本发明涉及智能助行器的，特别涉及助行器智能交互控制装置及实现方法。
背景技术：
1、助行器也称为步行辅助器或行走辅助器，是一种用于帮助人们行走的设备。它通常用于老年人、残疾人或有行走困难的人，以提供额外的支持和稳定性，从而增加其行动能力和独立性。助行器的背景与人口老龄化和残疾人口的增加有关。随着全球人口老龄化现象的加剧，越来越多的老年人需要助行器来解决行走困难的问题。此外，一些疾病、意外事故或先天性残疾也可能导致人们需要助行器来恢复或改善其行走能力。
2、助行器通常由金属、塑料或其他材料制成，具有稳定的框架结构、舒适的手柄和防滑装置。主要类型包括：步行拐杖、步行架、助行步行器和轮椅步行器等。助行器的主要功能是提供必要的支撑力以补偿行走障碍人士腿部力量，并借助于助行器增加支撑点，提高人行走的稳定性。
3、新一代电动助行器通过整合各种技术，智能助行器能够感知周围环境，识别用户的意图，并相应地做出交互反应，进一步提供不同场景下有辅助行走功能，如助力、防止坡道上行走时腿部力量不足而失速摔倒等。更好地适应用户的个性化需求，提供更加智能和灵活的支持是智能助行器的发展方向。专利“助行器及其上坡助力下坡控速方法、系统、设备及介质(202311148642.1)”提出了一种助行器上坡分级助力下坡分级控速的设想，但该专利只是描述了一种助行器可能的控制结果及可能涉及的通讯方式，并没有表述诸如何测量、如何分级、如何控制的实质性技术方案，也没有考虑到非线性的分级控制带来的系统稳定性问题。专利“智能助行器控制系统(201810986449.8)”提出了一种助行器控制系统的功能化模块，并对各模块间的作用提出了设想，并通过测量手部对助行器的压力值来控制助行器的加速或减速。学位论文《智能助行器坡路助行控制方法研究》研究了基于驱动电机和磁流变阻尼器的混合控制方法。
4、现有技术主要特点是实质性设定了助行设备的运动参数，使用者必须熟悉并被动地适应这些设备的性能，缺少交互式的控制，也就不能自动适应使用者的身体状况，实现个性化的交互控制。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本发明公开了本发明提出了助行器智能交互控制装置及实现方法，实质性地提出了基于力传感技术的助行器智能交互控制方案。
2、一种助行器智能交互控制装置，智能交互控制装置包括固定连接于助行器左手把的左水平力传感器、左手把铅垂力传感器；固定连接于助行器右把手的右水平力传感器、右把手铅垂力传感器；以及固定连接于底座的第一倾角传感器和第二倾角传感器；其中右水平力传感器和左水平力传感器结构完全相同；左把手铅垂力传感器与右手把铅垂力传感器结构完全相同。
3、进一步的，在助行器左手把水平段的两侧固定安装有一组左水平力传感器的第一水平应变片、第二水平应变片，组成左手把水平力传感器基本机电转换装置，在在助行器左手把的铅垂段两侧固定安装有一组左手把铅垂力传感器；左手把铅垂力传感器包括第一铅锤应变片、第二铅锤应变片，组成左手把铅垂力传感器基本机电转换装置；在助行器右手把的水平段的两侧也固定安装有一组右水平力传感器的第三水平应变片、第四水平应变片，组成右手把水平力传感器基本机电转换装置，在助行器右手把的铅垂段两侧固定安装有一组右手把铅垂力传感器主要由第三铅锤应变片、第四铅锤应变片，组成右手把铅垂力传感器基本机电转换装置。
4、进一步的，第一倾角传感器和第二倾角传感器均采用双轴倾角传感器，能够测量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角；第一倾角传感器布置于助行器底座的左顶角，第二倾角传感器布置于助行器底座的右顶角，这样倾角传感器绕x轴旋转的角度即为助行器前进方向的坡度。
