智能转移助行机器人及运动意图识别方法与流程

本发明涉及一种康复器械，具体涉及一种智能转移助行机器人及运动意图识别方法，属于医疗器械技术领域。

背景技术：

随着偏瘫和脑卒中患者的日益增多，下肢运动功能障碍成为了他们日常生活质量的最大阻碍，这些患者的康复训练和日常生活已成为国内外研究的重点。中风研究表明80%以上的患者能够通过积极有效的康复治疗恢复部分运动功能，但是目前的大多数下肢康复训练机器人体积较为庞大，价格相对昂贵，多用于大城市的三甲医院，难以进行社区康复和家庭康复。

并且长期的卧床会造成脊椎和肌肉的退化，痤疮等问题，也对患者的家人造成了很大的负担。在以往的下肢康复机构中，往往忽略骨盆的运动或限制骨盆运动，这对患者的运动再学习都有不利影响，另外一些机构能实现部分骨盆运动，但往往与骨盆的运动轴线不相匹配，或不限制运动范围，这会造成二次训练损伤，对患者的康复不利。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足，提供一种家庭康复训练和患者辅助转移的智能转移助行机器人，以实现患者在家庭环境中的坐站转移和平衡功能训练。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：智能转移助行机器人，包括立柱罩壳，立柱罩壳的下方设置有带动整个装置移动的地面差速移动平台，立柱罩壳内设置有模仿人体坐站动作的坐站转移机构，坐站转移机构上设置有与人体相连并检测人体运动意图的骨盆支撑机构，骨盆支撑机构、坐站转移机构和地面差速移动平台均由控制器进行控制。

以下是本发明对上述方案的进一步优化：所述坐站转移机构包括用于帮助患者进行坐站动作的平行四杆机构。

进一步优化：所述平行四杆机构上连接有用于调节平行四杆机构高度的高度调节机构。

进一步优化：所述平行四杆机构包括通过摆动动作带动患者进行坐站动作的摆动单元，该摆动单元由摆动驱动单元进行驱动。

进一步优化：所述骨盆支撑机构包括用于感知患者运动意图的运动意图模块。

进一步优化：所述运动意图模块上连接有跟随患者进行摆动的横摆机构。

进一步优化：所述横摆机构上连接有用于调节横摆机构在水平方向上倾斜角度的侧倾机构。

进一步优化：所述摆动单元包括使骨盆支撑机构保持稳定的弯曲杆和驱动杆。

进一步优化：所述驱动杆与弯曲杆之间通过平衡拉簧连接。

进一步优化：所述运动意图模块包括用于体现人体运动意图的滚珠花键模组。

进一步优化：所述滚珠花键模组上连接有用于检测滚珠花键模组动作的激光测距传感器。

进一步优化：所述滚珠花键模组上设置有滑块，滑块的两侧设置有压缩弹簧。

进一步优化：所述横摆机构包括摆动臂，摆动臂上连接有横摆机构复位弹簧。

进一步优化：所述侧倾机构包括固定轴，固定轴上设置有侧倾复位扭簧。

进一步优化：所述固定轴上连接有用于检测侧倾机构动作的编码器。

本发明通过设置灵巧的坐站转移机构和地面移动平台，帮助患者从卧床状态转换为站立姿态并提供体重支撑，并能使其在卧室、客厅、厨房和卫生间灵巧移动，通过设置骨盆支撑机构来辅助骨盆运动和训练，分别用坐站转移机构、侧倾机构、横摆机构和意图识别机构实现骨盆的竖直方向、侧移方向、侧倾和自转运动，其中三个转动自由度的轴线重合于一点，该点也与骨盆中心重合，并且用一对球铰链实现机器自由度的冗余，故而，机器的运行不会对人体产生刚性冲击，并用弹簧缓冲避免了二次训练伤害，并通过力反馈和视觉反馈提高康复效率和训练积极性，解决了现有技术中的下肢康复机构，往往忽略骨盆的运动或限制骨盆运动，对患者的运动再学习不利的问题，同时也解决了一些机构能实现部分骨盆运动，但往往与骨盆的运动轴线不相匹配，或不限制运动范围，这会造成二次训练损伤，对患者的康复不利的问题；

