CN205108273U - 一种适应调节和互动辅助行走机器人 - Google Patents

Abstract

一种适应调节和互动辅助行走机器人，属于医疗助行和康复器械领域，本实用新型为解决现有辅助行走机器人对于用户的适应性和互动性没有充分考虑的问题。本实用新型方案：U型上、下面板通过伸缩杆连接上下平行设置，形成的凹形空间用于容纳直立的使用者；U型下面板下方设置前轮和两个后轮；U型上面板的左右板端部之间设置背部安全带；左右板上表面各设置一个肘部支撑扶手及一组手臂安全带，中间横板上表面设置有操作手柄和升降控制按钮；控制单元嵌在U型上面板内部；控制单元根据操作手柄的方向选择外部命令控制前轮的运动方向，控制单元根据背部安全带的跌倒触发指令，控制安全带弹簧开关，所述安全带弹簧开关产生向前拉力帮助人恢复站立。

Description

一种适应调节和互动辅助行走机器人

技术领域

本实用新型涉及一种辅助行走工具，属于医疗助行和康复器械领域。

背景技术

助行机器人包括辅助行走、固定框架行走训练和外骨骼助力3种方式。辅助行走方式是通过辅助行走来改善腿的运动机能，恢复正常行走能力。它的结构简单、使用方便，把行走和康复训练相结合，是一种很好的腿运动康复工具。目前，这种助行机器人存在如下不足：

现有辅助行走机器人都是在移动机器人原理基础上开发的，强调环境测量、定位和跟踪等移动机器人技术，对于用户的适应性和互动性没有充分考虑。

发明内容

本实用新型目的是为了解决现有辅助行走机器人都是在移动机器人原理基础上开发的，强调环境测量、定位和跟踪等移动机器人技术，对于用户的适应性和互动性没有充分考虑的问题，提供了一种适应调节和互动辅助行走机器人，能够满足老年人和残疾人辅助行走恢复行走功能的工具，通过自适应控制使机器人适应用户的身高、行走方式和操作习惯，通过互动方式减少操作难度、提高安全性和可靠性。

本实用新型所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，它包括U型上面板、U型下面板、伸缩杆、前轮、两个后轮、两个肘部支撑扶手、两组手臂安全带、操作手柄、升降控制按钮、背部安全带和控制单元；

U型上面板和U型下面板通过伸缩杆连接上下平行设置，U型上面板和U型下面板共同形成的凹形空间用于容纳直立的使用者；

U型下面板的中间横板下方设置前轮，U型下面板的左右板下方各设置一个后轮；

U型上面板的左右板端部之间设置背部安全带；U型上面板的左右板上表面各设置一个肘部支撑扶手，每个肘部支撑扶手设置一组手臂安全带，U型上面板的中间横板上表面设置有操作手柄和升降控制按钮；升降控制按钮控制伸缩杆的伸缩，进而控制U型上面板的升降；

控制单元嵌在U型上面板内部；

控制单元根据操作手柄的方向选择外部命令控制前轮的运动方向，控制单元根据背部安全带的跌倒触发指令，控制安全带弹簧开关，所述安全带弹簧开关产生向前拉力帮助人恢复站立。

本实用新型的优点：本实用新型机器人对使用者的适应，使助行过程更舒适、有效。通过自适应控制机器人的高度、和人相对距离、基础速度，并且根据人的操作能力选择合适的控制方式，实现人机的有机结合。

附图说明

图1是本实用新型所述一种适应调节和互动辅助行走机器人的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本实用新型所述一种适应调节和互动辅助行走机器人的控制原理框图；

图4是手环配件的控制原理框图；

图5是腰带配件的控制原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，它包括U型上面板1、U型下面板2、伸缩杆3、前轮4、两个后轮5、两个肘部支撑扶手6、两组手臂安全带7、操作手柄8、升降控制按钮9、背部安全带10和控制单元；