5、进一步的，控制模块可以采集到倾角传感器以及力传感器的数据，并对这些测量值取通带不高于10hz的低通滤波，计算出助行/控速模式下计算出所需的双轮线速度vlw与vrw，通过控制模块发送给电机驱动模块，从而驱动助行器辅助用户行走。
6、一种助行器智能交互控制装置的实现方法，具体步骤如下：
7、第一步：对所有传感器的测量值进行低通滤波：
8、使用助行器行走的人群都存在行走困难的问题，双脚着地的轮换频率不会高于3次，因此，对传感器的测量值取通带不高于10hz的低通滤波。倾角传感器的示值会受路面的平整度、轮子的直径和轮子的弹性、人的行走速度等多方面因素影响，也取通带不高于10hz的低通滤波。
9、并取时长高于1秒，低于10秒的时间段内传感器的平均值作为传感器的测量值。
10、第二步：通过倾角传感器的判断当路面的状态：
11、定义人前进的方向为x轴，可将路面的状态可分为上坡、平路、下坡三种。定义人前进方向的垂直方向为y轴，可能存在左右倾斜的情况，但考虑助行器只行走于人行路上，所以并不考虑左右倾斜的路况。因此，可用倾角传感器与来判断路面的情况，方法是：
12、设定第一倾角传感器的x轴角度为均值为δ1，第二倾角传感器的x轴角度为均值为δ2，记均值为所测得的路面倾斜角度，当绝对值小于0.5°至3°时，判断用户处于平路行走状态；大于0.5°至3°时，判断用户处于上坡行走状态；小于-0.5°至-3°时，判断用户处于下坡行走状态。
13、第三步：设定助行器的控制模式：
14、当用户为平路行走状态或上坡行走状态时，设定助行器为助行模式，进入第四步；当用户为下坡行走状态时，设定助行器为控速模式，进入第五步。
15、第四步：助行模式的控制方法：
16、在助行模式下，将用户作用于助行器的左侧的水平推力fld与右侧的水平推力frd取均值，记为fd。在助行模式下，将助行器的目标线速度设定为在时成比例。这意味着，如果用户增加对助行器施加的力，助行器的速度就会提升(但不会超出阈值vm1)；反之助行器就会降低速度。而当没有外力施加给助行器时，助行器就会自然停止。助行器在这种模式下可以快速响应用户的意图。在实际应用中，为了防止干扰而造成助行器不必要的位移，增加了死区(fdz1)，当所受到的水平力小于fdz1时，将其视为干扰，助行器不再主动辅助用户行走。设用户处于平路行走状态，即有：
17、
18、其中k1为比例系数，vr即为助行器的线速度，通过控制模块发送给电机驱动模块，驱动双轮线速度vlw＝vrw＝vr，从而驱动助行器辅助用户行走。当用户为上坡行走状态时，增大k1为k1′，保持死区fdz1与速度阈值vm1不变，此时当时，助行器设定的线速度会更大，对处于上坡状态的用户的助力效果会更明显。
19、比例系数k1根据用户自身的身体状态而定，当用户为老年人或者行动不便的人时，k1可取2-10；当用户为身体健康的成年人时，k1可取10-20；k1′取2k1即可。
20、第五步：控速模式控制方法：
21、在控速模式下，依然取用户作用于助行器左右两侧的水平推力均值为fd。当fd为正时，以一个较低的恒定速度vm2控制助行器行驶；当fd为负数时，说明助行器在下坡时受重力作用的加速度影响，使得用户与助行器之间的相对速度增加，从而对用户产生了拉力，因此力传感模块也感应到了用户相反方向的拉力。此时应进一步减小助行器线速度vr，具体公式如下：
22、
23、其中fdz2为负值。当用户对助行器的水平推力小于此值时，说明助行器对用户的拉力过大，此时对动力轮进行制动以保障用户的安全。当所测得坡面角度小于-6°时，保持fdz2与vm2不变，减小k2为k2′，此时当时，助行器设定的线速度会更小，控速效果更加明显。
