CN108210255A - 一种康复机器人双电机动态悬吊系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种康复机器人双电机动态悬吊系统，立柱上端固连上支撑板和吊板；上滑块和下滑块套接在两根竖直光轴上，相互通过两个弹簧连接；下滑块被动力源驱动沿光轴轴向运动；上滑块上表面安装有动滑轮；绳索一端缠绕在卷扬机上，另一端绕过动滑轮，通过吊板上安装的定滑轮改变方向后连接在患者身上；减震块对上滑块的上下运动进行限位；接近传感器安装在吊板下表面，监测患者与吊板的距离；定滑轮与吊板之间安装拉力传感器。本发明能够同时实现高度和力两个参数精确调节，系统稳定不抖动。
Description
技术领域
本发明涉及康复医疗机器人技术领域，具体为一种康复机器人悬吊系统。
背景技术
随着我国人口老龄化日趋严重，残疾人总数大，需要进行康复医疗的患者逐年增多。采用外骨骼机器人进行肢体康复训练的方式可以对肢体残疾患者进行有效的康复训练。外骨骼机器人是一种典型的助力装置，外骨骼装置中具有使人脱离地面并提供减重功能的悬吊装置。悬吊装置通过绳子连接到患者身上，可以通过绳子的伸缩调节患者的空间位置。
目前减重系统主要配重块减重、弹簧减重、电机力反馈减重三种方式。采用配重块减重的方式中，由于配重块存在惯性，而人体运动加速度不断变化，导致惯性力不断变化，进而导致减重力不断变化。如果采用弹簧减重，由于人体重心高度不断变化，弹簧弹力与弹簧的形变成正比，使得弹簧弹力不断变化，进而导致减重力不断变化。如果直接采用电机减重，需要电机控制系统进行位置反馈和力反馈结合，控制复杂，并且将使得系统倾向于不稳定，系统运行容易抖动。
因此迫切需要一种康复机器人悬吊系统，可同时实现高度和力两个参数精确调节，不仅方便穿戴，还可精确控制到患者身上的减重力，帮助不同身高、不同体重的患者在不同康复阶段得到不同程度的悬吊助力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种康复机器人双电机动态悬吊系统，能够同时实现高度和力两个参数精确调节，系统稳定不抖动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种康复机器人双电机动态悬吊系统，包括下支撑板、光轴、立柱、直线轴承、下滑块、减振块、上滑块、上支撑板、吊板、卷扬机、力传感器、定滑轮、接近传感器、绳索、动滑轮、弹簧和动力源。
所述的立柱下端通过下支撑板固定安装，立柱上端固连上支撑板和吊板；所述的上支撑板和下支撑板之间平行安装两根光轴；所述的上滑块和下滑块的水平方向两端通过直线轴承套接在两根光轴上，上滑块和下滑块之间通过两个弹簧连接；所述的下滑块被动力源驱动沿光轴轴向运动；所述的上滑块上表面安装有动滑轮；所述的卷扬机固定在吊板上；所述的绳索一端缠绕在卷扬机上，另一端绕过动滑轮，通过吊板上安装的定滑轮改变方向后连接在患者身上；所述的减震块通过支撑机构安装在上滑块沿光轴上下运动的两端，对上滑块的上下运动进行限位；所述的接近传感器安装在吊板下表面，监测患者与吊板的距离，当距离达到设定的最小安全距离时接近传感器触发限位信号，动力源接收到限位信号后保持动力，使上滑块保持在当前位置；所述的定滑轮与吊板之间安装拉力传感器。
所述的立柱与地面垂直，所述的下支撑板、上支撑板和吊板与地面平行。
所述的光轴穿过支撑机构上的通孔，所述的减震块安装在支撑机构朝向滑块一侧。
所述光轴的结构包括但不限于圆导轨、三角导轨、燕尾槽导轨、矩形导轨。
所述的吊板下表面安装两个定滑轮，所述的减重绳索穿过上支撑板后通过两个定滑轮分别实现90度转向。
所述的动力源包括但不限于由液压油源和推杆组成的直线运动舵机或推杆、电机与丝杆组成的直线运动舵机。
