CN105030484B - 一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，包括主操纵器和从动机构，主操纵器具有转动阻尼力可调的关节机构，关节机构包括一个主轴，主轴上设有可相对转动的第一安装座板和第二安装座板，第一安装座板上固定有摩擦盘，第二安装座板上设有与摩擦盘接触摩擦以改变其转动阻尼力的驱动机构，从动机构设有关节和驱动该关节运动的关节执行器，用于检测第一安装座板和第二安装座板相对转动角度的角度传感器和用于检测从动机构关节运动的从动传感器均与控制器连接，由控制器控制主操纵器的关节机构根据从动机构相应关节的反馈自适应做出适合从动机构相应关节运动的动作，实现了示教再现和阻尼力反馈的功能。

Description

一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其是关于一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备。

背景技术

随着我国老龄化趋势的加重，人体运动功能障碍（即因为脊柱损伤、脑卒、意外事故伤害等而造成人体的神经受损）已成为一种常见的疾病。通过及时有效的康复训练，可以刺激大脑中枢神经以恢复部分功能，消除由于运动神经元损伤带来的肢体运动功能障碍，提高患者的运动能力。随着近年来经济与科技的发展，利用自动化系统来帮助患者康复成为了国内外康复训练发展的主流。

康复训练设备可以配合理疗师为患者进行治疗，帮助患者进行康复训练。现有的康复训练设备，虽然经过了多年发展，有些也已经应用于临床治疗，但在使用中仍有不足之处：康复训练的运动姿态曲线数据是预先存入控制系统的存储器中，这些数据是对大多数正常人行走步态曲线或上肢活动的数据进行采集，并经过统计和分析后获得的数据，不仅数据单一，无法自适应患者病情，而且由于修改涉及编程，修改参数复杂，理疗师很难学会有效操纵现有康复设备，更不能针对每个病人及时编写程序调整训练动作曲线数据。康复训练设备本应该是配合理疗师的治疗，起辅助作用的，但现在却因为操控问题而影响患者的治疗进程。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，通过控制器控制主操纵器的关节机构根据从动机构相应关节的反馈自适应做出适合从动机构相应关节运动的动作。

本发明是采用以下技术方案及技术措施来实现的。

本发明提出一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，包括主操纵器和从动机构，所述主操纵器具有转动阻尼力可调的关节机构，所述关节机构包括一个主轴，主轴上设有可相对转动的第一安装座板和第二安装座板，所述第一安装座板上固定有摩擦盘，第二安装座板上设有与摩擦盘接触摩擦以改变其转动阻尼力的驱动机构，所述从动机构设有与主操纵器的关节机构对应的关节和与控制器连接并驱动该关节运动的关节执行器，用于检测第一安装座板和第二安装座板相对转动角度的角度传感器和用于检测从动机构的关节运动状况的从动传感器均与控制器连接，所述控制器根据角度传感器和从动传感器的测量值判断同一信号采集时间间隔内主操纵器关节机构与从动机构关节转速的差值，并根据差值大小通过驱动机构控制主操纵器关节机构阻尼力的大小。

