包括相互连接的腰托和绑带，腰托的相对两端分别弹性连接第一升降支架的另一端和第二升降支架的另一端，并用于支撑用户的腰部，绑带用于穿戴在用户的胯部；驱动组件，连接第一升降支架和第二升降支架；检测组件，连接驱动组件；该控制方法包括：接收检测组件发送的第一反馈信号；其中，第一反馈信号是由检测组件检测用户的体重和重心位置生成得到；基于第一反馈信号确定减重比例和用户当前的行进状态；根据减重比例和行进状态生成升降控制指令；将升降控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件运动，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件运动。

其中，助行设备还包括麦克纳姆轮，麦克纳姆轮的数量为4个，且分别间隔活动连接在步进组件背离功能支架的一侧面上，并连接驱动组件；控制方法还包括：接收检测组件发送的第二反馈信号；其中，第二反馈信号是由检测组件检测腰托的运动趋势生成得到；基于第二反馈信号确定用户当前的行进方向；根据行进方向生成第一行进控制指令；将第一进控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应运动趋势进行随动。

其中，助行设备还包括状态切换开关和步进控制摇杆，状态切换开关和步进控制摇杆分别连接驱动组件；控制方法还包括：接收状态切换开关发送的状态切换信号，以确定驱动组件的工作状态；响应于驱动组件的工作状态为被动减重推行模式，接收步进控制摇杆发送的控制信号；其中，控制信号是控制摇杆接收用户施加的推力，并基于推力的方向对应生成得到；根据控制信号生成第二行进控制指令；将第二进控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应推力的方向进行运动。

其中，检测组件包括压力采集鞋和三维力传感器，压力采集鞋的鞋底设有压力传感器，第一反馈信号包括压力传感器反馈数据和三维力传感器反馈数据，用户当前的行进状态包括足跟接触阶段、扁平足接触阶段、推离或脚跟离地阶段以及摆动期，基于第一反馈信号确定减重比例和用户当前的行进状态的步骤包括：将压力传感器反馈数据和三维力传感器反馈数据输入到预设网络函数模型中，以确定减重比例和用户当前的行进状态。

本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供的助行设备中的第一升降支架和第二升降支架，分别与功能支架的第二支架和第三支架呈X形交叉铰接，并间隔连接于步进组件，且第一升降支架的一端和第二升降支架的一端间隔连接于步进组件，而固定夹具中的腰托的相对两端分别弹性连接第一升降支架的另一端和第二升降支架的另一端，并用于支撑用户的腰部，而其绑带用于穿戴在用户的胯部，检测组件用于检测用户的体重和重心位置，以基于用户的体重和重心位置向驱动组件发送第一反馈信号，以使驱动组件驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件，从而能够根据用户的体重和重心位置识别用户的步态，以动态调整减重比例，并选择性的对用户的左下肢和/或右下肢进行助力，从而能够保证达成更自然的步态。

附图说明

图1是本申请助行设备一实施例的结构示意图；

图2是图1中助行设备一具体实施例的框架示意图；

图3是图2中助行设备中终端控制系统中的串口屏模块的操作界面一具体实施例的框架示意图；

图4是本申请助行设备的控制方法第一实施例的流程示意图；

图5是本申请助行设备的控制方法第二实施例的流程示意图；

图6是本申请助行设备的控制方法第三实施例的流程示意图；

图7是本申请助行设备在动态减重跟随模式下的训练方法一实施例的流程示意图；

图8是本申请助行设备在训练过程中的步态阶段识别分类与动态减重逻辑示意图；

图9是本申请助行设备在训练过程中的一个步态周期内的控制流程图；

图10是本申请助行设备在训练过程中的一个步态周期内跟随用户身体运动的特征示意图。

具体实施方式

发明人经长期研究发现，目前的体重支撑助行设备大多基于固定的框架，或是基于跑步机的绳索减重系统，不能提供跟随用户移动的功能，以及根据用户体重、步态阶段、下肢行动能力的动态减重功能。因此，极大地限制了下肢康复效果。

其中，步行康复训练对于中后期脑卒中下肢行动障碍治疗是一种非常重要且有效的办法，通常患者在该康复阶段需要进行重复的，任务导向的，基于下肢运动级别的针对性训练计划。而患者常常因为下肢力量不足导致不能够自主地进行训练，需要人为搀扶或者其他减重系统干预，其中，通常的下肢康复评估指标集中在三个方面：肌肉激活程度；体重支撑能力；身体平衡性，因此在训练时需要提供患者基本的下肢活动自由度，必要的减重措施使其能够借助余力支撑自身体重，以及激励自主维持身体平衡的措施。

被动柔索式减重步行机的提出，可以很好地解决用户无法依靠自身力量行走的问题，减轻了医护人员的工作负荷。其一般是将患者通过柔索固定于固定框架上，步行于专用的慢速步行机，可以根据下肢行走能力调整减重比例、步行速度。且由于患者与框架属于柔性连接，通过设置标定的柔索张力，允许一定的行走摇摆幅度，但该幅度有限，事实上机器并不能跟随患者身体进行全方位实时移动，会造成柔索的拖拽现象。且由于柔索的弹性特征，导致患者的受迫摇摆运动，将会造成不自然的步态特征，不能激发患者自主保持平衡机能。而由于步行时身体上下窜动的特征，固定的减重比例也会造成训练过程中的减重失稳。

尽管接下来的研究工作使其可以被动地根据柔索负载动态调整减重比例，尽量维持减重比例的稳定，但由于柔索被动可伸缩特性，仍然无法很好的进行控制，患者身体摇摆等受迫运动的问题仍未解决，下肢康复效果因此受限。

为了克服以上问题，近几年动态追踪减重步行机被提出，在同样的慢速步行机配置下，将柔索系统更换为可以主动跟随患者身体多维方向运动的夹具系统，比如，一款固定于腰部的主动跟随下肢步行训练系统，通过多种力传感器收集并计算患者重心的空间位置，并据此跟随患者的身体运动。又比如，一款基于机器学习的腰部固定多维跟随下肢训练系统，通过IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)固定于患者下肢，实时计算患者重心位置，并通过分析健侧与失能侧下肢的特征采取相应的减重策略。以上通过实验证明，在动态跟随患者重心的模式下，减重力度更稳定，且步态曲线更趋于正常人步行曲线。

尽管大量的实验证明基于步行机的主动跟随减重下肢康复系统对于相关患者确实起到了一定的下肢康复作用，有越来越多的科研工作证明，直接接触地面的康复训练在对于实现自然步态，最大化康复效率上仍有提升，这是由于患者可根据自主意识进行自由步行活动，而非受制于步行机的单方向(前进方向)的运动制约。

同时，基于此方案的可移动跟随减重助行设备可应用于家庭、社区等更多场景，实现更多应用可能性的同时也增强了用户体验。例如，一款主动减重可移动框架，通过足底压力系统反馈并计算身体重心位置与接触地面状态，进而推算出步行阶段，动态调整左右下肢的减重比例，可实现在相对自由行走情况下的动态减重。又比如，一款牵引式动态减重地面行走助行系统，通过调节减重方位使减重方向几乎垂直，因此可以最小化横向拖拽的错误状态。但由于助行设备本身由于安装了多种传感器与执行机构，重量较大且为被动框架，在训练过程中需要患者依靠身体拖拽，导致已经力量不足的下肢难以完成训练动作。

动态体重支撑系统在近年来被视为针对中后期脑卒中患者的下肢康复非常有前景的康复手段，多种基于人体重心识别、步态识别的动态体重支撑系统步行机被提出。这些方案均基于固定于环境的框架，例如，跑步机及框架绳索减重系统，因此不能提供患者接触地面的行走训练。

为了能够有效达成自然步态，使康复行走训练效率最大化，本申请提供了一种助行设备。下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1，图1是本申请助行设备一实施例的结构示意图。在本实施例中，该助行设备10包括：步进组件11、功能支架12、升降机构13、固定夹具14、驱动组件15以及检测组件16。

