技术领域
[0001] 本
发明属于康复运动器械技术领域，具体涉及一种专
门针对老年人设计的智能辅助站立装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 人口老龄化已经成为中国及欧美国家21世纪所面临的严峻挑战之一。在老龄化社会中，站立/起立(sit-to-stand)是许多老年人在独立生活中面临的首要问题。随着年龄增长，老年人的下肢肌肉
力量减小而可能不能独立完成起立动作。因此，开发一款适用于老年人起立的辅助装置变得极为必要。在过去的几十年中，虽然具有站立辅助功能的设备已经取得了重大进展，但是这些设备依然存在许多问题和局限。传统的站立辅助设备，例如升降椅，有体积大、缺乏智能等不足，并且为使用者提供完整起立全部动力，这将导致使用者的腿部肌肉强度不断下降以至使用者丧失独立起立能力。为了解决这一问题，作者开发出了一种针对具有站立困难的老年人的康复辅助系统，其可以通过实时监测使用者的动作和
膝关节力矩来提供最优的辅助策略(站立辅助，复健和运动平衡)。
发明内容
[0003] 为解决
现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种针对具有站立困难的老年人的康复辅助系统，通过实时监测使用者的动作和膝关节力矩来提供最优的辅助策略。
[0004] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：智能辅助站立装置，包括
底板，底板的一侧装有剪叉式升降
支架，底板的另一侧装有踩踏测力装置。
[0005] 剪叉式升降支架包括顶板，顶板与底板之间通过交叉布置的第一交叉架和第二交叉架
支撑，剪叉式升降支架的升降通过
水平执行器控制，根据人的运动辅助需要，通过水平执行器控制剪叉式升降支架的高度。
[0006] 顶板的顶部靠近踩踏测力装置的一侧与座椅测力装置的一端铰接，座椅测力装置的另一端自由，顶板的下部固定有悬架，悬架内装有倾斜执行器，倾斜执行器包括缸筒和套装在缸筒内的套件，套件的顶部与座椅测力装置铰接，套件下部的两根平行布置的滑动轴穿过缸盖后延伸至缸筒内，两根滑动轴的底部通过底盖连接，缸筒的顶部通过缸盖盖合，缸筒的下部铰接在悬架上，缸筒的底部固定有直流
电机，直流电机的
输出轴通过
耦合器与滚珠螺杆的底部连接，滚珠螺杆穿过底盖后通过
浮动轴承支撑在缸盖上，滚珠螺杆与底盖上的
滚珠螺母啮合。
[0007] 踩踏测力装置与座椅测力装置的结构相同，具体结构为：包括上托板和下托板，上托板与下托板之间通过多个测力感应装置支撑，多个测力感应装置用于测量上托板的受力，上托板与下托板之间通过多个滚动约束结构限位。
[0008] 人的
脚踏在踩踏测力装置上，人坐在座椅测力装置上，倾斜执行器的直流电机启动，直流电机带动滚珠螺杆转动，由于滚珠螺母与滚珠螺杆啮合，滚珠螺杆将旋转运动转换为底盖的直线运动，进而带动套件的上下运动，套件上升，将座椅测力装置顶起，由于座椅测力装置的一端铰接，座椅测力装置的倾斜
角度增加，将坐在座椅测力装置上的人向上顶起；套件下降，座椅测力装置的倾斜角度减小，坐在座椅测力装置回退到原始
位置。
[0009] 底板的顶部设有直线轨道，水平执行器包括水平电机、
变速器和滑动件，水平电机的输出轴通过变速器与水平螺杆连接，水平螺杆与滑动件内的
螺纹啮合，水平电机启动，水平螺杆在水平电机的带动下转动，进而带动滑动件在直线轨道上向外做直线运动，调节
控制器，水平螺杆反向运动，进而带动滑动件在直线轨道上向内做直线运动。
[0010] 第一交叉架与第二交叉架的中部铰接，第一交叉架的两端分别与顶板、底板铰接，第一交叉架的底端与底板的铰接处布置有电位器和转速器，第二交叉架的顶端与顶板铰接，第二交叉架的底端通过水平