本发明整机小巧灵便，方便家庭环境的使用，骨盆支撑机构实现人体运动需求，为平衡训练和步态训练提供了基础。

本发明还提供了一种智能转移助行机器人用运动意图识别方法，满足以下条件：设定向上的竖直力为正值，当竖直力fy＞0，且fy＞a，骨盆支撑机构整体上移；

当竖直力fy＜0，且fy＜-a，骨盆支撑机构整体下移；

当竖直力a＞fy＞-a时，骨盆支撑机构保持固定；

设定向前的水平力为正值，fxr为位于装置一侧的激光测距传感器测得的水平力，fxl为位于装置另一侧的激光测距传感器测得的水平力，当ll＜l0,fxl＞0，且lr＜l0,fxr＞0时，｜fxl-fxr｜＜ft，整个装置向前移动；

当ll＞l0,fxl＜0，且lr＞l0,fxr＜0时，｜fxl-fxr｜＜ft，整个装置向后移动；

当ll＜l0,fxl＞0，且lr＞l0,fxr＜0时，｜fxl-fxr｜＞ft，整个装置向左转向；

当ll＞l0,fxl＜0，且lr＜l0,fxr＞0时，｜fxl-fxr｜＞ft，整个装置向右转向。

本发明通过运动意图识别方法可以对患者的运动意图进行检测，进而根据患者的意图控制整个装置作出患者将要进行的动作，实现本装置辅助患者进行运动和锻炼，提高训练效果。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明在实施例中的结构示意图；

图2为本发明在实施例中的结构示意图；

图3为本发明在实施例中的结构示意图；

图4为本发明在实施例中的结构示意图；

图5为本发明在实施例中骨盆支撑机构的剖视图；

图6为本发明在实施例中的结构示意图；

图7为本发明在实施例中的剖视图；

图8为本发明在实施例中的剖视图；

图9为本发明在实施例中高度调节机构的示意图；

图10为本发明在实施例中运动意图流程图；

图11为本发明在实施例中电器连接示意图。

图中：1-立柱罩壳；101-脚轮支架；102-第一侧矩形钢；103-第二侧矩形钢；104-连接板；105-高度调节机构；106-轮毂电机；107-轮毂电机安装架；108-安全测距传感器；203-直流伺服电机；204-换向器；205-驱动杆；206-弯曲杆；207-平衡拉簧；209-扶手；210-移动端；301-扭矩传感器；302-基座；303-侧倾机构；305-摆动臂；306-运动意图模块；307-罩壳；308-压缩弹簧；309-罩壳封板；310-激光测距传感器；700-球铰链；2-横板；3-导向套；4-减重弹簧；5-调整螺丝；6-端盖；7-圆螺母；8-编码器；9-旋转轴；10-滑块；11-固定轴；12-侧倾复位扭簧；13-圆锥滚子轴承；14-横摆机构复位弹簧；15-滚珠花键模组；16-侧倾平台；17-连接座；18-摇杆；19-屏幕。

具体实施方式

实施例，如图1-11所示，智能转移助行机器人，包括内部开设有空腔的立柱罩壳1，立柱罩壳1的下方设置有可以带动整个装置移动的地面差速移动平台，立柱罩壳1内设置有模仿人体坐站动作的坐站转移机构，坐站转移机构上连接有与人体相连并检测人体运动意图的骨盆支撑机构，骨盆支撑机构、坐站转移机构和地面差速移动平台均由控制器进行控制。

所述地面差速移动平台包括平台保持架，平台保持架包括在立柱罩壳1的下端滑动连接的纵截面为梯形的连接板104，立柱罩壳1可以在连接板104上上下滑动。

所述连接板104的一侧靠近两端的位置固定安装有第一侧矩形钢102和第二侧矩形钢103。

所述第一侧矩形钢102和第二侧矩形钢103平行且对称设置，第一侧矩形钢102和第二侧矩形钢103远离连接板104的一端分别固定连接有脚轮支架101，用于固定被动万向轮。

所述脚轮支架101上远离连接板104的一端设置有万向轮，这样设计便于整个装置的转向。

所述连接板104的下端固定安装有轮毂电机安装架107，轮毂电机安装架107的两端分别通过支撑轴安装有轮毂电机106，轮毂电机106的外圆周上同轴装配有充气轮胎。

所述连接板104的下端与轮毂电机106相对应的位置开设有能容纳轮毂电机106和充气轮胎上部的凹槽。

所述第一侧矩形钢102和第二侧矩形钢103上远离连接板104的一端分别固定安装有安全测距传感器108；

所述连接板104上远离第一侧矩形钢102和第二侧矩形钢103一侧靠近两端的位置也分别固定安装有安全测距传感器108，安全测距传感器108用于检测该处与周围障碍物的距离，防止机器人与障碍物或使用者相撞。