其中，本申请中提供的一种助行设备10具体是用于对丧失部分行走能力的人进行辅助行走，以在利用该助行设备10对穿戴者进行下肢步行训练时，能够根据穿戴者的步行状态对穿戴者的左下肢和/或右下肢进行相应的减重、助力，从而尽可能的增加穿戴者的行走能力。

具体地，该助行设备10的步进组件11可理解为整个设备的安装底座，并对应设置有驱动轮，以在受到相应设置的动力装置，或用户行进时给到的驱动力后，能够带动整个助行设备10进行运动。

功能支架12进一步包括第一支架121、第二支架122以及第三支架123，该第二支架122的一端具体是垂直连接第一支架121的一端，而其另一端连接于步进组件11。而第三支架123的一端具体是垂直连接第一支架121的另一端，其另一端也对应连接于步进组件11，并与第二支架122的另一端相间隔。

且升降机构13进一步包括第一升降支架131和第二升降支架132，该第一升降支架131具体是与第二支架122相互呈X形进行交叉铰接，而第二升降支架132又进一步与第三支架123呈X形交叉铰接，且第一升降支架131的一端和第二升降支架132的一端具体是间隔连接于步进组件11，从而使得该第一升降支架131和第二升降支架132能够分别独立地被驱动，以相对步进组件11进行升降运动。

固定夹具14进一步包括相互连接的腰托141和绑带(图未示出)，该腰托141的相对两端分别弹性连接于第一升降支架131的另一端和第二升降支架132的另一端，以在用户穿戴于固定夹具14中时，用于支撑用户的腰部，而绑带则用于穿戴在用户的胯部，以在重力方向上对用户进行支撑。

进一步地，驱动组件15对应连接第一升降支架131和第二升降支架132，而检测组件16进一步连接驱动组件15，以在检测组件16检测到用户的体重和重心位置时，能够基于用户的体重和重心位置实时向驱动组件15发送第一反馈信号，以使驱动组件15根据该第一反馈信号驱动第一升降支架131的另一端和/或第二升降支架132的另一端靠近或远离步进组件11运动，进而带动腰托141和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件11运动，也即进行升降运动，以对用户左下肢和/或右下肢进行减重、助力。

可理解的是，该步进组件11具体可以放置于任一合理的地面上，以方便于用户在穿戴至固定夹具14的腰托141和绑带中后，进行助力行走，而上述第一升降支架131和/或第二升降支架132靠近或远离步进组件11的运动，也即其升降运动具体指的是在重力方向上的来回运动。

在一实施例中，该驱动组件15在获取到第一反馈信号时，具体是根据预设程序确定当前对用户进行助力所对应的减重比例和用户当前的行进状态，以动态地对用户左下肢和/或右下肢进行相应大小的提升助力。

且该提升助力具体是对应于用户的体重进行成比例的设置，并对应于不同行进状态，比如，在左下肢处于抬脚阶段时，通过提升第一升降支架131的另一端对用户的左下肢进行助力，并在左下肢落脚阶段，逐渐降低第一升降支架131的另一端的高度，以减小对用户的左下肢进行的助力，直至支撑阶段取消本次助力。

上述方案，通过检测用户的体重和重心位置驱动第一升降支架131的和/或第二升降支架132的进行升降运动，以带动腰托141和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分进行升降运动，从而能够根据用户的体重和重心位置实时识别用户的步态，以动态调整减重比例，并选择性的对用户的左下肢和/或右下肢进行助力，从而能够保证达成更自然的步态。

在一实施例中，该助行设备10还包括有控制器(图未示出)，该控制器具体连接于驱动组件15和检测组件16，以在检测组件16获取到第一反馈信号时，能够接收检测组件16发送的该第一反馈信号，以基于该第一反馈信号向驱动组件15发送升降控制指令，从而使驱动组件15能够响应于该升降控制指令，对第一升降支架131的另一端和/或第二升降支架132的另一端进行驱动，以使其进行相应的升降运动，进而带动腰托141和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分进行升降运动，以对用户左下肢和/或右下肢进行减重、助力。

在一实施例中，该控制器具体还通信连接于外部的上位机，比如，后台计算机或服务器等任一合理的智能终端，以能够接收检测组件16实时获取，并发送的第一反馈信号及用户的步态等康复数据，并进行传输至上位机，而供上位机进行实验或训练分析。

可选地，该控制器具体可以是单片机、处理器或MCU(Micro Control Unit，微控制单元)电路等任一合理的具有程序控制功能的装置，本申请对此不做限定。

可选地，该驱动组件15具体包括电源及分别连接于该电源的第一驱动电机和第二驱动电机，且该第一驱动电机和第二驱动电机分别用于独立驱动第一升降支架131的另一端和第二升降支架132的另一端进行相应的升降运动。

进一步地，在一实施例中，检测组件16还包括压力采集鞋(图未示出)，该压力采集鞋的鞋底设有压力传感器(图未示出)，且该压力传感器通信连接于控制器，比如，通过通信数据线或导线连接至控制器，以保证信号传输的稳定、有效；或，该压力传感器具体还可以通过蓝牙、Wi-Fi(无线网络通信技术)或其他任一合理的无线通信技术，本申请对此不做限定。

其中，该压力采集鞋具体用于穿戴在用户的足部，以在用户穿戴压力采集鞋行走时，压力传感器能够识别、检测用户的体重和重心位置，并对应于用户的体重和重心位置生成第一反馈信号，以将该第一反馈信号发送给控制器进行相应的助力控制。

在一实施例中，该步进组件11进一步包括第四支架111、第五支架112以及第六支架113，该第五支架112的一端具体是垂直连接于第四支架111的一端，其另一端连接功能支架12中的第二支架122远离第一支架121的另一端。而第六支架113的一端具体是垂直连接第四支架111的另一端，其另一端连接功能支架12中的第三支架123远离第一支架121的另一端，以对功能支架12进行安装支撑，且用户具体能够在由第四支架111、第五支架112以及第六支架113对应围成的一端形成有缺口的半封闭区域行走。

进一步地，在一实施例中，助行设备10还包括麦克纳姆轮17，该麦克纳姆轮17的数量具体为4个，且分别间隔活动连接在步进组件11背离功能支架12的一侧面上，以能够带动整个助行设备10在一平面上向任一方向行走。而在其他实施例中，该麦克纳姆轮17的数量还可以为6个、8个或10个等任一合理的数量，本申请对此不做限定。

需说明的是，该麦克纳姆轮17具体指的是能够进行全方位移动的机轮，而这种全方位移动方式具体是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面，以能够依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮17结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。在有4个这种新型轮子进行组合，便可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

可理解的是，在采用助行设备10对用户进行助力行走的过程中，为了实现减重方向的始终垂直，便需要尽量避免助行设备10对用户的拖拽效应，并减小用户因推拉助行设备10带来的额外拉力负担。其中，相较于健康人的步行轨迹，下肢行动障碍用户的步行轨迹可能会出现左右平移、左右平移与前后行进结合的异常步态，而这便需要助行设备10具备平面三轴方向，即前后、左右、旋转的运动能力。

因此，该助行设备10还需要动态追踪人体重心的位置，并对应实现全方向的跟随运动，而在执行机构方面，助行设备10的全向跟随移动系统，便需由麦克纳姆轮17与控制系统构成，以在将该麦克纳姆轮17分别间隔活动连接在步进组件11背离功能支架12的一侧面上时，便能够受驱动，而带动整个助行设备10在平面上向任一方向行走。

可选地，该4只麦克纳姆轮17的直径对应为152mm，且共承重400kg。

且该4只麦克纳姆轮17分别连接至驱动组件15中对应设置的4只步进电机驱动，而该步进电机在1:10减速器的作用下，单只具备10N*m的保持扭矩，并在24V，4A-MAX(最大)电流驱动下，基本步进角为0.18°，最高转速为60RPM(转每分)。

