CN110420107B - 一种绳索驱动三自由度的训练机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种绳索驱动三自由度的训练机器人，包括机器人本体和有源无源混合驱动系统，机器人本体包括前臂外环、前臂内环和手部圆环，通过绳索驱动使用者腕关节进行训练，可避免使用者与机器人之间的关节不对准现象，且能够适应不同肢体长度，减轻使用者负载重量，能够有效增加训练的舒适度，提高训练效率，有源无源混合驱动系统能够在训练过程中提供大输出、高带宽的力反馈，辅助患者进行康复训练。

Description

一种绳索驱动三自由度的训练机器人
技术领域
本发明涉及智能机器人技术，具体涉及一种绳索驱动三自由度的训练机器人。
背景技术
医学理论实践证明，对腕关节受伤患者，进行康复训练是恢复其腕部运动功能的有效途径。在国内外传统康复治疗中，通常由治疗师一对一对患者进行康复训练，缺乏科学评价训练参数以及康复效果的客观有效评估，且通常容易对患者产生较大经济负担。因此研制一种满足腕部主被动康复训练装置可以提高康复训练效率和效果，具有重要的应用价值和实际的紧迫性。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种绳索驱动三自由度的训练机器人。
技术方案：本发明的一种绳索驱动三自由度的训练机器人，包括有源无源混合驱动系统和机器人本体，机器人本体包括前臂外环、前臂内环和手部圆环，前臂外环固定于支架，前臂内环嵌套于前臂外环内；所述手部圆环上设置有驱动绳索，驱动绳索的另一端固定于前臂内环的延长臂，然后从延长臂沿鲍登线与有源无源混合驱动系统上的磁流变输出模组相连；所述有源无源混合驱动系统包括磁流变输出模组、传动模组和第一直流电机，第一直流电电机通过传动模组带动磁流变输出模组转动，磁流变输出模组的转动使得与之相连的驱动绳索产生张力，驱动绳索的张力沿对应鲍登线经延长臂传导至手部圆环，进而控制手部圆环做相应动作；所述前臂外环外周通过鲍登线也设有驱动绳索，该驱动绳索的另一端连接于由第二直流电机驱动的绕线轴，第二直流电机驱动绕线轴的转动，使缠绕于绕线轴上的驱动绳索随之伸缩，进而控制前臂内环和前臂外环之间相对旋转(是的旋转角度为任意角度但是考虑到其是配合手腕旋转使用，正常使用的旋转角度仅为最大+-90°)。
进一步的，所述手部圆环上设有四个驱动绳索，分别为第一驱动绳索、第二驱动绳索、第三驱动绳索和第四驱动绳索，这四根驱动绳索一端分别固定于手部圆环(3)上的第一索孔(12)、第二索孔(13)、第三索孔(14)、第四索孔(15)，然后经第一延长臂、第二延长臂、第三延长臂和第四延长臂上的线孔进入沿对应的第一鲍登线、第二鲍登线、第三鲍登线和第四鲍登线与有源无源混合驱动系统中的第一磁流变输出模组、第二磁流变输出模组、第三磁流变输出模组和第四磁流变输出模组分别相连接，第一直流电机通过对应的第一传动模组、第二传动模组带动第一磁流变输出模组、第二磁流变输出模组、第三磁流变输出模组和第四磁流变输出模组转动，进而在第一驱动绳索、第二驱动绳索、第三驱动绳索和第四驱动绳索上产生张相应力，并沿对应的第一鲍登线、第二鲍登线、第三鲍登线和第四鲍登线经相应第一延长臂、第二延长臂、第三延长臂、第四延长臂线孔传导至手部圆环，最终带动手部圆环运动。
进一步的，所述前臂内环外壁紧密缠绕有多圈绳索，绳索两端通过前臂外环穿出，即为第五驱动绳索和第六驱动绳索，第五驱动绳索和第六驱动绳索分别经由第五鲍登线和第六鲍登线均连接至由有源无源混合驱动系统内的第二直流电机驱动的绕线轴，绕线轴转动，拉动第五驱动绳索、第六驱动绳索，从而带动前臂内环绕前臂外环转动。
