CN107693314B - 一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，包含：全向运动装置、传感监测***、跌倒防护响应装置，全向运动装置包括全向底盘和运动控制器，传感监测***包括力传感器、激光测距仪，跌倒防护响应装置包括主杆和十字滑台。本发明机器人可以实现检测和判断使用者的运动意图，柔顺地全方位地辅助使用者的运动，同时能够识别环境障碍物信息，并进行避障运动规划，此外还能判断使用者的运动状态的平稳性，检测跌倒趋势，并控制十字滑台的响应，从而保证有限时间内对使用者的稳定性和安全性的保证。
Description
技术领域
本发明属于康复助行设备领域，更具体地，涉及一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人。
背景技术
随着年岁的增长，老年人的肌力减退，导致他们常常行动不便甚至丧失活动能力。随着人口老龄化问题的加重及一些伤病事故等的增加，采用人为照料的方法来辅助病人进行康复训练和照顾老年人的生活使得社会和家庭都面临着沉重的负担。此外，老年人逐渐会出现站立及行走晃动不稳等现象，在不使用辅具等外界帮助的自主行走中可能会发生跌倒。老年人跌倒发生率高、后果严重，是其伤残和死亡的重要原因之一。行走不便引起的跌倒会为他们的健康带来极大的威胁，严重影响老年人身心健康、降低其生活质量，因此，社会上对一种能在日常生活中方便使用且具有保护功能，同时又能辅助病人和老年人的行走与康复训练的机构的需求迫切。
现有技术公布了一种助步架式的大型康复辅助机器人，以及多种外骨骼式康复助行机器人。根据设备的不同介护等级可知，外骨骼式康复助行机器人适合下肢肌力十分虚弱且不具备行走能力的老年人或患者使用，助步架式的大型康复机器人适合下肢力量弱且仅具备部分行走能力的老年人或患者使用。而杖式智能康复助行机器人适用于具有基本的行走能力但仍需支援的老年人或患者。现有的设备也不具有使用者跌倒检测和有限时间内跌倒防护的功能。
由此可见，现有技术存在功能比较单一、智能化程度不高、不具有使用者跌倒检测和有限时间内跌倒防护的功能的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，由此解决现有技术存在功能比较单一、智能化程度不高、不具有使用者跌倒检测和有限时间内跌倒防护的功能的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，包括全向运动装置、传感监测***和跌倒防护响应装置，
全向运动装置包括全向底盘和运动控制器，运动控制器包括工控机、蓄电池和开发板，工控机和蓄电池放置在全向底盘上方的多层支架上方，开发板放置于多层支架底部；
传感监测***包括扶手、力传感器、后向激光测距仪、前向激光测距仪，两个激光测距仪放置于多层支架上方。力传感器一端与机器人主杆连接，力传感器另一端与扶手连接，力传感器和两个激光测距仪通过高速USB接口与工控机相连；
跌倒防护响应装置包括主杆和十字滑台，多层支架被十字滑台分隔成上支架和下支架两部分，上支架与主杆连接，下支架与全向底盘连接，十字滑台用于进行跌倒防护策略响应，向跌倒趋势的反方向运动。
进一步的，全向底盘底部均匀分布三个麦克纳姆轮，电机通过电机固定架与底盘连接，电机与三个麦克纳姆轮通过电机固定架套杯内的轴承连接。
进一步的，力传感器为六轴力传感器，用于检测使用者上肢的力数据。
进一步的，两个激光测距仪用于检测使用者腿部运动数据和环境障碍物信息。
进一步的，工控机根据检测到的力数据和腿部运动数据得到使用者的运动意图和运动状态，从而实现辅助使用者进行行走运动及对使用者的运动状态监测，具有跌倒预判功能，同时控制跌倒防护响应装置实现对使用者的防跌倒辅助。
进一步的，康复助行机器人在工作时，传感监测***通过六轴力传感器和两个激光测距仪实时监测使用者的力数据、环境障碍物信息和腿部运动信息，通过高速USB接口将这些信息传输给工控机，如果使用者状态正常，环境周围没有障碍物，工控机通过力数据得到使用者的运动意图，并将运动意图传输给全向底盘，使得电机驱动三个麦克纳姆轮运动，从而使得机器人顺应使用者运动，为使用者在行走时提供辅助，如果使用者状态异常，环境周围检测到障碍物，工控机通过避障运动控制算法进行运动规划，引导使用者避开障碍物，如果检测到使用者有跌倒趋势，工控机会执行跌倒防护控制算法，十字滑台进行有限时间控制响应运动，朝跌倒趋势的反方向运动，从而阻止运动趋势，保证使用者的稳定和安全。