该步进电机具体能够步进组件11的四个顶角处，并具备驱动用户体重以及助行设备10自重的能力，以能够通过对4个麦克纳姆轮17进行正反转组合控制，实现在任一平面上进行全向移动。且该步进电机还能够通信连接至助行设备10中的控制器，该控制器具体能够通过电平逻辑控制与每一步进电机进行通信，以能够对应向其发送使能信号、调速脉冲信号以及方向信号等。

在一实施例中，检测组件16还包括三维力传感器161，该三维力传感器161的数量具体为两个，且该两个三维力传感器161的一端分别对应连接于腰托141的相对两端，而其另一端分别连接于第一升降支架131和第二升降支架132远离步进组件11的另一端，并进一步通信连接于驱动组件15。其中，该驱动组件15还连接麦克纳姆轮17，而该三维力传感器161用于检测腰托141的运动趋势，比如，用户在出现左右平移、左右平移与前后行进结合的异常步态时，能够对应施加给两个或其中一个三维力传感器161一个相应的推力，以使该三维力传感器161能够对应于该运动趋势生成第二反馈信号。

且该三维力传感器161能够对应将该第二反馈信号发送给驱动组件15，以使驱动组件15能够驱动麦克纳姆轮17带动步进组件11对应用户的运动趋势进行随动，以尽量避免助行设备10对用户的拖拽效应，并减小用户因推拉助行设备10带来的额外拉力负担，也便有效避免了用户在跑步机或其他康复设备上，由绳索牵引，而产生的左右摇晃的问题，以能够使助行设备10减重力的方向始终为垂直平面的方向，且相较于传统的绳索牵引系统，进行减重助力的速度更快。

可理解的是，在利用该助行设备10进行下肢步行训练时，用户与外界的接触通常有两处，即双脚与地面的接触，以及腰部和胯部与助行设备10的接触，并分别对应于用户步行发力与减重借力的位置。而这两处的压力数据对于评判步行能力以及助行设备10施行减重策略至关重要，因此在该助行设备10中，需对应配置专用于采集足底压力分布的压力采集鞋以及用于采集腰跨部压力的三维力传感器161。

其中，该压力采集鞋即是通过将分布在足底4点位置处的压力传感器及数据计算上传模块集成于专用的医疗拖鞋中得到，并使用小型可充电锂电池供电，以通过鞋底整合所有电子模块，且使用2.4g无线透传模块与控制器进行数据传输，因此用户无需额外佩戴传感器，只需穿上指定的鞋即可进行数据采集。该压力传感器采用了高精度称重传感器，每只鞋底集成有4个压力传感器，以用于测得在每个步态周期阶段的关键着地点压力值，并将采集到的数据经由鞋上的单片机计算后，以10HZ速度上传至控制器。

进一步地，用于检测反馈身体重心在六轴方向移动的三维力传感器161被集成于助行设备10腰托141两侧。该三维力传感器161的三个轴方向力的量程为5-100KG，且每个方向均可进行双向测力。该三维力传感器161的三个维度分别由一个惠斯通全桥电路组成，而不需要耦合运算，并能够直接输出与力值大小成正比的模拟量信号，信号范围在1.0-1.5mV/V，进而能够通过变送器将该电压信号放大为0-5V/4-20mA的标准模拟量信号，每个轴力传感信号需要一台变送器进行转换，即共需要六台变送器进行信号处理，并通过有线的方式与控制器进行通信，以计算并追踪人体的重心位置。

在一实施例中，助行设备10还包括急停按钮18，该急停按钮18具体安装在第二支架122上，并连接于驱动组件15，以在用户遭遇突发情况，而按压急停按钮18时，该急停按钮18能够对应向驱动组件15发送急停指令，而使驱动组件15紧急停止驱动麦克纳姆轮17，而避免用户遭遇被助行设备10拖拽，或撞到障碍物等任一合理的突发状况。

在一实施例中，助行设备10还包括有相互连接的障碍物检测器(图未示出)，且该障碍物检测器具体连接在第二支架122背离固定夹具14的一侧面上，并与驱动组件15通信连接，以用于实时检测助行设备10当前的行进方向上是否存在有障碍物，并在检测到存在有障碍物时，能够向驱动组件15发送避障控制指令，而使驱动组件15驱动麦克纳姆轮17带动步进组件11向绕开障碍物的方向行进，以避免与障碍物发生碰撞。

在一实施例中，助行设备10的驱动组件15在助行设备10对用户进行助力行走的过程中，具体包括有被动减重推行模式和动态减重跟随模式这两种工作状态。其中，该被动减重推行模式具体可理解为助行设备10运行在对用户进行预设比例的减重比例，且带动用户行进的模式；而动态减重跟随模式则可理解为助行设备10运行在动态对用户进行减重，并跟随用户的运动趋势运动的模式。

进一步地，助行设备10还包括状态切换开关19和步进控制摇杆110，该状态切换开关19和步进控制摇杆110分别连接于驱动组件15，且该状态切换开关19具体用于对驱动组件15的工作状态在被动减重推行模式和动态减重跟随模式之间进行切换。其中，在状态切换开关19将驱动组件15的工作状态切换为被动减重推行模式时，用户便能够通过步进控制摇杆110对驱动组件15进行控制，比如，用户在向推杆施加一个方向的推力时，该步进控制摇杆110能够基于该推力的方向对应向驱动组件15发送相应的行进控制指令，以使驱动组件15能够驱动麦克纳姆轮17带动步进组件11对应该推力的方向进行运动。

且在状态切换开关19将驱动组件15的工作状态切换为动态减重跟随模式时，该步进控制摇杆110便会失效，而驱动组件15则用于接收三维力传感器161根据用户的运动趋势发送的第二反馈信号，以驱动麦克纳姆轮17带动步进组件11对应该运动趋势进行随动。

可理解的是，上述急停按钮18、状态切换开关19以及步进控制摇杆110对应设置在第一支架121面向固定夹具14的一侧面上对应形成的控制面板中，而呈现于用户操作的正前方，以方便用户操作的同时，还能够保障安全。其中，该控制面板具体可以由2只24V，30000mAh的可充电式锂电池组供电，并带有过载及过热保护功能，且控制面板的最大安全放电电流为20A，该电池还可以提供相对稳定无杂波的电流。

请继续参阅图2，图2是图1中助行设备一具体实施例的框架示意图。

在本实施例中，该助行设备20具体包括：足底压力检测单元21、2.4G无线透传接收模块22、红外避障传感器24、摇杆与开关单元25、主控单片机23、升降移动减重执行器26、减重腰托27、身体重心检测单元28、控制终端29以及平面移动减重执行器210。其中，足底压力检测单元21进一步包括：高精度称重传感器211共4只、变压器模块212、2.4G无线透传发送模块213；摇杆与开关单元25进一步包括：摇杆/随动模式切换开关251、避障开关252以及摇杆253；升降移动减重执行器26进一步包括：直流电机驱动器261和电缸262；控制终端29进一步包括：语音识别模块291、串口屏模块292以及蓝牙透传模块发送端293；身体重心检测单元28进一步包括：2只三维力传感器281和模拟称重变送器282；平面移动减重执行器210进一步包括：4只步进电机驱动器2101、4只步进电机2102以及4只麦克纳姆轮2103。

可理解的是，在体重测量与步态阶段检测阶段，具体是在用户穿戴采集鞋时，开始测量用户体重，而主控单片机23将在5秒内记录10次用户的体重值，并通过去掉前后2组不稳定的数据，以对中间6组数据进行求平均值测定用户最终的体重值。该体重值将记录在主控单片机23的程序中，并对动态减重产生影响，即在动态减重行走下，设定减重比例相同体重越大减重重量越大(减重比例为减重重量/体重)，因此可以保证大体重的用户获得更大的实际减重力，反之小体重的人获得更小的实际减重力。