传动轴与滑动件铰接，滑动件向外做直线运动，剪叉式升降支架的高度下降，滑动件向内做直线运动，剪叉式升降支架的高度上升。
[0011] 倾斜执行器的下部对称布置有两根卡装轴，两根卡装轴同轴心设置，两根卡装轴均与悬架铰接，倾斜执行器可相对于悬架转动。
[0012] 测力感应装置的数量为四个，上托板与下托板均为方形结构，四个测力感应装置分别等角度间隔安装在上托板与下托板所形成方形夹层区域的四个角上，四个测力感应装置的受力均匀，测量
精度更高。
[0013] 测力感应装置包括插头托架和感应器托架，插头托架通过
螺栓固定在上托板上，插头托架上固定有内嵌插头，感应器托架通过螺栓固定在下托板上，下托板内从下至上依次开有半径递减的第一卡槽、第二卡槽和插孔，第一卡槽、第二卡槽和插孔相互连通且同轴心布置，第一卡槽内装有测力感应器，第二卡槽内装有压环，内嵌插头穿过插孔后并通过固位簧环
定位在压环内，内嵌插头卡装在压环内，固位簧环限制上托板与下托板之间的上下移动。内嵌插头将上托板所受到的压力传递给测力感应器，多个测力感应器将采集到的受力信息传递给控制器进行收集和处理。
[0014] 滚动约束结构包括上面板和下面板，上面板与上托板通过螺栓固定，上面板上平行固定有两
块撑板，滚轮通过销轴铰接在两块撑板之间，下面板与下托板通过螺栓固定，下面板垂直固定第一竖板和第二竖板，滚轮的轮槽卡装在第一竖板与第二竖板之间。滚动约束结构通过滚轮来限制托盘水平面上的滑动且最小地减轻对垂直方向
摩擦力对测力的影响。
[0015] 智能辅助站立装置的控制方法，具体步骤如下：
[0016] 一、启动辅助站立装置；
[0018] 三、判断最佳运动控制模式是否符合安全标准，若安全标准变量 小于零，判定为危险，进入保护模式；
[0019] 四、若安全标准变量 大于或等于零，判定为安全，进入平衡标准判断，若平衡标准变量γCoP小于零，判定为
不平衡，进入平衡模式，并返回至安全标准再次判断；
[0020] 五、若平衡标准变量γCoP大于或等于零，判定为平衡，进入努力标准判断，若努力标准变量 小于零，进入鼓励模式，并返回至安全标准再次判断；
[0021] 六、若努力标准变量 大于或等于零，则判断站立动作是否完成，若站立动作未完成，返回至最佳运动控制模式进行调整，若站立动作完成，判定为结束。
[0022] 其中，在步骤五中，努力标准变量 的表达式如下：
[0023] 其中，Fc(t)是用户臀部与椅面的
接触力的测量值；
[0024] μthreshod是椅面接触力
阈值系数(μthreshold∈[0，1])；
[0025] 是最大椅面接触力；
[0026] θc(t)是椅面与水平面的角度。
[0027] 在步骤四中，平衡标准变量γCoP的表达式如下：
[0028] γCoP(t)＝xCoP(t)-xstable
[0029] 其中，xCoP是用户踝关节和脚下压力中心的水平距离的测量值；
[0030] xstable是用户可以保持平衡情况下，踝关节和脚下压力中心的水平距离的最大值。
[0031] 在步骤三中，安全标准变量 是用户臀部离座椅危险区域的距离；
[0032] 表达式为： 其中，lx是椅面压力中心与枢轴Oc间的距离；
[0033] ldanger是椅面压力中心与枢轴Oc间的所允许的危险距离。
[0034] 其中，
[0035] 一、鼓励模式：
[0036] 在鼓励模式中座椅角度控制表达式如下：
[0037] 其中：θc(ti)为所测量的座椅角度；
[0038] 为最大刺激座椅角度移动速率；
[0039] CE为刺激座椅角度移动速率的权重，也是鼓励模式模糊控制的输出；
[0040] 鼓励模式模糊控制器的输出CE∈[0，1]利用面积中心隶属函数来计算，公式如下,[0041] μβi∈[0，1]和是 和 的隐含模糊集合的隶属函数；uCi是模糊系统的输出；k代表规则数量。
