CN110974615B

CN110974615B - 一种产生镜像运动的方法以及镜像运动装置

Info

Publication number: CN110974615B
Application number: CN201911254435.8A
Authority: CN
Inventors: 伏荣真; 左国坤; 杨茗予; 施长城; 宋涛
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS; Cixi Institute of Biomedical Engineering CIBE of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS; Cixi Institute of Biomedical Engineering CIBE of CAS
Priority date: 2019-12-07
Filing date: 2019-12-07
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2039-12-07
Also published as: CN110974615A

Abstract

本发明提供一种产生镜像运动的方法以及镜像运动装置。使用者一侧肢体主动运动，运动分解机构将该运动分解为沿X轴、Y轴、Z轴的直线运动，然后通过气体压缩机构转换成活塞往复运动而压缩气体，气体通过气体通路连通镜像气体压缩机构，带动其中活塞进行相同的往复运动，从而产生沿X’轴、Y’轴、Z’轴的直线运动，耦合后带动另一侧肢体进行镜像运动。本发明的镜像运动装置为纯机械结构，成本低，可应用于康复训练等领域。

Description

一种产生镜像运动的方法以及镜像运动装置

技术领域

本发明属于多自由度运动技术领域，具体涉及一种产生镜像运动的方法以及镜像运动装置。

背景技术

镜像运动是指一侧肢体作随意运动时，另侧肢体几乎同时出现复制的不随意运动。镜像运动装置能够产生镜像运动，可应用于许多领域，例如，对于脑卒中等患者的康复具有非常积极的作用。相比于传统的单侧运动装置，镜像运动装置可根据患者的健侧信息对患者的患侧进行训练，充分利用了患者的自主评估能力及自身的力觉感知能力，避免了单侧运动装置对患者患肢训练时存在的损伤的隐患。

目前已有的产生镜像运动的方法是：采集一侧肢体的运动及力的信息，以电动或气动等主动驱动元件带动另一侧肢体运动。利用这种方法产生镜像运动的装置需要角度传感器及力传感器等元件检测一侧肢体的运动及力的信息，并将其作为参考目标指令传给另一侧肢体的驱动元件，通过控制驱动元件跟踪该一侧肢体数据完成所需运动任务。利用这种方法产生镜像运动存在的主要问题是：需要多个传感元件、驱动元件、控制系统及动力电源等，系统复杂，成本高昂，并且由于系统繁杂导致整机可靠性较低；另外，这种系统机械机构多为多自由度机构，各自由度之间存在耦合，为了实现两侧肢体的协调控制，需要一套复杂的控制系统实现上述任务；同时，由于主动驱动元件的引入，当控制系统失灵或者驱动元件失效时，整个人机系统内引入的主动元件可能会对使用者的肢体产生一定程度的损伤。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种产生镜像运动的方法，具体如下：

一侧肢体主动作运动，将该运动分解为沿X轴、Y轴、Z轴的直线运动，所述X轴、Y轴、Z轴彼此互相垂直；

沿X轴、Y轴、Z轴的直线运动分别连接包括气缸与活塞的气体压缩机构，将沿着X轴、Y轴、Z轴的直线运动转换成活塞往复运动而压缩气体，气体通过气体通路连通与该气体压缩机构结构完全相同的镜像气体压缩机构，带动镜像气缸中的活塞进行相同的往复运动，从而产生沿X’轴、Y’轴、Z’轴的直线运动，X’轴、Y’轴、Z’彼此互相垂直；将X’轴、Y’轴、Z’轴的直线运动耦合，带动另一侧肢体进行镜像运动。

即，如图1中(1)所示，沿X轴的直线运动连接包括气缸与活塞的X气体压缩机构，将沿着X轴的直线运动转换成活塞的往复运动而压缩气体，气体经X气体通路连通与X气体压缩机构结构完全相同的镜像X气体压缩机构，镜像X气体压缩机构在气体压力能的作用下其中的气缸往复运动，从而产生沿X’轴的直线运动；