较佳的，所述的机械臂主从操纵设备还包括存储主操纵器预定动作指令信号数据的存储器，该存储器与控制器连接以传输动作指令信号给控制器。

较佳的，所述从动传感器是检测从动机构的关节运动角度的从动角度传感器。

较佳的，所述从动传感器是检测从动机构的关节运动位置的位置传感器。

较佳的，所述的驱动机构包括相对的设置在摩擦盘两侧以夹持摩擦盘的两个气缸，两个气缸与控制其同步动作的比例调节阀连接，比例调节阀连接控制器以控制两个气缸的动作。

较佳的，在所述两个气缸内侧均设有夹持摩擦盘的摩擦片。

较佳的，所述主操纵器包括多个转动阻尼力可调的关节机构，关节机构之间通过连杆相连，关节机构的第一安装座板和第二安装座板设有固定连杆的安装孔位。

较佳的，所述从动机构包括多个与主操纵器对应的关节和用于驱动每个关节运动的关节执行器，关节执行器与从动传感器连接。

较佳的，所述角度传感器设于主轴上。

较佳的，所述第二安装座板固定于主轴上，所述第一安装座板沿主轴转动，带动摩擦盘相对第二安装座板沿主轴转动。

与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果：

1、本发明通过控制器控制主操纵器的关节机构根据从动机构相应关节的反馈自适应做出适合从动机构相应关节运动的动作，从动机构相当于现有技术中的康复训练设备，为了使从动机构的关节做出合适的动作，本发明设计了一个主操纵器以解决现有技术需要修改存储器中运动曲线参数数据的不便，主操纵器与从动机构都连接到控制器，一方面，从动机构的关节可以与主操纵器的关节机构同步动作，另一方面，控制器通过判断同一信号采集时间间隔内主操纵器关节机构和从动机构关节转速的差值大小，控制主操纵器关节机构阻尼力的大小，转速差值越大，控制器反馈给主操纵器的阻尼力就越大，操作主操纵器的人（如理疗师）根据从动机构的阻尼反馈自适应的做出适合使用从动机构的人的示教动作，实现了示教再现和阻尼力反馈的功能，理疗师通过操作主操纵器，帮助使用从动机构的患者进行康复训练；

2、存储器可以存储主操纵器预定动作指令信号数据，主操纵器根据从动机构阻尼反馈做出的合适动作数据可以存储在存储器中，相当于根据使用从动机构的人（如患者）的情况，实时更新存储器中的运动曲线数据，之后一定时间内，可由控制器调用存储器中的合适数据，控制从动机构重复该动作若干次，减轻了操作主操纵器的人的工作负担；

3、从动传感器反馈给控制器的数据可以是从动机构关节的角度测量值或位置测量值，可根据实际需要选择合适的从动传感器；

4、驱动机构的两个气缸是相对的设置在摩擦盘两侧，通过比例调节阀控制两个气缸同步动作夹持摩擦盘，第一安装座板和第二安装座板的相对转动角度由角度传感器测量，结构简单，设计巧妙，提高了关节机构的线性度和刚性。

附图说明

图1是本发明具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备的控制原理图。

图2是本发明中主操纵器一实施例的结构示意图。

图3是图2中关节机构的结构示意图。

图4是图3关节机构的控制原理图。

图5是本发明中主操纵器另一实施例的结构示意图。

1：主操纵器，11：连杆，2：从动机构，21：关节，22：关节执行器，23：从动传感器， 3：关节机构，31：主轴，32：第一安装座板，33：第二安装座板，34：摩擦盘，- 351：气缸，352：比例调节阀，353：摩擦片，354：气源，36：角度传感器，4：控制器，5：存储器，6：束带，7：护板，8：尺寸调节机构，81：滑轨，82：滑座。

具体实施方式

为使本发明的内容更明显易懂，以下结合具体实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，该设备包括主操纵器1和从动机构2，从动机构2相当于现有技术中的康复训练设备，为了使从动机构2的关节21做出合适的动作，本发明设计了一个主操纵器1以解决现有技术需要修改存储器中运动曲线参数数据的不便，主操纵器1和从动机构2都连接到控制器4，图1是本发明的控制原理图，主操纵器1是配戴在人（如理疗师）的关节处，由这个人示教各种训练动作，主操纵器1包括多个转动阻尼力可调的关节机构3，关节机构3之间通过连杆11相连，将主操纵器1贴附于该人的关节处，主操纵器1的关节机构3对应人的关节，连杆11的长度是两个关节之间的长度，当人的该关节做出动作时，主操纵器1的关节机构3会将关节的动作指令（如关节的转动角度信息）传递给控制器4。从动机构2是患者使用的，从动机构2中的关节21由关节执行器22驱动，关节执行器22与控制器4相连，控制器4将主操纵器1的动作指令信号发送给关节执行器22，让患者跟随做出相应的动作，控制器4对从动机构2反馈的关节运动信息和主操纵器1的关节运动信息进行比较，通过差值大小控制主操纵器1关节机构3阻尼力的大小，使操作主操纵器1的人做出适合使用从动机构2的患者的动作，实现了示教再现和阻尼力反馈的功能。