[0042] 二、平衡模式：
[0043] 在平衡模式中座椅角度控制表达式如下，
[0044]
[0045] 其中， 是最大平衡站立座椅角度移动速率；
[0046] Ds是平衡站立座椅角度移动速率的权重，也是平衡模式模糊控制的输出；
[0047] 平衡模式模糊控制器的输出Ds∈[-1，0.5]利用面积中心隶属函数来计算，公式如下,
[0048] μγi∈[0，1]和是γCoP和 的隐含模糊集合的隶属函数.uDi是模糊系统的输出；k代表规则数量。
[0049] 三、最佳运动控制模式：
[0050] 运动模式中的站立轨迹依据最小
扭矩变化率模型得到。
[0051] 四、保护模式：
[0052] 辅助站立装置停止并自动向外部求救。
[0053] 本发明与现有技术相比，本发明设置有运动控制模式、鼓励模式、平衡模式和保护模式，分别用于实现站立辅助、康复、站立运动稳定平衡和安全使用四种功能，根据用户的不同需求来选择不同的运动控制模式，运行更加稳定，并在最大程度上减小膝关节扭矩。
附图说明
[0054] 图1为本发明的结构示意图。
[0055] 图2为本发明的正视结构示意图。
[0056] 图3为本发明的侧视结构示意图。
[0057] 图4为图2中倾斜执行器与座椅测力装置的连接结构示意图。
[0058] 图5为图1中座椅测力装4或踩踏测力装置的结构示意图。
[0059] 图6为图5中测力感应装置的结构示意图。
[0060] 图7为图4中倾斜执行器的结构示意图。
[0061] 图8为图5中滚动约束结构的结构示意图。
[0062] 图9为滚动约束结构的
正面结构示意图。
[0063] 图10为滚轮与第一竖板、第二竖板的安装关系示意图。
[0064] 图11为剪叉式升降支架的运行示意图。
[0065] 图12为测力板的力学示意图。
[0066] 图13为站立轨迹生成器和站立机械系统控制器的示意图。
[0067] 图14为本发明的控制原理图。
[0068] 图15为用户踝关节与脚下压力中心的水平距离的测量示意图。
[0069] 图16座椅测力装置4的力学示意图。
[0070] 图17为鼓励模式的控制原理图。
[0071] 图18为平衡模式的控制原理图。
[0072] 图19为用户足部支撑的示意图。
[0073] 图20为站立轨道生成器的运行示意图。
[0074] 图中，1为底板，11为直线轨道，2为剪叉式升降支架，21为顶板，22为第一交叉架，23为第二交叉架，24为水平执行器，241为水平电机，242为变速器，243为滑动件，25为悬架，
26为电位器，27为转速器，3为踩踏测力装置，31为上托板，32为下托板，33为测力感应装置，
331为插头托架，332为感应器托架，333为内嵌插头，334为测力感应器，335为压环，336为固位簧环，34为滚动约束结构，341为上面板，342为下面板，343为撑板，344为滚轮，345为第一竖板，346为第二竖板，4为座椅测力装置，5为倾斜执行器，51为缸筒，511为卡装轴，52为套件，53为滑动轴，54为底盖，541为滚珠螺母，55为缸盖，56为直流电机，57为耦合器，58为滚珠螺杆，59为浮动轴承。
具体实施方式
[0075] 为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0076] 如图1、图2、图3和图13所示，智能辅助站立装置，由站立机械系统、站立轨迹生成器和站立机械系统控制器组成，包括底板1，底板1的一侧装有剪叉式升降支架2，底板1的另一侧装有踩踏测力装置3。
[0077] 剪叉式升降支架2包括顶板21，顶板21与底板1之间通过交叉布置的第一交叉架22和第二交叉架23支撑，剪叉式升降支架2的升降通过水平执行器24控制，根据人的运动辅助需要，通过水平执行器24控制剪叉式升降支架2的高度。