进一步的，所述第五驱动绳索和第六驱动绳索与绕线轴的连接处分别设有对应的第一张紧器与第二张紧器，所述第一张紧器与第二张紧器分别收紧第五驱动绳索、第六驱动绳索，使这两个驱动绳索的传动平稳顺滑。
进一步的，所述手部圆环和前臂内环上分别设有第一姿态传感器和第二姿态传感器，所述第一姿态传感器和第二姿态传感器分别检测使用者手部姿态以及前臂内环与前臂外环相对旋转角度。
进一步的，所述第一驱动绳索(8)、第二驱动绳索(9)、第三驱动绳索(10) 和第四驱动绳索(11)上分别安装有第一张力传感器(40)、第二张力传感器(41)、第三张力传感器(42)、第四张力传感器(43)，且在第一索孔(12)、第二索孔 (13)、第三索孔(14)、第四索孔(15)与第一延长臂(4)、第二延长臂(5)、第三延长臂(6)和第四延长臂(7)上的线孔之间；第一张力传感器、第二张力传感器、第三张力传感器、第四张力传感器分别用以检测绳索张力通过控制器(例如NI-RIO控制器)实现的精准张力控制及力反馈主动康复训练，使用者前臂穿过前臂内环，手部套在手部圆环内，然后通过控制器控制第一直流电机和第二直流电机的转动，带动手部做相应力度和角度的运动。
进一步的，所述前臂外环(1)、前臂内环(2)和手部圆环(3)均采用轻质有机材料并通过3D打印制成。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明整体采用轻质有机材料通过3D打印制作完成，成本低，便于个性化定制，质量轻，强度较高，能够满足康复训练需求。
2.本发明通过绳索驱动使得人机交互更加友好，对不同长度肢体适配性好，且不会发生关节不对准现象，避免训练过程中可能出现的损伤。
3.本发明的有源无源混合驱动系统实现高带宽的力反馈，使得机器人力控制更加柔顺，康复训练过程更加舒适、安全。
4.通过四根延长臂，使得机器人工作空间扩大，能够实现人类日常活动的腕关节运动空间。
5.本发明能够便捷地集成到任意训练机器人或支架上，实现无缝结合，提供更全面的训练，能够方便的固定在任意地方，极大地提升了机器人使用的灵活性。
附图说明
图1是本发明中机器人本体结构示意图；
图2是本发明中驱动系统结构示意图；
图3是本发明中驱动系统下层结构图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1至图3所示，本实施例的一种绳索驱动三自由度的训练机器人，包括机器人本体和有源无源混合驱动系统：机器人本体包括前臂外环1、前臂内环2 和手部圆环3。其中，前臂外环1固定在任意支架26上，前臂内环2套在前臂外环1内，且可相对其旋转。
手部圆环3通过第一驱动绳索8、第二驱动绳索9、第三驱动绳索10、第四驱动绳索11与前臂内环2相连，四根驱动绳索分别从第一延长臂4、第二延长臂5、第三延长臂6、第四延长臂7线孔进入沿第一鲍登线16、第二鲍登线17、第三鲍登线18、第四鲍登线19与有源无源混合驱动系统中的第一磁流变输出模组27、第二磁流变输出模组28、第三磁流变输出模组29、第四磁流变输出模组 30相连接，第一直流电机31通过第一传动模组32、第二传动模组33带动第一磁流变输出模组27、第二磁流变输出模组28、第三磁流变输出模组29、第四磁流变输出模组30转动在第一驱动绳索8、第二驱动绳索9、第三驱动绳索10、第四驱动绳索11上产生张力，沿第一鲍登线16、第二鲍登线17、第三鲍登线 18、第四鲍登线19经第一延长臂4、第二延长臂5、第三延长臂6、第四延长臂 7线孔传导至手部圆环3，带动手部圆环3运动。