如图1中(2)所示，沿Y轴的直线运动连接包括气缸与活塞的Y气体压缩机构，将沿着Y轴的直线运动转换成活塞的往复运动而压缩气体，气体经Y气体通路连通与Y气体压缩机构结构完全相同的镜像Y气体压缩机构，镜像Y气体压缩机构在气体压力能的作用下其中的气缸往复运动，从而产生沿Y’轴的直线运动；

如图1中(3)所示，沿Z轴的直线运动连接包括气缸与活塞的Z气体压缩机构，将沿着Z轴的直线运动转换成活塞的往复运动而压缩气体，气体经Z气体通路连通与Z气体压缩机构结构完全相同的镜像Z气体压缩机构，镜像Z气体压缩机构在气体压力能的作用下其中的气缸往复运动，从而产生沿Z’轴的直线运动。

作为一种实现方式，所述运动分解机构包括XY平面的缩放机构与沿Z轴的直线运动机构；所述缩放机构的一端与直线运动机构固定连接，另一端接收外力，在外力作用下缩放机构沿X轴与Y轴进行缩放运动，同时缩放机构与直线运动机构连接的一端沿Z轴进行直线运动。

与现有技术相比，本发明提供的方法无需外部原动力，为纯机械方法，首先将主动运动分解为沿着X轴、Y轴、Z轴的机械能，然后通过气体压缩机构将机械能转换成气体压力能，通过气体通路将该气体压力能传输至镜像的气体压缩机构，使其输出X’轴、Y’轴、Z’轴的镜像机械能，耦合后形成主动运动的镜像运动。该方法避免了传统方法采用传感器、驱动元件等造成成本高，结构复杂的问题。

本发明还提供一种镜像运动装置，包括底座，两个结构完全相同的直线运动机构，称为第一直线运动机构与第二直线运动机构，两个结构完全相同的平面传动机构，称为第一平面传动机构与第二平面传动机构；

所述平面传动机构包括沿X方向的导轨(称为X导轨)、沿Y方向的导轨(称为Y导轨)、可沿X导轨运动的X滑块、可沿Y导轨运动的Y滑块，以及四个连杆(分别为第一连杆、第二连杆、第三连杆与第四连杆)；四个连杆组成两自由度平面缩放机构，带动X滑块、Y滑块沿X导轨、Y运动；

第一连杆的一端与X滑块连接，另一端连接在第四连杆的一端，第四连杆的另一端设置把手；

第二连杆的一端与Y滑块连接，另一端连接在第一连杆的两端之间；

第三连杆的一端与Y滑块连接，另一端连接在第一连杆的两端之间；

X导轨上设置X气体压缩机构，包括气缸、活塞与气体通路，X气体压缩机构的活塞一端与X滑块连接，即，X滑块沿X导轨直线运动带动X气体压缩机构的活塞进行直线运动；

Y导轨上设置Y气体压缩机构，包括气缸、活塞与气体通路，Y气体压缩机构的活塞一端与Y滑块连接，即，Y滑块沿Y导轨直线运动带动Y气体压缩机构的活塞进行直线运动；

所述直线运动机构包括沿Z方向的导轨(称为Z导轨)、可沿Z导轨运动的Z滑块，以及Z气体压缩机构；所述Z气体压缩机构包括气缸、活塞与气体通路；X导轨与Z滑块固定连接；Z滑块与Z气体压缩机构的活塞一端相连，当Z滑块沿Z导轨直线运动时带动Z气体压缩机构的活塞进行直线运动；