同时在动态减重行走的过程中，能够通过对应用户左右脚设置的两个足底压力检测单元21分别读取用户左右脚的压力值，以得到用户当前的步态阶段，如果单脚压力小于一半的体重，则判定用户目前处于双脚着地的阶段；如果单脚压力大于3/4的体重，则判定用户目前处于抬脚或落脚阶段；如果单脚压力大于4/5的体重，则判定用户目前处于单腿支撑的阶段。显然抬脚、落脚以及单腿支撑，对于下肢行动障碍人群来说，需要更多的减重力。因此，助行设备20在判定用户处于上述状态后，会对应抬脚、落脚赋予3\2的相对于双腿支撑的减重力，并对应单腿支撑赋予2倍于双腿支撑的减重力。

其中，位于腰托左右两边的位置分别设置了2只三维力传感器281，且每只三维力传感器281可测得XYZ轴三个方向的受力。用户在通过该助行设备20进行训练时，需要将腰部固定在减重腰托27中，并通过腰部、胯部绑带固定好。此时，我们可以认为用户与助行设备20被绑定为一体。因此用户扭动、上下左右前后移动身体的动作状态，都将被2只该三维力传感器281捕捉到，并经由变送器，以及ADC(模数转换器)将相应的受力值转化为数字信号，输入到主控单片机23。

在通过主控单片机23的计算与换算，便可将该受力值转变为需要驱动步进电机2102共的速度值，即人往左右运动时，机器也跟随往左右运动，而人往前后运动时，机器也跟随往前后运动，人转身，则机器也跟随转身。且用户对三维力传感器281施加的推力大小与步进电机2102的驱动力成正比，即用户想走的越快，机器也跟着走的越快。

此外，三维力传感器281测得的Z轴方向，即重力方向的反方向力，也将作为控制减重模块上下运动的输入量，从而实现人在助行过程中的动态减重，并将减重值维持在一个相对稳定的值。而由于人走路过程中通常是上下窜动的，而如果减重腰托不能动的话，减重力就会随着走路时的上下窜动时大时小。在通过实时读取Z轴方向的受力情况后，便可将受力大小与方向发送至主控单片机23，以使主控单片机23向电缸262控制器输出PWM(Pulsewidth modulation，脉宽调制信号)脉冲与方向信号。其中，三维力传感器281受力越大，则PWM值越大，电缸262移动速度越快，以达成用户行走过程中动态减重的目的。

根据麦克纳姆轮2103的特性，以在组成4个的轮组阵列后，便可完成在平面方向的前后左右、转动的3轴的运动。而通过设定程序，使得三维力传感器在接收到力信号后，单片机控制4个步进电机2102共带动4只麦克纳姆轮2103运动，便可实现助行设备20在平面方向上，完全跟随用户进行运动。

进一步地，助行设备20的控制台上集成了避障开关252、摇杆/随动模式切换按钮251以及摇杆253，作为输入装置输入到主控单片机23，以在打开避障开关252时，助行设备20便能够开是否有障碍物，并判断障碍物在左或右，助行设备20向对应方向横向左右移动，以躲避障碍物。在摇杆253的控制模式下，用户通过操纵摇杆252可操纵助行设备20前后左右移动，以及转动。

此外，系统控制终端29中的串口屏幕模块可作为系统的数据输出与控制命令输入的功能单元，而能够对应控制助行设备20的主要功能，并将主要数据显示给用户；而语音识别模块291则用来识别用户的语音命令，以控制部分助行设备20功能，方便无法操作屏幕的用户；蓝牙透传模块能够将有关实验或训练数据发送至上位机2102。

可理解的是，不同于静态或被动减重系统，动态减重系统可在多传感器控制下根据在步行过程中身体的上下起伏以及在不同步态阶段下的减重比例进行动态调整，使得减重比例可控。

其中，减重系统具体分为固定夹具和升降机构两个部分，该固定夹具由减重腰托27、三维力传感器281、以及固定绑带(图未示出)组成，固定绑带用于在用户的双腿、胯部、以及腰部进行固定、减重，并与减重腰托27进行完全锁紧，且减重腰托27的相对两侧安装有三维力传感器281。固定夹具整体是通过铰接，可拆卸的方式与升降机构进行组合，而升降机构共分为左右2组，也即第一升降支架和第二升降支架，并由对应设置的直流电机驱动器261和电缸262分别进行驱动，具备20mm/s以及总共140kg的推力，并对应集成有双路闭环反馈系统，且额定电流7.5A。

进一步地，该减重系统具体是通过逻辑电平信号与控制器进行有线通信。其中，该升降机构的左右两组可分别进行升降动作，并分别具有1个垂直方向的相对自由度，以在不同的升降速度或方向下，将带动固定夹具向左右方向进行侧倾，而具有垂直与沿X轴方向旋转的2个相对自由度，从而实现根据步态阶段事件分别控制左右下肢的减重比例，并根据左右腿不同的障碍等级定制不同的减重等级。

为了对上述功能进行逻辑联系与整合，并对实验过程中采集到的有效实验数据进行记录，在助行设备20中还对应设置有终端控制29和数据采集分析管理系统(图未示出)。

其中，该终端控制29具体由串口屏模块292、语音识别模块291以及蓝牙透传模块发送端293组成，且该串口屏模块292设有定制的操作界面。该串口屏模块292具体采用的是电容式触摸屏幕，以能够进行编程，并与主控单片机23形成双向逻辑控制。在通过TTL电平以115200波特率与主控单片机23连接后，便可保证数据传输的及时性。该语音识别模块291内部集成有能够通过编程实现特定语句识别的单片机，以在经测试后，该语音识别模块291综合识别率可达80％以上，并同样通过TTL电平，以9600波特率与单片机连接，通过该语音识别模块291，在实验过程中用户无需操作任何物理按键或屏幕，便可操作助行设备20进行对应的步行训练，而这在我们进行的试验过程中对于数据收集的准确性起到了一定的作用，因为可避免与步态事件非相关的身体移动干扰出现。此外，该蓝牙透传模块发送端293具体工作在115200的波特率下，因此可以对试验数据通过外部的蓝牙透传模块接收端201进行远程快速传输至上位机202，而无线传输可允许在实验过程中，摆脱绳索的束缚，实现任意距离的实验数据采集。且该助行设备20还能够根据系统控制逻辑与实验功能需求编写对应的操作界面系统控制程序。

请继续参阅图3，图3是图2中助行设备中终端控制系统中的串口屏模块的操作界面一具体实施例的框架示意图。

在一实施例中，该串口屏模块292的操作界面具体分为左、右、下，三个分区，分别对应关键参数显示区、控制面板以及状态显示。其中，关键参数包括在实验过程中各传感器实时状态与读数，下方为无线数据上传开始与停止按键，以在实验过程中，能够选择恰当时机，将助行设备20记录的有效数据上传至远程上位机2102系统。且每次的数据记录采用特定的记录格式，包括每次实验系统参数、步态阶段、以及每个步态阶段下的连续运动数据，以便于后续的分析工作。

该控制面板具体为交互式操控界面，该界面从上至下从左至右分别为，系统运行与急停控制，语音控制开启与关闭，节拍器开启与关闭，包含节拍器频率调节，脑机接口控制模式预留接口，减重比例增减调节，体重测量，自动手动减重系统控制，以及减重系统升降调节与显示二合一滑块。而状态显示条从左到右分别显示避障状态、步态事件、摇杆或三维力传感器控制状态、足底压力鞋与系统无线连接状态。