而前臂内环2与前臂外环1相对旋转则由第五驱动绳索20、第六驱动绳索 21控制，具体结构为：第五驱动绳索20、第六驱动绳索21分别经第五鲍登线 22、第六鲍登线23连接至由第二直流电机37驱动的绕线轴36上，第一张紧器 34与第二张紧器35用以收紧第五驱动绳索21、第六驱动绳索22，使传动平稳顺滑，第一姿态传感器38用以检测使用者手部24姿态，第二姿态传感器39用以检测前臂内环2与前臂外环1相对旋转角度，第一张力传感器40、第二张力传感器41、第三张力传感器42、第四张力传感器43分别用以检测绳索张力实现精准张力控制及力反馈主动康复训练，使用者前臂25穿过前臂内环2，手部24 套在手部圆环3内，即可由机器人辅助进行康复训练。
本发明的具体工作原理为：
实际运用中，当需要主动训练时，各驱动绳索均放松，使用者的前臂套进前臂内环中，手部套在手部圆环内，第一姿态传感器采集当前手部姿态，控制器根据当前姿态，控制驱动系统在不同绳索上产生不同张力，从而为手部提供相应的力反馈；当需要被动训练时，控制器根据设定轨迹控制绳索产生不同张力，从而带动手部沿设定轨迹运动，完成被动训练。
使用过程中，第一直流电机31开启，保持旋转，带动四个磁流变输出模组转动，然后通过调节各磁流变输出模组的输出大小，来分别以不同拉力拉紧四根驱动绳索(第一驱动绳索至第四驱动绳索)，此时会反馈不同大小的力至使用者手部，从而提供训练中的力反馈。
其中，各驱动绳索的张力调节依据公式(1)，其中T为绳索张力向量，A为机器人绳索-手腕雅克比矩阵，仅与当前手腕姿态角β有关，τ为反馈至手腕三自由度的力矩向量，得知τ以及当前姿态角，可反向求得T，即控制驱动绳索按T 生成张力，可在手腕处产生力反馈τ；被动训练中，参照公式(2)，同主动训练相似，依然是根据τ计算绳索张力向量T，但是此时τ与手臂当前姿态角θ与目标姿态角α有关，绳索产生张力T，将手腕姿态角由α变为β从而实现被动训练。
第二直流电机37仅与手腕沿前臂轴向旋转角度γ相关，手腕转动γ则第二直流电机37转动nγ，n为绕线轴与前臂内环2的外径之比。
T＝A(β)-1·τ (1)
T＝A(β)-1·τ(α-β) (2)。

Claims (5)

1.一种绳索驱动三自由度的训练机器人，其特征在于：包括有源无源混合驱动系统和机器人本体，机器人本体包括前臂外环（1）、前臂内环（2）和手部圆环（3），前臂外环（1）固定于支架，前臂内环（2）套于前臂外环（1）内；
所述手部圆环（3）上设置有驱动绳索，驱动绳索的另一端固定于前臂内环（2）的延长臂，然后从延长臂沿鲍登线与有源无源混合驱动系统上的磁流变输出模组相连；所述有源无源混合驱动系统包括磁流变输出模组、传动模组和第一直流电机，第一直流电机（31）通过传动模组带动磁流变输出模组转动，磁流变输出模组的转动使得与之相连的驱动绳索产生张力，驱动绳索的张力沿对应鲍登线经延长臂传导至手部圆环（3），进而控制手部圆环（3）做相应动作；
所述前臂外环（1）外周通过鲍登线也设有驱动绳索，该驱动绳索的另一端连接于由第二直流电机（37）驱动的绕线轴，第二直流电机（37）驱动绕线轴的转动，使缠绕于绕线轴上的驱动绳索随之伸缩，进而控制前臂内环（2）和前臂外环（1）之间相对旋转；
