下肢康复外骨骼机器人步态相位切换研究
人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状
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外 骨 骼 （ｘ ｓｅｅ ｎ 一 词 来 源 于 生 物 学 ， ｅ ｏｋ ｌ ｏ ） ｔ 是
骨 骼机 器人 是将 人 的智 慧 与机 器 的机械展 了 】 ０ ０年 “增 强 人 体 机 能 的 外 骨 骼 ”（ ｘ ｓ ｅ ｔｎ ｏ Ｅ ｏｋ ｌ ｏ ｓｆｒ ｅ
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目［］自此 ， 骨骼 机 器人 的开 发 与应 用逐 渐进 入 ３， － ４ 外
【 要】外骨骼机 器人 是将人 的智慧与机器的机械动力装置相结合 的一种机器人 ， 摘 不仅可 以为操 作者提供
保护 、 身体支撑等 功能， 还可 以在 操作者 的控制 下完 成一定的功能和任务 ， 应用前 景巨大。文 中阐述人体 下肢
人体下肢外骨骼康复机器人的研究
人体下肢外骨骼康复机器人的研究人体下肢外骨骼康复机器人的研究引言随着全球人口老龄化趋势的加剧，骨骼肌肉系统疾病与下肢功能障碍问题在人们生活中变得越来越突出。
为了帮助患者恢复下肢功能，并提高其生活质量，科学家们致力于开发一种先进的康复技术。
人体下肢外骨骼康复机器人在这一领域中崭露头角，成为一种极具潜力的康复辅助工具。
本文将探讨人体下肢外骨骼康复机器人的研究现状、应用前景以及机器人技术的挑战。
1. 下肢外骨骼康复机器人的研究现状下肢外骨骼康复机器人是一种通过机器人技术将机械结构与人体下肢结合，实现康复治疗的辅助工具。
这种技术的发展可以追溯到上世纪六十年代早期，随着现代机器人技术的不断进步，下肢外骨骼康复机器人在功能、性能和安全性等方面都有了显著的改进。
现阶段，下肢外骨骼康复机器人的研究主要集中在三个方面：机械结构、动力系统和康复控制系统。
机械结构方面，研究人员通过对人体下肢生理特征的深入研究，设计了与人体骨骼结构相似的外骨骼骨架，以提供足够的支撑力和稳定性。
同时，采用轻质材料和模块化设计，使机器人更加舒适和灵活。
动力系统方面，目前主要采用液压、气压和电机等方式实现力与力矩的输出，并利用相关传感器实时监测人体肌肉力输出，以保持与人体行走协调。
康复控制系统方面，人体下肢外骨骼康复机器人通过传感器获取患者行走姿态和力度等重要信息，并采用先进的控制算法来协调机器人与人体的动作。
这种控制系统可以根据个体的需求进行自适应调整，如加强力量输入、改变步态模式等。
2. 人体下肢外骨骼康复机器人的应用前景人体下肢外骨骼康复机器人具有广阔的应用前景。
首先，它可以帮助康复患者重新恢复行走能力，截肢患者可以恢复走路，下肢麻痹患者可以提高其行走速度和稳定性。
其次，对于行走工作环境极端困难的军事、消防和救援人员，该技术可以提供额外的力量和稳定性，减少劳动强度和防止意外伤害。
此外，人体下肢外骨骼康复机器人还可以在体育训练和娱乐活动中发挥重要作用，帮助运动员提高成绩和保护身体。
机器人外骨骼辅助康复技术研究
机器人外骨骼辅助康复技术研究第一章：引言机器人外骨骼辅助康复技术是指通过机器人外骨骼设备来帮助残疾人士康复，恢复运动能力的技术。
随着社会的不断发展，人类生活水平不断提高，老龄化人口的增加，意外事故的频发等原因，身体残疾、丧失肢体运动能力的人越来越多，这种技术的应用正在得到越来越广泛的关注。
本文将从外骨骼的机理、辅助康复的相关技术、应用场景等方面展开研究和探讨。
第二章：机器人外骨骼相关知识机器人外骨骼，顾名思义，就是由机器人构成的骨骼结构，用于增强人体运动系统的能力。
外骨骼的结构可以根据其功能分为两类，即上肢外骨骼和下肢外骨骼。
上肢外骨骼一般由手部机械手臂、肩部外骨骼与身体下部连接的复合系统等构成。