[0078] 顶板21的顶部靠近踩踏测力装置3的一侧与座椅测力装置4的一端铰接，座椅测力装置4的另一端自由，顶板21的下部固定有悬架25，悬架25内装有倾斜执行器5，如图4和图7所示，倾斜执行器5包括缸筒51和套装在缸筒51内的套件52，套件52的顶部与座椅测力装置4铰接，套件52下部的两根平行布置的滑动轴53穿过缸盖55后延伸至缸筒51内，两根滑动轴
53的底部通过底盖54连接，缸筒51的顶部通过缸盖55盖合，缸筒51的下部铰接在悬架25上，缸筒51的底部固定有直流电机56，直流电机56的输出轴通过耦合器57与滚珠螺杆58的底部连接，滚珠螺杆58穿过底盖54后通过浮动轴承59支撑在缸盖55上，滚珠螺杆58与底盖54上的滚珠螺母541啮合。
[0079] 如图5所示，踩踏测力装置3与座椅测力装置4的结构相同，具体结构为：包括上托板31和下托板32，上托板31与下托板32之间通过多个测力感应装置33支撑，多个测力感应装置33用于测量上托板31的受力，上托板31与下托板32之间通过多个滚动约束结构34限位。
[0080] 人的脚踏在踩踏测力装置3上，人坐在座椅测力装置4上，倾斜执行器5的直流电机56启动，直流电机56带动滚珠螺杆58转动，由于滚珠螺母541与滚珠螺杆58啮合，滚珠螺杆
58将旋转运动转换为底盖54的直线运动，进而带动套件52的上下运动，套件52上升，将座椅测力装置4顶起，由于座椅测力装置4的一端铰接，座椅测力装置4的倾斜角度增加，将坐在座椅测力装置4上的人向上顶起；套件52下降，座椅测力装置4的倾斜角度减小，坐在座椅测力装置4回退到原始位置。
[0081] 底板1的顶部设有直线轨道11，水平执行器24包括水平电机241、变速器242和滑动件243，水平电机241的输出轴通过变速器242与水平螺杆连接，水平螺杆与滑动件243内的螺纹啮合，水平电机241启动，水平螺杆在水平电机241的带动下转动，进而带动滑动件243在直线轨道11上向外做直线运动，调节控制器，水平螺杆反向运动，进而带动滑动件243在直线轨道11上向内做直线运动。
[0082] 第一交叉架22与第二交叉架23的中部铰接，第一交叉架22的两端分别与顶板21、底板1铰接，第一交叉架22的底端与底板1的铰接处布置有电位器26和转速器27，第二交叉架23的顶端与顶板21铰接，第二交叉架23的底端通过水平传动轴与滑动件243铰接，滑动件243向外做直线运动，剪叉式升降支架2展开，剪叉式升降支架2的高度下降，滑动件243向内做直线运动，剪叉式升降支架2折叠，剪叉式升降支架2的高度上升。电位器26用于测量倾斜执行器5的下部对称布置有两根卡装轴511，两根卡装轴511同轴心设置，两根卡装轴511均与悬架25铰接，倾斜执行器5可相对于悬架25转动。
[0083] 测力感应装置33的数量为四个，上托板31与下托板32均为方形结构，四个测力感应装置33分别等角度间隔安装在上托板31与下托板32所形成方形夹层区域的四个角上，四个测力感应装置33的受力均匀，测量精度更高。
[0084] 如图6所示，测力感应装置33包括插头托架331和感应器托架332，插头托架331通过螺栓固定在上托板31上，插头托架331上固定有内嵌插头333，感应器托架332通过螺栓固定在下托板32上，下托板32内从下至上依次开有半径递减的第一卡槽、第二卡槽和插孔，第一卡槽、第二卡槽和插孔相互连通且同轴心布置，第一卡槽内装有测力感应器334，第二卡槽内装有压环335，内嵌插头333穿过插孔后并通过固位簧环336定位在压环335内，内嵌插头333卡装在压环335内，固位簧环336限制上托板31与下托板32之间的上下移动。内嵌插头333将上托板31所受到的压力传递给测力感应器334，多个测力感应器334将采集到的受力信息传递给控制器进行收集和处理。