第一平面传动机构中X气体压缩机构的气体通路与第二平面传动机构中X气体压缩机构的气体通路相连通；

第一平面传动机构中Y气体压缩机构的气体通路与第二平面传动机构中Y气体压缩机构的气体通路相连通；

第一直线运动机构中Z气体压缩机构的气体通路与第二直线运动机构中Z气体压缩机构的气体通路相连通。

作为一种实现方式，所述直线运动机构中，在Z导轨一端设置定滑轮、钢丝绳绕在定滑轮上，钢丝绳的一端连接Z滑块，钢丝绳的另一端连接Z气体压缩机构的气体通路。

作为优选，所述Z气体压缩机构还包括气体蓄能器，其中储存一定压力的气体用于提供一定的支撑力以克服直线运动机构以及平面传动机构的重力。作为另一种优选，所述Z气体压缩机构设置在压缩弹簧一端，压缩弹簧另一端连接底座，利用弹簧弹力克服直线运动机构以及平面传动机构的重力。

所述气体压缩机构不限，作为优选，其中的气缸选用低摩擦、低阻力的双向气缸。

作为优选，所述平面传动机构为平面比例缩放机构。

作为优选，两个平面传动机构中X气体压缩机构的气体通路的连通处设置安全阀，以实现对产生的镜像运动进行限制或者保护作用。同理，两个平面传动机构中Y气体压缩机构的气体通路的连通处优选设置安全阀；两个直线运动机构中Z气体压缩机构的气体通路连通处优选设置安全阀。

作为优选，两个平面传动机构中X压缩机构的气体通路的连通处设置减压阀和阻尼阀，以实现一定的阻抗特性。同理，两个平面传动机构中Y气体压缩机构的气体通路的连通处优选设置减压阀和阻尼阀；两个直线运动机构中Z气体压缩机构的气体通路连通处优选设置减压阀和阻尼阀。

本发明提供的镜像运动装置为纯机械式，采用镜像对称的平面传动机构、直线运动机构以及气体压缩机构，使用时一侧肢体在把手处进行主动运动，通过平面传动机构与直线运动机构将该运动分解为沿X轴、Y轴、Z轴的直线运动，通过气体压缩机构将该直线运动机械能转换为气体压力能，然后利用气体通路传递至镜像的压缩机构而使其中的活塞进行直线运动，通过镜像的平面传动机构与直线运动机构将直线运动耦合而产生镜像运动。与现有的镜像运动装置相比，本发明结构简单，成本低，利用纯机械结构实现了镜像运动，具有良好的应用前景，例如可应用于康复训练等。

附图说明

图1是本发明产生镜像运动的方法示意图。

图2是实施例1中镜像运动装置结构示意图。

图3是图2中第一平面缩放机构示意图。

图4是图2中直线运动机构的Z气体压缩机构的结构示意图。

底座1，第一直线运动机构2，第二直线运动机构3，第一平面传动机构4、第二平面传动机构5，X导轨6，Y导轨7，X滑块8，Y滑块9，第一连杆10，第二连杆11，第三连杆12，第四连杆13，把手14，X气体压缩机构15，活塞16，Y气体压缩机构17，活塞18，Z导轨19、Z滑块20，Z气体压缩机构21，气缸22，活塞23，Z气体通路24，定滑轮25，钢丝绳26，气体蓄能器27。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

镜像运动装置如图2所示，包括底座1，第一直线运动机构2，第二直线运动机构3，第一平面传动机构4与第二平面传动机构5。第一直线运动机构2的结构与第二直线运动机构3的结构完全相同。第一平面传动机构4的结构与第二平面传动机构5的结构完全相同。

第一平面传动机构4包括沿X方向的导轨，称为X导轨6，沿Y方向的导轨7，称为Y导轨7，可沿X导轨运动的X滑块8、可沿Y导轨运动的Y滑块9，以及四个连杆，分别为第一连杆10、第二连杆11、第三连杆12与第四连杆13。四个连杆组成两自由度平面缩放机构，带动X滑块、Y滑块沿X导轨、Y运动。