本发明的有益效果是：通过定滑轮A、动滑轮、定滑轮B、拉伸弹簧、限位支撑及推杆的组合设计，同时实现高度和力两个参数精确调节，不仅方便穿戴，还可精确控制到患者身上的减重力，帮助不同身高、不同体重的患者在不同康复阶段得到不同程度的悬吊助力。本发明解决了现有采用配重块减重存在惯性力，弹簧等问题，具有高度和力控制精确，动作平稳的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中，1-下支撑板，2-导向轴承支架，3-光轴，4-立柱，5-直线轴承，6-下滑块，7-限位支撑，8-减振块，9-上滑块，10-上支撑板，11-吊板，12-卷扬机，13-力传感器，14-定滑轮A，15-接近传感器，16-定滑轮B，17-绳索，18-动滑轮，19-固定螺母，20-穿孔螺栓，21-拉伸弹簧，22-耳环A，23-推杆，24-耳环B。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明所述的康复机器人双电机动态悬吊系统由下支撑板1、导向轴承支架2、光轴3、立柱4、直线轴承5、下滑块6、限位支撑7、减振块8、上滑块9、上支撑板10、吊板11、卷扬机12、力传感器13、定滑轮A14、接近传感器15、定滑轮B16、绳索17、动滑轮18、固定螺母19、穿孔螺栓20、拉伸弹簧21、耳环A22、推杆23、耳环B24组成。
下支撑板1固定连接在立柱4下端，上支撑板10固定连接在立柱4上端，立柱4高度为2米到3米，光轴3两端各固定连接一个导向轴支架2，光轴3直径为10mm到40mm，下端的导向轴支架2与下支撑板1固定连接，上端的导向轴支架2与上支撑板10固定连接。下滑块6及上滑块9分别固定连接两个直线轴承5，可沿着导向轴在竖直方向自由滑动。
推杆可沿轴向做伸缩运动，带动下滑块6在竖直方向做直线运动。下滑块6与拉伸弹簧21一端固定连接，拉伸弹簧21另一端与上滑块9固定连接。限位支撑7固定在立柱4上，上滑块9位于上下两个限位支撑7之间，而减振块8与限位支撑7固定连接，限位支撑7和减振块8组成上滑块9的机械限位装置。防止患者因无法维持体重而跌落，达到保护患者的作用。
上支撑板10固定连接在立柱上，卷扬机12固定于吊板11上，吊板11长度为1.5米到2.5米，卷扬机12可自由收放绳索。动滑轮18与上滑块9固定连接，力传感器13固定连接在吊板11上，定滑轮A14固定连接在力传感器13。接近传感器15固定连接在吊板11上，定滑轮B16固定连接在接近传感器15上。卷扬机12的绳索从位于吊板11和上支撑板10在卷扬机12的正下方对应通孔中穿过，并依次穿过动滑轮18、定滑轮A14和定滑轮B16。绳索17一端连接到患者身上的安全服上，绳索17另一端连接卷扬机12。使用时，患者穿戴好安全服，卷扬机13将患者吊起，方便患者穿戴康复机器人设备。此时，上滑块9向上运动到的极限位置时，上滑块9紧贴上端的限位支撑7上的减振块8，起到机械限位作用。患者穿好康复设备后，将患者放下，采用多滑轮机构，通过卷扬机精确控制悬吊系统高度，并且通过接近传感器15进行保护，防止系统故障。通过人体中心高度变化及悬吊减重力精确测量这两个参数进行耦合，来控制推杆伸缩长度L，可精确控制到患者身上的减重力。
通过定滑轮A 14、动滑轮18、定滑轮B16、拉伸弹簧21及推杆23的组合设计，同时实现高度和力两个参数精确调节，不仅方便穿戴，还可精确控制到患者身上的减重力，帮助不同身高、不同体重的患者在不同康复阶段得到不同程度的悬吊助力。
本发明的实施例由下支撑板1、导向轴承支架2、光轴3、立柱4、直线轴承5、下滑块6、限位支撑7、减振块8、上滑块9、上支撑板10、吊板11、卷扬机12、力传感器13、定滑轮A14、接近传感器15、定滑轮B16、绳索17、动滑轮18、固定螺母19、穿孔螺栓20、拉伸弹簧21、耳环A22、推杆23、耳环B24组成。