[0085] 如图12所示，上托板31、下托板32的接触面合力为
[0086] WL＝F1+F2+F3+F4
[0087]
[0088]
[0089] 如图8-10所示，滚动约束结构34包括上面板341和下面板342，上面板341与上托板31通过螺栓固定，上面板341上平行固定有两块撑板343，滚轮344通过销轴铰接在两块撑板
343之间，下面板342与下托板32通过螺栓固定，下面板342垂直固定第一竖板345和第二竖板346，滚轮344的轮槽卡装在第一竖板345与第二竖板346之间。滚动约束结构34通过滚轮
344来限制托盘水平面上的滑动且最小地减轻对垂直方向摩擦力对测力的影响。
[0090] 如图14所示，智能辅助站立装置的控制方法，具体步骤如下：
[0091] 一、启动辅助站立装置；
[0092] 二、进入最佳运动控制模式；
[0093] 三、判断最佳运动控制模式是否符合安全标准，若安全标准变量 小于零，判定为危险，进入保护模式；
[0094] 四、若安全标准变量 大于或等于零，判定为安全，进入平衡标准判断，若平衡标准变量γCoP小于零，判定为不平衡，进入平衡模式，并返回至安全标准再次判断；
[0095] 五、若平衡标准变量γCoP大于或等于零，判定为平衡，进入努力标准判断，若努力标准变量 小于零，进入鼓励模式，并返回至安全标准再次判断；
[0096] 六、若努力标准变量 大于或等于零，则判断站立动作是否完成，若站立动作未完成，返回至最佳运动控制模式进行调整，若站立动作完成，判定为结束。
[0097] 其中，在步骤五中，努力标准变量 的表达式如下：
[0098] 其中，Fc(t)是用户臀部与椅面的接触力的测量值；椅面接触力阈值系数由护理者或者用户来设定(需要辅助越大，μthreshod取值越大)。
[0099] μthreshod是椅面接触力阈值系数(μthreshold∈[0，1])；
[0100] 是最大椅面接触力(根据最佳站立模型)；
[0101] θc(t)是椅面与水平面的角度。
[0102] 如图15所示，在步骤四中，平衡标准变量γCoP的表达式如下：
[0103] γCoP(t)＝xCoP(t)-xstable
[0104] 其中，xCoP是用户踝关节和脚下压力中心的水平距离的测量值；
[0105] xstable是用户可以保持平衡情况下，踝关节和脚下压力中心的水平距离的最大值。
[0106] 如图16所示，在步骤三中，安全标准变量 是用户臀部离座椅危险区域的距离；
[0107] 表达式为： 其中，lx是椅面压力中心与枢轴Oc间的距离；
[0108] ldanger是椅面压力中心与枢轴Oc间的所允许的危险距离。
[0109] 辅助站立装置包括四种控制模式：运动控制模式、鼓励模式、平衡模式和保护模式，分别实现站立辅助、康复、站立运动稳定平衡和安全使用四种功能，在运动控制模式中，最佳的站立轨迹是依据最小扭矩变化率模型得到的，因为它可以提供更平滑的轨迹和更少的运动所需的总关节扭矩。并且最小扭矩变化率模型还考虑了人体的物理参数(例如重量，惯性等)，使在优化过程中提供的个性化站立轨迹以便能更好地适用不同用户。鼓励模式通过减慢座椅辅助速率来提醒用户付出更多努力站立从而锻炼肌肉。在平衡模式中，系统通过控制辅助椅的位置和倾斜角度来平衡稳定用户站立动作。在保护模式中，系统紧急停止辅助系统并自动向外部求救。
[0110] 一、鼓励模式：用户站立动作施力值用座椅所测量用户臀部的接触力来判断。如果用户足够努力站立(施一定程度的力)，智能站立系统只需为用户要提供很少的帮助。如果用户不足够努力站立(施很少的力)，智能站立系统需要为用户要提供很多帮助。这样就会导致用户臀部和座椅之间的接触力变大。座椅的测力板用来测量用户臀部与座椅之间的接触力。鼓励模式中，系统通过减慢座椅辅助速率来提醒用户付出更多努力站立。突然减慢座椅速率会使用户臀部与座椅接触力变化，从而提醒用户用做出更多努力站立。
