一种SEA驱动的便携式颈肌训练器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种SEA驱动的便携式颈肌训练器及其控制方法，包括佩戴在人体头部上用于牵引的柔性头套、通过钢丝绳组件与柔性头套相连的SEA驱动组件、用于固定SEA驱动组件的外壳组件、与外壳组件相连且用于将外壳组件固定夹紧的定紧组件以及控制器，控制器控制SEA驱动组件转动产生拉力拉动钢丝绳组件佩戴柔性头套的人体头部受到拉力，进行阻抗训练。本发明专利技术可解决了现在颈肌训练装置阻尼难以控制规划，便携性与训练数据监测无法兼顾的问题。便携性与训练数据监测无法兼顾的问题。便携性与训练数据监测无法兼顾的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种SEA驱动的便携式颈肌训练器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及一种训练器，尤其涉及一种SEA驱动的便携式颈肌训练器及其控制方法。

技术介绍

[0002]颈部伤病是一类由于颈部椎体、骨关节及其附着韧带和肌群异常所引起的一系列疾患的统称。颈部伤病治疗周期长，比较难治愈，容易复发。因此在积极治疗颈部伤病的同时，更应重视颈部伤病的预防，树立“治未病”的观念。
[0003]个人缺乏锻炼，或是平时不注意身体姿势，使身体过度或长期处于不良姿势都会加速脊柱的退化，从而造成承受力下降，最常见的表现就是颈部疼痛或伤病。个人能力的下降又造成颈部稳定性的基础丧失，更加重了颈部伤病，使个体陷入恶性循环。实践研究结果显示，开展颈椎周围肌肉组织的抗阻训练，增加颈椎周围肌肉力量、运动幅度以及各肌肉群之间的协调能力，能维持颈椎稳定性，是预防颈椎病的有效手段。
[0004]目前我国使用的颈部肌肉训练设备，以座椅式加头部固定环来进行砝码式或液压式的抗阻训练，主要配发了部分疗养院，大部分场站和飞行部队均未配备，主要原因有设备体量大不便携带、需要固定场所、训练体验感较差，并且这些设备大多为纯机械结构，可调性较差。而国外虽然有使用可控阻尼发生器来自动控制阻尼进行训练的训练设备，但其体积也比较庞大。
[0005]随着人机交互技术的发展，特别是随着近年来对外骨骼机器人、外肢体机器人、康复机器人等设备的研究，人机力交互控制技术越来越成熟，安全性也有了巨大提升，特别是SEA(弹性串联驱动器)等技术的发展，使得机器人与人交互时具有了较高可靠度的柔性，这为力控锻炼装置的研究奠定了基础。
[0006]在专利号为CN201020517055.7的技术专利中，公布了一种颈肌训练器，该训练器现配备于各大空军疗养院，用于飞行员颈部肌肉训练及测试。其可实现前后屈伸和左右屈伸两种颈部动作的阻抗训练，但其阻尼生成依靠液压缓冲装置，阻力无法精确控制，且装置整体体型庞大，无法满足日常训练的需要。
[0007]在专利号为CN202110218122.8的专利技术专利中，公布了一种颈部训练康复帽及其训练方法，该装置使用弹性绳作为阻尼发生元件，具有一定便携性，但其功能简单，阻力依靠更换弹性带进行调节，且没有训练数据检测功能，无法对不同训练者进行针对性的调节。
[0008]因此，亟待解决上述问题。