U型上面板1和U型下面板2通过伸缩杆3连接上下平行设置，U型上面板1和U型下面板2共同形成的凹形空间用于容纳直立的使用者；

U型下面板2的中间横板下方设置前轮4，U型下面板2的左右板下方各设置一个后轮5；

U型上面板1的左右板端部之间设置背部安全带10；U型上面板1的左右板上表面各设置一个肘部支撑扶手6，每个肘部支撑扶手6设置一组手臂安全带7，U型上面板1的中间横板上表面设置有操作手柄8和升降控制按钮9；升降控制按钮9控制伸缩杆3的伸缩，进而控制U型上面板1的升降；

控制单元嵌在U型上面板1内部；

控制单元根据操作手柄8的方向选择外部命令控制前轮4的运动方向，控制单元根据背部安全带10的跌倒触发指令，控制安全带弹簧开关，所述安全带弹簧开关产生向前拉力帮助人恢复站立。

伸缩杆3采用支撑柱套筒结构，支撑柱连接U型上面板1的中间横板下表面中部；套筒连接U型下面板2上表面中部。

对使用者的身高的适应调节。把手臂安放在肘部支撑扶手6上，扣好手臂安全带7，用手指按下升降控制按钮9，按下升降控制按钮9时伸缩杆3的支撑柱、套筒连接被打开，可以上下调整，伸缩杆3带动U型上面板1升降。开始下压或抬升手臂到舒适位置，松开后自动锁死。如果感觉不合适可以反复调试到舒适为止。两个肘部支撑扶手6是主要支撑身体的受力部分。通过手臂安全带7的袋扣把手小臂固定在肘部支撑扶手6上。

对使用者的距离和步伐的自适应调节。每个人的臂长和操作习惯不一样，合适的操作距离也不一样。每个人的习惯步伐、行走速度和腿行走能力都不一样。机器人会在操作过程中自动计算用户的平均操作距离、运动速度和摆动量，进行自动适应调节，使机器人的运动和用户操作相协调。在进入巡航模式时可以不操作，根据设定和步伐自动行走。在任何情况下都可以通过手动进行正确控制，保证安全。

背部安全带10的自动调节。用户在操作前扣好背部安全带10，按动收放带按钮，机器人会自动回收或释放背部安全带10到合适位置。在使用过程中，机器人会根据身体摆动量和安全带受力自动调节到合适位置，保证背部安全带10不影响正常行走。当用户在行走过程中突然向后倾倒时，突然拉动安全带给机器人一个触发信号，机器人自动停车并收紧背部安全带10给一个反向推力抵抗跌倒，加上手臂安全带7的固定作用，帮助人站稳。

操作方式选择。摇杆操作、语音控制、图形显示和语言提示巧妙的组合，可以有效解决大部分老人和残疾人的操作问题。对于手感灵活有操作能力的用户建议用操作手柄8进行摇杆操作，简单、可靠和方便。考虑左右手偏好，采取两种装配方式，用户可以选择适合自己的操作方向。

具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，控制单元包括控制处理器101、系统处理器102、超声波传感器103、超声波处理模块104、语音输入模块105、语音识别模块106、红外传感器107、LCD触摸屏108、语音合成模块109、语音输出模块110、驱动电路111、电动机112和主机无线通信模块113；

