一种并联柔索驱动下肢康复机器人

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明涉及医疗康复设备技术领域，特别是涉及一种并联柔索驱动下肢康复机器人。背景技术：2.目前我国有大量的存在下肢运动功能障碍的患者需要下肢康复，但康复医疗资源较为有限，难以满足实际需要。目前传统的康复训练器材虽然成本低，但是训练模式单一，需要他人或治疗师操作，较为消耗人力。因此，许多医疗机构开始使用下肢康复机器人。3.目前的下肢康复机器人主要分为末端驱动式机器人和外骨骼式机器人。末端驱动是通过踏板等结构带动整个下肢运动，结构简单，但训练模式相对单一，难以针对单个关节进行训练。外骨骼式可以针对单个或多个关节进行训练，但结构复杂、成本高。整体来看，现在诸多下肢康复设备产品存在成本高、体积大、训练内容相对单一、缺少针对卧床训练的产品等问题。技术实现要素：4.本发明的目的是提供一种并联柔索驱动下肢康复机器人，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，成本低，并能够实现多样的下肢康复训练。5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：6.本发明提供一种并联柔索驱动下肢康复机器人，包括主体框架、驱动系统和控制系统；7.所述主体框架包括上侧框架、下侧框架和连接所述上侧框架与所述下侧框架同一端的支撑框架，所述上侧框架包括上侧前支撑杆、上侧前伸缩支撑杆、上侧悬臂支撑杆、上侧后支撑杆和上侧后伸缩支撑杆，所述上侧前支撑杆两端沿其长度方向分别滑动连接一个所述上侧前伸缩支撑杆，所述上侧后支撑杆两端沿其长度方向分别滑动连接一个所述上侧后伸缩支撑杆，所述上侧前支撑杆两端分别通过两个所述上侧悬臂支撑杆与所述上侧后支撑杆两端连接并呈口字形结构，所述上侧后支撑杆连接在所述支撑框架顶部；8.所述驱动系统包括驱动单元、转向滑轮、柔索和下肢固定护具，所述支撑框架两侧各设有两个所述驱动单元，各所述上侧前伸缩支撑杆和各所述上侧后伸缩支撑杆向外伸出的一端均设有一个所述转向滑轮，各所述驱动单元均包括卷线盘和驱动所述卷线盘转动的减速电机，各所述卷线盘上均缠绕一根所述柔索，各所述柔索分别绕过各所述转向滑轮后与所述下肢固定护具连接，并将所述下肢固定护具悬吊于四根所述柔索下端，通过各所述驱动单元能够分别驱动各所述柔索在所述转向滑轮上移动以带动所述下肢固定护具进行移动；9.所述控制系统包括拉压力传感器、传感器变送器、编码器、电机驱动模块和控制器，各所述柔索上分别连接一个所述拉压力传感器，各所述拉压力传感器分别连接一个所述传感器变送器，各所述减速电机的输出轴上分别连接一个所述编码器，各所述减速电机分别连接一个所述电机驱动模块，各所述传感器变送器、各所述编码器和各所述电机驱动模块均与所述控制器电连接。10.优选地，所述上侧悬臂支撑杆包括固定段、折叠段和固定套筒，所述固定段一端固定连接在所述上侧后支撑杆上，另一端与所述折叠段一端转动连接，所述折叠段另一端固定连接在所述上侧前支撑杆上，所述固定套筒滑动套设于所述固定段上，并能够在所述折叠段展平与所述固定段对齐后，滑动至其两端分别套设于所述固定段和所述折叠段上，对所述折叠段的转动进行约束；所述折叠段上连接有上侧斜支撑杆，所述上侧斜支撑杆一端与所述折叠段转动连接，另一端能够拆卸连接在所述支撑框架上。11.优选地，所述下侧框架包括下侧伸缩支撑杆和下侧前固定杆，所述支撑框架底部两端分别连接一个所述下侧伸缩支撑杆，两个所述下侧伸缩支撑杆远离所述支撑框架的一端通过所述下侧前固定杆连接。12.优选地，所述下侧前固定杆和所述下侧伸缩支撑杆上设有前侧承重篮。13.优选地，各所述下侧伸缩支撑杆的两端底部均设有承重轮。14.优选地，所述主体框架上设有若干个导向滑轮，所述柔索经所述导向滑轮导向后绕过所述转向滑轮与所述下肢固定护具连接。15.优选地，所述下肢固定护具包括依次连接的大腿护具、小腿护具和脚部护具，所述下肢固定护具上设有柔索固定位点，用于连接四根所述柔索。16.