所述轮毂电机106上连接有电机电源线和can控制线，且电机电源线和can控制线自支撑轴的一侧导出，并穿过连接板104进入控制柜。

所述坐站转移机构包括用于调节高度的高度调节机构105，高度调节机构105包括在立柱罩壳1内腔中靠近下端的位置固定安装的横板2。

所述连接板104上与立柱罩壳1相对应的位置固定安装有导向套3，该导向套3的横截面与立柱罩壳1的横截面一致，均为矩形或正方形。

所述导向套3插入立柱罩壳1的底端内一定距离，且该导向套3内安装有减重弹簧4。

所述减重弹簧4的上端固定连接在横板2的下端面，另一端固定连接在连接板104的上端面。

所述立柱罩壳1上与导向套3相对应的位置安装有两个调整螺丝5，调整螺丝5可以将立柱罩壳1与导向套3固定在一起。

所述立柱罩壳1上与调整螺丝5分别开设有便于调整螺丝5穿过的长孔，该长孔的走向与立柱罩壳1的移动方向一致。

所述立柱罩壳1的两侧靠近上端的位置固定安装有对称设置的扶手209，扶手209为l型结构，用于安装附件和手扶支撑。

所述立柱罩壳1内腔中设置有与骨盆支撑机构连接的平行四杆机构，该平行四杆机构包括与立柱罩壳1内两侧分别转动连接的弯曲杆206。

所述两弯曲杆206对称设置，且弯曲杆206为“︹”结构，两弯曲杆206上远离立柱罩壳1的一端通过轴承座转动连接有基座302。

所述基座302内部开设有空腔，且基座302的纵截面为矩形，两弯曲杆206上与基座302连接的一端为移动端210。

所述基座302上连接弯曲杆206的一端靠近下方的位置转动连接有驱动杆205。

所述驱动杆205上远离移动端210的一端传动连接有换向器204，换向器204的一侧固定安装在立柱罩壳1内壁上。

所述换向器204由直流伺服电机203驱动，直流伺服电机203转动通过换向器204带动驱动杆205转动，继而使移动端210从立柱罩壳1内移出或移动至立柱罩壳1内。

所述驱动杆205的一侧靠近移动端210的一端连接有平衡拉簧207，平衡拉簧207的另一端连接在其中一弯曲杆206的一侧远离移动端210的一端。

所述两弯曲杆206、平衡拉簧207和驱动杆205组成摆动单元，换向器204和直流伺服电机203组成摆动驱动单元。

所述骨盆支撑机构包括侧倾机构303、横摆机构、竖向力检测单元和运动意图模块306。

所述竖向力检测单元包括用于检测竖向力的扭矩传感器301，扭矩传感器301的一端连接在基座302上，另一端通过连接件连接在侧倾机构303上。

所述侧倾机构303与基座302的一端转动连接，侧倾机构303包含固定轴11、侧倾平台16、侧倾复位扭簧12、编码器8和一对圆锥滚子轴承13。

所述侧倾平台16为圆筒型结构，侧倾平台16内同轴装配有t型结构的固定轴11，固定轴11的一端与连接件固定连接。

所述侧倾平台16内与固定轴11靠近中部的位置之间设置有一对圆锥滚子轴承13。

所述圆锥滚子轴承13用于连接固定轴11和侧倾平台16，侧倾平台16的内壁上靠近圆锥滚子轴承13一侧的位置设置有环形结构的凸台，侧倾平台16的内壁上靠近圆锥滚子轴承13另一侧的位置由端盖6封装；

所述凸台和端盖6共同对圆锥滚子轴承13外圈进行限位，且端盖6为环形结构，端盖6与侧倾平台16之间通过圆螺母7可拆卸连接。

所述侧倾复位扭簧12套于固定轴11上，侧倾复位扭簧12的一端固定连接在连接件上，另一端固定在侧倾平台16上。

所述侧倾平台16上通过y形结构的连接座17连接有横摆机构，连接座17上设置有用于容纳侧倾平台16一端的空腔，且侧倾平台16与连接座17之间固定连接。

所述固定轴11上远离基座302的一端连接有编码器8的一端，编码器8的另一端与连接座17固定连接，当连接座17进行转动时编码器8便可对其进行检测。

所述横摆机构包括两个摆动臂305、旋转轴9、横摆机构复位弹簧14、连接座17和患者骨盆，所述摆动臂305为j型结构，且其一端的横截面为半圆球形。

所述摆动臂305的一端通过旋转轴9和轴承与连接座17转动连接，且连接座17上与摆动臂305相对应的位置开设有能容纳摆动臂305一端的空腔，这样设计便于摆动臂305横向摆动。

