本發明涉及一種智能安全保護的人體下肢康復訓練機器人，屬于醫用設備技術領域。

背景技術：

目前康復機器人已經廣泛應用到康復護理、康復輪椅，康復機械手，假肢等，這不僅促進了康復醫學的發展，也帶動了相關領域的新技術、新領域的發展。康復機器人作為機器人領域的一個重要分支，綜合了機器人學、機械學、生物醫學、電子學、計算機學、材料學等諸多領域，已經成為國際領域的一個研究熱點。

現有專利(CN 201610101145.X)，現有機器人具有下肢康復訓練功能，并具有一定步態檢測和防摔倒功能。但現有的步態檢測技術需要患者佩戴特定的設備且總體成本昂貴，對運動意圖的判斷準確率不高，對摔倒的判定采用單一的判定手段進行，準確率不夠，會出現誤判。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有技術對摔倒的判定采用單一的判定手段進行，準確率不夠的問題，提供一種智能安全保護的人體下肢康復訓練機器人。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種智能安全保護的人體下肢康復訓練機器人，包括：車架、減重吊帶保護裝置、驅動控制系統、顯示屏和拉力傳感器；還包括：光電檢測系統。

光電檢測系統包括：發送器、接收器、檢測電路構成。發送器與接收器分別安裝在車架的兩側；檢測電路與接收器同側安裝；

發送器對準接收器不間斷地發射光束，發射的光會被所述接收器接收或被測物體擋住，接收器會將接收的光信號轉換成電信號，檢測電路對用以檢測由接收器輸出的電信號，除去雜質濾出有效信號，并將有效電信號傳輸給主控板。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，且可測參數多，傳感器結構簡單，形式靈活、體積小的特點；

用戶打開電源，系統通電，進入待運行狀態；用戶操控控制桿，即可通過控制桿向主控板發指令，主控板通過驅動器驅動驅動輪前進或通過兩輪的速度差進行轉向；安裝于本智能安全保護的人體下肢康復訓練機器人上的速度采集卡會采集速度信息實時顯示在顯示屏上；拉力傳感器將拉力數據傳輸給數據采集板，數據采集板將拉力數據信息反饋給主控板；同時，光電檢測系統將檢測電路采集到的步態信息反饋給主控板；主控板對拉力數據信息和步態信息進行處理，判斷用戶是否存在跌倒可能，如果存在跌倒可能，則啟動急停開關，剎車和減重吊帶保護用戶，防止用戶跌倒；數據采集板和速度采集板獲得的數據都將同時顯示在顯示屏上。

所述主控板對拉力數據信息和步態信息進行處理的方法為：

步驟一、拉力傳感器采集患者腰部作用力的拉力數據，并與設定的跌倒拉力數據閾值進行對比；如果采集的拉力數據大于所述閾值，則主控板輸出信號“1”；否則主控板輸出信號“0”；

步驟二、光電檢測系統采集到的步態信息與設定的正常步態信息進行對比；若與正常步態信息不同，則主控板輸出信號“1”；否則主控板輸出信號“0”；

步驟三、主控板對步驟一與步驟二輸出的信號進行綜合判斷；當二者輸出的信號均為“1”時，主控板作出“跌倒”的判定，此時開啟防護系統。

車架包括：機器人整體外殼、驅動輪、從動輪；

減重吊帶裝置包括：減重吊帶，減重吊帶穿于患者腰部、腿部，當主控板通過特定程序算法判斷用戶存在摔倒可能時起到安全防護作用。

驅動控制系統包括：電源開關、控制桿、可充電電源、驅動電機、ARM主控板、驅動器、電機、速度采集卡、急停開關。電源開關接通電源，為電機、驅動器、主控板等各設備供電；控制桿控制機器人的行進速度和轉向；急停控制開關控制機器人停止與行走。所述ARM主控板分析處理所述數據形成相應驅動指令，驅動指令控制所述驅動電機，使所述人體下肢運動康復訓練機器人前進、后退、左轉、右轉或急停；并通過程序算法分析拉力傳感器和光電傳感器采集到的信息，對用戶是否存在摔倒可能進行判斷，如果發現存在摔倒可能，向急停開關發急停指令，電機停轉、剎車、減重吊帶提供安全保護；所述速度采集卡實時采集電機轉速并反饋給主控板。

顯示屏包括：顯示屏、數據采集板，數據采集卡內置于顯示屏的外殼內。顯示屏實時顯示機器人行進速度、行走方向、訓練模式，以及拉力傳感器采集到的力學數據和光電傳感器采集到的膝關節和踝關節位置信息；