参阅图2的实施例，本发明的主操纵器1具有一个以上的转动阻尼力可调的关节机构3，每个关节机构3对应人的一个关节，负责该关节的运动信息采集和反馈阻尼力调节，关节机构3是主操纵器1的核心，关节机构3之间通过连杆11相连。图3是图2中关节机构3的结构示意图，如图3所示，关节机构3包括一个主轴31，主轴31上设有可相对转动的第一安装座板32和第二安装座板33，所述第一安装座板32上固定有摩擦盘34，第二安装座板33上设有与摩擦盘34接触摩擦以改变其转动阻尼力的驱动机构- 。优选的，所述第二安装座板33固定于主轴31上，所述第一安装座板32沿主轴31转动，带动摩擦盘34相对第二安装座板33沿主轴31转动。

主轴31上连接有用于检测第一安装座板32和第二安装座板33相对转动角度的角度传感器36，角度传感器36与控制器4连接。

参阅图4的控制原理图，在该实施例中，驱动机构- 包括相对的设置在摩擦盘34两侧以夹持摩擦盘34的两个气缸351，两个气缸351与控制其同步动作的比例调节阀352连接，比例调节阀352连接控制器4以控制两个气缸351的动作，气源354连接比例调节阀352，在两个气缸351内侧均设有夹持摩擦盘34的摩擦片353，结构简单，设计巧妙，提高了关节机构3的线性度和刚性。

第一安装座板32和第二安装座板33是关节机构3的转动平台，也是其他零件的安装平台，第一安装座板32和第二安装座板33均有多个安装孔位，可与不同的外设零部件组合（如连杆11），构成单关节或多关节的主操纵器。

如图1，从动机构2包括与主操纵器1的关节机构3对应的关节21、用于驱动该关节21运动的关节执行器22以及与关节执行器22相连的从动传感器23，从动传感器23和关节执行器22均与控制器4相连。主操纵器1的角度传感器36将关节机构3运动的角度信号发送给控制器4，控制器4处理后将动作指令信号发送给关节执行器22，驱动该关节21运动，关节21的运动情况（如角度信息或位置信息）通过从动传感器23反馈给控制器4，控制器4计算出同一信号采集时间间隔内主操纵器1关节机构3与从动机构2关节21的角度差值，即是主操纵器1关节机构3与从动机构2关节21的转速差值，并根据差值大小通过驱动机构控制主操纵器1关节机构3阻尼力的大小，差值越大，反馈给主操纵器1关节机构3的阻尼力就越大。操作主操纵器1的人（如理疗师）根据从动机构2的阻尼反馈做出适合使用从动机构2的人的示教动作，理疗师通过操作主操纵器1，帮助使用从动机构2的患者进行康复训练。

从动传感器23可以是从动角度传感器和/或位置传感器，也可以是其他能检测关节运动信息的传感器，根据实际需要旋转合适的从动传感器23。如果是位置传感器，那么控制器4可以将位置测量值转换为角度值。在同一信号采集时间间隔内，控制器4根据从动机构2从动角度传感器与主操纵器1角度传感器36测量的角度差值大小控制主操纵器1关节机构3阻尼力的大小。

当操作主操纵器1的人（如理疗师）做出了适合的训练动作时，需要将该动作存储起来，由控制器4控制从动机构2运动即可，这样，理疗师就不必一直重复相同的动作，减轻理疗师的工作负担。为实现上述目的，本发明的机械臂主从操纵设备还包括存储主操纵器1预定动作指令信号数据的存储器5，该存储器5与控制器4连接以传输动作指令信号给控制器4。控制器4还连接人机交互设备，由显示屏操作，设定动作种类、时间等参数。