优选地，所述控制器包括单片机和微型计算机，所述单片机与所述微型计算机电连接，所述传感器变送器、所述编码器和所述电机驱动模块均与所述单片机电连接。17.优选地，所述控制系统还包括移动终端和显示器，所述移动终端和所述单片机通信连接，所述显示器与所述微型计算机电连接。18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：19.本发明提供一种并联柔索驱动下肢康复机器人，通过拉压力传感器和编码器分别检测柔索的拉力值和变化长度，便于通过控制器对减速电机进行运动控制，从而通过柔索带动下肢固定护具移动，进行多样化的下肢康复训练，使用四组驱动单元，并分别驱动四根柔索带动下肢固定护具移动以进行下肢康复运动，所用柔索较少，护具穿戴方便，采用柔索作为驱动的柔性驱动结构，能够避免常规刚性结构的机器人存在的对患者患处产生刚性的运动冲击等问题，同时柔索驱动结构还具备高速度精度、惯性低、刚度可调等优点，而上侧前伸缩支撑杆和上侧后伸缩支撑杆的设置便于对柔索的悬吊位置进行调整，工作空间大，便于通过四根柔索实现多样的下肢康复训练，本发明结构简洁，便于安装使用，降低了制作成本，降低了普通患者的康复医疗成本，便于产品的推广。附图说明20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。21.图1为本发明提供的并联柔索驱动下肢康复机器人的斜前侧立体结构示意图；22.图2为图1中a部分的局部放大示意图；23.图3为图1中b部分的局部放大示意图；24.图4为本发明提供的并联柔索驱动下肢康复机器人的斜后侧立体结构示意图；25.图5为本发明中驱动单元与编码器的连接结构示意图；26.图6为本发明提供的并联柔索驱动下肢康复机器人折叠收缩后的立体结构示意图；27.图7为本发明提供的并联柔索驱动下肢康复机器人使用时的示意图；28.图8为本发明中控制系统的示意图；29.图中：100-并联柔索驱动下肢康复机器人、1-主体框架、110-上侧框架、111-上侧前支撑杆、112-上侧前伸缩支撑杆、113-上侧悬臂支撑杆、1130-固定段、1131-折叠段、1132-固定套筒、114-上侧后支撑杆、115-上侧后伸缩支撑杆、116-上侧斜支撑杆、120-下侧框架、121-下侧伸缩支撑杆、122-下侧前固定杆、123-前侧承重篮、130-支撑框架、210-驱动单元、211-卷线盘、212-减速电机、213-第一联轴器、214-传动轴、215-第二联轴器、216-轴承座、220-转向滑轮、230-柔索、240-下肢固定护具、241-大腿护具、242-小腿护具、243-脚部护具、250-导向滑轮、310-拉压力传感器、320-传感器变送器、330-编码器、340-电机驱动模块、350-控制器、2-承重轮、3-单片机、4-微型计算机、5-移动终端、6-显示器。具体实施方式30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。31.本发明的目的是提供一种并联柔索驱动下肢康复机器人，以解决现有技术存在的问题，结构简单，成本低，并能够实现多样的下肢康复训练。32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。33.如图1-图8所示，本实施例提供一种并联柔索驱动下肢康复机器人100，包括主体框架1、驱动系统和控制系统；34.主体框架1包括上侧框架110、下侧框架120和连接上侧框架110和下侧框架120同一端的支撑框架130，上侧框架110包括上侧前支撑杆111、上侧前伸缩支撑杆112、上侧悬臂支撑杆113、上侧后支撑杆114和上侧后伸缩支撑杆115，上侧前支撑杆111两端沿其长度方向分别滑动连接一个上侧前伸缩支撑杆112，上侧后支撑杆114两端沿其长度方向分别滑动连接一个上侧后伸缩支撑杆115，上侧前支撑杆111两端分别通过两个上侧悬臂支撑杆113与上侧后支撑杆114两端连接并呈口字形结构，上侧后支撑杆114连接在支撑框架130顶部；35.