CN102258846B - 多模式宇航员康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供多模式宇航员康复训练机器人，包括机架、柔索、柔索驱动单元、拉力传感器，所述的柔索驱动单元固定在机架上，柔索连接柔索驱动单元，拉力传感器安装在柔索上。本发明机架为框架结构，柔索驱动单元模块化，机器人整体结构简单、质量轻、占用空间小，拆卸和安装方便，便于太空运输和宇航员的使用。针对不同的训练模式，通过改变机器人的构型和控制策略，更换运动辅助训练设备，满足不同训练模式的需要。实现了一机多用，为宇航员提供了更加综合有效的训练。柔索驱动单元可以保证在工作过程中柔索传动平稳，能够准确的缠绕在牵引轮上。同时，柔索导向轮减小了柔索传动摩擦，提高了工作效率。

Description

多模式宇航员康复训练机器人

技术领域

本发明涉及的是一种康复机械装置。

背景技术

目前，航天事业呈现蓬勃发展的新态势，载人航天事业在国家整体发展战略中的作用日益突出。人类进入太空要面对诸如失重、真空、辐射等严酷太空环境带来的挑战，对人体产生不良的影响，但失重对人体的影响是无法避免的。航天医学研究的结果表明：失重对宇航员的生理系统和工作能力都有不利的影响，它可能导致宇航员心血管疾病、肌肉萎缩、骨质疏松、太空运动病和心理功能障碍等一系列生理和心理方面的问题，严重的甚至可能威胁到宇航员的生命。失重对宇航员的影响已成为影响载人航天发展的主要因素之一。

在空间站中，宇航员用于对抗失重引起的生理和心理失调的主要方法是加强体育锻炼。已被采用体育锻炼方法有：穿企鹅服、自行车功量计锻炼、抗阻力训练器锻炼及太空炮台锻炼等。这些方法只能对宇航员某一机能进行训练，设备功能单一，耗时且效果不明显。目前，国内外相关专利主要有以下几种：宇航员训练器(专利号为200710072348.1)提供了一种通过柔索牵引驱动机构在微重力环境下模拟重力场的训练器，但是该训练器只能提供跑步训练，设备庞大，功能单一，训练器将载荷施加在人体腰部，对全身训练效果有限；自行下体负压训练器(专利号为01240457.8)利用气体膨胀产生负压的原理对人体进行训练，但该发明对改善人体心肺功能和提高上肢力量作用有限；人工动力下体负压训练舱(专利号为02114423.0)利用排出气体产生负压的原理，通过自行车踏动装置对人体锻炼，该发明对提供人体立位能力和上肢能力效果有限。

航天器里寸土如金，宇航员训练器应该满足质量轻、体积小、安全、低耗、无污染等基本要求。并联柔索驱动机器人具有占用空间小、柔顺性好、可实现复杂的力/位控制等特点，因此适合于宇航员在狭小空间实现多模式的康复训练。通过控制绳索驱动力模拟重力环境的负载特征，把相应的载荷施加到人体上，实现负重条件下的运动训练，使航天员的肌肉、骨骼、心肺等功能得到全面合理地训练。通过康复训练，提高宇航员的心理及生理的稳定性，保证宇航员的工作效率，这对于我国载人航天事业的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供能为身处失重环境的宇航员提供符合重力环境特性的载荷，能提供跑步、卧推和负重深蹲三种训练模式的多模式宇航员康复训练机器人。

本发明的目的是这样实现的：

本发明多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：包括机架、柔索、柔索驱动单元、拉力传感器，所述的柔索驱动单元固定在机架上，柔索连接柔索驱动单元，拉力传感器安装在柔索上。

本发明还可以包括：

1、所述的柔索驱动单元包括驱动单元支架、柔索导向装置、永磁直流力矩电机、柔索牵引轮、光电编码器，永磁直流力矩电机安装在驱动单元支架外，柔索牵引轮安装在驱动单元支架里，永磁直流力矩电机的输出轴连接柔索牵引轮，柔索导向装置安装在驱动单元支架外，柔索缠绕在柔索牵引轮上并穿过柔索导向装置，光电编码器安装在永磁直流力矩电机上。