图2实施例中的主操纵器1适用于上臂单关节或两关节的康复训练。

如图5，是本发明另一实施例的下肢康复训练多关节主操纵器的示意图， 3个关节机构分别位于髋关节、膝盖和脚踝，3个关节机构分别对应人体的3个运动关节，该主操纵器还设有一些外接装置，如束带6、护板7和尺寸调节机构8，便于将其固定在人的腿部，使关节机构3恰好贴附在人体相应的关节。束带6包括腰部束带、腿部束带、脚部束带，护板7可以是腿部护板，尺寸调节机构8包括滑轨81和滑座82，腿部护板7和关节机构3通过尺寸调节机构8连接，滑轨81固定在护板7上，滑座82与关节机构3的第一安装座板32或第二安装座板33连接。

除了以上描述外,本发明还可以广泛地用在其他实施例中，并且本发明的保护范围并不受实施例的限定，其以权利要求的保护范围为准。任何熟悉本专业的技术人员，依据本发明的技术实质对以上实施例的简单修改，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，包括主操纵器（1）和从动机构（2），所述主操纵器（1）具有转动阻尼力可调的关节机构（3），所述关节机构（3）包括一个主轴（31），主轴（31）上设有可相对转动的第一安装座板（32）和第二安装座板（33），所述第一安装座板（32）上固定有摩擦盘（34），第二安装座板（33）上设有与摩擦盘（34）接触摩擦以改变其转动阻尼力的气压驱动机构，所述从动机构（2）设有与主操纵器（1）的关节机构（3）对应的关节（21）和与控制器（4）连接并驱动该关节运动的关节执行器（22），用于检测第一安装座板（32）和第二安装座板（33）相对转动角度的角度传感器（36）和用于检测从动机构的关节运动状况的从动传感器（23）均与控制器（4）连接，所述控制器（4）根据角度传感器（36）和从动传感器（23）的测量值判断同一信号采集时间间隔内主操纵器（1）关节机构（3）与从动机构（2）关节（21）转速的差值，并根据差值大小通过气压驱动机构控制主操纵器（1）关节机构（3）阻尼力的大小。

2.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述的机械臂主从操纵设备还包括存储主操纵器预定动作指令信号数据的存储器（5），该存储器（5）与控制器（4）连接以传输动作指令信号给控制器（4）。

3.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述从动传感器（23）是检测从动机构（2）的关节（21）运动角度的从动角度传感器。

4.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述从动传感器（23）是检测从动机构（2）的关节（21）运动位置的位置传感器。

5.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述的气压驱动机构包括相对的设置在摩擦盘（34）两侧以夹持摩擦盘（34）的两个气缸（351），两个气缸（351）与控制其同步动作的比例调节阀（352）连接，比例调节阀（352）连接控制器（4）以控制两个气缸（351）的动作。

6.如权利要求5所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，在所述两个气缸（351）内侧均设有夹持摩擦盘（34）的摩擦片（353）。

7.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述主操纵器（1）包括多个转动阻尼力可调的关节机构（3），关节机构（3）之间通过连杆（11）相连，关节机构（3）的第一安装座板（32）和第二安装座板（33）设有固定连杆（11）的安装孔位。

8.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述从动机构（2）包括多个与主操纵器对应的关节（21）和用于驱动每个关节（21）运动的关节执行器（22），关节执行器（22）与从动传感器（23）连接。

9.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述角度传感器（36）设于主轴（31）上。

10.如权利要求1所述的一种具有阻尼反馈的机械臂主从操纵设备，其特征在于，所述第二安装座板（33）固定于主轴（31）上，所述第一安装座板（32）沿主轴（31）转动，带动摩擦盘（34）相对第二安装座板（33）沿主轴（31）转动。