冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其控制方法，包括外框架，冗余柔索驱动装置，以及位于外框架内的上肢穿戴式可调固定装置、下肢腿部电流式传感器、脚部固定装置。上肢穿戴式可调固定装置穿戴于人体腰部以上部位，下肢腿部电流式传感器穿戴于人体腿部，脚部固定装置穿戴于人体脚部并与运动平台固定。下肢腿部电流式传感器和位于脚部固定装置上的压力传感器识别人体运动意图。同时康复机器人采用冗余约束增加其本体的平衡性，也可将被动训练、主动训练以及主被动训练多种康复训练策略相结合，在冗余约束柔索并联机构驱动下，实现对人体下肢的康复训练。

【技术实现步骤摘要】
冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其控制方法
本专利技术涉及康复医疗训练器械
，尤其涉及一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其控制方法。
技术介绍
我国已经成为世界上人口老龄化速度最快的国家之一，同时我国残疾人比例也位居世界较高国家之列，老年人和残疾人的护理与康复已成为一个重要的社会问题。现代康复医学研究表明，神经系统具有自我重塑性，运动康复训练能够重新建立肢体与脑部损伤中枢神经间的联系，逐步刺激促使脑部损伤部位康复，达到对肢体行为的有效控制。然而，目前中国康复医疗资源总量不足、人才匮乏、体系尚不完善。传统康复训练由康复治疗师对患者进行一对一的康复治疗，效率低、成本高、操作场合受限。这种康复方式效果差异明显，由于缺乏客观的康复参数，患者的康复效果依赖于康复师的个人经验与技术水平，在很大程度上影响患者的康复效果。因此，康复机器人成为了万众瞩目的新型康复医疗产品。专利申请号“CN201910361439.X”设计了一种末端牵引式、可同时对人体腰部及下肢多关节同时或分别进行康复训练的机器人，帮助患者完成康复训练。专利申请号“CN201810606101.1”设计了一种步态式康复训练装置，帮助患者完成下肢的康复训练。专利申请号“CN201910227324.1”设计了一种外骨骼可穿戴机器人及其检测人体运动意图的检测方法，通过检测足底压力、关节角度，助患者完成康复训练。然而还存在着诸如以下问题：一是训练方式多为被动训练，适合早期的康复训练，较难适应中期及后期的康复训练。二是外骨骼机器人设计结构复杂，其自身平衡的维持依然是个研究难题，通常需要穿戴在患者身上，通过患者施力平衡，患者承受额外的重量负担。三是外骨骼康复训练机器人与人体直接接触，采用电机直接驱动方式，其启动与停止的加速度、转动惯量较大，易对患者下肢造成二次伤害。
技术实现思路
本专利技术目的为了弥补已有技术的缺陷，提供一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其运动控制方法，采用冗余约束增加机器人本体的平衡性，同时也可将被动训练、主动训练以及主被动训练多种康复训练策略相结合，在腿部运动意图识别传感器和冗余约束柔索并联机构作用下，实现对人体下肢的康复训练。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，包括有外框架、NAO仿人机器人、上肢穿戴式可调固定装置、下肢腿部电流式传感器、脚部固定装置、卷筒机构、滚珠丝杆副、八组驱动柔索、伺服电机和运动平台，所述的脚部固定装置固定在运动平台上，运动平台位于外框架的内侧，所述的驱动柔索一端连接运动平台，另一端连接柔索驱动装置，柔索驱动装置驱动驱动柔索带动运动平台实现六个自由度的空间运动，所述的NAO仿人机器人通过脚部固定装置安装在运动平台上，所述的下肢腿部电流式传感器套在NAO仿人机器人的腿部，所述的上肢穿戴式可调固定装置套在NAO仿人机器人的腰部以上部位，所述的卷筒机构安装在外框架的上端，卷筒机构与上肢穿戴式可调固定装置固定连接。所述NAO仿人机器人模拟人形，完成人体的相应动作。所述的外框架包括有由底板、多个横杆和多个立柱构成的立方体框架，在外框架的顶部还设有4个垂直于对角线分布的斜横杆。所述的驱动柔索包括对称分布的8组16根绳索，其中有4组上驱动柔索和4组下驱动柔索，上驱动柔索的一端连接运动平台，接着向上绕过设于外框架顶部的定滑轮机构，与位于外框架外部的柔索牵引块相连；下驱动柔索的一端连接运动平台，接着向下绕过设于底板上的定滑轮机构，与位于外框架内部的柔索牵引块相连，每个柔索牵引块均连接有所述的柔索驱动装置；所述的柔索驱动装置包括有驱动电机一和滚珠丝杠副，所述柔索牵引块固定在滚珠丝杠副的滑块上，每个柔索牵引块连接1组2根绳索；滚珠丝杠副由滚珠丝杠支撑连接并固定在立柱上，驱动电机一带动滚珠丝杆副运动。