需说明的是，动态体重支撑系统在近年来被视为针对中后期脑卒中用户的下肢康复具有非常有前景的康复手段，多种基于人体重心识别、步态识别的动态体重支撑系统步行机被提出。这些方案均是基于固定于环境的框架，例如，跑步机及框架绳索减重系统，因此不能提供用户接触地面的行走训练。相关研究表明，接触地面的垂直减重步行训练能够有效达成自然步态，使康复行走训练效率最大化。基于此，在本实施例中，具体阐述了一种能够基于人体重心识别的自动跟随、垂直减重助行的助行设备20，以能够通过收集腰部三维力传感器281与足底压力数据计算人体重心的空间位置以及步行周期阶段，进而控制基于麦克纳姆轮2103的全向移动助行设备20进行水平方向的跟随移动，以及竖直方向动态体重支撑。

在该助行设备20的使用中，体重支撑的受力始终为竖直方向，可大幅度减少助行减重系统对用户的水平拖拽现象，同时依据用户每个步行周期的不同阶段，给予不同的稳定的减重比例，以能够在减重的同时还原自然步态。且通过两组对照试验分别对应跑步机式固定减重系统与该助行设备20，可以证明该助行设备20有效避免了由于被动绳索系统等所带来的拖拽现象，并观察到用户步行时的垂直方向移动也未显著影响减重比例值，且还能够根据着地情况自动调整减重比例。因此，用户使用该助行设备20可以在明显增加行走能力的同时，减少在三维空间内的拖拽现象，达成自然步态。

且具体是通过使用位于腰两侧的三维力传感器281作为水平移动捕获器，并使用基于麦克纳姆轮2103共的四轮驱动系统，使得助行设备20能够根据移动捕获数据的决策进行三轴方向的全向运动，并使减重方向始终近似垂直。由于在行走训练过程中，双腿支撑与单腿支撑的阶段不断变化，因此有必要识别步态阶段并给予不同支撑情况不同的减重比例。减重系统通过监控位于足底及腰部的压力传感器数据，通过识别用户每个步行周期内的站立相与迈步相，提供不同的减重比例并维持稳定。在通过一系列的实验对比柔索式步行机与该助行设备20的不同减重与跟随模式，可验证出采用该助行设备20的用户显然可以更自然地进行下肢步行训练，同时在维持相对正常的步态下最大程度利用下肢剩余力量支撑体重，维持平衡。且基于该助行设备20的下肢康复训练将不再受场地限制，而通过使用户接触地面行走，并让助行设备20跟随用户运动，也能够尽可能地避免助行设备20对用户的拖拽干预，而只保留必要的垂直减重辅助，使其能够以近乎正常人的行走方式进行训练。此外，该助行设备20上部署的急停按钮也可以提供紧急电动刹车功能，以防止跌倒等意外发生。

另外，本申请还提供了一种助行设备的控制方法，请继续参阅图4，图4是本申请助行设备的控制方法第一实施例的流程示意图。在本实施例中，助行设备包括：步进组件；功能支架，包括第一支架、第二支架以及第三支架，第一支架的一端垂直连接第二支架的一端，其另一端垂直连接第三支架，第二支架以及第三支架的另一端分别连接步进组件；升降机构，包括第一升降支架和第二升降支架，第一升降支架与第二支架呈X形交叉铰接，第二升降支架与第三支架呈X形交叉铰接，且第一升降支架的一端和第二升降支架的一端间隔连接于步进组件；固定夹具，包括相互连接的腰托和绑带，腰托的相对两端分别弹性连接第一升降支架的另一端和第二升降支架的另一端，并用于支撑用户的腰部，绑带用于穿戴在用户的胯部；驱动组件，连接第一升降支架和第二升降支架；检测组件，连接驱动组件。本实施例包括如下步骤：

S31：接收检测组件发送的第一反馈信号。

其中，该控制方法具体可理解为助行设备中的控制器对各执行机构进行控制的方法，以能够对应为穿戴于助行设备的固定夹具中的用户进行减重、助力行走。

具体地，控制器接收检测组件对应发送的其对用户的体重和重心位置进行检测，而生成的第一反馈信号。

S32：基于第一反馈信号确定减重比例和用户当前的行进状态。

进一步地，控制器在接收到第一反馈信号后，便能够确定用户的体重和重心位置，进而能够依据预设程序确定当前需对用户进行减重、助力所对应的减重比例和用户当前的行进状态。

可理解的是，对于不同体重的用户而言，在采用助行设备对其进行助力时，为保证较好的助力效果，显然需要采用不同的助力，比如，对于体重较大的用户，便需要向其施加较大的提升助力，而为了满足不同用户的助力需求，此处具体采用的是设置减重比例，以根据该减重比例对用户施加相应大小的助力。

且在用户处于不同的行进状态时，比如，当用户抬脚、支撑与落脚等不同阶段的行进状态中时，助行设备也需对应采用不同的助力方式，以对应为用户的左下肢和/或右下肢进行助力，例如，在左下肢处于抬脚阶段时，通过提升第一升降支架的另一端对用户的左下肢进行助力，并在左下肢落脚阶段，逐渐减小对用户的左下肢进行的助力，直至支撑阶段，取消本次助力。

由此可知，在确定出上述确定减重比例和用户当前的行进状态后，便能够对应确定当前需对用户采用的助力方式及大小。

S33：根据减重比例和行进状态生成升降控制指令。

又进一步地，在确定当前对用户进行的助力所需要的、较合适的减重比例及对助行设备采用的行进状态后，便能够对应生成升降控制指令。

S34：将升降控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件运动，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件运动。

在控制器将其生成的升降控制指令发送给驱动组件后，便能够控制驱动组件对第一升降支架和第二升降支架进行驱动，以使第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件运动，进而带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件运动，也即带动用户左下肢和/或右下肢进行升降运动，而对用户左下肢和/或右下肢进行减重、助力。

进一步地，在一实施例中，检测组件包括压力采集鞋和三维力传感器，压力采集鞋的鞋底设有压力传感器，第一反馈信号包括压力传感器反馈数据和三维力传感器反馈数据，用户当前的行进状态包括足跟接触阶段、扁平足接触阶段、推离或脚跟离地阶段以及摆动期，上述S32具体还可以包括：将压力传感器反馈数据和三维力传感器反馈数据输入到预设网络函数模型中，以确定减重比例和用户当前的行进状态。

请参阅图5，图5是本申请助行设备的控制方法第二实施例的流程示意图。本实施例的助行设备的控制方法是图4中的助行设备的控制方法的一细化实施例的流程示意图，其中，助行设备还包括麦克纳姆轮，麦克纳姆轮的数量为4个，且分别间隔活动连接在步进组件背离功能支架的一侧面上，并连接驱动组件，本实施例包括如下步骤：

S41：接收检测组件发送的第一反馈信号。

S42：基于第一反馈信号确定减重比例和用户当前的行进状态。

S43：根据减重比例和行进状态生成升降控制指令。

S44：将升降控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件运动，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件运动。

其中，S41、S42、S43以及S44分别与图3中的S31、S32、S33以及S34相同，具体请参阅S31、S32、S33以及S34及其相关的文字描述，在此不再赘述。

S45：接收检测组件发送的第二反馈信号。

具体地，助行设备中的检测组件还能够通过检测腰托，以确定用户当前的运动趋势，而生成得到第二反馈信号，并将该第二反馈信号发送给助行设备的控制器。

S46：基于第二反馈信号确定用户当前的行进方向。

进一步地，该控制器能够通过该第二反馈信号确定用户的当前的运动趋势，也便能够确定用户当前的行进方向。

S47：根据行进方向生成第一行进控制指令。

可理解的是，控制器在确定出用户当前的行进方向后，为保证助行设备能够对应该行进方向进行随动，以避免用户行进过程中对助行设备进行拖拽，便能够根据该行进方向生成第一行进控制指令。