所述手部圆环（3）上设有四个驱动绳索，分别为第一驱动绳索（8）、第二驱动绳索（9）、第三驱动绳索（10）和第四驱动绳索（11），这四根驱动绳索一端分别固定于手部圆环（3）上的第一索孔（12）、第二索孔（13）、第三索孔（14）、第四索孔（15），然后经第一延长臂（4）、第二延长臂（5）、第三延长臂（6）和第四延长臂（7）上的线孔进入沿对应的第一鲍登线（16）、第二鲍登线（17）、第三鲍登线（18）和第四鲍登线（19）与有源无源混合驱动系统中的第一磁流变输出模组（27）、第二磁流变输出模组（28）、第三磁流变输出模组（29）和第四磁流变输出模组（30）分别相连接，第一直流电机（31）通过对应的第一传动模组（32）、第二传动模组（33）带动第一磁流变输出模组（27）、第二磁流变输出模组（28）、第三磁流变输出模组（29）和第四磁流变输出模组（30）转动，进而在第一驱动绳索（8）、第二驱动绳索（9）、第三驱动绳索（10）和第四驱动绳索（11）上产生张相应力，并沿对应的第一鲍登线（16）、第二鲍登线（17）、第三鲍登线（18）和第四鲍登线（19）经相应第一延长臂（4）、第二延长臂（5）、第三延长臂（6）、第四延长臂（7）线孔传导至手部圆环（3），最终带动手部圆环（3）运动；
手部圆环设有用于检测使用者手部（24）姿态的第一姿态传感器（38）；
所述第一驱动绳索（8）、第二驱动绳索（9）、第三驱动绳索（10）和第四驱动绳索（11）上分别安装有第一张力传感器（40）、第二张力传感器（41）、第三张力传感器（42）、第四张力传感器（43），且在第一索孔（12）、第二索孔（13）、第三索孔（14）、第四索孔（15）与第一延长臂（4）、第二延长臂（5）、第三延长臂（6）和第四延长臂（7）上的线孔之间，第一张力传感器（40）、第二张力传感器（41）、第三张力传感器（42）、第四张力传感器（43）分别检测绳索张力通过控制器（44）实现的精准张力控制及力反馈主动训练，使用者前臂（25）穿过前臂内环（2），手部（24）套在手部圆环（3）内，然后通过控制器（44）控制第一直流电机（31）和第二直流电机（37）的转动，根据手腕三自由度的力矩向量以及当前手腕姿态角，调整第一驱动绳索（8）、第二驱动绳索（9）、第三驱动绳索（10）和第四驱动绳索（11）的张力向量，进而带动手部（24）做相应力度和角度的运动。
2.根据权利要求1所述的绳索驱动三自由度的训练机器人，其特征在于：所述前臂内环（2）外壁紧密缠绕有多圈绳索，绳索两端通过前臂外环（1）穿出，即为第五驱动绳索（20）和第六驱动绳索（21），第五驱动绳索（20）和第六驱动绳索（21）分别经由第五鲍登线（22）和第六鲍登线（23）均连接至由有源无源混合驱动系统内的第二直流电机（37）驱动的绕线轴（36），绕线轴（36）转动，拉动第五驱动绳索（20）、第六驱动绳索（21），从而带动前臂内环（2）绕前臂外环（1）转动。
3.根据权利要求2所述的绳索驱动三自由度的训练机器人，其特征在于：所述第五驱动绳索（20）和第六驱动绳索（21）与绕线轴的连接处分别设有对应的第一张紧器（34）与第二张紧器（35），所述第一张紧器（34）与第二张紧器（35）分别收紧第五驱动绳索（20）、第六驱动绳索（21），使这两个驱动绳索的传动平稳顺滑。
4.根据权利要求1所述的绳索驱动三自由度的训练机器人，其特征在于：所述前臂内环上设有第二姿态传感器（39），所述第二姿态传感器（39）检测前臂内环（2）与前臂外环（1）相对旋转角度。
5.根据权利要求1所述的绳索驱动三自由度的训练机器人，其特征在于：所述前臂外环（1）、前臂内环（2）和手部圆环（3）均采用轻质有机材料并通过3D打印制成。
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