第一连杆10的一端与X滑块8连接，另一端连接在第四连杆13的一端，第四连杆13的另一端设置把手14。

第二连杆11的一端与Y滑块9连接，另一端连接在第四连杆13的两端之间。

第三连杆12的一端与Y滑块9连接，另一端连接在第一连杆10的两端之间。

X导轨6上设置X气体压缩机构15，包括气缸、活塞17与X气体通路，X气体压缩机构15的活塞16的一端与X滑块8连接，即，X滑块8沿X导轨6直线运动带动X气体压缩机构15的活塞进行直线运动。

Y导轨7上设置Y气体压缩机构17，包括气缸、活塞18与Y气体通路，Y气体压缩机构17的活塞的一端与Y滑块9连接，即，Y滑块9沿Y导轨7直线运动带动Y气体压缩机构17的活塞进行直线运动。

第一直线运动机构2包括沿Z方向的导轨，称为Z导轨19、可沿Z导轨19运动的Z滑块20，以及Z气体压缩机构21。

Z气体压缩机构21包括气缸22、活塞23与Z气体通路24。Z导轨19的一端设置定滑轮25、钢丝绳26绕在定滑轮25上，钢丝绳26的一端连接Z滑块20，钢丝绳26的另一端连接Z压缩机构的活塞23。

X导轨6与Z滑块20固定连接。当Z滑块20沿Z导轨19直线运动时带动Z气体压缩机构21的活塞23进行直线运动。

第一平面传动机构4中X气体压缩机构的X气体通路与第二平面传动机构5中X气体压缩机构的X气体通路相连通，图中未示出。

第一平面传动机构4中Y气体压缩机构的Y气体通路与第二平面传动机构5中Y气体压缩机构的Y气体通路相连通，图中未示出。

第一直线运动机构2中Z气体压缩机构的Z气体通路与第二直线运动机构3中Z气体压缩机构的Z气体通路相连通。

本实施例中，Z气体压缩机构还包括气体蓄能器27，其中储存一定压力的气体用于提供一定的支撑力以克服直线运动机构以及平面传动机构的重力。

本发明的镜像运动装置产生镜像运动的方法如下：

使用者一侧肢体在把手处进行主动运动，通过第一平面传动机构与第一直线运动机构将该运动分解为沿X轴、Y轴、Z轴的直线运动；

然后，沿X轴的直线运动通过X气体压缩机构转换成活塞的往复运动而压缩气体，气体经X气体通路连通至第二平面传动机构中的X气体压缩机构，该X气体压缩机构在气体压力能的作用下气缸往复运动，产生沿X’轴的直线运动；

沿Y轴的直线运动通过Y气体压缩机构转换成活塞的往复运动而压缩气体，气体经Y气体通路连通至第二平面传动机构中的Y气体压缩机构，该Y气体压缩机构在气体压力能的作用下气缸往复运动，产生沿Y’轴的直线运动；

沿Z轴的直线运动通过Z气体压缩机构转换成活塞的往复运动而压缩气体，气体经Z气体通路连通至第二直线运动机构中的Z气体压缩机构，该Z气体压缩机构在气体压力能的作用下气缸往复运动，产生沿Z’轴的直线运动；

最后，沿X’轴、Y’轴、Z’轴的直线运动通过第二平面传动机构与第二直线运动机构耦合，通过把手带动使用者另一侧肢体产生镜像运动。

实施例2：

本实施例中，镜像运动装置结构与实施例1中的镜像运动装置结构基本相同，所不同的是两个平面传动机构中X气体压缩机构的气体通路的连通处设置安全阀，以实现对产生的镜像运动进行限制或者保护作用。同理，两个平面传动机构中Y气体压缩机构的气体通路的连通处设置安全阀；两个直线运动机构中Z气体压缩机构的气体通路连通处设置安全阀。

实施例3：

本实施例中，镜像运动装置结构与实施例1中的镜像运动装置结构基本相同，所不同的是Z气体压缩机构设置在压缩弹簧一端，压缩弹簧另一端连接底座，利用弹簧弹力克服直线运动机构以及平面传动机构的重力。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维镜像运动装置，其特征是：包括底座，第一直线运动机构、第二直线运动机构、第一平面传动机构与第二平面传动机构；第一直线运动机构与第二直线运动机构的结构完全相同；第一平面传动机构与第二平面传动机构的结构完全相同；

