一種新型輪椅式電動步行訓練裝置及控制方法
【專利摘要】本發明為一種新型輪椅式電動步行訓練裝置及控制方法，可用于電動輪椅代步和站立移動步行訓練。該裝置包括嵌入式上位機、運動控制單元、姿態變換控制單元、步態測量單元、人機交互單元。在上述各單元的協調控制下，該裝置可工作于電動輪椅代步、站立步行訓練兩種工作模式，其中站立步行訓練模式可分為主動訓練模式和被動訓練模式。本發明可以為老人和下肢殘障人群提供代步以及不同下肢康復階段的下肢站立式減重步行訓練。
【專利說明】一種新型輪椅式電動步行訓練裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型輪椅式電動步行訓練裝置及方法，屬于康復醫療領域，適用于下肢不便的老人和下肢康復期的殘障人士。
【背景技術】
[0002]隨著科技進步和人民生活水平的提高，我國和世界上許多國家都正在進入老齡化。在老齡人群中，心腦血管疾病使老年癱瘓患者的人數不斷增多，并呈現年輕化的趨勢。而且現在交通運輸工具的使用迅速增長，由交通事故造成的神經性損傷和肢體傷害的人數也隨之增長。臨床醫學和理論醫學證明，這些患者如果只是進行手術治療和藥物治療，并不能達到完全的功能恢復，而必須要配合正確的功能性康復訓練。目前在較大型的醫院和康復中心都設有康復訓練科以及護理人員，為患者提供專業的肢體功能康復訓練。雖然患者得到了專業的康復訓練，由于高重復性、高強度、高體力消耗，使得人工康復訓練消耗了大量的人力和物力。鑒于此，部分醫療機構引入了大型康復訓練機器人來代替人工，一方面節省了人力，另一方面能夠給患者提供科學規范的康復訓練。受到了患者的歡迎。但由于訓練費用高昂，也使得采用康復訓練機器人進行肢體康復訓練的患者數量較少。因此，肢體康復訓練設備的小型化、操作簡單化，使得普通患者能夠實現家庭式自主康復訓練，將是未來的發展趨勢。
【發明內容】
[0003]為了解決上述問題，本發明提出了一種新型輪椅式電動步行訓練裝置及控制方法，一方面可實現代步功能，另一方面可實現家庭式步行訓練。
[0004]一種新型輪椅式電動步行訓練裝置，包括椅背，輪椅框架，座椅、扶手、嵌入式上位機、運動控制單元、人機交互單元，其特征在于，還包括用于電動輪椅模式和步行訓練模式變換的姿態變換控制單元、用于采集步行訓練模式下步行狀態的步態測量單元，嵌入式上位機通過信號線分別與姿態變換控制單元、步態測量單元相連接；姿態變換控制單元，包括用于抬高扶手高度的扶手升降機構、用于將座椅從兩個扶手之間移開的座椅調整機構。
[0005]優選的，所述的扶手升降機構為由驅動電機驅動的鉸接升降機構，該機構共有兩個，左右對稱設置于扶手與扶手下方輪椅框架之間，升降機構向上的最大行程大于0.5m,小于lm，在輪椅模式和步行訓練模式變換時，用于將扶手抬升至設定高度。
[0006]優選的，座椅調整機構包括驅動電機和由驅動電機驅動的座椅導軌,座椅導軌設置于座椅和座椅下方的輪椅框架之間，在輪椅模式和步行訓練模式變換時，用于將座椅從臀部移開。
[0007]優選的，步態測量單元由陀螺儀、加速度傳感器、磁場計構成。
[0008]優選的，嵌入式上位機采用基于ARM的嵌入式控制器。
[0009]優選的，還設置有降低患者下肢承重的減重帶。
[0010]優選的，嵌入式上位機與各控制單元采用CAN總線連接。
[0011]一種新型輪椅式電動步行訓練裝置的控制方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1:系統狀態上電自檢，如果檢測到故障，系統通過人機交互單元顯示報警狀態，并提示故障狀態，如果無障礙，執行步驟2。
[0013]步驟2:利用人機交互單元選擇工作模式，如果選擇電動輪椅模式，執行步驟3，如果選擇步行訓練模式，執行步驟4。
[0014]步驟3:嵌入式上位機根據人機交互單元的信息輸入，生成運動指令，通過信號線發送至運動控制單元，由運動控制單元驅動電動輪椅按照運動指令在指定速度和方向下運動，實現步行訓練器電動輪椅代步功能，執行步驟5 ；
