[發明專利]一種杖式自主跌倒防護康復助行機器人

有效

• 申請號: 201710655397.1
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN107693314B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 黃劍;晏箐陽;曹浩
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: A61H3/04
• 分類號: A61H3/04;A61B5/11
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;曹葆青

1.一種杖式自主跌倒防護康復助行機器人，其特征在于，包括全向運動裝置、傳感監測系統和跌倒防護響應裝置，

所述全向運動裝置包括全向底盤(11)和運動控制器，運動控制器包括工控機(7)、蓄電池(4)和開發板(9)，工控機(7)和蓄電池(4)放置在全向底盤上方的多層支架(16)上方，開發板(9)放置于多層支架(16)底部；

所述傳感監測系統包括扶手(1)、力傳感器(2)、后向激光測距儀(5)、前向激光測距儀(6)，兩個激光測距儀放置于多層支架(16)上方，力傳感器(2)一端與機器人主桿(3)連接，力傳感器(2)另一端與扶手(1)連接，力傳感器(2)和兩個激光測距儀通過高速USB接口與工控機(7)相連；

所述跌倒防護響應裝置包括主桿(3)和十字滑臺(8)，多層支架(16)被十字滑臺(8)分隔成上支架和下支架兩部分，上支架與主桿(3)連接，下支架與全向底盤(11)連接，十字滑臺(8)用于進行跌倒防護策略響應，向跌倒趨勢的反方向運動；

所述全向底盤(11)底部均勻分布三個麥克納姆輪，電機(13)通過電機固定架與底盤連接，電機(13)與三個麥克納姆輪通過電機固定架套杯內的軸承連接；

所述康復助行機器人在工作時，傳感監測系統通過力傳感器(2)和兩個激光測距儀實時監測使用者的力數據、環境障礙物信息和腿部運動信息，通過高速USB接口將這些信息傳輸給工控機(7)，如果使用者狀態正常，環境周圍沒有障礙物，工控機(7)通過力數據得到使用者的運動意圖，并將運動意圖傳輸給全向底盤(11)，使得電機(13)驅動三個麥克納姆輪運動，從而使得機器人順應使用者運動，為使用者在行走時提供輔助，如果使用者狀態異常，環境周圍檢測到障礙物，工控機(7)通過避障運動控制算法進行運動規劃，引導使用者避開障礙物，如果檢測到使用者有跌倒趨勢，工控機(7)會執行跌倒防護控制算法，十字滑臺(8)進行有限時間控制響應運動，朝跌倒趨勢的反方向運動，從而阻止運動趨勢，保證使用者的穩定和安全；

避障運動控制算法包括：

首先在前向激光測距儀的探測范圍內設定一個探測區域，此探測區域采用矩形條件判斷障礙物是否存在，當前向激光測距儀的掃描點中存在任意一個掃描點滿足矩形條件時則判定矩形區域內存在障礙物，設點P(x，y)為前向激光測距儀的一個掃描點，前向測距儀為坐標原點O處，OP兩點之間距離設為S，設探測區域矩形長度為L，寬度為W，當滿足：

判定探測區域內存在障礙物，此時障礙物產生的斥力為：F_ri＝K(r-R₀)^-n，K、R₀、n為常數，其中n一般取正整數；r為障礙物與助行機器人的距離，F_ri為斥力的大小，根據所述斥力和操作者的力數據的合力F_I，并根據開環導納控制算法將其轉換為速度V，從而指導和控制助行機器人安全避障，α表示OP和矩形長度為L一邊的夾角。

2.如權利要求1所述的一種杖式自主跌倒防護康復助行機器人，其特征在于，所述力傳感器(2)為六軸力傳感器，用于檢測使用者上肢的力數據從而獲取使用者的運動意圖。

3.如權利要求2所述的一種杖式自主跌倒防護康復助行機器人，其特征在于，所述兩個激光測距儀用于檢測使用者腿部運動數據和環境障礙物信息。

4.如權利要求3所述的一種杖式自主跌倒防護康復助行機器人，其特征在于，所述工控機(7)根據檢測到的力數據和腿部運動數據得到使用者的運動意圖和運動狀態，從而實現輔助使用者進行行走運動及對使用者的運動狀態監測，具有跌倒預判功能，同時控制跌倒防護響應裝置實現對使用者的防跌倒輔助。

5.如權利要求2所述的一種杖式自主跌倒防護康復助行機器人，其特征在于，所述跌倒防護控制算法的具體實現方式為：

如果檢測到使用者有跌倒趨勢，根據使用者和機器人的穩定狀態的期望位置基于有限時間控制算法計算出當前十字滑臺反向運動阻止跌倒趨勢直到達到穩定狀態的期望速度，從而形成緩沖運動直至使用者和機器人回到穩定狀態。