驱动系统包括驱动单元210、转向滑轮220、柔索230和下肢固定护具240，支撑框架130两侧各设有两个驱动单元210，各上侧前伸缩支撑杆112和各上侧后伸缩支撑杆115向外伸出的一端均设有一个转向滑轮220，各驱动单元210均包括卷线盘211和驱动卷线盘211转动的减速电机212，各卷线盘211上均缠绕一根柔索230，各柔索230分别绕过各转向滑轮220后与下肢固定护具240连接，并将下肢固定护具240悬吊于四根柔索230下端，通过各驱动单元210能够分别驱动各柔索230在转向滑轮220上移动以带动下肢固定护具240进行移动；36.控制系统包括拉压力传感器310、传感器变送器320、编码器330、电机驱动模块340和控制器350，各柔索230上分别连接一个拉压力传感器310，各拉压力传感器310分别连接一个传感器变送器320，各减速电机212的输出轴上分别连接一个编码器330，各减速电机212分别连接一个电机驱动模块340，各传感器变送器320、各编码器330和各电机驱动模块340均与控制器电连接。37.使用时，通过拉压力传感器310和编码器330分别检测柔索230的拉力值和变化长度，便于通过控制器350对减速电机进行运动控制，从而通过柔索230带动下肢固定护具240移动，进行多样化的下肢康复训练，使用四组驱动单元210，并分别驱动四根柔索230带动下肢固定护具240移动以进行下肢康复运动，所用柔索较少，护具穿戴方便，采用柔索230作为驱动的柔性驱动结构，能够避免常规刚性结构的机器人存在的对患者患处产生刚性的运动冲击等问题，同时柔索驱动结构还具备高速度精度、惯性低、刚度可调等优点，而上侧前伸缩支撑杆112和上侧后伸缩支撑杆115的设置便于对柔索230的悬吊位置进行调整，工作空间大，便于通过四根柔索230实现多样的下肢康复训练，本装置结构简洁，便于安装使用，降低了制作成本，降低了普通患者的康复医疗成本，便于产品的推广。38.其中，减速电机212为带有刹车的有刷减速电机，用于驱动柔索，柔索230可选用钢丝绳。卷线盘211为盘装圆柱体，两侧有挡板结构，中间部分设有螺纹槽，用于缠绕钢丝绳，螺纹槽使钢丝绳缠绕更加有序，避免交错缠绕。减速电机212的输出轴通过第一联轴器213连接传动轴214，传动轴214通过轴承和轴承座216设置在底座上，传动轴214的另一端通过第二联轴器215连接编码器330，编码器330为增量式编码器，卷线盘211通过平键连接在传动轴214上。拉压力传感器310为s型拉压力传感器，连接在柔索230上，与传感器变送器320连接后，用于测量柔索230上的拉力值，便于运动控制。39.本实施例中，上侧悬臂支撑杆113包括固定段1130、折叠段1131和固定套筒1132，固定段1130一端固定连接在上侧后支撑杆114上，另一端与折叠段1131一端转动连接，折叠段1131另一端固定连接在上侧前支撑杆111上，固定套筒1132滑动套设于固定段1130上，并能够在折叠段1131展平与固定段1130对齐后，滑动至其两端分别套设于固定段1130和折叠段1131上，对折叠段1131的转动进行约束；折叠段1131上连接有上侧斜支撑杆116，上侧斜支撑杆116一端与折叠段1131转动连接，另一端能够拆卸连接在支撑框架130上。使用时，将折叠段1131展平与固定段1130对齐，通过固定套筒1132对折叠段1131进行限位，使其不能转动，并起到结构强化作用，通过上侧斜支撑杆116对折叠段1131进行支撑，提高其结构稳定性；不进行使用时，将固定套筒1132滑出折叠段1131，将上侧斜支撑杆116从支撑框架130上拆下，然后将折叠段1131向下折叠至竖直状态，上侧前伸缩支撑杆112可以大部分收缩到上侧前支撑杆111中，上侧后伸缩支撑杆115可以大部分收缩到上侧后支撑杆114，节省空间。40.本实施例中，下侧框架120包括下侧伸缩支撑杆121和下侧前固定杆122，支撑框架130底部两端分别连接一个下侧伸缩支撑杆121，两个下侧伸缩支撑杆121远离支撑框架130的一端通过下侧前固定杆122连接。通过下侧伸缩支撑杆121和下侧前固定杆122对整体框架进行支撑，不使用时，下侧伸缩支撑杆121能够收缩，节省空间。其中，下侧前固定杆122可以快速拆卸，用于在机器人位置布置完后安装，辅助加强框架的固定。