[0015]步驟4:停止步行訓練器的移動功能，并設定扶手上升高度；嵌入式上位機向姿態變換控制單元發送電動輪椅模式和步行訓練模式變換切換的信號，驅動扶手和座椅動作，將扶手升降至指定高度，將座椅從兩個扶手之間移開；步態測量單元采集步行訓練模式下步行狀態信息，并上傳嵌入式上位機，采用基于慣性單元測量的姿態測量方法進行信息處理；依據信息處理結果，調整運動單元的速度和方向，實現步行訓練；
[0016]步驟5:如工作模式無變換，繼續當前模式；如接收到停止指令，則停止當前模式；如工作模式變為步行訓練模式，則跳至步驟4 ;如果選擇退出系統，則跳至步驟8 ；
[0017]步驟6:如工作模式無變換，繼續當前模式；如接收到停止指令，則停止當前模式；如工作模式變為電動輪椅模式，則跳至步驟7 ;如果選擇退出系統，則跳至步驟8 ；
[0018]步驟7:嵌入式上位機向姿態變換控制單元發送電動輪椅模式和步行訓練模式變換切換的信號，驅動扶手和座椅動作，恢復至電動輪椅狀態，執行步驟4 ；
[0019]步驟8:系統控制姿態變換單元將步行訓練器恢復至電動輪椅狀態，并退出系統。
[0020]優選的，步行訓練模式分為主動訓練模式和被動訓練模式，主動訓練模式下，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果，通過運動單元調整步行訓練器的速度略小于步行速度；被動訓練模式下，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果，通過運動單元調整步行訓練器速度略大于步行速度。
[0021]優選的，被動訓練模式中設置有難度分級功能，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果及難度級別的選擇，通過運動單元調整步行訓練器速度。
[0022]本發明在電動輪椅模式下，使用者可以通過操縱桿控制驅動機構實現普通電動輪椅功能；在步行訓練模式下，系統通過控制升降裝置將使用者由坐姿轉換為站姿，并通過減重帶降低患者下肢的承重量。使用者通過人機交互界面可選擇合適自己的訓練難度，系統將控制車體運行在指定的速度下，帶動使用者進行步行訓練。本發明采用科學的步行訓練模式，能夠為使用者提供標準的步行訓練速度和身體減重量，從而將使用者的步行訓練科學化和專業化，大大提高使用者的下肢行走功能的康復效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明訓練裝置坐姿側視圖。
[0024]圖2為本發明訓練裝置坐姿俯視圖。
[0025]圖3為本發明訓練裝置站姿側視圖。
[0026]圖4為本發明訓練裝置站姿俯視圖。
[0027]圖5為本發明訓練裝置控制系統結構圖。
[0028]圖6為本發明訓練裝置控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0029]下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0030]參見圖1，2，3，4，本發明是一種新型輪椅式電動步行訓練裝置，包括椅背1，輪椅框架5，左扶手2a，右扶手2b，綁帶扣一 18a，綁帶扣二 18b，綁帶扣三18c，綁帶扣四18d，左鉸接升降機構3a,右鉸接升降機構3b,左升降電機8a,右升降電機8b,座椅14,座椅左導軌4a,座椅右導軌4b,座椅驅動電機13,左移動驅動電機7a,右移動驅動電機7b,左移動驅動輪6a，右移動驅動輪6b，左萬向輪10a，右萬向輪10b，電池9，左輔助把手12a，右輔助把手12b，交互面板11。控制系統包括嵌入式上位機、運動控制單元、姿態變換控制單元、步態測量單元、人機交互單元。
[0031]其中，嵌入式上位機為系統中央控制器，負責系統人機交互指令處理、運動規劃、步態訓練策略生成。嵌入式上位機通過CAN總線與其他控制單元相連接。
[0032]運動控制單元負責步行訓練器的移動功能，包括左移動驅動電機7a，右移動驅動電機7b，移動驅動電機控制器。在不同運行模式下，運動可控制單元根據嵌入式上位機通過CAN總線發送的移動指令，控制左移動驅動電機7a和右移動驅動電機7b在指定速度和方向下運行；