它可以通过电子传感器识别人的自然运动，传达相应的信号来控制骨骼的动作。
上肢外骨骼的治疗病种主要是手臂运动障碍和脊髓损伤导致的肌肉系统功能障碍等。
下肢外骨骼则是由机器人外骨骼构成的支架，具有下肢骨骼结构，与人的膝盖、脚踝、大腿等相连接，可以实时通过电子传感器对人的活动进行识别，控制其骨骼的动作。
下肢外骨骼的治疗病种主要是下肢骨折、瘫痪、关节疾病等需要恢复步态的病人。
第三章：机器人外骨骼辅助康复相关技术机器人外骨骼辅助康复技术主要由电子技术、仿生学和工程学等多个领域的技术集成而成。
其中重要的技术包括：1. 传感技术机器人外骨骼所需的传感器可以传递运动信息，控制外骨骼的动作，还可以将患者的数据传递给康复师或医生进行分析。
2. 动力学技术动力学技术用于判断机器人外骨骼的性能，使外骨骼能够根据用户的活动进行调整，在最小的时延内响应用户的动作。
3. 控制技术机器人外骨骼的运动必须通过一个复杂的控制系统来实现。
使用控制技术可以确保机器人外骨骼的动作稳定、精确和安全。
4. 材料技术机器人外骨骼需要使用耐磨、耐用、轻便的材料。
高分子材料不仅有强度优势，而且具有较好的生理相容性，在制造机器人外骨骼时应该优先考虑。
第四章：机器人外骨骼辅助康复技术的应用场景机器人外骨骼辅助康复技术的应用范围非常广泛，包括下肢和上肢两大领域：1. 下肢外骨骼应用下肢外骨骼适用于需要恢复步态的病人，如下肢截瘫、肌张力增高、脑卒中后遗症、脊髓损伤等。
基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法
基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法（实用版4篇）目录（篇1）I.引言* 背景介绍：康复型下肢外骨骼技术的发展和应用* 目的和意义：提高康复效果，改善患者生活质量* 本文主要内容：基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法II.基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法* 原理介绍：步态状态机模型，将人体运动分解为多个状态，如站立、行走、转弯等* 方法实现：利用传感器采集步态数据，通过算法分析状态，控制外骨骼运动* 优势分析：能够适应不同步态需求，提高康复效果，降低疲劳感III.实验结果和讨论* 实验结果：在不同康复场景中，基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法取得了良好的效果* 结果分析：控制方法的稳定性和可靠性得到验证，提高了患者对康复的满意度* 结果展示：实验数据和分析结果的具体呈现，可呈现用户在不同场景中的步行数据进行说明。
IV.结论和建议* 结论总结：本文所提出的基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法有助于提高康复效果和患者生活质量。
* 建议和展望：针对不同康复需求，进一步完善算法，提高外骨骼的智能化水平。
正文（篇1）一、引言随着康复医学的发展，康复型下肢外骨骼技术逐渐成为研究热点。
传统的控制方法往往难以满足不同患者的个性化需求，因此，本文提出了一种基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法。
该方法将人体运动分解为多个状态，如站立、行走、转弯等，通过传感器采集步态数据，并利用算法分析状态，控制外骨骼运动。
实验结果表明，该方法能够适应不同步态需求，提高康复效果，降低疲劳感。
二、基于步态状态机的康复型下肢外骨骼控制方法步态状态机模型将人体运动分解为多个状态，如站立、行走、转弯等。
具体实现过程中，首先利用传感器采集步态数据，然后通过算法分析状态，控制外骨骼运动。
