本发明涉及康复助行机器人的技术，特别涉及一种轮式主动安全防护康复助行机器人及使用方法。
背景技术：
1、人口老龄化问题将给经济、医疗、养老服务等领域带来巨大挑战。随着老年人身体机能的慢慢降低，增加了行走跌倒的风险，老年人辅助行走的需求大大增加，无论是居家行动还是室外行走，适当的医疗保障和康复机器人成为目前亟需跟进的资源和举措。
2、现有技术公布了多种辅助行走的康复助行机器人，包括外骨骼式康复助行机器人以及多种移动助行器，其中外骨骼式康复助行机器人适合下肢肌力十分虚弱且不具备行走能力的老年人或患者使用，助步架式的可移动助行器适合下肢力量弱且仅具备部分行走能力的老年人或患者使用，杖式智能康复助行机器人适用于具有基本的行走能力但仍需支援的老年人或患者。然而这些现有的设备功能单一，多为移动辅助，智能化程度不高，缺乏主动防护的功能。
技术实现思路
1、发明目的：本发明的目的是提供一种安全、稳定、智能化的轮式主动安全防护康复助行机器人及使用方法。
2、技术方案：本发明一方面提供所述轮式主动安全防护康复助行机器人，包括全向运动装置、传感检测系统和安全防护响应系统，所述传感检测系统检测到的数据传输给工控机进行处理和判断，依据判断结果响应相应的安全防护响应系统，所述全向运动装置包括多层助行架和运动控制器，所述多层助行架包括上层助行架和下层助行架，两者通过高度调节装置连接，所述传感检测系统安装在多层助行架上。
3、进一步地，高度调节装置通过将可伸缩的液压柱和滑轨连接上层助行架和下层助行架，且可伸缩的液压杆可以适应用户不同身高。
4、进一步地，所述运动控制器包括前端麦克纳姆轮、后端动力轮、工控机、电机，工控机设置在下层助行架底部。
5、进一步地，下层助行架底部前段左右各分布1个麦克纳姆轮，上层助行架底部后段左右各分布1个后端动力轮，电机通过电机固定架与下层助行架连接，电机与后端动力轮通过电机固定架套杯内的轴承连接，工控放置在助行架底部。
6、进一步地，所述传感检测系统包括激光雷达、力传感器、腰部激光测距仪和腿部激光测距仪，激光雷达设置在助行器前部，用于检测环境障碍物信息，腿部激光测距仪设置在下层助行架上，用于监测到使用者的下肢前后运动的状态，助行器腰部激光测距传感器放置于上层助行架，用于检测使用者腰部的位移和状态，力传感器设置在上层助行架上且与扶手连接，激光雷达、力传感器、腰部激光测距仪和腿部激光测距仪通过高速usb接口与工控机相连。腿部监测激光测距仪用于检测使用者腿部运动数据。腰部激光测距传感器用于检测使用者腰部的位移和状态。激光雷达用于检测环境障碍物信息。
7、进一步地，力传感器为薄膜压力传感器，组成力传感器矩阵把手，每个力传感器矩阵把手由8个薄膜压力传感器组成，8个薄膜压力传感器以平均间距的形式分布在助行器把手，用于检测使用者上肢的力数据从而获取使用者的运动意图。
8、进一步地，智能助行器上有4个把手，具有供俯卧模式和推压模式两种使用方式，俯卧模式是指用户上半身趴在助行器的机身上，使用前部俯卧扶手；推压模式类似于推车，使用后部的推压扶手。
9、安全防护响应系统包括转向防护和前进防护，当检测到用户在上坡，实施助力上坡，检测到用户下坡时，主动控速防止速度过快下降，检测跌倒时，向跌倒趋势的反方向运动并及时制动。
10、工控机根据检测到的力数据和腿部运动数据得到使用者的运动意图和运动状态，从而实现辅助使用者进行行走运动及对使用者的运动状态监测，具有跌倒预判功能，同时控制主动安全防护响应算法实现对使用者的防跌倒辅助。
11、本发明的另一方面提供所述的轮式主动安全防护康复助行机器人的使用方法，传感检测系统通过激光雷达、力传感器和四个激光测距仪实时监测使用者的力数据、环境障碍物信息和腿部运动信息，通过高速usb接口将这些信息传输给工控机，如果使用者状态正常，环境周围没有障碍物，工控机障碍物信息和腿部运动信息，通过高速usb接口将这些信息传输给工控机通过力数据得到使用者的运动意图，并将运动意图传输给全向助行架，使得电机驱动动力轮运动，从而使得机器人顺应使用者运动，为使用者在行走时提供辅助；如果使用者状态异常，环境周围检测到障碍物，工控机通过避障运动控制算法进行运动规划，引导使用者避开障碍物；如果检测到用户在上坡，实施助力上坡，检测到用户下坡时，主动控速防止速度过快下降；如果检测到使用者有跌倒趋势，工控机会执行跌倒防护控制算法控制响应运动，朝跌倒趋势的反方向运动并及时制动，从而阻止运动趋势，保证使用者的稳定和安全。
12、安全防护控制算法的具体实现方式为：对于转向防护，根据激光雷达检测的障碍物距离信息、使用者和机器人的力交互信息，作为控制电机行进方向的信号输入，将助行器的转向特征分为5个标签，即大左转，小左转，直行，小右转和大右转。当未检测到障碍物信息或用户的两只把手的转向力的差接近零的时候，其转向期望更容易接近零；而随着障碍物的距离靠近或用户双侧转向力的差慢慢增大，转向期望开始加速变大；当障碍物的距离或者转向力的差达到一定范围的时候，转向期望已经进入临界状态，不再变大，助行器将以内置的最大转向角速度转向。对于跌倒防护，使用助行器手柄上的力传感器矩阵检测用户的上肢力信号，使用激光测距传感器检测用户的下肢运动信号，通过卡尔曼滤波算法进行多传感器数据融合，分析出用户的意图速度。对融合后的数据采用改进的序贯概率比检验方法检测用户是否发生跌倒。如果检测到使用者有跌倒趋势，根据使用者和机器人的稳定状态的期望位置反向运动阻止跌倒趋势直到达到稳定状态并制动，从而形成缓冲运动直至使用者和机器人回到稳定状态。