下支撑板1固定连接在立柱4下端，上支撑板10固定连接在立柱4上端，下支撑板1上含有两个安装定位安装孔，上支撑板10上同样含有两个间距相等安装定位安装孔，光轴3一端穿过上支撑板1的一个安装孔，另一端穿过下支撑板10的一个安装孔。由于下支撑板1和上支撑板10含有两个定位安装孔间距相等，起到定位作用，保证了两根光轴3的平行度。光轴3两端各固定连接一个导向轴支架2，下端的导向轴支架2与下支撑板1固定连接，上端的导向轴支架2与上支撑板10固定连接。下滑块6固定连接两个直线轴承5，直线轴承5可在光轴3上沿轴向自由滑动。因此，下滑块6可在竖直方向自由滑动。同样，上滑块9固定连接两个直线轴承5，直线轴承5可在光轴3上沿轴向自由滑动。因此，上滑块9可在竖直方向自由滑动。耳环B固定连接于下支撑板1中部，耳环B与推杆23尾部铰链连接。耳环A固定连接于下滑块6中部，耳环B与推杆23尾部铰链连接。推杆可沿轴向做伸缩运动，带动下滑块在竖直方向做直线运动。下滑块6上有两个穿孔螺栓20，并通过固定螺母19固定在下滑块6上的安装孔中。同样，上滑块9上也有两个穿孔螺栓20，并通过固定螺母19固定在上滑块9上的安装孔中。拉伸弹簧21一端穿过位于下滑块6上穿孔螺栓20的孔中，拉伸弹簧21另一端穿过位于上滑块9上穿孔螺栓20的孔中。限位支撑7固定在立柱4上，上滑块9位于上下两个限位支撑7之间，而减振块8与限位支撑7固定连接，限位支撑7和减振块8组成上滑块9的机械限位装置。当上滑块9向上运动到的极限位置时，上滑块9与上端的限位支撑7上的减振块8碰撞，减振块8起到缓冲作用。同样，当上滑块9向下运动到的极限位置时，上滑块9与下端的限位支撑7上的减振块8碰撞，减振块8起到缓冲作用。
上支撑板10固定连接在立柱上，卷扬机12固定于吊板11上，卷扬机12可自由收放绳索。动滑轮18与上滑块9固定连接，力传感器13固定连接在吊板11上，定滑轮A14固定连接在力传感器13。接近传感器15固定连接在吊板11上，定滑轮B16固定连接在接近传感器15上。卷扬机12的绳索从位于吊板11和上支撑板10在卷扬机12的正下方对应通孔中穿过，并依次穿过动滑轮18、定滑轮A14和定滑轮B16。绳索17一端端连接到患者身上的安全服上，绳索17另一端连接卷扬机12。
卷扬机12能够提升150公斤的负载，而99％患者重量不超过80kg。使用时，患者穿戴好安全服，卷扬机13将患者吊起，方便患者穿戴康复机器人设备。此时，上滑块9向上运动到的极限位置时，上滑块9紧贴上端的限位支撑7上的减振块8，起到机械限位作用。患者穿好康复设备后，将患者放下，并通过卷扬机12使得患者双腿着地，卷扬机13。由于采用多滑轮机构，只有动滑轮18一半的输出力作用在患者身上。两根刚度为k＝3kN/m拉伸弹簧，通过下滑块6连接到动滑轮14，弹簧长度和弹簧预紧力可以通过推杆23调节。由于两根弹簧完全相同，只要上滑块9运动没有被限位支撑阻挡，施加到患者身上的力等于一半的两根弹簧的拉伸力，施加到患者身上的力，也等于单根弹簧施加的力，也等于推杆23的驱动力，而推杆峰值驱动力可达200kg，大于160kg，满足设计需求。由于人体运动过程中，重心高度在不断变化，绳索17不变形，拉伸弹簧21伸长量变化等于人体重心高度变化的一半，因此当人体运动中，弹簧拉力不断变化，作用在人体的拉伸力也不断变化。为了保证弹簧拉力不变，需保证弹簧伸长量不变。由于人体运动过程中，可通过控制推杆伸缩，同步匹配人体重心高度变化，即可保持弹簧伸长量不变，保持施加到患者身上的弹簧拉力不变。如果忽略传动系统惯量及摩擦阻力，施加到患者身上的悬吊力不变。
然而实际系统并非理想系统，需要精确测量患者身上悬吊力，保持施加到患者身上的悬吊力不变。
本发明通过力传感器13固定连接在吊板11下表面及定滑轮A 14之间。施加到患者身上的减重力
其中：α为滑轮两端绳索17间夹角。
