【技术实现步骤摘要】
一种助行训练系统及其一体化控制方法
[0001]本专利技术涉及辅助行走助行器领域，具体涉及一种助行训练系统及其一体化控制方法。
技术介绍
[0002]助行训练系统是面向残疾人、伤病人、老年人等人群，针对从卧床到地面行走康复训练需求的一种重要康复训练设备。对于上述患者，其在行走功能上存在一定的功能障碍，主要是体现在下肢缺乏肌力难以支撑躯体重量、平衡控制能力不足难以实现稳定步态、骨盆控制能力较弱难以实现行走步态等三种类型。针对前述三种类型的功能障碍，对应地分别需要减重支撑、平衡控制、辅助行走等外界辅助功能支持。
[0003]在目前的助行训练系统中，有些系统只具有减重支撑装置及对应的控制方法，有些系统重点考虑的是平衡控制和辅助行走功能；然而，患者往往同时存在多个类型的行走功能障碍问题，单个或两个类型的辅助功能支持不能达到期望的训练效果。同时，在训练系统与患者之间的人机交互控制策略方面，为满足同时实现减重支撑、平衡控制、辅助行走等辅助功能支持，需要在一个控制系统内实现三种辅助功能控制模式的融合。
[0004]总体而言，现有的技术存在两方面的不足，一方面是缺乏融合三种辅助功能支持的助行训练系统，另一方面是缺乏针对三种辅助功能能够实现一体化控制的解决方案。
技术实现思路
[0005]针对克服以上现有技术的不足，本专利技术提出了一种助行训练系统及其一体化控制方法，从而解决现有助行训练系统存在的功能单一和人机交互的问题。
[0006]本专利技术的一个目的在于提出一种助行训练系统。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种助行训练系统，其特征在于，所述助行训练系统包括：轮式移动底座、高度调节升降机、智能控制单元、六自由度并联机构、六维力传感器和骨盆固定绷带；其中，在轮式移动底座的后端中心上方安装高度调节升降机，在轮式移动底座的后端安装智能控制单元；在高度调节升降机的上表面中心安装六自由度并联机构；六自由度并联机构包括静平台、动平台、六条支链和六个直线驱动电机，静平台固定在高度调节升降机的上表面中心，静平台与动平台之间通过六条支链连接，每一条支链的末端连接至相应的直线驱动电机，六个直线驱动电机安装在静平台的内表面；在动平台的前表面固定安装六维力传感器，六维力传感器的安装面位于末端，六维力传感器的感应面位于前端，六维力传感器的安装面与六自由度并联机构的动平台的前表面中心固定连接，六维力传感器的感应面与骨盆固定绷带固定连接；每一个直线驱动电机内置的位置编码器和六维力传感器分别连接至智能控制单元；智能控制单元通过对六自由度并联机构进行控制实现助行训练系统完成减重支撑、平衡控制和辅助行走的辅助功能；六自由度并联机构中，静平台是一个柱状框架结构，前后轴线投影呈现六边形分布，静平台的前后轴向一面的外表面固定安装在高度调节升降机的上表面中心；动平台呈现六边形结构；每条支链呈滑动关节
‑
U型万向节
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转动关节
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U型万向节的结构，包括电机输出滑块、第一U型万向节、第一支链连杆、支链轴向转动关节、第二支链连杆和第二U型万向节，其中，直线驱动电机的输出轴连接至相应支链的电机输出滑块，电机输出滑块能够实现一自由度直线滑动，电机输出滑块与第一支链连杆末端通过第一U型万向节实现二自由度转动，第一支链连杆的前端与第二支链连杆的末端通过支链轴向转动关节实现沿第一支链连杆和第二支链连杆的轴线方向的一自由度转动，第二支链连杆的前端与动平台通过第二U型万向节实现二自由度转动，第二U型万向节安装在动平台的后表面，直线驱动电机直线驱动电机输出滑块滑动，从而经过第一U型万向节、第一支链连杆、支链轴向转动关节、第二支链连杆和第二U型万向节带动动平台运动，动平台在六个直线驱动电机的驱动下，能够实现三维空间的三个平动以及三个转动共计六个自由度运动。