一种婴儿爬行训练机及其控制系统和控制方法与流程

本发明属于医疗康复机械领域，具体涉及一种用于辅助婴儿学习爬行的训练机及其控制系统和控制方法。

背景技术：

一个月大的婴儿便可以在外界帮助下学习爬行，学习爬行能提高婴儿的肌肉力量，保持姿态的能力和协调能力进而促进大脑发育。现有的婴儿爬行训练方法多为成人辅助，成人先让婴儿趴着，将婴儿的大腿分开小腿与大腿呈V型，再用手推着婴儿的脚底向前用力，推着婴儿向前爬行。此方法每次一名成人只能照顾到一名婴儿，费时费力效率低。婴儿稍微长大后虽然能自主作出爬行的动作，却可能因肌肉力量，协调能力等不足无法独立完成爬行。具有脑瘫风险的婴儿往往很大也无法做到独立爬行，期间丧失了训练降低风险的时机。

技术实现要素：

本发明为解决以上问题设计一种婴儿爬行训练机及其控制系统和控制方法，能满足不同阶段婴儿学习训练爬行的要求，高效快捷的帮助初生婴儿练习掌握爬行的动作。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种婴儿爬行训练机，包括第一行走单元、第二行走单元和腿部牵引机构，所述第一行走单元和第二行走单元沿其行进方向相对往复运动设置，且第二行走单元的至少部分结构位于第一行走单元的后方；婴儿趴在所述第一行走单元上，所述牵引装置包括设置在第一行走单元上的第一牵引单元，以及设置在第二行走单元上的第二牵引单元；所述第一牵引单元包括第一牵引绳和第一牵引绳牵拉驱动装置，所述第一牵引绳牵拉驱动装置安装在第一行走单元内，所述第一牵引绳的一端与第一牵引绳牵拉驱动装置相连，另一端连接在婴儿大腿处的衣物上；所述第二牵引单元包括第二牵引绳和第二牵引绳牵拉驱动装置，所述第二牵引绳牵拉驱动装置安装在所述的位于第一行走机构后方的第二行走机构的结构上，所述第二牵引绳的一端与第二牵引绳牵拉驱动装置相连，另一端与婴儿脚部的衣物相连。

优选的，所述第二行走机构包括顶架，顶架具有前、后各两条支腿，各支腿底部设有滚轮，其中至少前侧两条支腿的滚轮是连有驱动部件的主动轮；所述第二牵引绳牵拉驱动装置分别安装在后侧的两条支腿上。

优选的，所述顶架下方安装有一导轨，所述导轨与第二行走单元的的行进方向平行，所述导轨上设有滑块，以及用于驱动滑块沿导轨滑动的滑块驱动单元，所述第一行走单元位于顶架下方，第一行走单元通过连接架与所述滑块固定连接。

优选的，所述第一行走单元包括托板，托板底部设有万向滚珠，所述连接架分别连接在托板的左、右两侧。

优选的，所述顶架的四条支腿的高度均为可调式设置，所述导轨与顶架之间的垂直距离为可调式设置。

优选的，所属顶架后侧两支腿底部的滚轮为万向滚轮。

优选的，所述托板的上表面设有左、右两个压力传感器，所述顶架上安装有用于捕捉婴儿手部和腿部动作的摄像头。

一种所述婴儿爬行训练机的控制系统，括左、右压力传感器、摄像头、托板运动状态检测传感器、驱动控制器、编码器、第一、第二牵引绳牵拉驱动装置、顶架前侧支腿滚轮驱动部件、以及滑块驱动单元；所述驱动控制器分别与左、右压力传感器、摄像头、托板运动状态检测传感器、第一、第二牵引绳牵拉驱动装置、顶架前侧支腿滚轮驱动部件、滑块驱动单元、以及编码器电连接，所述编码器内储存有用于控制婴儿爬行训练机动作的软件编码，所述驱动控制器能够根据左、右压力传感器、摄像头、托板运动状态检测传感器采集的信号或编码器内储存的软件编码来控制第一、第二牵引绳牵拉驱动装置、顶架前侧支腿滚轮驱动部件、以及滑块驱动单元动作。

一种应用所述控制系统控制所述婴儿爬行训练机的控制方法，驱动控制器读取编码器中的软件编码，对婴儿爬行训练机进行自动控制，具体过程如下：

步骤1：托板左右两端的第一牵引绳收回，带动婴儿大腿向托板方向靠进，；第二牵引绳放松，随着婴儿腿部的移动而伸长；

步骤2：第一牵引绳放松，第二牵引绳保持长度不变；滑块驱动单元驱动滑块和托板向前运动，进而带动婴儿身体向前运动；此时婴儿脚部在第二牵引绳的牵引下保持位置不变，故婴儿腿开始伸直；