S48：将第一进控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应运动趋势进行随动。

进一步地，在将第一进控制指令发送给驱动组件时，该驱动组件便能够驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应于用户当前的运动趋势进行随动，以尽量避免助行设备对用户的拖拽效应，并减小用户因推拉助行设备带来的额外拉力负担，也便有效避免了用户在跑步机或其他康复设备上，由绳索牵引，而产生的左右摇晃的问题，以能够使助行设备减重力的方向始终为垂直平面的方向，且相较于传统的绳索牵引系统，进行减重助力的速度更快。

请参阅图6，图6是本申请助行设备的控制方法第三实施例的流程示意图。本实施例的助行设备的控制方法是图4中的助行设备的控制方法的一细化实施例的流程示意图，其中，助行设备还包括状态切换开关和步进控制摇杆，状态切换开关和步进控制摇杆分别连接驱动组件，本实施例包括如下步骤：

S51：接收检测组件发送的第一反馈信号。

S52：基于第一反馈信号确定减重比例和用户当前的行进状态。

S53：根据减重比例和行进状态生成升降控制指令。

S54：将升降控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件运动，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件运动。

其中，S41、S42、S43以及S44分别与图3中的S31、S32、S33以及S34相同，具体请参阅S31、S32、S33以及S34及其相关的文字描述，在此不再赘述。

S55：接收状态切换开关发送的状态切换信号，以确定驱动组件的工作状态。

可理解的是，助行设备的驱动组件在助行设备对用户进行助力行走的过程中，具体包括有被动减重推行模式和动态减重跟随模式这两种工作状态。其中，该被动减重推行模式具体可理解为助行设备运行在对用户进行预设比例的减重比例，且带动用户行进的模式；而动态减重跟随模式则可理解为助行设备运行在动态对用户进行减重，并跟随用户的运动趋势运动的模式。

而该状态切换开关具体用于对驱动组件的工作状态在被动减重推行模式和动态减重跟随模式之间进行切换。

具体地，助行设备的控制器接收状态切换开关发送的状态切换信号，以能够对应确定驱动组件当前的工作状态。

S56：响应于驱动组件的工作状态为被动减重推行模式，接收步进控制摇杆发送的控制信号。

其中，在确定状态切换开关具体是将驱动组件的工作状态切换为被动减重推行模式时，用户便能够通过步进控制摇杆对驱动组件进行控制，比如，用户在向推杆施加一个方向的推力时，该步进控制摇杆便能够基于该推力的方向对应向控制器发送一控制信号。

S57：根据控制信号生成第二行进控制指令。

进一步地，控制器能够对应该控制信号生成第二行进控制指令。

S58：将第二进控制指令发送给驱动组件，以使驱动组件驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应推力的方向进行运动。

在将该第二进控制指令发送给驱动组件后，便能够使驱动组件对应驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应于用户的推力方向进行运动。

可理解的是，在状态切换开关将驱动组件的工作状态切换为动态减重跟随模式时，该步进控制摇杆便会失效，而驱动组件则用于接收三维力传感器根据用户的运动趋势发送的第二反馈信号，以驱动麦克纳姆轮带动步进组件对应该运动趋势进行随动。

进一步地，在一实施例中，上述助行设备中的控制器具体加载有经训练而建立得到的预设网络函数模型，以能够通过该预设网络函数模型对助行设备中各减重或步进等执行单元进行控制，从而实现上述助行设备的控制方法。其中，该助行设备具体对应有两种不同的控制模式，被动减重推行模式和动态减重跟随模式，也即固定减重比例并由助行设备推动用户运动，以及根据用户步态状况实时动态调整减重比例并根据用户运动趋势驱动助行设备跟随用户运动，而该预设网络函数模型则对应包括有被动减重推行数学模型和动态减重跟随数学模型。

具体地，当助行设备的动态减重跟随模式关闭时，该助行设备便相当于可预先设置固定减重比例系数的被动减重步行车系统，而具体是通过人的身体移动带动步行车在平面空间内移动，则在训练过程中，相应的电动推杆将维持在预设位置，而四只麦克纳姆轮处于被动旋转状态。其中，在助行设备的底盘采用了四组弹簧缓冲系统，并采用万向连接器进行铰接时，该助行设备在被动推行模式下，便可以对用户步行训练时的身体重心在三维空间内的运动进行一定的缓冲，比如，对用户身体的上下窜动以及前后左右摇晃进行缓冲。

首先，在建立包括XYZ三轴空间坐标系时，以在减重系统中将用到的垂直方向，也即重力方向的反方向定义为Z轴方向，则可知，由于用户在训练时始终被固定夹具紧固在腰托的中心处，在允许少量晃动的情况下，我们假设用户始终处于中心位置，则体重支撑系统将与人构成一个整体，那么其运动时的受力状况便可描述为：

其中，上述

与

分别为减重系统最终作用于位于双腿的夹具，也即绑带的减重力，

与

为双腿接触地面的反作用力，m与G代表用户原始体重与重力。我们定义β为动态减重比例系数，由减重力与体重的比值得到，其数值由预先设置最小值与步态阶段共同决定。a^v具体指用户身体在垂直方向上的加速度。助行设备通过其中两个电动推杆，也即第一升降支架和第二升降支架的一端与腰托两端进行连接，因此实际减重力与作用于腰托两端的减重力将位于同一根支架上，因此实际的减重力为：

其中，上述

与

为电动推杆作用在腰托一端的Z轴方向上的举升力，W_HJ为夹具与腰托两个固定点之间的距离，w_FS为电动推杆与腰托的两个铰接点之间的距离。而

与

分别由两只交叉为一组，并在距离固定端

处相互铰接的电动推杆提供。而每一组电动推杆同时运动，因此无论其升降，其提供的左右分力与Z轴方向的举升力

与

夹角相等。因此该举升力可描述为：

其中，上述

与

与

分别为左右两组交叉电动推杆方向的举升分力。

与

直接由缓冲器提供，而由于铰接的存在，

与

需要经过换算得到，其解算如下：

其中，

分别为位于系统左前、右前、左后、右后缓冲器的等效作用力，而

分别为其等效形变量，当其被压缩时为负值，k^f为其位于前方两组的劲度系数，k^r为其位于后方两组的劲度系数。而为了使得腰托受下压力的情况下保持前后平衡，即前后下降高度一致，需要对前后缓冲器采用不同的劲度系数，即

其次，在平面方向上，也即垂直于重力方向并相互垂直的两个方向X轴和Y轴方向，当假设用户与减重系统同时相对于助行设备底盘与地面做该平面方向上的移动，而减重系统与助行设备底盘通过缓冲器连接，在这里我们将其等效为位于前后左右共8组弹簧缓冲结构。其运动时受力可描述为：

其中，

为用户相对于减重系统的侧向与前后向作用力，

为缓冲系统的侧向与前后向反作用力，

为轮胎在被动转动时相对于缓冲系统的侧向与前后向反作用力，k₁，k₂为缓冲器侧向与前后向等效劲度系数，

为缓冲器侧向与前后向等效形变量，当其被压缩时为负值。

进一步地，当助行设备在动态减重跟随模式时，也即动态减重模式下的控制方法具体对应为减重系统在训练过程中，通过在Z轴方向上主动移动固定夹具来改变减重预加载比例。该减重系统由于前文所述缓冲器的作用，将部分弥补电动推杆执行器的动作响应延迟造成的减重比例失稳。

请继续参阅图7，图7是本申请助行设备在动态减重跟随模式下的训练方法一实施例的流程示意图。

S61：设置预加载减重比例。

具体控制逻辑下，在训练前需要首先设定最小减重比例β^min，即在支撑期的最小减重比例：

其中，

为在支撑期下的最小减重目标值。

S62：训练。

S63：Z轴方向受力值。

S64：足底压力。

开始训练后，助行设备的控制器将连续读取2只三维力传感器以及左右足底压力传感器数据在Z轴方向的受力数据M_GRFi。在实时运行的过程中，分别采集并跟踪记录每个传感器发送的最近5组数据：