[0111] 如图11所示，在鼓励模式中座椅角度控制表达式如下：
[0112] 其中：θc(ti)为所测量的座椅角度；
[0113] 为最大刺激座椅角度移动速率；
[0114] CE为刺激座椅角度移动速率的权重，也是鼓励模式模糊控制的输出；
[0115] 如图17所示，鼓励模式模糊控制器的输出CE∈[0，1]利用面积中心隶属函数来计算，公式如下,
[0116] μβi∈[0，1]和是 和 的隐含模糊集合的隶属函数；uCi是模糊系统的输出；k代表规则数量。
[0117] 鼓励模式不仅可以用来提醒用户付出更多努力来锻炼腿部肌肉。并且可以辅助抗阻训练。在站立运动中，用户需要施力来对抗他的重力。努力标准的临界值可以根据用户的各种身体情况和康复计划来设定。对比传统的复健方式，智能站立系统可以非常有效的控制运动强度并且可以监控记录用户的表现。
[0118] 二、平衡模式：系统通过控制辅助椅的位置和倾斜角度来平衡稳定用户站立动作。脚下的测力板用来测量用户脚下的压力中心的位置来评估用户站立动作的动态
稳定性。当测量压力中心超出平衡区域从而触发平衡模式。智能站立系统主要解决前倾不稳定的情况。用户脚下压力中心的位置通过改变座椅斜度来控制。平衡模式利用Mamdani模糊控制结构，平衡标准变量γCoP与平衡标准变化率 是平衡模式模糊控制器的两个输入量。
[0119] 用户足下分成四个区域，分别为平衡区和少量前倾区和大量前倾区和前倾不稳定区。
[0120] 如图18、图19所示，在平衡模式中座椅角度控制表达式如下，
[0121]
[0122] 其中， 是最大平衡站立座椅角度移动速率；
[0123] Ds是平衡站立座椅角度移动速率的权重，也是平衡模式模糊控制的输出；
[0124] 平衡模式模糊控制器的输出Ds∈[-1，0.5]利用面积中心隶属函数来计算，公式如下,
[0125] μγi∈[0，1]和是γCoP和 的隐含模糊集合的隶属函数；uDi是模糊系统的输出；k代表规则数量。
[0126] 三、最佳运动控制模式：
[0127] 运动模式中的站立轨迹依据最小扭矩变化率模型得到。过大的膝关节扭矩是导致老年人站立动作失败的主要原因，然而老年人因为担心身体前倾会摔倒，他们本身的站立动作习惯会有非常大的膝关节扭矩，年轻人的站立动作习惯也需要非常大的关节扭矩变化率，因此这两种自然的站立轨迹模型都不适合辅助老年人完成站立动作。选择最小扭矩变化率模型是因为它可以提供更平滑的轨迹和更少的运动所需的总关节扭矩。
[0128] 四、保护模式：如图20所示，保护模式用来帮助用户避免站立过程中的危险(用户从智能站立系统座椅上滑落到地上)。当系统监测到危险情景，系统会紧急停止辅助系统并自动向外部求救。除了用户从座椅滑落，还有很多危险的情况如用户晕倒或者失去意识等。此智能站立系统保护模式没有办法
覆盖所有其他危险情况。
[0129] 本智能辅助站立装置还具有以下优点：一、可匹配不同椅子；二；用户不需要佩戴
传感器；三、体积小易安装无需改变任何家装；四、可根据用户的不同状态(不平衡的站立运动、不足够的站立努力等)提供更实适用的站立辅助方式。
[0130] 本智能站立系统是两个
自由度的机械系统，比较现有的一个自由度系统如电动沙发助站椅，升降椅等，运行更为灵活，更贴合人体自然站立动作，因此能够更有效地辅助人体起立动作(帮助用户有效的完成
重心的前移与上升)。
[0131] 本系统是座椅式站立辅助系统，相比于其他物理辅助方式，座椅辅助和腰部辅助能够更大程度改善用户站立平衡和减小膝关节扭矩，并且据调查显示，用户也更偏爱座椅辅助和把手辅助形式。
[0132] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。