所述上肢穿戴式可调固定装置包括可调式弹性上肢外衣，可调式弹性上肢外衣的周向长度和肩高可调，可调式弹性上肢外衣周向侧面与外框架的顶部之间连接有多个上肢承载柔索，上肢承载柔索另一端缠绕在卷筒机构上，卷筒机构设置于外框架上端的横杆上。所述的卷筒机构包括有法兰轴承座、有孔端盖、花键轴、轴承座、无孔端盖、卷筒、联轴器和驱动电机二，法兰轴承座和轴承座通过轴承支撑花键轴，法兰轴承座的法兰端连接驱动电机二，联轴器一端连接动电机二的输出轴，另一端连接花键轴，卷筒固定在花键轴上，卷筒上缠绕上肢承载柔索。所述下肢腿部电流式传感器包括腿部传感器本体和传感器穿戴套索，所述的传感器穿戴套索穿戴在NAO仿人机器人腿部，并与腿部传感器本体连接，腿部传感器本体包括通过传感器铰链连接的腿部传感器前部本体和腿部传感器后部本体，使得腿部传感器本体可以开合，套于NAO仿人机器人腿部，腿部传感器后部本体上设有卡扣，在穿戴完成后，锁紧腿部传感器前部本体和腿部传感器后部本体。所述的腿部传感器本体为圆环形，包括内外分离的两层，外层设有8个均匀分布的电极，当下肢腿部电流式传感器穿戴在腿部，当腿部有运动趋势时，内外层触碰，触碰位置的电极电流通过，根据通过电流的电极编号信息判断出人腿部的运动方向。在康复训练启动时，内部传感器贴片与腿部传感器前部本体断开，此时无相应电流产生，当下肢有某个方向运动趋势时，通过微小位移变化，使得与腿部传感器前部本体接触，产生电流，再通过解码形成运动信号，在上位机控制下，完成相应的康复训练运动。所述的脚部固定装置包括可固定两脚的固定鞋套，固定鞋套安装在运动平台上，固定鞋套后端对称铰接两个鞋套锁扣，形成两组可开合的铰链机构；固定鞋套的两脚之间设有插销防脱杆，插销防脱杆上铰接一个插销，插销插入固定鞋套和鞋套锁扣配合的孔中，以锁紧鞋套锁扣；固定鞋套的顶部和底部还分别设有脚背压力传感器和脚底压力传感器，以识别人体下肢在竖直空间轴上的运动方向。还包括有外部传感系统，所述的外部传感系统包括有拉力传感器、拉绳位移传感器和工业相机，所述的拉力传感器分别连接于下驱动柔索和上驱动柔索中，所述的拉绳位移传感器为编码器，上驱动柔索的拉绳位移传感器安装在外框架顶部对角分布的斜横杆上，下驱动柔索的拉绳位移传感器通过底部拉绳位移传感器支撑安装在底板上，所述的工业相机工业相机作为视觉传感器，安装在外框架顶部对角分布的斜横杆上，摄像头朝向运动平台。一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人的运动控制方式，包括以下步骤：步骤一：系统初始化，检查各驱动电机是否回复到初始位置，各个传感器是否复位；步骤二：在上位机中输入患者身高、大腿长、小腿长身体信息，通过人工肌肉调节腿部康复装置的小腿及大腿长以匹配患者身材，调节上肢穿戴式可调固定装置，使其达到平衡身体重量的目的，最终贴合患者的身材要求；步骤三：开启系统，进行训练模式的选择；可选择被动运动训练方式、主动运动训练方式、主动运动与被动运动结合训练方式；在进行完对应模式的选择后，发出对应的指令，如果进行被动运动训练方式，则启动人体步态训练程序；如果进行主动运动训练方式，则由下肢腿部电流式传感器和脚部固定装置上的压力传感器采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，其特征在于：包括有外框架、NAO仿人机器人、上肢穿戴式可调固定装置、下肢腿部电流式传感器、脚部固定装置、卷筒机构、驱动柔索、柔索驱动装置和运动平台，所述的脚部固定装置固定在运动平台上，运动平台位于外框架的内侧，所述的驱动柔索一端连接运动平台，另一端连接柔索驱动装置，柔索驱动装置驱动驱动柔索带动运动平台实现六个自由度的空间运动，所述的NAO仿人机器人通过脚部固定装置安装在运动平台上，所述的下肢腿部电流式传感器套在NAO仿人机器人的腿部，所述的上肢穿戴式可调固定装置套在NAO仿人机器人的腰部以上部位，所述的卷筒机构安装在外框架的上端，卷筒机构与上肢穿戴式可调固定装置固定连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，其特征在于：包括有外框架、NAO仿人机器人、上肢穿戴式可调固定装置、下肢腿部电流式传感器、脚部固定装置、卷筒机构、驱动柔索、柔索驱动装置和运动平台，所述的脚部固定装置固定在运动平台上，运动平台位于外框架的内侧，所述的驱动柔索一端连接运动平台，另一端连接柔索驱动装置，柔索驱动装置驱动驱动柔索带动运动平台实现六个自由度的空间运动，所述的NAO仿人机器人通过脚部固定装置安装在运动平台上，所述的下肢腿部电流式传感器套在NAO仿人机器人的腿部，所述的上肢穿戴式可调固定装置套在NAO仿人机器人的腰部以上部位，所述的卷筒机构安装在外框架的上端，卷筒机构与上肢穿戴式可调固定装置固定连接。


