一种下肢步行康复训练车及其转向控制办法的制作方法

本发明属于机械和控制领域，特别涉及一种下肢步行康复训练车及其转向控制办法。

背景技术：

在中风或脊髓损伤后出现运动障碍的患者，通常表现为步态异常或不能行走，可以通过加强运动进行肌力、耐力、关节能力训练、平衡训练、作业治疗，以及针对性的步态纠正训练等以改善行走功能。对于一般患者可以使用康复训练车减去一定的身体负重，降低下肢压力，在此情况下的患者下肢支撑能力弱，控制能力差，只能进行简单的步行训练，往往只能直行，需要医护介入，帮助患者转弯。而对于康复程度较高的患者，后期将开展长时间的步态训练，此时对训练空间的大小要求变高，需要医护的介入时间也将变长，此时康复训练车给予患者更多的控制权，跟随患者四处走动，不仅仅局限于康复大厅，因此康复训练车必须具备二维空间内的移动能力，跟随转向功能必不可少。

现有的康复训练车产品类中几乎没有具备转向功能的产品。具备自主转向功能的产品，可查的仅有瑞士andago。该产品是在顶部的悬挂载体上，通过吊起患者腰部的装置来检测患者是否具有转向意图。但是该装置，首先是通过顶部检测器进行单独检测，无法控制底部滑轮跟上患者后续转向，因此不够智能化；同时，由于检测装置在顶部，其检测的角度很容易被人活动的双手所遮挡，因此检测精度很低。andago采用滑动器经过柔性绳与患者相连接，由于绳子存在柔性，因此并不能直接反应患者身体运动，存在较大的时延和检测误差。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种下肢步行康复训练车及其转向控制办法，通过两个并行的激光测距传感器直接检测患者腰部与康复训练车的相对距离，经几何变换，解算出患者身体站向，并由控制算法调整两轮差速，使得康复训练车与患者转向一致，且精确度更高，使用更安全。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种下肢步行康复训练车，包括车身支架，所述车身支架底部两端分别设置有第一驱动系统和第二驱动系统，所述车身支架顶部设置有减重组件，所述车身支架中部设置有扶手组件，所述扶手组件中部设置有第一测距传感器和第二测距传感器，所述减重组件和第一驱动系统、第二驱动系统处在同一竖直面上。

进一步的，还设置有控制器，所述控制器包括跟随控制器和转向控制器。

进一步的，所述车身支架上设置有调节装置，所述调节装置上设置有若干个调节孔，所述扶手组件两端设置有与调节孔匹配的固定件。

进一步的，所述第一驱动系统由第一驱动器、第一驱动电机、第一驱动轮构成；所述第二驱动系统由第二驱动器、第二驱动电机、第二驱动轮构成。

进一步的，所述第一测距传感器和第二测距传感器之间的距离l为15-20cm。

一种如上所述的下肢步行康复训练车的转向控制办法，所述步骤如下：

(1)通过第一测距传感器和第二测距传感器分别采集d1和d2，其中d1为第一测距传感器与人体的相对距离；d2为第二测距传感器与人体的相对距离；

(2)通过跟随控制器计算出控制驱动电机的期望转速ufollow；

(3)通过转向控制器计算出当前的人体转向

(4)将作为转向控制器的期望转向

(5)根据实际转向与期望转向的偏差由转向控制器采用位置式pid，输出转向控制量；

(6)根据跟随控制器的输出量进行加减，控制第一驱动电机和第二驱动电机差速运动，达到转向的目的。

进一步的，所述步骤(3)中计算当前人体转向的具体步骤如下：

设定康复训练车车身坐标系和患者身体坐标系，并都采用右手定则确定；

康复训练车车身坐标系：车身坐标系原点oc位于第一测距传感器和第二测距传感器所在平面与第一驱动轮和第二驱动轮所在平面相交所形成的线段中点；xc轴位于第一测距传感器和第二测距传感器所在平面内，垂直于第一驱动轮和第二驱动轮中心线，正方向与车辆前进方向一致；yc轴位于第一测距传感器和第二测距传感器所在平面内，左侧为正；

患者身体坐标系：患者身体坐标系原点op位于第一测距传感器和第二测距传感器所在平面内，处于患者后背中心点；xp轴位于第一测距传感器和第二测距传感器所在平面内，方向与身体转向一致；yp轴将第一测距传感器和第二测距传感器所在平面作为零平面，左侧为正；

d1为第一测距传感器与人体的相对距离；d2为第二测距传感器与人体的相对距离；l为传感器的安装距离；依据上述坐标系和几何关系得到，患者相对车辆的转向角为

进一步的，所述步骤(2)中计算控制驱动电机期望转速ufollow的具体步骤如下：

(2.1)根据测距传感器测出的人体相对距离d1、d2，求出患者身体坐标系原点op与车相对距离为

(2.2)将dreal作为跟随控制器的期望跟随距离dexpect；

(2.3)根据实际转向dreal与期望转向的偏差derr＝dreal-dexpect，由跟随控制器采用增量式pi，输出跟随控制量ufollow＝ufollow+kpu*derr+kiu*∑derr，其中，kpu、kiu为跟随控制器的控制参数。

进一步的，所示步骤(5)中输出转向控制量的具体步骤如下：

其中，kp、ki、kd为控制参数。

进一步的，所示步骤(6)中根据跟随控制器的输出量进行加减的具体步骤如下：

跟随控制器的输出为ufollow，右电机控制输出为ufollow+uyaw，左电机控制输出为ufollow-uyaw。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过两个并行的激光测距传感器直接检测患者腰部与康复训练车的相对距离，经几何变换，解算出患者身体站向，并由控制算法调整两轮差速，使得康复训练车与患者转向一致，实现训练者自主跟随患者前进和转向。通过将测距传感器装在中部可以直接检测患者腰部动作，这样没有遮挡且精确度更高，能够更好的实现灵活的跟随患者转向的功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为具体实施例中康复训练车车身坐标系以及患者身体坐标系示意图；