技术实现思路

[0009]专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，可解决了现在颈肌训练装置阻尼难以控制规划，便携性与训练数据监测无法兼顾的问题。
[0010]本专利技术的第二目的是提供一种SEA驱动的便携式颈肌训练器的控制方法。
[0011]技术方案：为实现以上目的，本专利技术公开了一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，包
括佩戴在人体头部上用于牵引的柔性头套、通过钢丝绳组件与柔性头套相连的SEA驱动组件、用于固定SEA驱动组件的外壳组件、与外壳组件相连且用于将外壳组件固定夹紧的定紧组件以及控制器，控制器控制SEA驱动组件转动产生拉力拉动钢丝绳组件佩戴柔性头套的人体头部受到拉力，进行阻抗训练。
[0012]其中SEA驱动组件包括伺服驱动器、与伺服驱动器输出端固定相连的弹性输入输出元件、与弹性输入输出元件固定连接的凸出法兰、内圈与凸出法兰固定连接的绝对式磁旋转编码器、外圈与凸出法兰固定连接的力矩传感器以及与力矩传感器内圈固定连接的绕线轮；伺服驱动器输出端转动时，通过弹性输入输出元件带动凸台法兰转动，并带动绕线轮转动；其中绝对式磁旋转编码器采集的信号和力矩传感器采集的信号均传送至控制器。
[0013]优选的，弹性输入输出元件包括与伺服驱动器固定连接的外圈固定壳、外圈与外圈固定壳过盈配合连接的涡卷弹簧以及与涡卷弹簧内圈过盈配合连接的心轴法兰，心轴法兰与凸台法兰固定连接。
[0014]再者，绕线轮上固定连接有压线块。
[0015]进一步，钢丝绳组件包括包塑钢丝绳、钢丝绳卡扣和登山扣，包塑钢丝绳末端穿过登山扣，折回后使用钢丝绳卡扣将末端卡紧；登山扣可挂载于柔性头套的不同锚点上；包塑钢丝绳首端通过压线块固定，并绕设在绕线轮上。
[0016]优选的，定紧组件包括用于夹持外部静物的U型板、穿设在U型板顶板上的方头螺杆、与方头螺杆的首端固定连接的六边形手盘以及与方头螺杆末端固定连接的弹性压板，旋转六边形手盘时，方头螺杆可在U型板内侧做直线运动，控制弹性压板与U型板底板的距离，使定紧组件可夹持在外部静物上。
[0017]再者，外壳组件包括与定紧组件相固定连接的L型板、与L型板固定连接的外壁套筒、与L型板固定连接的轴承支架、与外壁套筒固定连接的盖板、设置于盖板上且与轴承支架相对应的凸台，位于凸台上的一对短轴以及穿设在短轴上的一对带槽轴承，带槽轴承内圈穿过短轴，并由凸台与轴承支架限制一对带槽轴承内圈的轴向运动，使带槽轴承内圈与盖板固定连接，带槽轴承外圈可自由转动。
[0018]进一步，带槽轴承装配后与竖直方向有一定夹角。
[0019]优选的，柔性头套内置蓝牙陀螺仪。
[0020]本专利技术一种SEA驱动的便携式颈肌训练器的控制方法，包括如下步骤：
[0021]S1：控制器接收上位机软件通过蓝牙发送的训练强度系数K、个人颈部长度系数L以及训练开始指令；
[0022]S2：控制器根据训练强度系数K、个人颈部长度L制定训练过程中的阻力变化曲线，其规律依据公式(1)，
[0023][0024]其中K为训练强度系数，L为个人颈部长度系数，M
d
(t)为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，θ(t)为不同时刻下使用柔性头套内的蓝牙陀螺仪测得的头部运动时轴线相对水平面的夹角，Q(θ(t))为预设的肌肉训练最适力矩模型；
[0025]S3：SEA驱动组件中的伺服驱动器接受由控制器发送的位置指令，根据位置指令旋转运动到相应位置角度；其位置α(t)由控制器根据如下导纳力跟踪控制计算生成：
[0026]ΔM(t)＝M
d
(t)
‑
M
e
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0027][0028][0029][0030]公式(2)到公式(5)中，ΔM(t)为力控误差，M
d
(t)为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，M
e
(t)为力矩传感器反馈的力矩，为伺服驱动器角加速度，为绝对式磁旋转编码器反馈的角加速度，m
Y
为导纳控制质量系数，b
Y
为导纳控制阻尼系数，为伺服驱动器上一控制周期的角速度，为绝对式磁旋转编码器反馈的角速度，为伺服驱动器角速度，T为控制周期时长，α(t)为伺服驱动器角度位置，α(t
‑
1)为伺服驱动器上一控制周期的角度位置；控制器将监测到的数据反馈给上位机。
[0031]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优点：本专利技术使用SEA驱动机构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：包括佩戴在人体头部上用于牵引的柔性头套(1)、通过钢丝绳组件(2)与柔性头套(1)相连的SEA驱动组件(3)、用于固定SEA驱动组件的外壳组件(4)、与外壳组件相连且用于将外壳组件固定夹紧的定紧组件(5)以及控制器，控制器控制SEA驱动组件(3)转动产生拉力拉动钢丝绳组件(2)佩戴柔性头套(1)的人体头部受到拉力，进行阻抗训练。2.根据权利要求1所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述SEA驱动组件(3)包括伺服驱动器(301)、与伺服驱动器输出端固定相连的弹性输入输出元件、与弹性输入输出元件固定连接的凸出法兰(302)、内圈与凸出法兰固定连接的绝对式磁旋转编码器(303)、外圈与凸出法兰固定连接的力矩传感器(304)以及与力矩传感器内圈固定连接的绕线轮(305)；伺服驱动器(301)输出端转动时，通过弹性输入输出元件带动凸台法兰(302)转动，并带动绕线轮(305)转动；其中绝对式磁旋转编码器(303)采集的信号和力矩传感器(304)采集的信号均传送至控制器。3.根据权利要求2所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述弹性输入输出元件包括与伺服驱动器(301)固定连接的外圈固定壳(306)、外圈与外圈固定壳过盈配合连接的涡卷弹簧(307)以及与涡卷弹簧内圈过盈配合连接的心轴法兰(308)，心轴法兰(308)与凸台法兰(302)固定连接。4.根据权利要求2所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述绕线轮(305)上固定连接有压线块(309)。5.根据权利要求4所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述钢丝绳组件(2)包括包塑钢丝绳(201)、钢丝绳卡扣(202)和登山扣(203)，包塑钢丝绳(201)末端穿过登山扣(203)，折回后使用钢丝绳卡扣(202)将末端卡紧；登山扣(203)可挂载于柔性头套(1)的不同锚点上；包塑钢丝绳(201)首端通过压线块(309)固定，并绕设在绕线轮(305)上。6.根据权利要求1所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述定紧组件(5)包括用于夹持外部静物的U型板(501)、穿设在U型板顶板上的方头螺杆(502)、与方头螺杆的首端固定连接的六边形手盘(503)以及与方头螺杆末端固定连接的弹性压板(504)，旋转六边形手盘(503)时，方头螺杆(502)可在U型板内侧做直线运动，控制弹性压板(504)与U型板(501)底板的距离，使定紧组件可夹持在外部静物上。7.根据权利要求1所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：周强，赵帅杰，童梁成，杨智伟，蔡旻，李飞龙，沈亚，徐莉萍，
申请(专利权)人：中国人民解放军东部战区空军医院，
类型：发明
国别省市：