该方法的优势在于能够适应不同步态需求，提高康复效果，降低疲劳感。
此外，该方法还可以根据患者的个性化需求进行定制化控制，进一步提高康复效果。
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究一、本文概述随着科技的不断进步，医疗康复领域迎来了前所未有的发展机遇。
下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体行走、促进康复的重要设备，其设计与研究具有重要的实践意义和理论价值。
本文旨在探讨下肢外骨骼康复机器人的控制系统设计，包括硬件构成、软件编程以及运动控制策略等方面，以期为提高康复效果、促进患者康复进程做出贡献。
本文首先介绍了下肢外骨骼康复机器人的研究背景和发展现状，阐述了其在医疗康复领域的应用前景。
随后，详细分析了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计要求和技术难点，包括机械结构设计、传感器选型与配置、运动学建模与控制算法设计等方面。
在此基础上，本文提出了一种基于人机交互的下肢外骨骼康复机器人控制策略，以实现精准的运动轨迹控制和个性化康复治疗。
接下来，文章重点阐述了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计与实现过程。
介绍了控制系统的硬件构成，包括主控制器、驱动器、传感器等关键部件的选型与配置。
然后，详细描述了控制系统的软件编程，包括运动学建模、控制算法实现、人机交互界面开发等方面。
通过实验验证和临床应用测试，评估了所设计的控制系统的性能和效果。
本文的研究成果不仅为下肢外骨骼康复机器人的设计与研究提供了有益的参考，也为医疗康复领域的技术创新和发展提供了新的思路和方法。
未来，我们将继续深入研究下肢外骨骼康复机器人的控制策略和技术应用，以期为患者提供更加高效、个性化的康复治疗方案。
二、下肢外骨骼康复机器人基础理论下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体下肢运动的医疗设备，其基础理论涉及多个学科领域，包括生物力学、机器人技术、控制理论以及人机交互等。
生物力学基础：生物力学是研究生物体在力学作用下的反应和适应的科学。
在下肢外骨骼康复机器人的设计中，必须充分理解人体下肢的生物力学特性，包括骨骼结构、肌肉力量分布、关节运动范围等。
这些特性为机器人设计提供了重要的参考依据，确保了机器人在辅助人体运动时能够符合生物力学规律，避免对人体造成不必要的损伤。
外骨骼机器人技术在康复治疗中的应用研究
外骨骼机器人技术在康复治疗中的应用研究近年来，随着科技的发展，外骨骼机器人技术的应用领域越来越广泛，其中康复治疗是一个非常重要的方向。
外骨骼机器人是一种能够模拟人体自然运动的机器人，它可以通过传感器感知用户的动作，从而控制外骨骼机器人的运动，帮助病人进行康复训练。
本文将介绍外骨骼机器人技术在康复治疗中的应用研究，并探讨其未来的发展前景。
一、外骨骼机器人技术在康复治疗中的应用现状外骨骼机器人技术在康复治疗方面的应用可以追溯到上个世纪，但是直到近几年才真正得到了广泛的应用。
目前，外骨骼机器人在康复治疗中主要可以应用于下肢、上肢和脊柱三个方面。
1. 下肢康复治疗下肢功能受损是较为常见的情况，例如因为中风、脊髓损伤、瘫痪等等。
外骨骼机器人技术可以通过机器人代替病人进行腿部运动，帮助病人恢复肌肉控制和运动功能，从而改善病人的生活质量。
2. 上肢康复治疗上肢功能受损通常是因为外伤、瘫痪等等。
对于这些病人，外骨骼机器人技术可以通过机器人的自适应控制，帮助病人进行上肢运动，恢复肌肉力量和控制，从而提高病人的生活能力。
3. 脊柱康复治疗脊柱受损是非常危险的情况，需要长时间的康复治疗。
在这种情况下，外骨骼机器人技术可以帮助病人维持正常的脊柱运动，缓解病痛。