[0033]姿態變換控制單元負責步行訓練器的姿態變換功能，包括左升降電機8a，右升降電機8b，升降驅動控制器，座椅驅動電機13，座椅驅動控制器。在步行訓練模式下，姿態變換控制單元根據嵌入式上位機通過CAN總線發送的移動指令，控制左升降電機8a和右升降電機Sb將左扶手2a和右扶手2b通過左鉸接升降機構3a和右鉸接升降結構3b升降至指定高度；座椅驅動控制器控制座椅驅動電機13將座椅14在座椅導軌4a，4b上滑動至輪椅后方。
[0034]步態測量單元負責對人體下肢步行狀態進行測量。在步行訓練模式下，步態測量單元對人體運動過程中下肢的步幅、步頻等運動參數進行測量，并通過CAN總線發送至嵌入式上位機。
[0035]人機交互單元負責系統與使用者的交互，包括對使用者控制指令的接收和系統運行狀態的顯示和報警。
[0036]本實施例中，嵌入式上位機采用三星公司基于ARM920T內核的S3C2410ARM9微處理器，也可米用其他形式的嵌入式微處理器，操作系統為基于Linux2.6內核的實時多任務操作系統。
[0037]運動控制單元的電機驅動控制器、姿態變換單元的升降控制器以及座椅控制器均采用TI公司TMS320LF2407DSP微處理器。運動控制單元的左移動驅動電機7a和右移動驅動電機7b采用直流有刷電機加蝸輪蝸桿減速器方式；姿態變換單元的左升降電機8a、右升降電機8b和座椅驅動電機13均采用電動推桿。
[0038]步態測量單元采用基于MEMS陀螺儀、加速度計、磁場計相結合設計的慣性姿態傳感器。
[0039]人機交互單元用于接收使用者命令輸入，包括操縱桿15，觸摸屏17和輔助功能鍵16。人機交互單元中的操縱桿用于接收使用者在電動輪椅模式下運動控制指令輸入，經過CAN總線發送至嵌入式上位機；輔助功能鍵16用于接收系統工作模式切換命令和系統設置指令，并將系統工作模式切換指令和系統設置指令輸送至嵌入式上位機；觸摸屏17 —方面接收步行訓練模式下訓練參數的設置輸入，另一方面顯示步行訓練器的運行狀態以及步行訓練模式下的狀態反饋，包括使用者下肢步行速度，系統運行速度，升降高度，減重重量等。觸摸屏17還可提供部分娛樂功能。
[0040]新型輪椅式電動步行訓練控制系統具備兩種運行模式，分別為電動輪椅模式和步行訓練模式。
[0041]在電動輪椅模式下，嵌入式上位機根據操縱桿的撥動方向和幅度，以及通過觸摸屏選擇的運行速度等級，生成運動指令，并通過CAN總線發送至運動控制單元，運動控制單元控制左移動驅動電機8a和右移動驅動電機Sb運行在指定速度，完成步行訓練器電動輪椅代步功能。
[0042]在步行訓練模式下，嵌入式上位機根據觸摸屏17的指令輸入，首先停止步行訓練器的移動功能，然后控制姿態變換單元將扶手2a，2b升降至指定高度，將座椅14移動至輪椅后方。根據主動訓練模式和被動訓練模式的不同，以及使用者下肢擺動情況，通過運動控制單元將步行訓練器的移動速度控制在指定速度和方向上。
[0043]本實施例中升降機構向上的最大行程為0.7m，一般為了符合使用者的身高，設置升降機構向上的最大行程大于0.5m，小于lm，可以根據不同年齡設置固定的升降機構向上的最大行程；也可以采用升降機構向上的最大行程為lm，在使用過程中根據使用者的實際情況，在系統中設置合適的數值，以便在步行訓練時調整升降機構向上的行程符合使用者身高的要求。
[0044]本實施例新型輪椅式電動步行訓練裝置的控制方法，包括以下步驟:
[0045]步驟1:系統狀態上電自檢，如果檢測到故障，系統通過人機交互單元顯示報警狀態，并提示故障狀態，如果無障礙，執行步驟2。
[0046]步驟2:利用人機交互單元選擇工作模式，如果選擇電動輪椅模式，執行步驟3，如果選擇步行訓練模式，執行步驟4。
[0047]步驟3:嵌入式上位機根據人機交互單元的信息輸入，生成運動指令，通過信號線發送至運動控制單元，由運動控制單元驅動電動輪椅按照運動指令在指定速度和方向下運動，實現步行訓練器電動輪椅代步功能，執行步驟5 ；