步骤3：顶架前侧支腿滚轮驱动部件动作，驱动顶架向前运行托板在步骤2中前进的距离，同时滑块保持与顶架等速的反向运动，使托板的绝对位置保持不变，此时第一牵引绳和第二牵引绳回到初始长度，托板相对于顶架回到初始位置；

步骤4：返回步骤1执行。

一种应用所述控制系统控制所述婴儿爬行训练机的控制方法，驱动控制器根据左、右压力传感器、摄像头、托板运动状态检测传感器采集的信号来控制婴儿爬行训练机动作，具体过程如下：

步骤1：摄像头识别婴儿手臂和腿部的动作，若只有手臂动或只有腿部动，则训练机静止；若婴儿手臂和腿部都在动，则左压力传感器，右压力传感器分别获取托板表面的压力P1，P2，并输出给驱动控制器；

步骤2，驱动控制器判断P1和P2之间差值的绝对值是否小于执行阈值P’，若|P1-P2|＜P’，则驱动控制器计算PWM信号值并输出至顶架前侧支腿滚轮驱动部件；使顶架前侧两支腿滚轮的转速V1、V2相等，即V1＝V2＝V，V表示训练机的基础速度，此时训练机直线运动；若|P1-P2|≥P’，则驱动控制器计算PWM信号值并输出至顶架前侧支腿滚轮驱动部件，使左前支腿滚轮的转速V1和右前支腿滚轮的转速V2不同，即V1＝[1-(P1-P2)/P)]×V，V2＝[1+(P1-P2)/P)]×V，P为婴儿的总压力，此时训练机转弯，转弯方向为：当V1＜V2时，训练机向左转弯，当V1＞V2时，训练机向右转弯；

步骤3，当婴儿仅通过手臂活腿部的活动爬行时，摄像头判定婴儿活动失效，婴儿带动托板运动，托板运动状态检测传感器采集托板运动状态信号，并将该信号输出给驱动控制器；

步骤4，驱动控制器计算PWM信号并输出至顶架前侧支腿滚轮驱动部件；使顶架前侧的两支腿滚轮按同样转速转动以带动训练机整体运动，同时滑块保持等速反向运动，使托板回到训练机初始位置；

步骤5，返回步骤1执行。

本发明的技术效果在于：

1)、本发明通过牵引装置来带动婴儿腿部模拟爬行动作，并通过第一、第二行走机构的交替运动使婴儿向前行进。所述训练机通过绳索牵引婴儿腿部和脚部，相对于刚性物体牵引，对婴儿更安全，婴儿无意识的蹬腿活动也不会对身体造成损伤，也不会对训练机造成损坏。

2)、所述训练机有两个工作模式，分别为模式一：初生婴儿的爬行姿势训练功能，模式二：稍大婴儿的爬行助力功能，满足不同年龄段婴儿的训练要求，增加了所述训练机的使用价值。模式一能在初生婴儿爬行训练中能取代成人的工作，能让婴儿爬行训练无人化，一个成人能同时看护多个婴儿，提高爬行训练的效率。模式二能给已经掌握爬行姿势但由于其他原因无法独立完成爬行的婴儿在爬行中予以助推力，使婴儿在爬行过程掌握爬行的技巧，锻炼肌肉力量，提升保持姿态的能力和促进脑部的发育，既能加速正常婴儿掌握爬行的能力也能提高有脑瘫可能性婴儿治愈的可能性。

3)、所述训练机在模式一下，通过托板左右两端的绳子和后侧支腿上的绳索调整婴儿的姿势，再通过所述滑块驱动单元调节所述托板前进，并在托板带动婴儿前进过程中通过绳索牵引让婴儿伴随移动做出合适的爬行动作。

4)、所述训练机在模式二下，通过所述摄像机捕获婴儿肢体运动，通过所述左压力传感器，右压力传感器采集压力值，通过驱动控制器分析处理婴儿的爬行意图，并向合适方向给出适当的助推力，辅助婴儿爬行。

5)、所述训练机采用两个摄像头识别婴儿动作，将手臂和腿部同时活动判定为婴儿有爬行意图，单独手臂或者单独腿部活动可能为婴儿定点活动的动作，不足以作为爬行的依据，避免了训练机不必要的运动；婴儿在朝着想去的方向时，会有身体上的倾斜，这种倾斜会在所述两边造成压力差，通过在所述垫子左右两边设置压力传感器，判断婴儿想要爬行的方向。