二、外骨骼机器人技术在康复治疗中的优势和限制外骨骼机器人技术在康复治疗中的优势非常明显。
首先，它可以帮助病人恢复肌肉力量和控制，从而改善生活质量。
其次，外骨骼机器人技术可以通过传感器感知用户的动作，从而实现与病人的交互，让病人能够深刻感受到自己的动作和力量的变化，提高治疗效果。
最后，外骨骼机器人技术在体力和时间上的成本低，可以释放康复医生的时间，提高康复医疗效率。
但是，外骨骼机器人技术在康复治疗中还存在一些限制。
首先，外骨骼机器人技术的成本较高，需要较大的投入。
其次，外骨骼机器人技术需要进行数据分析和模型构建，需要医学、机械和计算机等多个领域的专业知识。
最后，外骨骼机器人技术的操作需要有专业的人员来操作，否则可能会存在安全隐患。
外骨骼机器人技术在康复医学中的应用研究
外骨骼机器人技术在康复医学中的应用研究近年来，随着科技的不断发展，外骨骼机器人技术已经成为了一种新型的医疗技术，被广泛应用在康复医学领域中。
外骨骼机器人作为一种人类外骨骼，可以帮助人类完成一些平常难以完成的动作，从而达到康复治疗的目的。
接下来，我们将深入探究外骨骼机器人技术在康复医学中的应用研究。
一、外骨骼机器人技术的优势外骨骼机器人技术最显著的优势在于可以通过机械收缩，帮助患者完成肌肉收缩、骨骼运动等康复动作。
同时，外骨骼机器人还可以根据患者的状态和能力，进行动作矫正和平衡调节，有效保护伤残患者不受二次伤害。
此外，外骨骼机器人还能够记录患者的康复数据，便于医生进行跟踪治疗。
总之，外骨骼机器人技术以其高效、智能和安全的特点获得广泛应用。
二、外骨骼机器人技术在康复医学中的应用1.行走康复行走康复是外骨骼机器人技术的主要应用之一。
研究表明，行走康复能够极大地提高患者的康复效果，并且帮助患者恢复日常行走的能力。
外骨骼机器人可以通过附着在患者腿上的外部骨骼，帮助患者完成自主行走，从而训练患者的肌肉协调和平衡能力。
同时，外骨骼机器人也可以记录患者的步数、姿态等数据，为康复医生提供参考。
2.上肢康复外骨骼机器人在上肢康复领域的应用也得到了越来越多的关注。
通过外骨骼机器人的辅助，患者可以完成肩膀、手臂等肌肉的训练，帮助患者恢复日常活动的能力。
例如，癫痫患者通常会出现手臂跛缩等后果，使用外骨骼机器人就能够帮助患者进行上肢的活动练习。
3.脊柱康复脊柱康复是外骨骼机器人技术的另一大应用。
脊柱康复通常需要较长的时间和丰富的康复体验，但使用外骨骼机器人技术可以有效地提高治疗效果。
外骨骼机器人可能会从外部附着在上半身，通过自动控制收缩组织，增强患者肌肉和平衡协调性能，提升患者脊柱稳定性。
三、外骨骼机器人技术的未来发展方向外骨骼机器人技术在康复医学中的应用效果不断被验证，但作为一个新兴技术，仍有许多需要完善和优化的地方，如机器人的可靠、耐久性和易用性等方面。
外骨骼机器人在康复护理中的应用研究
外骨骼机器人在康复护理中的应用研究引言：近年来，随着科技的不断进步和人们健康意识的提高，康复护理变得越来越重要。
康复护理致力于帮助患者恢复功能，减轻身体疼痛，提高生活质量。
而外骨骼机器人作为康复护理领域的创新技术，为康复治疗带来了新的希望。
本文将针对外骨骼机器人在康复护理中的应用进行研究，探讨其在康复护理中的效果和发展前景。
1. 外骨骼机器人的概述外骨骼机器人是一种能够与人类身体进行交互并提供辅助的机器人装置。
它由机械结构、传感器技术和控制算法组成，可以通过外部输入信号感知人体的动作意图，并对人体的运动进行辅助或增强。
外骨骼机器人可以用于帮助康复患者恢复步态、增强肢体力量和改善运动协调能力。
2. 外骨骼机器人在康复护理中的应用2.1 步态康复外骨骼机器人在步态康复中的应用是最为广泛的。
对于行走障碍患者，外骨骼机器人通过提供稳定支撑和动力，可以帮助患者恢复正常的行走能力。
外骨骼机器人能够监测患者的步态和姿态，并根据患者需求提供适当的支持。
通过反馈和调整，外骨骼机器人帮助患者重新学习和掌握正确的行走方式，加强肌肉力量，促进康复进程。