2.如权利要求1所述的助行训练系统，其特征在于，所述轮式移动底座包括：移动底座框架、左侧前轮、右侧前轮、右侧后轮和左侧后轮；其中，移动底座框架的下表面的前端的左右两侧分别安装左侧前轮和右侧前轮，与地面直接滚动接触，在移动底座框架的下表面的后端的左右两侧分别安装左侧后轮和右侧后轮，与地面直接滚动接触；左侧前轮和右侧前轮均为万向轮，左侧后轮和右侧后轮均为定向轮。3.如权利要求1所述的助行训练系统，其特征在于，所述高度调节升降机包括：下固定板、上固定板、左侧下滑轨、右侧下滑轨、左侧上滑轨、右侧上滑轨、第一纵向连杆、第二纵向连杆、第三纵向连杆、第四纵向连杆、第一横向连杆、第二横向连杆、第三横向连杆、第四横向连杆、第五横向连杆、丝杆电机、丝杆和丝杆螺母；其中，下固定板的下表面中心固定安装在轮式移动底座的移动底座框架的上表面的后端中心上方，下固定板的上表面的左右两侧分别固定安装左侧下滑轨和右侧下滑轨，上固定板的下表面的左右两侧分别固定安装左侧上滑轨和右侧上滑轨；左侧下滑轨、右侧下滑轨、左侧上滑轨和右侧上滑轨的结构完全相同，分别包括一个导向槽和一个固定孔，固定孔位于导向槽的延长线上；第一至第五横向连杆的方向垂直于导向槽的方向；第一横向连杆的左右两端分别位于左侧下滑轨和右侧下滑轨的导向槽内，通
过左侧下滑轨导向槽和右侧下滑轨的导向槽实现沿导向槽的滑动连接，第二横向连杆的左右两端分别位于左侧上滑轨和右侧上滑轨的导向槽内，通过左侧上滑轨导向槽和右侧上滑轨导向槽实现沿导向槽的滑动连接，第三横向连杆的左右两端分别通过左侧上滑轨的固定孔和右侧上滑轨的固定孔固定连接在左侧上滑轨和右侧上滑轨上，第五横向连杆的左右两端分别通过左侧下滑轨的固定孔和右侧下滑轨的固定孔固定连接在左侧下滑轨和右侧下滑轨上；第一纵向连杆、第二纵向连杆、第三纵向连杆和第四纵向连杆的结构完全相同，在第一至第四纵向连杆的上端、下端和中间均开设有安装圆孔，第一纵向连杆、第二纵向连杆、第三纵向连杆和第四纵向连杆沿训练患者左右身体方向依次从左到右分布，第一纵向连杆和第二纵向连杆位于高度调节升降机的左侧，第三纵向连杆和第四纵向连杆位于高度调节升降机的右侧，第一纵向连杆的下端安装圆孔和第四纵向连杆的下端安装圆孔分别与第五横向连杆的左右两端实现转动连接，第一纵向连杆的上端安装圆孔和第四纵向连杆的上端安装圆孔分别与第二横向连杆的左右两端实现转动连接，第二纵向连杆的下端安装圆孔和第三纵向连杆的下端安装圆孔分别与第一横向连杆的左右两端实现转动连接，第二纵向连杆的上端安装圆孔和第三纵向连杆的上端安装圆孔分别与第三横向连杆的左右两端实现转动连接，第四横向连杆依次穿过第一纵向连杆、第二纵向连杆、第三纵向连杆和第四纵向连杆的中间安装圆孔并实现转动连接；下固定板的上表面后端中心安装丝杆电机，丝杆电机的输出端与丝杆的后端固定连接，在第一横向连杆的正中间固定安装丝杆螺母，丝杆的前端通过丝杆螺母，丝杆电机通过转动，带动第一横向连杆沿左侧下滑轨和右侧下滑轨的导向槽移动，以调节第一与第二纵向连杆以及第三与第四纵向连杆之间的角度，从而能够沿高度方向调节下固定板与上固定板之间的垂直距离，实现高度位置调节和固定，以适应不同身高的训练患者。4.