所述摆动臂305的一端连接有横摆机构复位弹簧14，横摆机构复位弹簧14为片状结构。

所述横摆机构复位弹簧14的一端穿过摆动臂305上半圆球形的一端并延伸至旋转轴9内一定距离；

所述横摆机构复位弹簧14的另一端延伸至连接座17内一定距离，且连接座17上与横摆机构复位弹簧14相对应的位置开设有空腔，该空腔可以为横摆机构复位弹簧14的形变提供空间；

所述横摆机构复位弹簧14上远离摆动臂305的一端与连接座17固定连接，横摆机构复位弹簧14用以产生横摆复位力。

所述运动意图模块306设置为两个，分别安装在两个摆动臂305的一端，该运动意图模块306由滚珠花键模组15、两块罩壳307、一对压缩弹簧308、两块罩壳封板309、激光测距传感器310和球铰链700组成。

所述滚珠花键模组15为滚珠花键，其一端通过螺钉固定在摆动臂305的一端，该滚珠花键模组15上的滑块10通过一对压缩弹簧308提供的复位力保持在既定位置。

所述两压缩弹簧308分别位于滑块10的两侧并套设在滚珠花键模组15的导轨上。

所述滑块10的一侧固定安装有球铰链700，球铰链700通过快挂与患者连接。

所述激光测距传感器310安装在罩壳307内，用于测量滑块10的位移，再通过刚度公式f=kx计算患者于机器人之间的交互力，该交互力将用于识别患者的运动意图，且激光测距传感器310与该侧位于初始位置的滑块10之间的距离等于压缩弹簧308的初始长度。

所述罩壳307为圆筒形结构，罩设在滚珠花键模组15的外部，且罩壳307的两端由罩壳封板309封堵，罩壳封板309、罩壳307用于滚珠花键模组15的防尘与保护。

所述罩壳307上与球铰链700相对应的位置开设有孔，这样设计是为了给球铰链700留一定的移动空间。

所述侧倾平台16的上端面安装有摇杆18，摇杆18用于控制坐站转移机构的动作辅助患者进行坐站动作，以及差速移动平台的动作。

所述立柱罩壳1的上端固定安装有屏幕19，控制器设置在立柱罩壳1内，该控制器分别与轮毂电机106、安全测距传感器108、直流伺服电机203、扭矩传感器301、激光测距传感器310、编码器8、摇杆18、屏幕19电连接，且该控制器上还可通过无线连接有遥控器。

所述遥控器可控制机器人的开关、水平移动、旋转和紧急停止，连接板104内安装有锂电池，用于为整个装置进行供电。

工作原理：在进行坐站转移时，通过遥控器操纵机器人控制轮毂电机106的转动移动到患者面前，然后控制直流伺服电机203带动驱动杆205摆动，继而调节骨盆支撑机构的高度使得两个球铰链700位于患者骨盆的两侧，然后通过快挂实现患者和球铰链700的连接，确认连接后放置遥控器，然后操纵摇杆18驱动直流伺服电机203反转，通过驱动杆205带动骨盆支撑机构上升，将患者从坐姿提起，到达指定位置后停止，然后操作遥控器或触摸屏幕19切换至运动模式；

当需要行走时，患者通过快接带动球铰链700移动，球铰链700移动带动滑块10移动，当激光测距传感器310检测到滑块10的移动并根据刚度公式f=kx计算患者于机器人之间的交互力，通过控制器控制轮毂电机106带动整个装置进行相应的动作，具体的工作过程参见下述“智能转移助行机器人用运动意图识别方法”，或者通过操作遥控器或摇杆18驱动轮毂电机106转动，继而实现前进或后退，或者通过控制两侧轮毂电机106的转速实现左转或右转；

在行走的过程中患者给整个装置的竖向作用力由扭矩传感器301进行检测，通过控制器控制直流伺服电机203动作，继而通过坐站转移机构调整骨盆支撑机构与患者骨盆间的高度，进而调整本装置对患者的作用力，具体的工作过程参见下述“智能转移助行机器人用运动意图识别方法”。

上述智能转移助行机器人用运动意图识别方法：满足以下条件：设定向上的竖直力为正值，当竖直力fy的数值为正值并大于阈值a（a＞0），即fy＞0，且fy＞a，坐站转移机构带动骨盆支撑机构整体上移（上升）；