[0048]步驟4:停止步行訓練器的移動功能，并設定扶手上升高度；嵌入式上位機向姿態變換控制單元發送電動輪椅模式和步行訓練模式變換切換的信號，驅動扶手和座椅動作，將扶手升降至指定高度，將座椅從兩個扶手之間移開；步態測量單元采集步行訓練模式下步行狀態信息，并上傳嵌入式上位機，采用基于慣性單元測量的姿態測量方法進行信息處理；依據信息處理結果，調整運動單元的速度和方向，實現步行訓練；
[0049]步驟5:如工作模式無變換，繼續當前模式；如接收到停止指令，則停止當前模式；如工作模式變為步行訓練模式，則跳至步驟4 ;如果選擇退出系統，則跳至步驟8 ;
[0050]步驟6:如工作模式無變換，繼續當前模式；如接收到停止指令，則停止當前模式；如工作模式變為電動輪椅模式，則跳至步驟7 ;如果選擇退出系統，則跳至步驟8 ；
[0051]步驟7:嵌入式上位機向姿態變換控制單元發送電動輪椅模式和步行訓練模式變換切換的信號，驅動扶手和座椅動作，恢復至電動輪椅狀態，執行步驟4 ；
[0052]步驟8:系統控制姿態變換單元將步行訓練器恢復至電動輪椅狀態，并退出系統。
[0053]為了進一步的優化系統功能，步行訓練模式分為主動訓練模式和被動訓練模式，主動訓練模式下，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果，通過運動單元調整步行訓練器的速度略小于步行速度；被動訓練模式下，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果，通過運動單元調整步行訓練器速度略大于步行速度。
[0054]被動訓練模式中設置有難度分級功能，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果及難度級別的選擇，通過運動單元調整步行訓練器速度。
[0055]新型輪椅式電動步行訓練控制方法，步驟如下:
[0056]S51:系統上電。
[0057]S52:系統狀態自檢。如果檢測到故障S53，系統通過人機交互單元顯示報警狀態，并提示故障狀態。如果沒有故障，步驟跳至S54。
[0058]S54:系統根據人機交互單元獲取的模式選擇，運行在不同模式下。如果選擇電動輪椅功能，步驟跳至S55 ;如果選擇步行訓練模式，步驟跳至S57。
[0059]S55:系統根據操縱桿撥動的幅度和方向，控制輪椅運行在指定速度和方向下，完成電動輪椅代步功能S56。
[0060]S57:系統首先提示使用者通過綁帶扣18a，18b, 18c, 18d以交叉方式跨接于兩腿髖關節下方，并根據選定的減重量控制姿態變換單元將扶手2a，2b升至指定高度；在扶手2a，2b升起過程中將座椅14移動至輪椅后方.系統根據使用者選擇的訓練模式以及使用者下肢擺動情況，控制步行訓練器移動在指定速度和方向下，完成步行訓練S58。
[0061]S59:系統如果接收到停止指令，則停止當前模式。如果重新選擇模式S510，則跳至步驟S54 ;如果選擇退出系統，則跳至步驟S5111。
[0062]S5111:系統控制姿態變換單元將步行訓練器恢復至坐姿狀態，并退出系統。
[0063]步行訓練模式分為兩種，分別為:主動訓練模式和被動訓練模式。其中主動訓練方法為:根據步態測量單元獲取的人體下肢擺動幅度和步速，設定步行訓練器速度小于步行速度。被動訓練模式方法為:根據步態測量單元獲取的人體下肢擺動幅度和步速，設定步行訓練器速度大于步行速度。在本實施例中，步行訓練難度設定為低、中、高三個等級。在主動訓練模式下，步行訓練器設定速度分別低于步行速度15%。在被動訓練模式下，步行訓練器設定速度分別高于步行速度5%，10%，15%。