2、所述的柔索驱动单元还包括固定柔索导向装置，柔索导向装置连接固定柔索导向装置，固定柔索导向装置固定在驱动单元支架里，柔索导向装置安装在驱动单元支架外，柔索缠绕在柔索牵引轮上并穿过固定柔索导向装置、柔索导向装置。

3、所述的机架为环形且带有滑槽。

4、所述的柔索驱动单元有六个、柔索有六根、拉力传感器有六个，第一～第六柔索驱动单元分别对应第一～第六柔索，第一～第六柔索分别对应第一～第六拉力传感器。

5、还包括跑台和肩铠，肩铠与六根柔索相连，跑台置于机架中。

6、还包括横杠，横杠与六根柔索相连。

7、还包括横杠和卧推凳，横杠与六根柔索相连，卧推凳置于机架中、横杠下方。

本发明的优势在于：多模式宇航员康复训练机器人机器人机架为框架结构，柔索驱动单元模块化，机器人整体结构简单、质量轻、占用空间小，拆卸和安装方便，便于太空运输和宇航员的使用。针对不同的训练模式，通过改变机器人的构型和控制策略，更换运动辅助训练设备，满足不同训练模式的需要。实现了一机多用，为宇航员提供了更加综合有效的训练。柔索驱动单元可以保证在工作过程中柔索传动平稳，能够准确的缠绕在牵引轮上。同时，柔索导向轮减小了柔索传动摩擦，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的机架与实施方式1的柔索驱动单元的装配图；

图2为本发明实施方式3的跑步训练模式示意图；

图3为本发明实施方式4的卧推训练模式示意图；

图4为本发明实施方式5的负重深蹲训练模式示意图；

图5为本发明实施方式2的柔索驱动单元总体装配图；

图6为本发明实施方式2的柔索驱动单元内部装配图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施方式1：

结合图1，多模式宇航员康复训练机器人是模块化的，它的一个模块单元如图1所示。多模式宇航员康复训练机器人的柔索驱动单元3通过螺栓与机架1相连。柔索驱动单元3主要是通过控制永磁直流力矩电机2实现柔索4的伸缩。

本实施方式包括机架1、柔索4、柔索驱动单元3、拉力传感器6，柔索驱动单元3固定在机架1上，柔索4连接柔索驱动单元3，拉力传感器6安装在柔索4上。

柔索驱动单元3包括驱动单元支架12、柔索导向装置13、永磁直流力矩电机2、柔索牵引轮15、光电编码器11，永磁直流力矩电机2安装在驱动单元支架12外，柔索牵引轮15安装在驱动单元支架12里，永磁直流力矩电机2的输出轴连接柔索牵引轮15，柔索导向装置13安装在驱动单元支架外12，柔索4缠绕在柔索牵引轮15上并穿过柔索导向装置13，光电编码器11安装在永磁直流力矩电机2上。

所述的柔索驱动单元3有六个、柔索4有六根、拉力传感器6有六个，第一～第六柔索驱动单元分别对应第一～第六柔索，第一～第六柔索分别对应第一～第六拉力传感器。

实施方式有如下特点：机架为正方形的框架结构，由带有滑槽的铝型材连接而成；通过滑槽完成铝型材之间的连接，通过滑槽与柔索驱动单元和地基连接。柔索驱动单元通过控制永磁直流力矩电机来实现柔索的伸缩。6组柔索驱动单元对称地布置在机器人机架上；柔索驱动单元通过螺栓与机架相连。柔索缠绕在牵引轮上，最后通过导向轮输出。通过柔索导向轮来约束柔索输出的方向，并减少柔索与机架的摩擦。由柔索驱动单元输出的6根柔索上分别接有6组拉力传感器，用于检测柔索张力。训练时，通过控制电机来控制柔索长度使柔索能够跟随人体位姿的变化并给人体施加相应的载荷。针对不同的训练模式，调整机器人构型及其控制策略，更换运动辅助训练设备，达到训练要求。