控制处理器101和系统处理器102相互通信；

LCD触摸屏108的数据输入输出端与系统处理器102的数据输入输出端相连；

超声波传感器103的障碍物信号输出端通过超声波处理模块104与控制处理器101的障碍物信号输入端相连；

语音输入模块105的语音信号输出端通过语音识别模块106与控制处理器101的语音信号输入端相连；

操作手柄8的方向选择外部命令输出端与控制处理器101的方向选择外部命令输入端相连；

红外传感器107的行动轨迹信号输出端与控制处理器101的行动轨迹信号输入端相连；

控制处理器101的语音输出端指令通过语音合成模块109合成后，由语音输出模块110输出；

控制处理器101的运动指令通过驱动电路111下达给电动机112，进而控制前轮4的运动方向和速度；

控制处理器101的无线输入输出端与主机无线通信模块113的无线输入输出端相连。

控制处理器101采用型号为STM32F103的微处理器，系统处理器102采用型号为STM32F407的微处理器。两款处理器分别用来运行界面与控制部分。

人机交互界面，通过LCD触摸屏108进行操作，LCD触摸屏108，可以显示与触摸操作。

操作系统，采用是实时操作系统，运行流畅稳定，硬件动作及时。

超声波传感器进行距离探测，探测周围情况。

语音输入模块105采用麦克。

操作手柄8进行AD采集。

红外传感器107检测轨迹，检测操作人是否在安全位置。

超声波处理模块104，对超声波传感器103采集到的信号进行处理之后通过I²C总线传输给控制处理器101。

语音识别模块106，把语音输入模块105采集到的声音信号解析处理成为相对应的指令，发送给控制处理器101。

语音合成模块109，把控制处理器101给的信号合成为语音信号发送给语音输出模块110，用喇叭播放语音。

把控制处理器101给的PWM脉冲信号转换为给电动机112的输出信号的电路，电动机112采用直流电动机。

主机无线通信模块113，与配件设备进行信息交互。

对于手操作困难的用户提供语音控制功能。目前语音识别技术不能达到百分之百，我们采用多语音完成相同操作的复合模式提高命令执行率。对于不能识别的命令采取自动停车方式，避免错误命令造成损失。而且智能检测技术可以确保在用户拒绝行走时错误语音指令不会生产危害。图形显示技术可以帮助视力不佳和学习能力差的用户设置。对于没有设置能力的用户由监护人设置并不影响使用。语音提示可以让用户不用看屏幕就能够随时了解机器人的运动状态。

具体实施方式三：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括手环配件，手环配件的控制电路包括压力脉搏传感器201、热敏体温电桥202、信号处理电路203、手环内部单片机204和手环内部无线通信模块205；

压力脉搏传感器201采集的脉搏信号和热敏体温电桥202采集的体温信号由信号处理电路203处理后发送给手环内部单片机204，脉搏信号和体温信号通过手环内部无线通信模块205与U型上面板1内部的控制单元交互，根据控制按键302的外部指令，U型上面板1内部的控制处理器101控制机器人向使用者方向运动。

手环内部单片机204采用型号为STC89LE52的单片机。

使用穿戴式配件进行计步和跌倒测量可以补偿机器人只能测量人的步行速度，不能计步的缺陷，可以对背部安全带10防跌倒的受力测量不精确进行补偿，准确测量各种不同的跌倒，进行相应的制动和保护。

穿戴式配件探测人体出现心律异常、发烧等现象时发布指令停止机器人运动，避免用户带病锻炼出现意外。

手环采用机电一体化设计，电路直接埋藏在手环结构中，脉搏传感器放置在腕部动脉处，借助手环结构压紧，获得脉搏信号。

具体实施方式四：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括腰带配件，腰带配件的控制电路包括加速度传感器301、控制按键302、腰带内部单片机303和腰带内部无线通信模块304；

加速度传感器301的加速度信号输出端与腰带内部单片机303的加速度信号输入端相连；

控制按键302的外部指令输出端与腰带内部单片机303的外部指令输入端相连；

腰带内部单片机303通过腰带内部无线通信模块304与U型上面板1内部的控制单元交互。

腰带内部单片机303采用型号为STC89LE52的单片机。

使用穿戴式配件可以进行遥控。在无线通讯范围内，按动穿戴式配件的接近按钮机器人就会自动来到用户身边，避免了用户行走不便找机器人的麻烦。

腰带电路安装在密封盒内连接到腰带上。人通过控制按键发送无线信号，在一定范围内控制机器人，实现人机互动。

Claims (8)

1.一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，它包括U型上面板（1）、U型下面板（2）、伸缩杆（3）、前轮（4）、两个后轮（5）、两个肘部支撑扶手（6）、两组手臂安全带（7）、操作手柄（8）、升降控制按钮（9）、背部安全带（10）和控制单元；