拉力傳感器包括：拉力傳感器，安裝于車體與減重吊帶結合部，拉力傳感器采集患者腰部作用力的大小、方向，實時將拉力數據傳輸給數據采集板，通過主控板判定用戶是否存在摔倒可能。

有益效果

(1)主控板將采集到的拉力傳感器和光電傳感器信息通過程序算法對兩者信息融合進行跌倒判定，光電傳感器和拉力傳感器兩類信號融合判斷，可提高判斷的準確性，尤其是摔倒判定，提升機器人安全性能。

(2)本發明通過光電檢測系統檢測患者步行過程中膝蓋、腳踝等位置的信息，通過對位置信息的實時檢測，形成步態健康狀況報告，通過主控板(ARM)中的程序算法對采集到的膝蓋和腳踝位置信息進行模態轉換，判斷用戶運動意圖，并對用戶是否會出現摔倒狀況進行判斷。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為本發明的俯視圖；

圖3為本發明光電檢測示意圖；

圖4為本發明控制系統圖。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。

實施例1，用戶賈某，男，56歲，體重70KG，身高160CM，偏癱患者。其在康復訓練過程中的病足“正常”步長,30-55CM,患病前步長為20-40CM，病足單步時間為9S，正常足單步時間為0.8S，依照其情況，在車架與減重吊帶連接處的左前、左后、右前、右后位置安裝拉力傳感器，設置拉力傳感器的跌倒判定閾值為171.5N，當四個拉力傳感器中的任何一個值大于171.5N時，主控板反饋信號“1”(注：滿足跌倒條件)，否則反饋信號“0”；光電傳感器從用戶站立初始位置沿步行前進方向按10cm間隔等距布置7組，當第二組光電傳感器在3S內連續產生檢測信號或第七組光電傳感器因用戶腿部遮擋而產生檢測信號變換時，主控板反饋信號“1”(注：滿足跌倒條件)，否則反饋信號“0”；主控板內剎車和減重吊帶安全保護系統啟動的條件為拉力傳感器跌倒判定反饋信號為“1”及光電傳感器跌倒判定反饋信號為“1”同時滿足。第5組和第6組間光電傳感器檢測信號可反映用戶病態步數多少，通過統計可形成患者健康狀況報告，長時間康復訓練和檢測可反映患者的康復進展情況。

參見附圖1，一種智能安全保護的人體下肢康復訓練機器人，它包括：機器人整體外殼、電源、驅動電機、主動輪、從動輪、剎車系統；

參見附圖2：患者的康復訓練在機器人車架范圍內；

參見附圖3：發送器(51)和接收器(52)及檢測電路(53)構成。發送器發射光線會被接受器接收或被被測物體擋住，接收器會將接收的光信號轉換成電信號并由檢測電路檢測到，檢測電路對是否接收到電信號做出相應的反應，濾出有效信號和應用該信號，主控板(35)通過編制好的程序算法對跌倒進行判定處理——光電傳感器從用戶站立初始位置沿步行前進方向按10cm間隔等距布置7組，當第二組光電傳感器在3S內產生連續檢測信號或第七組光電傳感器因用戶腿部遮擋而產生檢測信號變換時，主控板反饋信號“1”(注：滿足跌倒條件)，否則反饋信號“0”；主控板內剎車和減重吊帶安全保護系統啟動的條件為拉力傳感器跌倒判定反饋信號為“1”及光電傳感器跌倒判定反饋信號為“1”同時滿足。第5組和第6組間光電傳感器檢測信號可反映用戶病態步數多少，通過統計可形成患者健康狀況報告，長時間康復訓練和檢測可反映患者的康復進展情況。

參見附圖4：控制系統主要包括電源開關、ARM主控板、驅動器、電機、急停開關、可充電電源、速度采集卡。用戶打開電源，系統通電，進入待運行狀態；用戶操控控制桿，即可通過控制桿向主控板發指令，主控板通過驅動器驅動驅動輪前進或通過兩輪的速度差進行轉向；安裝于本智能安全保護的人體下肢康復訓練機器人上的速度采集卡會采集速度信息實時顯示在顯示屏上，同時，拉力傳感器、光電傳感器將通過數據采集板采集用戶的步態信息并反饋給主控板，主控板對信息進行處理、判斷用戶是否存在跌倒可能，如果存在跌倒可能，則啟動急停開關，剎車和減重吊帶將保護用戶，防止用戶跌倒；數據采集板和速度采集板獲得的數據都將同時顯示在顯示屏上。

綜上，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。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。