13、进一步地，所述跌倒检测方法，根据改进的序贯概率比检验算法来判断跌倒是否发生，通过对序贯概率比检验添加前置条件和权重，其中，把手被完全放开或者瞬间受力上升幅度作为前置条件，且前置条件为左右把手力数值叠加之和，并为上肢给予更高的权重来优化决策函数，当决策函数δ(k)大于等于下限阈值lnb时不做修正，当小于lnb时将决策函数δ(k)修正为δ′(k)，不会对负值进行累加，进一步提升检测延迟和降低误判率。
14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15、本发明智能助行器专用的薄膜压力传感器矩阵把手，实现用户对助行器的多方位力信号感应，使用户能够通过力传感器来控制助行器的前进、转向等行动，大大降低了用户的学习成本。专门设计的力传感器矩阵把手，可以在漫长的使用过程中，持续不断的贴合同一个用户的使用习惯，使用户“越用越顺手”。针对用户的跌倒行为实施实时监测与主动防护，为智能助行器的安全供了保障。能够对步态失稳用户进行助行与保护，同时提供躯干部位的固定与保护，保证在助行的同时保证安全。
1.一种轮式主动安全防护康复助行机器人，其特征在于，包括全向运动装置、传感检测系统和安全防护响应系统，所述传感检测系统检测到的数据传输给工控机(23)进行处理和判断，依据判断结果响应相应的安全防护响应系统，所述全向运动装置包括多层助行架和运动控制器，所述多层助行架包括上层助行架(11)和下层助行架(12)，两者通过高度调节装置(15)连接，所述传感检测系统安装在多层助行架上。
2.根据权利要求1所述的轮式主动安全防护康复助行机器人，其特征在于，
3.根据权利要求2所述的轮式主动安全防护康复助行机器人，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的轮式主动安全防护康复助行机器人，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的轮式主动安全防护康复助行机器人，其特征在于，
6.根据权利要求5所述的轮式主动安全防护康复助行机器人，其特征在于，4个把手通过分布其上的8个力传感器(32)实现力数据的检测，8个力传感器(32)组成传感器矩阵。
7.权利要求1-6任一项所述的轮式主动安全防护康复助行机器人的使用方法，其特征在于，传感检测系统通过力传感器(32)、激光雷达(31)、腰部激光测距仪(33)和腿部激光测距仪(34)实时监测使用者的力数据、环境障碍物信息和腿部运动信息，通过高速usb接口将信息传输给工控机(23)，如果使用者状态正常，环境周围没有障碍物，工控机(23)通过力数据得到使用者的运动意图，并将运动意图传输给全向运动装置，随即电机(24)驱动麦克纳姆轮(21)运动，进行主动转向运动；如果使用者状态异常，环境周围检测到障碍物，工控机(23)通过避障运动控制算法进行运动规划，引导使用者避开障碍物，如果检测到使用者有跌倒趋势，工控机(23)会执行跌倒防护控制算法控制响应运动，朝跌倒趋势的反方向运动并及时制动，从而阻止运动趋势，保证使用者的稳定和安全。
8.根据权利要求7所述的轮式主动安全防护康复助行机器人的使用方法，其特征在于，所述跌倒防护控制算法的实现方式为：使用助行器手柄上的力传感器矩阵检测用户的上肢力信号，使用激光测距传感器检测用户的下肢运动信号，通过卡尔曼滤波算法进行多传感器数据融合，对融合后的数据采用改进的序贯概率比检验方法检测用户是否发生跌倒，如果检测到使用者有跌倒趋势，根据使用者和机器人的稳定状态的期望位置基于有限时间控制算法计算出反向运动阻止跌倒趋势直到达到稳定状态的期望速度，从而形成缓冲运动直至使用者和机器人回到稳定状态。
9.根据权利要求7所述的轮式主动安全防护康复助行机器人的使用方法，所述避障转向运动控制算法的实现方式为：根据激光雷达(31)的环境信息，设定一个探测区域，采用矩形条件判断障碍物是否存在，当前向激光测距仪的扫描点中存在任意一个扫描点满足矩形条件时则判定矩形区域内存在障碍物，设置5个位置区域判定条件，并作为位移控制电机行进方向的信号输入；将助行器的避障转向特征分为5个标签，即大左转，小左转，直行，小右转和大右转，当未检测到障碍物信息的时候，其转向期望更容易接近零；而随着障碍物距离慢慢减小，转向期望开始加速变大；当目标距离达到一定范围的时候，转向期望已经进入临界状态，不再变大，助行器将以内置的最大转向角速度转向。
10.根据权利要求7所述的轮式主动安全防护康复助行机器人的使用方法，所述主动转向运动的控制算法实现方式为：根据使用者和机器人的力交互信息，针对力传感器矩阵把手，采用矢量叠加的方法，将施加在助行器把手上的力分解为水平和垂直两个方向，并作为力控制电机行进方向的信号输入；将助行器的转向特征分为5个标签，即大左转，小左转，直行，小右转和大右转，当用户的两只把手的转向力的差接近零的时候，其转向期望更容易接近零；而随着转向力的差慢慢增大，转向期望开始加速变大；当转向力的差达到一定范围的时候，转向期望已经进入临界状态，不再变大，助行器将以内置的最大转向角速度转向。