通过对该数据进行分析，可以得到三维力传感器在Z轴方向上最近5组压力值的平均值

以及足底压力传感器在每一只脚上的最近5组压力值的平均值

并且该数值每5ms进行一次转换记录。

S65：步态事件识别和受力比较。

通过对数据进一步处理便可判断脚与地的接触特征：

抬脚：

支撑：

落脚：

其中，根据足底压力数值随时间的变化趋势，可以将其分为抬脚，支撑与落脚四个趋势，结合足底压力数值的平均值，便可以进一步对各个步态阶段进行定义。这里我们应用步态分类方法对一个步态周期分为四个子阶段，定义为：heel contact phase(H，跟部接触阶段)，flat foot contact phase(F，平足接触相)，push-off or heel-off phase(P，抬脚离地期)，swing phase(S，摆动期)。

S→H：

β^set＝2β^min；

H→F：

β^set＝1.5β^min；

F：

β^set＝β^min；

F→P：

β^set＝1.5β^min；

P→S：

β^set＝2β^min；

S：

β^set＝2β^min；

S66：确定是否达到减重比例目标。

可理解的是，针对某一下肢的步态事件转变与状态进行了定义，共分为4个状态转变阶段与2个持续状态阶段，并通过足底压力数值的上升、下降趋势与相对于体重数值的比例来进行判断。同时，助行设备的控制器将在每个阶段设定施加相对于初始设定值β^min不同倍率的减重比例β^set。

其中，如果减重比例β^set未达到减重比例目标，则执行S67，如果减重比例β^set已达到减重比例目标，则执行S69。

S67：调整系统减重比例。

如图8所示，图8是本申请助行设备在训练过程中的步态阶段识别分类与动态减重逻辑示意图。其中，该图8的原图具体为彩图，以能够区分图中的各特征曲线，值得注意的是，因为弹簧缓冲器力缓冲作用与电动推杆响应时间的存在，实际的减重比例并不会按照控制信号进行突变，因此减重系统在响应不同减重比例的过程将更为线性，以能够有效减少调节过程的顿挫，用户将更小的感觉到减重力度的突变。实际减重比例特性可以按步态阶段描述为：

a^v＝a_L+a_B；

H→F/F：Δβ^set＝-0.5β^min

F→P/P→S：Δβ^set＝-0.5β^min

其中，用户身体在竖直方向上的加速度a^v在弹簧缓冲器与电动推杆的共同作用下，其为两者加速度a_B，a_L的总和。而减重比例在H→F/F阶段的变化值Δβ^set均为-0.5β^min，在F→P/P→S阶段的变化值Δβ^set均为0.5β^min。由此可知，减重系统整体加速度a^v与实际减重比例变化值β将由弹簧缓冲器与电动推杆的加速度共同补偿。

S68：X轴和Y轴方向受力值。

如图9所示，图9是本申请助行设备在训练过程中的一个步态周期内的控制流程图，在动态减重跟随模式下的下肢步行训练过程中，助行设备除了会在垂直方向，Z轴方向上进行动态减重，在平面方向上也将同时主动跟随用户的重心移动，此时4只麦克纳姆轮具备独立的驱动能力。同样地，减重系统由于前文所述的缓冲器作用，将部分弥补主动跟随运动的动作响应延迟造成的跟随不同步。

S69：预估用户重心移动趋势。

开始训练过程中，减重系统将记录并分析三维力传感器接收到的平面方向作用力，即沿X轴和Y轴方向的受力，并估算用户重心在平面方向的位置进行追踪。在实时运行的过程中，分别采集并跟踪记录这2只三维力传感器在X轴和Y轴方向上的受力，并对最近5组数据进行求平均处理。

其中，

为最近5组受力数值的平均值，i∈{l，r}指代左右三维力传感器，k∈{x,y}指代测量沿X轴或Y轴方向的力，该数值每5ms进行一次转换记录。

S610：助行设备是否跟随用户身体移动。

可理解的是，该数值由人作用于助行设备产生，即

且可以看作为最终期待的助行设备驱动力，即所有麦克纳姆轮产生的合力，以能够根据该

确定助行设备当前是否在跟随用户身体移动。

其中，如果助行设备未跟随用户身体移动，则执行S611，如果助行设备在跟随用户身体移动，则执行S612。

S611：驱动助行设备跟随用户身体运动。

在根据输入传感器力的大小、方向、作用点不同，通过配置四个轮子不同的驱动力，便可实现相对前进方向上的向左、向右偏移及旋转，其关系可表示为：

左移：

右移：

左转：

右转：

其中，

为配置在每个轮子上的驱动力。同样以前文所述的一个步态周期的四个子阶段作为分析基准，对在训练时在水平方向上，助行设备跟随用户身体运动进行分析，如图10所示，图10是本申请助行设备在训练过程中的一个步态周期内跟随用户身体运动的特征示意图。其中，该图10的原图具体为彩图，以能够区分图中的各特征曲线。

由此可知，在一个步态周期内，随着用户向前行走，左右脚交替进入摇摆与支撑状态，身体的重心将会产生左右摆动。在定义迈出右脚处于摇摆状态为起点，则在右脚摇摆状态到右脚脚面完全着地期间，用户重心将会向右摆动。此后右脚发力到切换左脚完全着地，右脚进入摇摆状态，在此期间用户重心将会向左摆动。通过捕获该重心的移动，来控制助行设备左右同步摆动。值得注意的是，实际助行设备的摆动将会略微延迟于用户身体的摆动，延迟产生的拖拽力将会由等效弹簧缓冲力进行部分抵消。在假设加载在轮子上的驱动力等于实际驱动力时，则可知系统跟随时受力特性：

在训练过程中，也会出现转身事件，通过采集2只三维力传感器在X方向上的受力即

计算差值可得旋转量，从而控制4只轮子不同速度、方向的运动使助行设备进行旋转。

S612：训练是否完成。

可理解的是，在S67和S611之后，可再次执行S611，以反复进入到训练过程中，直至助行设备能够有效达到减重比例目标，并跟随用户身体移动。

且通过设定相应参数，比如置信度，以确定本次训练效果是否达到设定要求。

其中，如果本次训练效果未达到设定要求，则再次执行S611，并在确定达到设定要求时，结束本次训练。

可理解的是，本申请中的助行设备的控制方法的第一实施例、第二实施例以及第三实施例所对应的助行设备具体是如上任一项所述的助行设备，而具体还可以包括急停按钮和障碍物检测器等部件，以能够对应进行一些其他更具体的助行设备的控制方法，具体请参阅图1-图3及相关文字描述，在此不再赘述。

本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供的助行设备中的第一升降支架和第二升降支架，分别与功能支架的第二支架和第三支架呈X形交叉铰接，并间隔连接于步进组件，且第一升降支架的一端和第二升降支架的一端间隔连接于步进组件，而固定夹具中的腰托的相对两端分别弹性连接第一升降支架的另一端和第二升降支架的另一端，并用于支撑用户的腰部，而其绑带用于穿戴在用户的胯部，检测组件用于检测用户的体重和重心位置，以基于用户的体重和重心位置向驱动组件发送第一反馈信号，以使驱动组件驱动第一升降支架的另一端和/或第二升降支架的另一端靠近或远离步进组件运动，以带动腰托和绑带对应于用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离步进组件运动，从而能够根据用户的体重和重心位置识别用户的步态，以动态调整减重比例，并选择性的对用户的左下肢和/或右下肢进行助力，从而能够保证达成更自然的步态。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种助行设备，其特征在于，所述助行设备包括：

步进组件；

功能支架，包括第一支架、第二支架以及第三支架，所述第一支架的一端垂直连接所述第二支架的一端，其另一端垂直连接所述第三支架，所述第二支架以及所述第三支架的另一端分别连接所述步进组件；