41.本实施例中，下侧前固定杆122和下侧伸缩支撑杆121上设有前侧承重篮123，前侧承重篮123可以快速拆卸，用于盛放重物或元器件，平衡配重。42.本实施例中，各下侧伸缩支撑杆121的两端底部均设有承重轮2，用于称重支撑，便于进行移动。43.本实施例中，主体框架1上设有若干个导向滑轮250，柔索230经导向滑轮250导向后绕过转向滑轮220与下肢固定护具240连接，可根据实际情况在主体框架1不同位置安装多个导向滑轮250，以将柔索230导向至转向滑轮220处，并通过转向滑轮220悬吊下肢固定护具240。44.本实施例中，下肢固定护具240包括依次连接的大腿护具241、小腿护具242和脚部护具243，下肢固定护具240上设有柔索固定位点，用于连接四根柔索230。其中，下肢固定护具240为符合人体下肢外形的塑料材质护具。45.本实施例中，控制器包括单片机3和微型计算机4，单片机3与微型计算机4电连接，传感器变送器320、编码器330和电机驱动模块340均与单片机3电连接，用于拉压力传感器310信号的采集与减速电机212的运动控制。46.本实施例中，控制系统还包括移动终端5和显示器6，移动终端5和单片机3通信连接，显示器6与微型计算机4电连接。通过移动终端5便于进行操控，通过微型计算机4、单片机3和显示器6便于进行数据运算和人机交互。47.本发明提供的并联柔索驱动下肢康复机器人的具体实施方法如下：48.本发明用于患者进行下肢康复时的示意图如图7所示，其中患者躺在病床上，下肢用下肢固定护具240固定，四根柔索230连接到下肢固定护具240上。49.首先由医护人员依据患者的实际情况确定康复方案。康复方案包括被动、主动、阻尼模式，以及康复动作和动作幅度、频率等。使用时，患者躺在床上，将本发明康复机器人移动到对应位置，并将位置固定，防止滑动。之后，使用位置辨识功能，对患者所在病床的具体位置以及患者的下肢部分长度尺寸进行辨识，以确定康复运动的相关参数。确定相关参数后，依据康复方案，执行相应的康复动作。50.本发明控制系统、对患者进行位置识别、为患者提供下肢康复训练、人机交互功能的工作原理和康复模式及四个转向滑轮的位置优化方法分别叙述：51.(1)控制系统的工作原理52.本发明的控制系统如图8所示，可以由移动终端5对系统进行控制。使用时，由移动终端5给单片机3发送控制信号，单片机3得到指令后，将指令信号发送给微型计算机4，执行相应的功能，控制减速电机212进入相应的运动模式。在运行过程中，编码器330采集柔索230的伸缩变化量，进而得到柔索230的长度值；拉压力传感器310采集柔索230的张力。单片机3采集两者信号，并根据具体模式需要，与微型计算机4进行数据交互，对运动进行控制。微型计算机4采集相关数据，进行位置辨识、路径规划等较为复杂的求解运算以及结合软件实现人机交互功能。53.(2)对患者进行位置识别的工作原理54.位置辨识模式下，首先人工测量穿戴后下肢固定护具240上柔索固定位点的下肢横截面周长，将数据输入控制系统。然后在医护人员的指导下，患者完成几组特定的简单的下肢动作。在这一过程中，机器人以柔索230张力为基础，控制柔索230进行伺服运动。机器人通过编码器330采集柔索230长度信息，信息反馈到微型计算机4进行有关运动学计算，借助几组柔索长度数据以及人工测量的柔索固定位置处下肢横截面周长数据，求得患者的下肢所在位置的坐标、下肢的长度等参数，用于之后的康复训练中的路径规划。55.(3)为患者提供下肢康复训练的工作原理56.结构上，该发明由四个驱动单元210引出四根柔索230，通过发挥导向作用的导向滑轮(定滑轮)，由位于框架四角的四个转向滑轮220引出，由转向滑轮220引出后，柔索230连接到下肢固定护具240，通过柔索230的长短变化，可以带动下肢运动。57.由移动终端5给单片机3康复模式控制信号，单片机3得到康复模式信号指令，将控制信号传递给微型计算机4，微型计算机4进行路径计算，将减速电机212的运动参数返回给单片机3，单片机3根据返回的电机运动参数，通过电机驱动模块340，控制减速电机212运动，从而使四根柔索230伸长或缩短，帮助患者完成训练。