进一步的，跌倒防护控制算法的具体实现方式为：
如果检测到使用者有跌倒趋势，根据使用者和机器人的稳定状态的期望位置基于有限时间控制算法计算出当前十字滑台反向运动阻止跌倒趋势直到达到稳定状态的期望速度，从而形成缓冲运动直至使用者和机器人回到稳定状态。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的杖式自主跌倒防护康复助行机器人结构紧凑、体积小重量轻且外观类似于传统助行辅具的杖式助行机器人可以满足不同的环境需求，且更易于使用者习惯使用，不仅能依据先进的辅助行走康复医学理念通过单点支撑为使用者提供按需辅助，辅助使用者进行行走等康复训练以达到充分锻炼的目的，还能够根检测当前环境障碍物进行避障以及实时检测使用者的运动状态，根据使用者当前的状态对使用者进行协同辅助和有效的跌倒防护，本发明功能丰富且智能化程度高。
(2)本发明采用了十字滑台作为跌倒防护响应机构，能够利用十字滑台的自身运动特性有效地阻止跌倒趋势，帮助使用者稳定。此外，同类型的助行机器人并未实现在人机协同约束稳定性的条件下的有限时间跌倒防护，而此本发明的机器人能够在实现人机协同稳定的条件下的有限时间跌倒防护，为使用者的安全性提供了保障，同时能为使用者提供良好的人机交互体验。
(3)本发明机器人可以实现检测和判断使用者的运动意图，柔顺地全方位地辅助使用者的运动，同时能够识别环境障碍物信息，并进行避障运动规划，此外还能判断使用者的运动状态的平稳性，检测跌倒趋势，并控制十字滑台的响应，从而保证有限时间内对使用者的稳定性和安全性的保证。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人的侧视图；
图3为本发明实施例提供的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人的俯视图；
图4为本发明实施例提供的十字滑台在某方向响应运动的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人的使用流程图；
图6为本发明实施例提供的障碍物检测矩形条件示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为扶手，2为力传感器，3为主杆，4为蓄电池，5为后向激光传感器，6为前向激光传感器，7为工控机，8为十字滑台，9为开发板，10为第一麦克纳姆轮，11为全向底盘，12为运动控制卡，13为电机，14为第二麦克纳姆轮，15为第三麦克纳姆轮，16为多层支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，包括全向运动装置、传感监测***和跌倒防护响应装置，
全向运动装置包括全向底盘11及运动控制器，运动控制器包括一台小型工控机7、蓄电池4、运动控制卡12和嵌入式开发板9，开发板9放置于多层支架16底部，置于底盘上方，工控机7和蓄电池4放置在底盘上方的多层支架上。通过工控机7发出指令，开发板9和运动控制卡12响应使得电机13带动三个麦克纳姆轮转动，如图2所示。全向底盘底部两两成120度角分布着三个麦克纳姆轮，第一麦克纳姆轮10、第二麦克纳姆轮14、第三麦克纳姆轮15，沿底盘底部径向安装有三个电机固定架来将电机13固定于底盘，底盘电机固定架的套杯内安装有轴承，通过一根传动轴穿过轴承将电机和麦克纳姆轮相连，如图3所示，从而实现全向运动。
传感监测***装置包括扶手1，一个六轴力传感器2，两个激光测距仪。两个激光测距仪分别放置于多层支架顶层的前后方，前向激光测距仪6用于感知周围环境信息，检测周围障碍物，后向的激光测距仪5用于感知使用者腿部运动状态，记录腿部运动位置、速度和加速度等信息。六轴力传感器2下方与机器人主杆用螺钉紧固连接。六轴力传感器2放置于杖式跌倒防护机器人扶手1下方，用螺钉与扶手紧固连接，用于检测使用者通过扶手的力数据。六轴力传感器2和激光测距仪通过高速USB接口与工控机相连，工控机根据检测到的力数据和腿部运动数据推算出使用者的运动意图和运动状态，从而实现辅助使用者进行行走运动及对使用者的运动状态监测，具有跌倒预判功能，同时控制跌倒防护响应装置实现对使用者的防跌倒辅助。