U型上面板（1）和U型下面板（2）通过伸缩杆（3）连接上下平行设置，U型上面板（1）和U型下面板（2）共同形成的凹形空间用于容纳直立的使用者；

U型下面板（2）的中间横板下方设置前轮（4），U型下面板（2）的左右板下方各设置一个后轮（5）；

U型上面板（1）的左右板端部之间设置背部安全带（10）；U型上面板（1）的左右板上表面各设置一个肘部支撑扶手（6），每个肘部支撑扶手（6）设置一组手臂安全带（7），U型上面板（1）的中间横板上表面设置有操作手柄（8）和升降控制按钮（9）；升降控制按钮（9）控制伸缩杆（3）的伸缩，进而控制U型上面板（1）的升降；

控制单元嵌在U型上面板（1）内部；

控制单元根据操作手柄（8）的方向选择外部命令控制前轮（4）的运动方向，控制单元根据背部安全带（10）的跌倒触发指令，控制安全带弹簧开关，所述安全带弹簧开关产生向前拉力帮助人恢复站立。

2.根据权利要求1所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，控制单元包括控制处理器（101）、系统处理器（102）、超声波传感器（103）、超声波处理模块（104）、语音输入模块（105）、语音识别模块（106）、红外传感器（107）、LCD触摸屏（108）、语音合成模块（109）、语音输出模块（110）、驱动电路（111）、电动机（112）和主机无线通信模块（113）；

控制处理器（101）和系统处理器（102）相互通信；

LCD触摸屏（108）的数据输入输出端与系统处理器（102）的数据输入输出端相连；

超声波传感器（103）的障碍物信号输出端通过超声波处理模块（104）与控制处理器（101）的障碍物信号输入端相连；

语音输入模块（105）的语音信号输出端通过语音识别模块（106）与控制处理器（101）的语音信号输入端相连；

操作手柄（8）的方向选择外部命令输出端与控制处理器（101）的方向选择外部命令输入端相连；

红外传感器（107）的行动轨迹信号输出端与控制处理器（101）的行动轨迹信号输入端相连；

控制处理器（101）的语音输出端指令通过语音合成模块（109）合成后，由语音输出模块（110）输出；

控制处理器（101）的运动指令通过驱动电路（111）下达给电动机（112），进而控制前轮（4）的运动方向和速度；

控制处理器（101）的无线输入输出端与主机无线通信模块（113）的无线输入输出端相连。

3.根据权利要求2所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，控制处理器（101）采用型号为STM32F103的微处理器，系统处理器（102）采用型号为STM32F407的微处理器。

4.根据权利要求2所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，还包括手环配件，手环配件的控制电路包括压力脉搏传感器（201）、热敏体温电桥（202）、信号处理电路（203）、手环内部单片机（204）和手环内部无线通信模块（205）；

压力脉搏传感器（201）采集的脉搏信号和热敏体温电桥（202）采集的体温信号由信号处理电路（203）处理后发送给手环内部单片机（204），脉搏信号和体温信号通过手环内部无线通信模块（205）与U型上面板（1）内部的控制单元交互。

5.根据权利要求4所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，手环内部单片机（204）采用型号为STC89LE52的单片机。

6.根据权利要求2或4所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，还包括腰带配件，腰带配件的控制电路包括加速度传感器（301）、控制按键（302）、腰带内部单片机（303）和腰带内部无线通信模块（304）；

加速度传感器（301）的加速度信号输出端与腰带内部单片机（303）的加速度信号输入端相连；

控制按键（302）的外部指令输出端与腰带内部单片机（303）的外部指令输入端相连；

腰带内部单片机（303）通过腰带内部无线通信模块（304）与U型上面板（1）内部的控制单元交互，根据控制按键（302）的外部指令，U型上面板（1）内部的控制处理器（101）控制机器人向使用者方向运动。

7.根据权利要求6所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，腰带内部单片机（303）采用型号为STC89LE52的单片机。

8.根据权利要求1所述一种适应调节和互动辅助行走机器人，其特征在于，伸缩杆（3）采用支撑柱套筒结构，支撑柱连接U型上面板（1）的中间横板下表面中部；套筒连接U型下面板（2）上表面中部。