58.在运动过程中，机器人能够使用pid反馈控制，通过编码器330获得柔索230长度数据，基于此对电机转速等进行调节，提高运动精度。59.(4)本发明的康复模式60.本发明具有三种康复模式：被动康复、主动康复和阻尼康复。61.被动康复模式下，患者完全依靠机器人的力量来完成运动，不需要主动做出反馈。该模式下，机器人以康复动作的运动轨迹为控制对象，以位置辨识的结果为基础，规划出四根柔索230的伸缩变化。训练中，机器人的四组柔索230通过牵引单侧下肢固定护具240来带动患者的单侧下肢按照相应的速度和路径进行运动。运动过程中，拉压力传感器310实时监测运动过程中柔索230的拉力变化。系统结合拉力变化与运动轨迹，评定患者下肢的状态。当柔索230拉力存在异常变化或超出患者下肢的安全范围时，机器人停止运动并适当放松柔索230，避免患者受伤。62.主动康复模式下，在机器人施加外力的辅助作用下，患者主动进行下肢运动，减轻患者的负担。该模式下，机器人以辅助作用力的大小为主要控制对象，规划协调各个柔索230的张力大小，辅助患者完成制定的与运动轨迹和动作。在这一过程中，通过对柔索230的伸缩进行伺服控制实现辅助外力的输出。在这一伺服控制中，有两个控制依据：一是，通过拉压力传感器310检测各柔索230的张力的变化情况，判断患者的主动运动意图，从而辅助伺服控制的判断；二是，通过拉压力传感器310测量各个柔索230的张力大小，间接得出患者患肢的主动施加力量的情况，从而以柔索230拉力大小为基础进行伺服控制，实现对辅助作用力的大小的控制。63.阻尼康复模式下，患者主动进行下肢运动，机器人施加外力发挥阻碍作用。该模式下，机器人以输出阻力的大小为主要控制对象，规划协调各个柔索230张力，伴随患者完成制定的运动轨迹。在这一过程中，通过对柔索230的伸缩进行伺服运动控制，实现阻力的输出。在这一伺服控制中，有两个控制依据：一是，通过拉压力传感器310检测各柔索230拉力的张力变化情况，判断患者的运动意图，判断阻力的方向、施加拉力的柔索230，从而辅助伺服控制的判断；二是，通过拉压力传感器310测量各个柔索230的张力大小，结合患者运动意图获得阻力大小，从而实现伺服控制对阻力大小的控制。64.(5)四个转向滑轮的位置优化方法65.柔索230通过发挥导向作用的导向滑轮250由转向滑轮220引出，固定到下肢固定护具240上。转向滑轮220的位置会对柔索230拉力的大小、变化幅度产生影响。柔索230的拉力最大值较小，有利于降低患者使用风险，有利于降低对电机功率以及柔索230强度的要求，有利于降低成本。为了使柔索230拉力最大值更小，该发明使用了优化算法对其位置进行了运算，得到了较优的解。66.优化的目标是使四根柔索230的拉力的最大值的平均值最小。四根柔索230拉力的最大值的平均值可以代表四根柔索230拉力最大值的整体情况。67.优化的约束条件是四根柔索230的拉力大于0，以及转向滑轮220的长、宽位置的边界以及高度值。拉力大于0是为了能够保持柔索230的张紧状态，转向滑轮220的位置限制是为了约束本发明的体积大小和满足使用要求。68.优化的工具是遗传算法。69.基于以上条件，得到了转向滑轮220较优的位置解。70.(6)人机交互功能的工作原理71.在微型计算机4系统上设计人机交互界面以及康复游戏。人机交互界面显示在显示器6上。康复游戏给定患者运动目标，患者需要主动移动下肢去完成目标。在患者康复训练的过程中，柔索230伴随患者患肢进行伺服运动，单片机3采集编码器330检测的柔索230长度数据，将数据信号传递给微型计算机4进行逆运动学运算，得到患者下肢的运动方向、速度等状态参数。微型计算机4内的康复游戏程序使用有关的患肢运动参数，将患者患肢的运动反馈到显示器6的交互界面上，实现患肢运动与康复游戏的交互。72.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。









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