24、比例系数k2根据用户自身的身体状态而定，当用户为老年人或者行动不便的人时，k2可取1-5；当用户为身体健康的成年人时，k2可取5-10；k2′取0.5k2即可。
25、第六步：转向控制方法：
26、用户在使用助行器时，不仅有助行与控速的需求，也会有转向的需求。在图5中，助行器的中心角速度设为ωr，又有中心线速度vr，则有如下公式：
27、
28、
29、
30、其中vlw为左轮线速度，vrw为右轮线速度，d为两轮之间的距离。因此，助行器转向时的角速度是由双轮线速度差值而决定的。当用户为直行意图时，设定vlw＝vrw＝vr，此时ωr为0，助行器保持直行。当用户为转向意图时，通过用户作用于助行器两侧竖直压力的差值进行差速转向。具体公式如下：
31、vlw＝vr+α*(fls-frs)
32、vlw＝vr-α*(fls-frs)
33、其中α为敏感系数，fls为用户作用于助行器的左侧竖直压力，frs为右侧竖直压力。结合上文角速度与线速度公式，便有：
34、
35、这样当两侧竖直压力差值变大时，角速度增大，同时vr保持不变，转向半径减小。这样当助行器从直行开始差速转向时，中心线速度会保持相对稳定，用户能够更平稳地使用助行器进行转弯，且通过两侧压力差距控制助行器的转向半径。
36、第七步：非正常行走情况控制：
37、该系统还增加了一些额外措施。助行器的使用者多数为老年人或行动不便的人，可能会有跌倒的风险。当用户在行走过程中突然失去平衡即将向助行器方向摔倒时，施加在助行器上的水平推力fd与竖直压力fs均会突然增加，此时不再依照前文方法控制助行器，将立即减速防止用户摔倒。具体如下：
38、记本次测量所得水平推力为fd，竖直压力为fs，上一次测量所得水平推力为fd′，竖直压力为fs′，且上一时刻的助行器线速度为vr′。当fd-fd′≥3(n)且fs-fs′≥3(n)，判定用户有向前摔倒的风险，此时控制助行器线速度vr＝β*vr′。β为小于1的无量纲系数，通常取0.2。
39、第八步：模式切换时的过渡状态控制：
40、当助行器的控制模式发生切换时，不同控制方法下助行器的目标线速度可能会有一定差距，此时设定助行器线速度从上一个模式线性变化到当前模式，具体如下。
41、当助行器处于助行模式时，路面坡度在1s内所测得数值均小于-0.5°至-3°时，判定助行器控制模式从助行模式切换为控速模式。类似地，当助行器处于控速模式时，路面坡度在1s内所测得数值均大于-0.5°至-3°时，判定助行器控制模式从控速模式切换为助行模式。设上一个模式的助行器目标线速度为vrp，当前模式的助行器目标线速度为vrn，则有：
42、
43、其中t为助行器从vrp线性变化到vrn的总时间，t为判断模式切换之后经过的时间。这样就能够实现线速度的线性变化，提升助行器用户的使用体验。
44、第九步：回到第一步。
45、本发明的有益效果是：
46、1、采用力传感与倾角传感相结合的方案，通过倾角传感判断当前用户的行走状态，在不同状态下通过用户对助行器的水平推力设定助行器的目标线速度，并且通过两侧竖直压力的差值实现助行器的差速转向。
47、2、与前文所述文献相比，本发明提出了通过竖直压力实现转向时的控制模式、用户产生跌倒风险时的控制模式以及模式切换时的过渡状态控制，并对每一种控制情况给出了具体的判据与控制方法。
1.一种助行器智能交互控制装置，其特征在于：智能交互控制装置包括固定连接于助行器左手把(6)的左水平力传感器(61)、左手把铅垂力传感器(62)；固定连接于助行器右把手(7)的右水平力传感器(71)、右把手铅垂力传感器(72)；以及固定连接于底座(8)的第一倾角传感器(81)和第二倾角传感器(82)；其中右水平力传感器(71)和左水平力传感器(61)结构完全相同；左把手铅垂力传感器(62)与右手把铅垂力传感器(72)结构完全相同。