2.2 肢体康复除了步态康复，外骨骼机器人还可用于肢体康复。
肢体康复需要患者进行一系列的运动训练，在这个过程中，外骨骼机器人可以提供额外的力量和支持，以减轻患者的负荷。
同时，外骨骼机器人还可以监测患者的肌肉活动和关节角度，及时调整运动姿势，确保患者的安全和正确性。
通过与患者的交互，外骨骼机器人促进肌肉功能的恢复和塑造。
2.3 特殊群体的康复外骨骼机器人还广泛应用于特殊群体的康复，例如脊髓损伤患者和中风后遗症患者。
对于脊髓损伤患者，外骨骼机器人可以提供足够的支持和稳定性，帮助患者恢复步态功能；对于中风后遗症患者，外骨骼机器人可以辅助患者进行肢体运动，并通过神经肌肉刺激，帮助恢复神经功能。
因此，外骨骼机器人在康复护理中为特殊群体的患者提供了一种有效的康复方案。
3. 外骨骼机器人的优势和挑战外骨骼机器人在康复护理中具有许多优势，但也面临一些挑战。
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左足压力传感器从足尖到足跟依次记为 LF1 、 LF2 和LF3，右足压力传感器依次记为RF1、RF2和RF3，其 对应的步态相位划分关系如 三个稳定状态的切换 坐立状态与站立状态的切换由按钮信号控制，当穿 戴者按下站立按钮，控制器会根据当前传感信息进行状 态判断，如果膝关节角度绝对值大于60°，髋关节角度 大于50°，且足底压力较小，则判定为坐立状态，然后 根据传感数据自动规划起立轨迹，延时2秒后电机使能
下肢康复外骨骼机器人步态相位切换研究
Research on gait phase transition for lower limbs rehabilitation exoskeleton robot 马 乐1,2，周 平2，王美玲2，陈淑艳2，张鹏万3 MA Le1,2, ZHOU Ping2, WANG Mei-ling2, CHEN Shu-yan2, ZHANG Peng-wan3
0 引言
外骨骼机器人是一种集人机工程学、仿生学于一 体的机械装置，穿戴于人体肢体外侧，靠人的智慧来控 制机器人，发挥机器人能量动力的优势，辅助人类完成 自身无法完成的任务，广泛应用于医疗、军事、工业等 领域 。康复用下肢外骨骼机器人能够帮助患者进行腿 部康复训练，在可重复性方面优于传统方法，可以大幅 度缩短患者的康复训练时间，并减少陪同康复的医师数 量，大幅度降低人力成本。帮助老年人、下肢不便患者 实现自主行走，改善他们的生活质量，有助于他们的身 心健康。 目前下肢外骨骼机器人的研究仍然面临众多挑战， 其中一个主要的挑战就是机器人缺乏充分的能力识别穿 戴者的行为和意图。为了克服这个问题，研究者们采用 惯性传感器 [2]、足底压力传感器 [3]和关节角度传感器 [4] 来获取穿戴者的运动信息，并通过模式识别的方法来检 测穿戴者的步行状态与运动意图。Pappas I P I等人基于 足底压力传感器和安装在踝关节的陀螺仪信号采用有限 状态机的方法对足跟触地、支撑、足跟离地、摆动四个 步态相位进行在线识别[5]。吴贵忠等人根据关节角度信 息和足底压力分布信息分别采用支持向量机和非线性自 回归神经网络模型来预测外骨骼机器人的步态相位[6]。 Djuric M等人基于大腿、小腿和足部的加速度信息采用
（1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，合肥 230009；2.中国科学院合肥物质科学研究院 先进制造技术研究所， 常州 213164；3.中国科学技术大学 工程科学学院，合肥 230000） 摘 要：为实现下肢康复外骨骼机器人步态相位的稳定切换，通过压力传感器，编码器，陀螺仪以及 拐杖按钮检测单元构建的感知系统实时采集人体步态运动信息，先根据足底压力信号的标志 性事件将人体步态周期依次序划分为四个相位，然后对不同相位的运动状态切换进行具体研 究。针对人体行走过程中支撑腿与摆动腿的切换判断，提出基于学习矢量量化（LVQ）的神 经网络模型。将整个步态相位切换模型嵌入控制程序中进行在线测试，结果表明该模型实时 性好，识别率高，能够实现稳定柔顺的步态切换。 关键词：下肢外骨骼机器人；传感信号融合；相位划分；LVQ；步态相位切换 中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2017)08-0043-05