2.根据权利要求1所述的一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，其特征在于：所述的外框架包括有由底板、多个横杆和多个立柱构成的立方体框架，在外框架的顶部还设有4个垂直于对角线分布的斜横杆。


3.根据权利要求2所述的一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，其特征在于：所述的驱动柔索包括对称分布的8组16根绳索，其中有4组上驱动柔索和4组下驱动柔索，上驱动柔索的一端连接运动平台，接着向上绕过设于外框架顶部的定滑轮机构，与位于外框架外部的柔索牵引块相连；下驱动柔索的一端连接运动平台，接着向下绕过设于底板上的定滑轮机构，与位于外框架内部的柔索牵引块相连，每个柔索牵引块均连接有所述的柔索驱动装置；所述的柔索驱动装置包括有驱动电机一和滚珠丝杠副，所述柔索牵引块固定在滚珠丝杠副的滑块上，每个柔索牵引块连接1组2根绳索；滚珠丝杠副由滚珠丝杠支撑连接并固定在立柱上，驱动电机一带动滚珠丝杆副运动。


4.根据权利要求2所述的一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，其特征在于：所述上肢穿戴式可调固定装置包括可调式弹性上肢外衣，可调式弹性上肢外衣的周向长度和肩高可调，可调式弹性上肢外衣周向侧面与外框架的顶部之间连接有多个上肢承载柔索，上肢承载柔索另一端缠绕在卷筒机构上，卷筒机构设置于外框架上端的横杆上。


5.根据权利要求4所述的一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，其特征在于：所述的卷筒机构包括有法兰轴承座、有孔端盖、花键轴、轴承座、无孔端盖、卷筒、联轴器和驱动电机二，法兰轴承座和轴承座通过轴承支撑花键轴，法兰轴承座的法兰端连接驱动电机二，联轴器一端连接动电机二的输出轴，另一端连接花键轴，卷筒固定在花键轴上，卷筒上缠绕上肢承载柔索。


6.根据权利要求2所述的一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，其特征在于：所述下肢腿部电流式传感器包括腿部传感器本体和传感器穿戴套索，所述的传感器穿戴套索穿戴在NAO仿人机器人腿部，并与腿部传感器本体连接，腿部传感器本体包括通过传感器铰链连接的腿部传感器前部本体和腿部传感器后部本体，使得腿部传...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾斌，杨正蒙，李元，孙智，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34