图3为具体实施例中控制器的结构示意图；

图4为具体实施例中减重装置的结构示意图。

1-减重组件、1.1-第一减重吊绳、1.2-定滑轮、1.3-动滑轮组件、1.4-第二减重吊绳、1.5-减重驱动装置、1.6-减重控制系统、1.7-减重力反馈装置、2-第一测距传感器、3-第二测距传感器、4-扶手组件、5-车身支架、6-第一驱动系统、7-第二驱动系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1所示，一种下肢步行康复训练车，包括车身支架5，所述车身支架5底部两端分别设置有第一驱动系统6和第二驱动系统7，所述车身支架5顶部设置有减重组件1，所述车身支架5中部设置有扶手组件4，所述扶手组件4中部设置有第一测距传感器2和第二测距传感器3，所述减重组件1和第一驱动系统6、第二驱动系统7处在同一竖直面上。还设置有控制器，所述控制器包括跟随控制器和转向控制器。其中减重组件1主要为患者提供身体拉力，帮助其在下肢支撑力量不足的情况下依然可以训练步态。第一驱动系统6、第二驱动系统7处在同一竖直面上，便于转向时，车身是围绕患者转向。

如图4所示，减重装置包括第一减重吊绳1.1、定滑轮1.2、动滑轮组件1.3、第二减重吊绳1.4、减重驱动装置1.5、减重控制系统1.6和减重力反馈装置1.7，其中定滑轮1.2设置有两组，每组定滑轮1.2末端均设置有第一减重吊绳1.1，通过第一减重吊绳1.1来固定患者的肩膀可以减轻患者的受力。定滑轮1.2另一端与动滑轮组件1.3连接，定滑轮组件1.3通过第二减重吊绳1.4与第一减重吊绳1.1连接，第二减重吊绳1.4末端与减重驱动装置1.5连接并通过减重驱动装置1.5上的减重控制系统1.6控制减重驱动装置1.5运动从而带动第二减重吊绳1.4运动最后带动第一减重吊绳1.1帮助患者达到正常直立的位置。其中减重驱动装置1.5末端还设置有减重力反馈装置1.7，可以对于减重力进行实时反馈，保证减重效果和安全性能。

其中车身支架5上设置有调节装置，所述调节装置上设置有若干个调节孔，所述扶手组件4两端设置有与调节孔匹配的固定件。可以实现扶手组件4根据不同人的身高进行调节，还可以辅助患者手扶，进一步的提高训练车的安全性能。扶手组件4主要为患者提供辅助支撑，扶手组件4可以根据不同患者身高调节高度，保证第一测距传感器2和第二测距传感器3所测位置是患者腰部，从而为车辆跟随患者前进以及转向提供距离信息。

其中第一驱动系统6由第一驱动器、第一驱动电机、第一驱动轮构成；所述第二驱动系统7由第二驱动器、第二驱动电机、第二驱动轮构成。第一测距传感器2和第二测距传感器3之间的距离l为18cm，其中l选取小于大部分人穿上本康复训练车吊衣之后腰宽，但是能有效反应腰部运动。第一驱动轮和第二驱动轮单独控制，可以驱动康复训练车直线行驶，可以通过差速驱动车身转向。

如图2所示，康复训练车车身坐标系以及患者身体坐标系采用右手定则确定。

车身坐标系原点oc位于第一测距传感器2和第二测距传感器3所在测量平面与驱动轮中垂面交点；xc轴位于第一测距传感器2和第二测距传感器3所在测量平面内，垂直于两驱动轮中心线，正方向与车辆前进方向一致；yc轴位于第一测距传感器2和第二测距传感器3所在测量平面内，左侧为正。

患者身体坐标系原点op位于第一测距传感器2和第二测距传感器3所在测量平面内，处于患者后背中心点；xp轴位于第一测距传感器2和第二测距传感器3所在测量平面内，方向与身体转向一致；yp轴将第一测距传感器2和第二测距传感器3所在测量平面作为零平面，左侧为正。

如上所示，d1为第一测距传感器2与人体的相对距离；d2为第二测距传感器3与人体的相对距离；l为传感器的安装距离，该值固定为18cm。依据上述坐标系和几何关系可以推得，患者相对车辆的转向角为

如图3所示，控制器可以拆分为跟随控制器和转向控制器两个部分。

其中，跟随控制主要控制康复训练车跟随患者直行。跟随距离解算时，将第一测距传感器2和第二测距传感器3的距离均值所谓车与患者的相对距离，跟随控制器根据其计算出控制驱动电机的期望转速ufollow。

转向控制中，首先根据转向解算，即公式(1)，计算出当前的人体转向因在正常训练过程中，由于患者穿着会有一些突出物或者站位未居中，即使患者静止站立，d1与d2也常常不一致，即不为0。因此在患者触发康复训练车跟随运动时，将此时解算的人体站向作为转向控制器的期望转向在行走过程中，根据实际转向与期望转向的偏差由转向控制器采用位置式pid，如下式所示，输出转向控制量，并将其与跟随控制器的输出量进行加减，控制左、右电机差速运动，达到转向的目的。

其中，kp、ki、kd为控制参数。

跟随控制器的输出为ufollow，右电机控制输出为ufollow+uyaw，左电机控制输出为ufollow-uyaw。本发明通过两个测距传感器直接获取患者的转向，原理简单，响应速度快、反应灵敏。