当竖直力fy的数值为负值并小于阈值-a，即fy＜0，且fy＜-a，坐站转移机构带动骨盆支撑机构整体下移（下降）；

当竖直力a＞fy＞-a时，坐站转移机构不动作，骨盆支撑机构保持固定；

所述阈值-a和a的具体数值可以根据用户的需要进行设置，该阈值决定着坐站转移机构是否动作的灵敏程度；

设定向前的水平力（即驱动滑块10向着激光测距传感器310的一侧移动的水平力）为正值，当ll＜l0,fxl＞0，且lr＜l0,fxr＞0时，｜fxl-fxr｜＜ft，地面差速移动平台带动整个装置向前移动；

当ll＞l0,fxl＜0，且lr＞l0,fxr＜0时，｜fxl-fxr｜＜ft，地面差速移动平台带动整个装置向后移动；

当ll＜l0,fxl＞0，且lr＞l0,fxr＜0时，｜fxl-fxr｜＞ft，地面差速移动平台带动整个装置向左转向；

当ll＞l0,fxl＜0，且lr＜l0,fxr＞0时，｜fxl-fxr｜＞ft，地面差速移动平台带动整个装置向右转向；

所述fy为扭矩传感器301测得的竖直力，fxl为位于装置左侧的激光测距传感器310测得的水平力，并通过fxl=k（l0-ll）得出；

fxr为位于装置右侧的激光测距传感器310测得的水平力，并通过fxr=k（l0-lr）得出；

所述a为竖直方向力的阈值，ft为水平方向力的阈值，且ft≥0，该ft的数值决定本装置在前进、后退、左转和右转是否动作的灵敏程度，k为弹簧系数，l0为弹簧初始长度（该弹簧为靠近激光测距传感器的压缩弹簧），ll为位于装置左侧的激光传感器测得的值，lr为位于装置右侧的激光传感器测得的值。

本发明还可以根据医生的要求增加以下坐站训练程序或模式：

一、轨迹模式：1.通过患者的腿长、体重和平衡评级等参数，制订患者的坐站训练处方，该处方包括运动轨迹、运动速度、重复次数、持续时间等；

2.根据处方规划轮毂电机和伺服电机的输出速度，通过速度控制模式实现轨迹的再现；

3.通过遥控器实现上述训练模式的开启和停止。

二、辅助力模式：1.通过患者的腿长、体重和平衡评级等参数，制订患者的坐站训练处方，该处方包括运动轨迹和辅助力场等；

2.根据传感器输入和处方，当患者偏离目标轨迹时，控制轮毂电机106和直流伺服电机203的输出力矩，纠正患者的运动；

3.通过停滞时间和控制面板实现上述训练模式的开启和停止。

本发明同样可以根据医生的要求或建议增加平衡训练程序或模式：

1.通过患者的平衡能力评级制订平衡训练处方，处方包括水平辅助力和体重支撑力的时间序列、行走轨迹和目标任务等；2.通过传感器输入和处方，控制轮毂电机106和直流伺服电机203的输出速度，辅助患者完成目标任务；

3.通过平衡测定的结果来不断地优化处方，提高难度，增强积极性。

本发明通过设置灵巧的坐站转移机构和地面移动平台（差速移动平台），帮助患者从卧床状态转换为站立姿态并提供体重支撑，并能使其在卧室、客厅、厨房和卫生间灵巧移动，通过设置骨盆支撑机构来辅助骨盆运动和训练，分别用坐站转移机构、侧倾机构、横摆机构和意图识别机构（运动意图模块）实现骨盆的竖直方向、侧移方向、侧倾和自转运动，其中三个转动自由度的轴线重合于一点，该点也与骨盆中心重合，并且用一对球铰链实现机器自由度的冗余，故而，机器的运行不会对人体产生刚性冲击，并用弹簧缓冲避免了二次训练伤害，并通过力反馈和视觉反馈提高康复效率和训练积极性，解决了现有技术中的下肢康复机构，往往忽略骨盆的运动或限制骨盆运动，这对患者的运动再学习都有不利影响的问题，同时也解决了一些机构能实现部分骨盆运动，但往往与骨盆的运动轴线不相匹配，或不限制运动范围，这会造成二次训练损伤，对患者的康复不利的问题；

本发明整机小巧灵便，方便家庭环境的使用，骨盆支撑机构实现人体运动需求，为平衡训练和步态训练提供了基础。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。