附图说明

图1、图2是本发明的立体结构示意图。

图3是本发明中第一牵引绳牵拉驱动单元的结构示意图。

图4是本发明中第二牵引绳牵拉驱动单元的爆炸结构示意图。

图5是本发明实施例3的的控制系统框图。

图6是本发明实施例4的控制系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

实施例1

如图1、2所示，一种婴儿爬行训练机，包括第一行走单元、第二行走单元和腿部牵引机构，所述第一行走单元和第二行走单元沿其行进方向相对往复运动设置，且第二行走单元的至少部分结构位于第一行走单元的后方；婴儿趴在所述第一行走单元上，所述牵引装置包括设置在第一行走单元上的第一牵引单元，以及设置在第二行走单元上的第二牵引单元；所述第一牵引单元包括第一牵引绳3和第一牵引绳牵拉驱动装置，所述第一牵引绳牵拉驱动装置安装在第一行走单元内，所述第一牵引绳3的一端与第一牵引绳牵拉驱动装置相连，另一端连接在婴儿大腿处的衣物上；所述第二牵引单元包括第二牵引绳4和第二牵引绳牵拉驱动装置14，所述第二牵引绳牵拉驱动装置14安装在所述的位于第一行走机构后方的第二行走机构的结构上，所述第二牵引绳4的一端与第二牵引绳牵拉驱动装置14相连，另一端与婴儿脚部的衣物相连。本发明通过牵引装置来带动婴儿腿部模拟爬行动作，并通过第一、第二行走机构的交替运动使婴儿向前行进。所述训练机通过绳索牵引婴儿腿部和脚部，相对于刚性物体牵引，对婴儿更安全，婴儿无意识的蹬腿活动也不会对身体造成损伤，也不会对训练机造成损坏。如图4所示，本实施例中的第二牵引绳牵拉驱动装置14由绕线盘24与伺服电机23直接相连构成，如图3所示，第一牵引绳牵拉驱动装置由绕线盘21、齿轮22和伺服电机20构成，私服电机20的动力通过齿轮22传递给绕线盘21。除此之外，本领域技术人员也可以在本发明的启示下选择现有技术中其他能够实现绳索收放的结构来驱动第一、第二牵引绳3、4动作。

优选的，所述第二行走机构包括顶架2，顶架2具有前、后各两条支腿11a、11b、11c、11d，各支腿11a、11b、11c、11d底部设有滚轮15a、15b、16a、16b，其中至少前侧两条支腿11a、11b的滚轮16a、16b是连有驱动部件的主动轮；所述第二牵引绳牵拉驱动装置14分别安装在后侧的两条支腿11c、11d上。本实施例优选采用结构相对紧凑的轮毂电机作为主动轮，轮毂电机上部设置围护壳体19，该围护壳体19的内腔可最为电池或驱动控制模块的安装空间。

优选的，所述顶架2下方安装有一导轨5，所述导轨5与第二行走单元的的行进方向平行，所述导轨5上设有滑块6，以及用于驱动滑块6沿导轨5滑动的滑块驱动单元，所述第一行走单元位于顶架2下方，第一行走单元通过连接架10与所述滑块6固定连接。本实施例中，所述导轨5为一根水平导柱，滑块6套在导柱上，滑块6前后两端分别连有一根绳索8a、8b，这两根绳索8a、8b分别与导柱前后两端设置的牵引装置7a、7b相连，用来驱动滑块6前后滑动，该绳索8a、8b和牵引装置7a、7b即为所述的滑块驱动单元。除该实施例外，本领域技术人员在本发明的启示下还应该能够想到采用气缸、电缸等轨道驱动部件来带动滑块6和第一行走单元运动。

优选的，所述第一行走单元包括托板1，托板1底部设有万向滚珠18，所述连接架10分别连接在托板1的左、右两侧。万向滚珠18体积较小，能够使托板1更加靠近底面，从而使是婴儿更加接近真实的爬行姿态。

进一步的，所述顶架2的四条支腿11a、11b、11c、11d的高度均为可调式设置，所述导轨5与顶架2之间的垂直距离为可调式设置。本实施例中，优选采用电动推杆12、13来调节支腿11a、11b、11c、11d和导轨5的高度，支腿11a、11b、11c、11d的电动推杆12位于支腿11a、11b、11c、11d顶部(顶架2与支腿11a、11b、11c、11d)之间，导轨5的电动推杆13位于顶架2与导轨5之间，电动推杆13也是用于连接导轨5与顶架2的连接部件。