升降机构，包括第一升降支架和第二升降支架，所述第一升降支架与所述第二支架呈X形交叉铰接，所述第二升降支架与所述第三支架呈X形交叉铰接，且所述第一升降支架的一端和所述第二升降支架的一端间隔连接于所述步进组件；

固定夹具，包括相互连接的腰托和绑带，所述腰托的相对两端分别弹性连接所述第一升降支架的另一端和所述第二升降支架的另一端，并用于支撑用户的腰部，所述绑带用于穿戴在所述用户的胯部；

驱动组件，连接所述第一升降支架和所述第二升降支架；

检测组件，连接所述驱动组件，所述检测组件用于检测所述用户的体重和重心位置，以基于所述用户的体重和重心位置向所述驱动组件发送第一反馈信号，以使所述驱动组件驱动所述第一升降支架的另一端和/或所述第二升降支架的另一端靠近或远离所述步进组件运动，以带动所述腰托和所述绑带对应于所述用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离所述步进组件运动。

2.根据权利要求1所述的助行设备，其特征在于，

所述助行设备还包括控制器，所述控制器连接所述驱动组件和所述检测组件，用于接收所述检测组件发送的所述第一反馈信号，以基于所述第一反馈信号向所述驱动组件发送升降控制指令，以使所述驱动组件响应所述升降控制指令驱动所述第一升降支架的另一端和/或所述第二升降支架的另一端进行升降运动。

3.根据权利要求1所述的助行设备，其特征在于，

所述检测组件包括压力采集鞋，所述压力采集鞋的鞋底设有至少一个压力传感器，所述压力传感器通信连接所述控制器，所述压力采集鞋用于穿戴在所述用户的足部，以通过所述压力传感器检测所述用户的体重和重心位置，以基于所述用户的体重和重心位置向所控制器发送所述第一反馈信号。

4.根据权利要求1所述的助行设备，其特征在于，

所述步进组件还包括第四支架、第五支架以及第六支架，所述第五支架的一端垂直连接所述第四支架的一端，其另一端连接所述第二支架远离所述第一支架的另一端，所述第六支架的一端垂直连接所述第四支架的另一端，其另一端连接所述第三支架远离所述第一支架的另一端。

5.根据权利要求1所述的助行设备，其特征在于，

所述助行设备还包括麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮的数量为4个，且分别间隔活动连接在所述步进组件背离所述功能支架的一侧面上。

6.根据权利要求5所述的助行设备，其特征在于，

所述检测组件还包括三维力传感器，所述三维力传感器连接所述腰托和所述驱动组件，所述驱动组件还连接所述麦克纳姆轮，所述三维力传感器用于检测所述腰托的运动趋势，以基于所述运动趋势向所述驱动组件发送第二反馈信号，以使所述驱动组件驱动所述麦克纳姆轮带动所述步进组件对应所述运动趋势进行随动。

7.根据权利要求6所述的助行设备，其特征在于，

所述助行设备还包括急停按钮，所述急停按钮连接所述第二支架和所述驱动组件，所述急停按钮用于接收所述用户的按压，以向所述驱动组件发送急停指令，而使所述驱动组件停止驱动所述麦克纳姆轮。

8.根据权利要求6所述的助行设备，其特征在于，

所述助行设备还包括相互连接的障碍物检测器，所述障碍物检测器连接在所述第二支架背离所述固定夹具的一侧面上，并与所述驱动组件通信连接，以用于检测所述助行设备当前的行进方向上是否存在障碍物，并在存在有障碍物时，向所述驱动组件发送避障控制指令，以使所述驱动组件驱动所述麦克纳姆轮带动所述步进组件向绕开障碍物的方向行进。

9.根据权利要求6所述的助行设备，其特征在于，

所述助行设备还包括状态切换开关和步进控制摇杆，所述状态切换开关和所述步进控制摇杆分别连接所述驱动组件，所述状态切换开关用于对所述驱动组件的工作状态在被动减重推行模式和动态减重跟随模式之间进行切换，以在将所述驱动组件的工作状态切换为被动减重推行模式，所述步进控制摇杆接收所述用户施加的推力，以基于所述推力的方向向所述驱动组件发送相应的行进控制指令，以使所述驱动组件驱动所述麦克纳姆轮带动所述步进组件对应所述推力的方向进行运动。

10.一种助行设备的控制方法，其特征在于，所述助行设备包括：步进组件；功能支架，包括第一支架、第二支架以及第三支架，所述第一支架的一端垂直连接所述第二支架的一端，其另一端垂直连接所述第三支架，所述第二支架以及所述第三支架的另一端分别连接所述步进组件；升降机构，包括第一升降支架和第二升降支架，所述第一升降支架与所述第二支架呈X形交叉铰接，所述第二升降支架与所述第三支架呈X形交叉铰接，且所述第一升降支架的一端和所述第二升降支架的一端间隔连接于所述步进组件；固定夹具，包括相互连接的腰托和绑带，所述腰托的相对两端分别弹性连接所述第一升降支架的另一端和所述第二升降支架的另一端，并用于支撑用户的腰部，所述绑带用于穿戴在所述用户的胯部；驱动组件，连接所述第一升降支架和所述第二升降支架；检测组件，连接所述驱动组件；

所述控制方法包括：

接收所述检测组件发送的第一反馈信号；其中，所述第一反馈信号是由所述检测组件检测所述用户的体重和重心位置生成得到；

基于所述第一反馈信号确定减重比例和所述用户当前的行进状态；

根据所述减重比例和所述行进状态生成升降控制指令；

将所述升降控制指令发送给所述驱动组件，以使所述驱动组件驱动所述第一升降支架的另一端和/或所述第二升降支架的另一端进行靠近或远离所述步进组件运动，以带动所述腰托和所述绑带对应于所述用户左下肢和/或右下肢的部分靠近或远离所述步进组件运动。

11.根据权利要求10所述的助行设备的控制方法，其特征在于，所述助行设备还包括麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮的数量为4个，且分别间隔活动连接在所述步进组件背离所述功能支架的一侧面上，并连接所述驱动组件；

所述控制方法还包括：

接收所述检测组件发送的第二反馈信号；其中，所述第二反馈信号是由所述检测组件检测所述腰托的运动趋势生成得到；

基于所述第二反馈信号确定所述用户当前的行进方向；

根据所述行进方向生成第一行进控制指令；

将所述第一进控制指令发送给所述驱动组件，以使所述驱动组件驱动所述麦克纳姆轮带动所述步进组件对应所述运动趋势进行随动。

12.根据权利要求10所述的助行设备的控制方法，其特征在于，所述助行设备还包括状态切换开关和步进控制摇杆，所述状态切换开关和所述步进控制摇杆分别连接所述驱动组件；

所述控制方法还包括：

接收所述状态切换开关发送的状态切换信号，以确定所述驱动组件的工作状态；

响应于所述驱动组件的工作状态为被动减重推行模式，接收所述步进控制摇杆发送的控制信号；其中，所述控制信号是所述控制摇杆接收所述用户施加的推力，并基于所述推力的方向对应生成得到；

根据所述控制信号生成第二行进控制指令；

将所述第二进控制指令发送给所述驱动组件，以使所述驱动组件驱动所述麦克纳姆轮带动所述步进组件对应所述推力的方向进行运动。

13.根据权利要求10所述的助行设备的控制方法，其特征在于，所述检测组件包括压力采集鞋和三维力传感器，所述压力采集鞋的鞋底设有压力传感器，所述第一反馈信号包括压力传感器反馈数据和三维力传感器反馈数据，所述用户当前的行进状态包括足跟接触阶段、扁平足接触阶段、推离或脚跟离地阶段以及摆动期，所述基于所述第一反馈信号确定减重比例和所述用户当前的行进状态的步骤包括：

将所述压力传感器反馈数据和所述三维力传感器反馈数据输入到预设网络函数模型中，以确定所述减重比例和所述用户当前的行进状态。

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