跌倒防护响应装置由机器人主杆3和十字滑台8组成。多层支架16被十字滑台8分隔成上下两部分，十字滑台与多层支架通过螺钉紧固连接，十字滑台上方的多层支架与杖式机器人的主杆3通过法兰盘用螺钉紧固连接，十字滑台下方的支架与全向底盘11通过螺钉紧固连接。一旦检测到使用者运动状态异常，工控机7根据当前状态发出指令，控制十字滑台8进行跌倒防护策略响应，向跌倒趋势的反方向运动，从而形成缓冲，阻止跌倒趋势，帮助使用者回到稳定状态，如图4所示。
一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人的使用流程图，如图5所示：
传感监测***通过六轴力传感器2和激光测距仪5、6实时监测使用者的力数据、环境障碍物信息、使用者腿部运动信息，通过高速USB接口将这些信息传输给工控机。如果使用者状态正常，环境周围没有障碍物，工控机通过基于力意图的控制方法计算出使用者的运动意图速度(包括大小和方向)，并将速度指令传输给全向底盘11，全向运动底盘11通过速度解析使得电机13驱动麦克纳姆轮10、14、15运动，从而使得机器人顺应使用者运动，为使用者在行走时提供辅助。如果使用者状态异常，环境周围检测到了障碍物，工控机7会通过避障运动控制算法进行运动规划，引导使用者避开障碍物。如果检测到使用者有跌倒趋势，工控机7会执行跌倒防护控制算法，十字滑台8在有限时间内进行控制响应运动，朝跌倒趋势的反方向运动，从而阻止运动趋势，保证使用者的稳定和安全。
正常行走辅助算法采用基于开环导纳的控制方法。由六轴力传感器采集到的意图力信息为F＝「Fx Fy Fz]，Fx为平行于前进方向上的意图力，以前向为正方向，Fy为垂直于前进方向即水平方向上的意图力，以左向为正方向，Fz为旋转方向上的意图力，以逆时针方向为正方向。根据开环导纳控制方法
可求得意图力对应的人行走的期望运动速度V，在正常行走的过程中，将V传给全向运动底盘从而指导机器人顺应使用者的运动速度并给予使用者行走辅助。
避障运动控制算法采用基于人工势场的避障控制方法。首先在前向激光测距仪的探测范围内设定一个探测区域如图6所示，此探测区域采用矩形条件判断障碍物是否存在。当前向激光测距仪的扫描点中存在任意一个扫描点满足矩形条件时则判定矩形区域内存在障碍物。设点P(x，y)为前向激光测距仪的一个扫描点，前向测距仪为坐标原点O处，OP两点之间距离设为S，设探测区域矩形长度为L，宽度为W，当满足：
判定探测区域内存在障碍物。此时障碍物产生的斥力为：Fri＝K(r-R0)-n，K、R0、n为常数，其中n一般取正整数；r为障碍物与助行机器人的距离，Fri为斥力的大小。根据所述斥力和操作者的力数据的合力FI，并根据开环导纳控制算法
将其转换为速度V，从而指导和控制助行机器人安全避障。
跌倒防护控制算法介绍如下：
首先，通过传感监测***所获得的使用者运动状态信息进行分析，如果使用者的运动状态信息不符合肢体协同规律，例如意图力、腿部运动速度速度、腿部运动加速度大小异常或者相互之间不匹配则视为存在跌倒趋势。其次，一旦检测到了跌倒趋势，根据使用者和机器人的稳定状态的期望位置基于有限时间控制算法计算出当前十字滑台反向运动阻止跌倒趋势直到稳定状态的期望速度，从而形成缓冲运动直至使用者和机器人回到稳定状态，实现自主跌倒防护功能。
本发明提供了一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，该机器人在除了基本室内使用环境外也能够在特定环境(如进出门、上坡)，通过主动的控制机构和执行机构实现顺应使用者运动意图从而辅助行走不便的人们出行和进行行走康复训练的功能，同时利用传感器***检测到的环境信息及使用者运动状态信息实现主动避障、自主导航、跌倒检测及主动防跌倒等功能来帮助他们实现安全有效的康复训练，以及辅助他们实现正常的生活。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，其特征在于，包括全向运动装置、传感监测***和跌倒防护响应装置，