由几何关系，定滑轮A两端绳索17间夹角为90°，因此，
通常设计中力传感器固定连接在定滑轮B上，然而人体运动过程中不可避免会有一定程度的倾斜。滑轮两端绳索17间夹角α不断变化，无法得到精确的悬吊拉力。
或者将力传感器13直接连接到绳索末端，不仅传感器13占有一定空间，影响高度调节范围，更重要的是传感器13运动过程中存在惯量，影响悬吊拉力的精确测量。
通过精确测量施加到患者身上的减重力，作为力参数调节的输入多余力的补偿，通过推杆23修正弹簧伸长量，从而达到施加到患者身上的力恒定。
x1＝x0+x
其中x1为弹簧实际伸长量，k为单根弹簧的刚度，x修为多余力的补偿的修正弹簧伸长量，F患者为患者身上的减重力。
推杆实际伸长量为
L＝x1+h/2
其中h为人体重心高度变化，可通过人体运动曲线获得。
因此，通过控制推杆伸缩长度L，可精确控制到患者身上的减重力。
下肢功能障碍患者双腿无法提供足够的支撑力，维持自身体重。双电机悬吊系统在康复训练过程中能够减轻患者部分体重，而并非将患者完全吊起，提供完全体重的支撑力，故而起到锻炼双腿的作用。
上滑块上下方的两个限位支撑7可起到保护患者的作用。当拉伸弹簧21通过绳索17施加到患者身上的力和患者自身双腿支撑力的合力无法支撑患者体重时，上滑块9与限位支撑7接触，限位支撑7可提供部分支撑力，防止患者因无法维持体重而跌落，达到保护患者的作用。
因此通过定滑轮A 14、动滑轮18、定滑轮B16、拉伸弹簧21及推杆23的组合设计，同时实现高度和力两个参数精确调节，不仅方便穿戴，还可精确控制到患者身上的减重力，帮助不同身高、不同体重的患者在不同康复阶段得到不同程度的悬吊助力。
Claims (7)
1.一种康复机器人双电机动态悬吊系统，包括下支撑板、光轴、立柱、直线轴承、下滑块、减振块、上滑块、上支撑板、吊板、卷扬机、力传感器、定滑轮、接近传感器、绳索、动滑轮、弹簧和动力源，其特征在于：所述的立柱下端通过下支撑板固定安装，立柱上端固连上支撑板和吊板；所述的上支撑板和下支撑板之间平行安装两根光轴；所述的上滑块和下滑块的水平方向两端通过直线轴承套接在两根光轴上，上滑块和下滑块之间通过两个弹簧连接；所述的下滑块被动力源驱动沿光轴轴向运动；所述的上滑块上表面安装有动滑轮；所述的卷扬机固定在吊板上；所述的绳索一端缠绕在卷扬机上，另一端绕过动滑轮，通过吊板上安装的定滑轮改变方向后连接在患者身上；所述的减震块通过支撑机构安装在上滑块沿光轴上下运动的两端，对上滑块的上下运动进行限位；所述的接近传感器安装在吊板下表面，监测患者与吊板的距离，当距离达到设定的最小安全距离时接近传感器触发限位信号，动力源接收到限位信号后保持动力，使上滑块保持在当前位置；所述的定滑轮与吊板之间安装拉力传感器。
2.根据权利要求1所述的康复机器人双电机动态悬吊系统，其特征在于：所述的立柱与地面垂直，所述的下支撑板、上支撑板和吊板与地面平行。
3.根据权利要求1所述的康复机器人双电机动态悬吊系统，其特征在于：所述的光轴穿过支撑机构上的通孔，所述的减震块安装在支撑机构朝向滑块一侧。
4.根据权利要求1所述的康复机器人双电机动态悬吊系统，其特征在于：所述光轴的结构包括但不限于圆导轨、三角导轨、燕尾槽导轨、矩形导轨。
5.根据权利要求1所述的康复机器人双电机动态悬吊系统，其特征在于：所述的吊板下表面安装两个定滑轮，所述的减重绳索穿过上支撑板后通过两个定滑轮分别实现90度转向。
6.根据权利要求1所述的康复机器人双电机动态悬吊系统，其特征在于：所述的动力源包括但不限于直线运动舵机或推杆。
7.根据权利要求1所述的康复机器人双电机动态悬吊系统，其特征在于：所述的动力源包括但不限于由液压油源和推杆组成的直线运动舵机或推杆、电机与丝杆组成的直线运动舵机。
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