实施方式2：

在实施方式1的基础上，柔索驱动单元3还包括固定柔索导向装置14，柔索导向装置13连接固定柔索导向装置14，固定柔索导向装置14固定在驱动单元支架12里，柔索导向装置13安装在驱动单元支架12外，柔索4缠绕在柔索牵引轮15上并穿过固定柔索导向装置14、柔索导向装置13。

实施方式3：

在实施方式2的基础上，增加跑台5、肩铠7等部分，六个柔索驱动单元3对称地布置在机器人机架3上，通过螺栓与机架3相连。拉力传感器6连接在宇航员与柔索驱动单元3之间的柔索上，以检测柔索的拉力。

在跑步训练模式下，将跑台5置于机架1中间，宇航员穿戴上肩铠7，将6根绳索4分成两组分别连接到宇航员所穿的肩铠7上。跑步时，机器人在跟随人体肩部位姿变化的同时给两肩施加相应的负载。

工作时，宇航员康复机器人需要根据宇航员的姿态和运动状态把期望负载力施加到人体上，人做主动运动，而机器人处于被动运动状态。通过控制绳索驱动力模拟重力环境的负载特征，实现负重条件下的运动训练，使航天员的肌肉、骨骼、心肺等功能得到全面合理地训练，提高在失重环境下宇航员的康复训练效果。

实施方式4：

在实施方式2基础上增加横杠8，在负重深蹲训练模式下，宇航员站在机架中间，将6根绳索4分成两组分别连接在横杠8两端。深蹲训练时，机器人在跟随横杠8运动的同时在横杠8上施加相应的负载。

实施方式5：

在实施方式4的基础上增加卧推凳9，在卧推训练模式下，将卧推凳9置于机架1中间，宇航员躺在卧推凳9上，将6根绳索4分成两组分别连接在横杠8两端。卧推时，机器人在跟随横杠8运动的同时在横杠8上施加相应的负载。

Claims (7)

1.多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：包括机架、柔索、柔索驱动单元、拉力传感器，所述的柔索驱动单元固定在机架上，柔索连接柔索驱动单元，拉力传感器安装在柔索上；

所述的柔索驱动单元包括驱动单元支架、柔索导向装置、永磁直流力矩电机、柔索牵引轮、光电编码器，永磁直流力矩电机安装在驱动单元支架外，柔索牵引轮安装在驱动单元支架里，永磁直流力矩电机的输出轴连接柔索牵引轮，柔索导向装置安装在驱动单元支架外，柔索缠绕在柔索牵引轮上并穿过柔索导向装置，光电编码器安装在永磁直流力矩电机上。

2.根据权利要求1所述的多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：所述的柔索驱动单元还包括固定柔索导向装置，柔索导向装置连接固定柔索导向装置，固定柔索导向装置固定在驱动单元支架里，柔索导向装置安装在驱动单元支架外，柔索缠绕在柔索牵引轮上并穿过固定柔索导向装置、柔索导向装置。

3.根据权利要求2所述的多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：所述的机架为环形且带有滑槽。

4.根据权利要求1、2或3所述的多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：所述的柔索驱动单元有六个、柔索有六根、拉力传感器有六个，第一～第六柔索驱动单元分别对应第一～第六柔索，第一～第六柔索分别对应第一～第六拉力传感器。

5.根据权利要求4所述的多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：还包括跑台和肩铠，肩铠与六根柔索相连，跑台置于机架中。

6.根据权利要求4所述的多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：还包括横杠，横杠与六根柔索相连。

7.根据权利要求4所述的多模式宇航员康复训练机器人，其特征是：还包括横杠和卧推凳，横杠与六根柔索相连，卧推凳置于机架中、横杠下方。

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