所述全向运动装置包括全向底盘(11)和运动控制器，运动控制器包括工控机(7)、蓄电池(4)和开发板(9)，工控机(7)和蓄电池(4)放置在全向底盘上方的多层支架(16)上方，开发板(9)放置于多层支架(16)底部；
所述传感监测***包括扶手(1)、力传感器(2)、后向激光测距仪(5)、前向激光测距仪(6)，两个激光测距仪放置于多层支架(16)上方，力传感器(2)一端与机器人主杆(3)连接，力传感器(2)另一端与扶手(1)连接，力传感器(2)和两个激光测距仪通过高速USB接口与工控机(7)相连；
所述跌倒防护响应装置包括主杆(3)和十字滑台(8)，多层支架(16)被十字滑台(8)分隔成上支架和下支架两部分，上支架与主杆(3)连接，下支架与全向底盘(11)连接，十字滑台(8)用于进行跌倒防护策略响应，向跌倒趋势的反方向运动；
所述全向底盘(11)底部均匀分布三个麦克纳姆轮，电机(13)通过电机固定架与底盘连接，电机(13)与三个麦克纳姆轮通过电机固定架套杯内的轴承连接；
所述康复助行机器人在工作时，传感监测***通过力传感器(2)和两个激光测距仪实时监测使用者的力数据、环境障碍物信息和腿部运动信息，通过高速USB接口将这些信息传输给工控机(7)，如果使用者状态正常，环境周围没有障碍物，工控机(7)通过力数据得到使用者的运动意图，并将运动意图传输给全向底盘(11)，使得电机(13)驱动三个麦克纳姆轮运动，从而使得机器人顺应使用者运动，为使用者在行走时提供辅助，如果使用者状态异常，环境周围检测到障碍物，工控机(7)通过避障运动控制算法进行运动规划，引导使用者避开障碍物，如果检测到使用者有跌倒趋势，工控机(7)会执行跌倒防护控制算法，十字滑台(8)进行有限时间控制响应运动，朝跌倒趋势的反方向运动，从而阻止运动趋势，保证使用者的稳定和安全；
避障运动控制算法包括：
首先在前向激光测距仪的探测范围内设定一个探测区域，此探测区域采用矩形条件判断障碍物是否存在，当前向激光测距仪的扫描点中存在任意一个扫描点满足矩形条件时则判定矩形区域内存在障碍物，设点P(x，y)为前向激光测距仪的一个扫描点，前向测距仪为坐标原点O处，OP两点之间距离设为S，设探测区域矩形长度为L，宽度为W，当满足：
判定探测区域内存在障碍物，此时障碍物产生的斥力为：Fri＝K(r-R0)-n，K、R0、n为常数，其中n一般取正整数；r为障碍物与助行机器人的距离，Fri为斥力的大小，根据所述斥力和操作者的力数据的合力FI，并根据开环导纳控制算法
将其转换为速度V，从而指导和控制助行机器人安全避障，α表示OP和矩形长度为L一边的夹角。
2.如权利要求1所述的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，其特征在于，所述力传感器(2)为六轴力传感器，用于检测使用者上肢的力数据从而获取使用者的运动意图。
3.如权利要求2所述的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，其特征在于，所述两个激光测距仪用于检测使用者腿部运动数据和环境障碍物信息。
4.如权利要求3所述的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，其特征在于，所述工控机(7)根据检测到的力数据和腿部运动数据得到使用者的运动意图和运动状态，从而实现辅助使用者进行行走运动及对使用者的运动状态监测，具有跌倒预判功能，同时控制跌倒防护响应装置实现对使用者的防跌倒辅助。
5.如权利要求2所述的一种杖式自主跌倒防护康复助行机器人，其特征在于，所述跌倒防护控制算法的具体实现方式为：
如果检测到使用者有跌倒趋势，根据使用者和机器人的稳定状态的期望位置基于有限时间控制算法计算出当前十字滑台反向运动阻止跌倒趋势直到达到稳定状态的期望速度，从而形成缓冲运动直至使用者和机器人回到稳定状态。
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