所述第一平面传动机构包括沿X方向的导轨，称为X导轨，沿Y方向的导轨，称为Y导轨，可沿X导轨运动的X滑块，可沿Y导轨运动的Y滑块，以及四个连杆，四个连杆分别为第一连杆、第二连杆、第三连杆与第四连杆；

四个连杆组成两自由度平面缩放机构，带动X滑块、Y滑块沿X导轨、Y导轨运动；

第二连杆的一端与Y滑块连接，另一端连接在第四连杆的两端之间；

X导轨上设置X气体压缩机构，包括气缸、活塞与X气体通路，X气体压缩机构的活塞一端与X滑块连接；

Y导轨上设置Y气体压缩机构，包括气缸、活塞与Y气体通路，Y气体压缩机构的活塞一端与Y滑块连接；

所述直线运动机构包括沿Z方向的导轨，称为Z导轨，可沿Z导轨运动的Z滑块，以及Z气体压缩机构；所述Z气体压缩机构包括气缸、活塞与Z气体通路；

X导轨与Z滑块固定连接；Z滑块与Z气体压缩机构的活塞一端相连，当Z滑块沿Z导轨直线运动时带动Z气体压缩机构的活塞进行直线运动；

第一平面传动机构中X气体压缩机构的X气体通路与第二平面传动机构中X气体压缩机构的X气体通路相连通；

第一平面传动机构中Y气体压缩机构的Y气体通路与第二平面传动机构中Y气体压缩机构的Y气体通路相连通；

第一直线运动机构中Z气体压缩机构的Z气体通路与第二直线运动机构中Z气体压缩机构的Z气体通路相连通。

2.如权利要求1所述的三维镜像运动装置，其特征是：所述直线运动机构中，在Z导轨一端设置定滑轮、钢丝绳绕在定滑轮上，钢丝绳的一端连接Z滑块，钢丝绳的另一端连接Z气体压缩机构的Z气体通路。

3.如权利要求2所述的三维镜像运动装置，其特征是：所述Z气体压缩机构还包括气体蓄能器，其中储存一定压力的气体。

4.如权利要求1所述的三维镜像运动装置，其特征是：所述Z气体压缩机构设置在压缩弹簧一端，压缩弹簧另一端连接底座。

5.如权利要求1所述的三维镜像运动装置，其特征是：所述气体压缩机构中的气缸为双向气缸。

6.如权利要求5所述的三维镜像运动装置，其特征是：所述气体压缩机构中的气缸为低摩擦、低阻力的双向气缸。

7.如权利要求1所述的三维镜像运动装置，其特征是：所述平面传动机构为平面比例缩放机构。

8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的三维镜像运动装置，其特征是：两个平面传动机构中X气体压缩机构的X气体通路的连通处设置安全阀。

9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的三维镜像运动装置，其特征是：两个平面传动机构中Y气体压缩机构的Y气体通路的连通处设置安全阀。

10.如权利要求1至7中任一权利要求所述的三维镜像运动装置，其特征是：两个直线运动机构中Z气体压缩机构的Z气体通路连通处设置安全阀。

11.如权利要求1至7中任一权利要求所述的三维镜像运动装置，其特征是：两个平面传动机构中X压缩机构的X气体通路的连通处设置减压阀和阻尼阀。

12.如权利要求1至7中任一权利要求所述的三维镜像运动装置，其特征是：两个平面传动机构中Y压缩机构的Y气体通路的连通处设置减压阀和阻尼阀。

13.如权利要求1至7中任一权利要求所述的三维镜像运动装置，其特征是：两个直线运动机构中Z压缩机构的Z气体通路的连通处设置减压阀和阻尼阀。