优选的，所属顶架2后侧两支腿11c、11d底部的滚轮15a、15b为万向滚轮。万向滚轮能够使第二行走机构实现转向动作。

优选的，所述托板1的上表面设有左、右两个压力传感器17a、17b，所述顶架2上安装有用于捕捉婴儿手部和腿部动作的摄像头9。压力传感器17a、17b和摄像头9能够捕捉婴儿的运动趋势，为控制系统提供运动参数。

实施例2

一种所述婴儿爬行训练机的控制系统，包括左、右压力传感器17a、17b、摄像头9、托板运动状态检测传感器、驱动控制器、编码器、第一、第二牵引绳牵拉驱动装置、顶架前侧支腿滚轮驱动部件、以及滑块驱动单元；所述驱动控制器分别与左、右压力传感器17a、17b、摄像头9、托板运动状态检测传感器、第一、第二牵引绳牵拉驱动装置、顶架前侧支腿滚轮驱动部件、滑块驱动单元、以及编码器电连接，所述编码器内储存有用于控制婴儿爬行训练机动作的软件编码，所述驱动控制器能够根据左、右压力传感器17a、17b、摄像头9、托板运动状态检测传感器采集的信号或编码器内储存的软件编码来控制第一、第二牵引绳牵拉驱动装置、顶架前侧支腿滚轮驱动部件、以及滑块驱动单元动作。

实施例3

一种应用所述控制系统控制所述婴儿爬行训练机的控制方法，驱动控制器读取编码器中的软件编码，对婴儿爬行训练机进行自动控制，具体过程如下：

步骤1：托板1左右两端的第一牵引绳3收回，带动婴儿大腿向托板1方向靠进，；第二牵引绳4放松，随着婴儿腿部的移动而伸长；

步骤2：第一牵引绳3放松，第二牵引绳4保持长度不变；滑块驱动单元驱动滑块6和托板1向前运动，进而带动婴儿身体向前运动；此时婴儿脚部在第二牵引绳4的牵引下保持位置不变，故婴儿腿开始伸直；

步骤3：顶架前侧支腿滚轮驱动部件动作，驱动顶架2向前运行托板1在步骤2中前进的距离，同时滑块6保持与顶架2等速的反向运动，使托板1的绝对位置保持不变，此时第一牵引绳3和第二牵引绳4回到初始长度，托板1相对于顶架2回到初始位置；

步骤4：返回步骤1执行。

实施例4

一种应用所述控制系统控制所述婴儿爬行训练机的控制方法，驱动控制器根据左、右压力传感器17a、17b、摄像头9、托板运动状态检测传感器采集的信号来控制婴儿爬行训练机动作，具体过程如下：

步骤1：摄像头9识别婴儿手臂和腿部的动作，若只有手臂动或只有腿部动，则训练机静止；若婴儿手臂和腿部都在动，则左压力传感器17a，右压力传感器17b分别获取托板1表面的压力P1，P2，并输出给驱动控制器；

步骤2，驱动控制器判断P1和P2之间差值的绝对值是否小于执行阈值P’，若|P1-P2|＜P’，则驱动控制器计算PWM信号值并输出至顶架前侧支腿滚轮驱动部件；使顶架2前侧两支腿11a、11b的滚轮16a、16b的转速V1、V2相等，即V1＝V2＝V，V表示训练机的基础速度，此时训练机直线运动；若|P1-P2|≥P’，则驱动控制器计算PWM信号值并输出至顶架前侧支腿滚轮驱动部件，使左前支腿11a滚轮16a的转速V1和右前支腿11b滚轮16b的转速V2不同，即V1＝[1-(P1-P2)/P)]×V，V2＝[1+(P1-P2)/P)]×V，P为婴儿的总压力，此时训练机转弯，转弯方向为：当V1＜V2时，训练机向左转弯，当V1＞V2时，训练机向右转弯；

步骤3，当婴儿仅通过手臂活腿部的活动爬行时，摄像头9判定婴儿活动失效，婴儿带动托板1运动，托板运动状态检测传感器采集托板1运动状态信号，并将该信号输出给驱动控制器；

步骤4，驱动控制器计算PWM信号并输出至顶架前侧支腿滚轮驱动部件；使顶架2前侧的两支腿11a、11b的滚轮16a、16b按同样转速转动以带动训练机整体运动，同时滑块6保持等速反向运动，使托板1回到训练机初始位置；

步骤5，返回步骤1执行。

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。