如权利要求1所述的助行训练系统，其特征在于，前后轴线投影视角下，第一直线驱动电机和第二直线电机固定安装在静平台六边形第一边上，第三直线驱动电机和第四直线电机固定安装在静平台六边形第三边上，第五直线驱动电机和第六直线电机固定安装在静平台六边形第五边上，六个直线驱动电机的输出直线滑动方向均沿前后轴线方向；第二直线驱动电机对应的支链前端第二U型万向节和第三直线驱动电机对应的支链前端第二U型万向节固定安装在动平台六边形第二边上，第四直线驱动电机对应的支链前端第二U型万向节和第五直线驱动电机对应的支链前端第二U型万向节固定安装在动平台六边形第四边上，第六直线驱动电机对应的支链前端第二U型万向节和第一直线驱动电机对应的支链前端第二U型万向节固定安装在动平台六边形第六边上。5.如权利要求1所述的助行训练系统，其特征在于，还包括跑步机，在训练时，骨盆固定绷带与训练患者的骨盆固定连接；跑步机放置在助行训练系统的前部正中位置，骨盆固定连接骨盆固定绷带的训练患者站在跑步机上进行原地步行训练。6.一种如权利要求1所述的助行训练系统的一体化控制方法，其特征在于，所述一体化控制方法包括以下步骤：1)助行训练系统是一种典型的物理人机交互类型的训练系统，训练患者与助行训练系统的物理人机交互接口为骨盆固定绷带；在训练过程中，人机交互一方面要顺应训练患者运动意图中有益部分；另一方面要预防训练患者运动意图中不利部分；
2)智能控制单元接收直线驱动电机的位置编码器的位置信息和六维力传感器的人机交互力信息，并通过控制计算后，向直线驱动电机输出控制命令；直线驱动电机根据控制命令，控制六自由度并联机构实现辅助行走、平衡控制和减重支撑的控制动作；3)在训练开始前，根据训练患者的骨盆高度，调整高度调节上滑动架的位置，达到训练患者与骨盆固定绷带最优固定连接的目的；然后，助行训练系统通电，并通过自动校正零点的方式，使得六自由度并联机构的直线驱动电机的位置编码器输出和六维力传感器输出归零；在系统归零状态下，定义归零状态下的骨盆固定绷带的中心为系统运动末端的原点，在该原点建立静坐标系O
ee
‑
xyz，其中，x轴方向与训练患者水平左右方向平行、y轴方向与训练患者水平前后方向平行、z轴方向与训练患者竖直方向平行；在训练过程中，骨盆固定绷带的中心随着训练患者的骨盆运动而发生变化，定义实时的以骨盆固定绷带的中心为原点的动坐标系为O
′
ee
‑
x
′
y
′
z
′
，其中，在归零状态下，静坐标系O
ee
‑
xyz和动坐标系O
′
ee
‑
x
′
y
′
z
′
重合；在六自由度并联机构的静平台上建立惯性坐标系O
‑
XYZ，其正交坐标轴方向定义与坐标系O
ee
‑
xyz一致；4)在训练过程中，针对训练患者的骨盆控制能力较弱难以实现行走步态的运动障碍问题，助行训练系统提供辅助行走控制策略：在训练患者穿戴骨盆固定绷带的行走过程中，六维力传感器获取反映训练患者的骨盆运动特征的人机交互力信息；智能控制单元根据六维力传感器获取的人机交互力信息，基于辅助助力的原则，智能控制单元通过直线驱动电机驱动六自由度并联机构的动平台，生成顺应训练患者骨盆运动的辅助行走控制策略控制力，辅助训练患者的骨盆完成行走步态的动作；5)在训练过程中，针对训练患者平衡控制能力不足难以实现稳定步态的运动障碍问题，助行训练系统提供平衡控制策略：平衡控制以归零状态下骨盆固定绷带中心O
ee
为原点，定义一个以静坐标系O
ee
‑
xyz原点为中心，建立x、y、z轴向长度分别为w
x
、w
y
、w
z
的矩形正常行走的内空间；智能控制单元根据直线驱动电机的位置编码器的位置信息，判断训练患者到达或者超出内空间的边界，训练患者如果到达或者超出内空间的边界，意味着训练患者存在失去平衡的风险，此时提供额外的平衡控制策略控制力进行干预；平衡控制的目的分两层，首先是在内空间靠近静坐标系的原点O
技术研发人员：梁文渊，孙爱萍，
申请(专利权)人：国家康复辅具研究中心，
类型：发明
国别省市：
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