[1]
阈值法进行步态运动相位的识别[7]。 本文为实现下肢康复外骨骼机器人步态相位的稳 定切换，使用足底压力传感器、陀螺仪、编码器和拐杖 按钮检测单元构成实时感知系统，先通过阈值法模糊处 理足底压力信号，将步态运动周期依次序划分为四个相 位，然后对每个相位的运动状态切换进行了具体研究。 此外，针对双支撑相位的支撑腿与摆动腿切换判断采用 了学习矢量量化（Learning Vector Quantization，LVQ） 神经网络模型。通过整个步态切换模型的在线测试，验 证了模型的有效性。
肢的三个稳定状态：坐立状态，站立状态和行走状态。 人体行走是具有周期性的运动，通常将一侧足跟着 地开始到该足跟再次着地记为一个步态周期。足底压力 信息在步态运动周期中体现出很好的确定性和规律性， 因此根据足底压力信号易于检测的三个标志性事件：足 跟着地、足平放和足尖离地，将步态周期依次序划分为 四个相位：
1 采集系统结构
本文的信号采集系统主要由足底压力采集模块、 陀螺仪模块、编码器、拐杖按钮信号检测模块和嵌入 式 PC 主控制器模块组成，各个模块以节点形式挂载在 CAN总线。 1.1 信号采集模块 足底压力信号采集模块的传感器采用 Tekscan 公司 的 A401 ，在每一只脚底安装三个传感器，分别放置在 第一跖骨、第五跖骨和足跟部位。模块的微控制器采用 STM32F103，采集频率为100Hz，信号被控制器的12位 A/D转换器采集后进行处理。陀螺仪模块由MPU6050和 微控制器组成，集成了3轴MEMS加速度计、3轴MEMS
收稿日期：2017-06-14 基金项目：常州市科技支撑计划项目（CE20150013） 作者简介：马乐（1989 -），男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向为传感技术，模式识别。 第39卷 第8期 2017-08 【43】
陀螺仪以及数字运动处理器 DMP 。伺服电机编码器用 于输出关节角度信息。拐杖按钮信号检测单元使用支持 ZigBee协议的无线射频芯片CC2530F256将按钮信号通 过 2.4GHz 的无线信道与主控器进行串口通信，同时拐 杖的使用增加了人体的支撑点和支撑范围，提高了系统 的稳定性和安全性。嵌入式 PC 主控器实时采集各个模 块的传感信号进行融合分析，CAN总线的通信速率设为 500Kbps。样机实物如图1所示。
图1 样机实物图
进入起立阶段，穿戴者上肢借助拐杖的支撑来保持身体 平衡，最终实现站立。站立切换到坐立由另一个按钮控 制，当检测到坐立按钮信号后延时2秒，然后按预定的 坐立轨迹执行动作，坐立完成后电机失能。 行走状态与站立状态切换如图 2所示，穿戴者先依 据个人习惯选择左腿起步或右腿起步。处于站立状态的 穿戴者准备行走时会将身体前倾，陀螺仪检测到上身倾 角大于设定阈值时便执行起步程序进入行走状态。行走 过程中，当人体处于左单支撑或右单支撑相位时，穿戴 者可以按下拐杖上的站立按钮，主控器检测到站立按钮 的信号后，立即停止电机的运动并保持当前姿态，然后 (1) 根据足底压力分布判断出支撑腿和摆动腿，通过姿态角 信息的融合分析自动生成收步轨迹，执行收步动作，收 步完成后调整到站立状态。当穿戴者处于行走过程中的 双支撑相位时，需要进行支撑腿与摆动腿的切换，身体 姿态难以完成收步动作，故主控器屏蔽拐杖的站立按钮