2.根据权利要求1所述的一种助行器智能交互控制装置，其特征在于：在助行器左手把(6)水平段的两侧固定安装有一组左水平力传感器的第一水平应变片(611)、第二水平应变片(612)，组成左手把水平力传感器基本机电转换装置，在在助行器左手把(6)的铅垂段两侧固定安装有一组左手把铅垂力传感器(62)；左手把铅垂力传感器(62)包括第一铅锤应变片(621)、第二铅锤应变片(622)，组成左手把铅垂力传感器基本机电转换装置；在助行器右手把(7)的水平段的两侧也固定安装有一组右水平力传感器的第三水平应变片(711)、第四水平应变片(712)，组成右手把水平力传感器基本机电转换装置，在助行器右手把(7)的铅垂段两侧固定安装有一组右手把铅垂力传感器主要由第三铅锤应变片(721)、第四铅锤应变片(722)，组成右手把铅垂力传感器基本机电转换装置。
3.根据权利要求1所述的一种助行器智能交互控制装置，其特征在于：第一倾角传感器(81)和第二倾角传感器(82)均采用双轴倾角传感器，能够测量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角；第一倾角传感器(81)布置于助行器底座(8)的左顶角，第二倾角传感器(82)布置于助行器底座(8)的右顶角，这样倾角传感器绕x轴旋转的角度即为助行器前进方向的坡度。
4.一种助行器智能交互控制装置的实现方法，其特征在于；包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种助行器智能交互控制装置的实现方法，其特征在于；所述第二步具体包括：定义人前进的方向为x轴，可将路面的状态可分为上坡、平路、下坡三种；定义人前进方向的垂直方向为y轴，可能存在左右倾斜的情况，但考虑助行器只行走于人行路上，所以并不考虑左右倾斜的路况；因此，用第一倾角传感器(81)与第二倾角传感器(82)来判断路面的情况，方法是：设定第一倾角传感器(81)的x轴角度为均值为δ1，第二倾角传感器82的x轴角度为均值为δ2，记均值为所测得的路面倾斜角度，当绝对值小于0.5°至3°时，判断用户处于平路行走状态；大于0.5°至3°时，判断用户处于上坡行走状态；小于-0.5°至-3°时，判断用户处于下坡行走状态。
6.根据权利要求4所述的一种助行器智能交互控制装置的实现方法，其特征在于；第四步：助行模式的控制方法：
7.根据权利要求4所述的一种助行器智能交互控制装置的实现方法，其特征在于；第五步：控速模式控制方法：在控速模式下，依然取用户作用于助行器左右两侧的水平推力均值为fd；当fd为正时，以一个较低的恒定速度vm2控制助行器行驶；当fd为负数时，说明助行器在下坡时受重力作用的加速度影响，使得用户与助行器之间的相对速度增加，从而对用户产生了拉力，因此力传感模块也感应到了用户相反方向的拉力；此时应进一步减小助行器线速度vr，具体公式如下：
8.根据权利要求4所述的一种助行器智能交互控制装置的实现方法，其特征在于；第六步：转向控制方法：
9.根据权利要求4所述的一种助行器智能交互控制装置的实现方法，其特征在于；第七步：非正常行走情况控制：当用户在行走过程中突然失去平衡即将向助行器方向摔倒时，施加在助行器上的水平推力fd与竖直压力fs均会突然增加，此时不再依照前文方法控制助行器，将立即减速防止用户摔倒；具体如下：
10.根据权利要求4所述的一种助行器智能交互控制装置的实现方法，其特征在于；第八步：模式切换时的过渡状态控制：当助行器的控制模式发生切换时，不同控制方法下助行器的目标线速度可能会有一定差距，此时设定助行器线速度从上一个模式线性变化到当前模式，具体如下；