[0064]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種新型輪椅式電動步行訓練裝置，包括椅背，輪椅框架，座椅、扶手、嵌入式上位機、運動控制單元、人機交互單元，其特征在于，還包括用于電動輪椅模式和步行訓練模式變換的姿態變換控制單元、用于采集步行訓練模式下步行狀態的步態測量單元，嵌入式上位機通過信號線分別與姿態變換控制單元、步態測量單元相連接；姿態變換控制單元，包括用于抬高扶手高度的扶手升降機構、用于將座椅從兩個扶手之間移開的座椅調整機構。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的扶手升降機構為由驅動電機驅動的鉸接升降機構，該機構共有兩個，左右對稱設置于扶手與扶手下方輪椅框架之間，升降機構向上的最大行程大于0.5m，小于lm ;在輪椅模式和步行訓練模式變換時，用于將扶手抬升至設定高度。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，座椅調整機構包括驅動電機和由驅動電機驅動的座椅導軌，座椅導軌設置于座椅和座椅下方的輪椅框架之間，在輪椅模式和步行訓練模式變換時，用于將座椅從臀部移開。
4.如權利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，步態測量單元由陀螺儀、加速度傳感器、磁場計構成。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，嵌入式上位機采用基于ARM的嵌入式控制器。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，還設置有降低患者下肢承重的減重帶。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，嵌入式上位機與各控制單元采用CAN總線連接。
8.一種新型輪椅式電動步行訓練裝置的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:系統狀態上電自檢，如果檢測到故障，系統通過人機交互單元顯示報警狀態，并提示故障狀態，如果無障礙，執行步驟2。 步驟2:利用人機交互單元選擇工作模式，如果選擇電動輪椅模式，執行步驟3，如果選擇步行訓練模式，執行步驟4。 步驟3:嵌入式上位機根據人機交互單元的信息輸入，生成運動指令，通過信號線發送至運動控制單元，由運動控制單元驅動電動輪椅按照運動指令在指定速度和方向下運動，實現步行訓練器電動輪椅代步功能，執行步驟5 ； 步驟4:停止步行訓練器的移動功能，并設定扶手上升高度；嵌入式上位機向姿態變換控制單元發送電動輪椅模式和步行訓練模式變換切換的信號，驅動扶手和座椅動作，將扶手升降至指定高度，將座椅從兩個扶手之間移開；步態測量單元采集步行訓練模式下步行狀態信息，并上傳嵌入式上位機，采用基于慣性單元測量的姿態測量方法進行信息處理；依據信息處理結果，調整運動單元的速度和方向，實現步行訓練； 步驟5:如工作模式無變換，繼續當前模式；如接收到停止指令，則停止當前模式；如工作模式變為步行訓練模式，則跳至步驟4 ;如果選擇退出系統，則跳至步驟8 ； 步驟6:如工作模式無變換，繼續當前模式；如接收到停止指令，則停止當前模式；如工作模式變為電動輪椅模式，則跳至步驟7 ;如果選擇退出系統，則跳至步驟8 ; 步驟7:嵌入式上位機向姿態變換控制單元發送電動輪椅模式和步行訓練模式變換切換的信號，驅動扶手和座椅動作，恢復至電動輪椅狀態，執行步驟4 ； 步驟8:系統控制姿態變換單元將步行訓練器恢復至電動輪椅狀態，并退出系統。
9.如權利要求8所述方法，其特征在于，步行訓練模式分為主動訓練模式和被動訓練模式，主動訓練模式下，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果，通過運動單元調整步行訓練器的速度略小于步行速度；被動訓練模式下，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果，通過運動單元調整步行訓練器速度略大于步行速度。
10.如權利要求9所述方法，其特征在于，被動訓練模式中設置有難度分級功能，嵌入式上位機依據步行狀態信息處理結果及難度級別的選擇，通過運動單元調整步行訓練器速度。
【文檔編號】A61G5/10GK104398347SQ201410683395
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】魯濤, 原魁, 房立新 申請人:中國科學院自動化研究所