CN111558933A - 一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，包括模拟人体不同等级屈肘或屈膝张力的方法，模拟人体不同等级伸肘或伸膝张力的方法，所述机器人设有依次连接的基座、肩关节组件、大臂、肘关节组件、小臂及手掌，肩关节组件可带动大臂做全方位转动，肩关节组件可驱动小臂做屈伸运动。操作者可以观察和感受机器人在模拟过程中的运动状态，经反复体会，快速掌握人体张力检查方法的实践技能。

Description

一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法
技术领域
本发明涉及机器人模拟技术领域，更具体地涉及一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法。
背景技术
人体四肢肌肉被动力学状态主要体现在人体上肢或下肢肌肉在被动拉长运动时所表现出的张力状态，在医学、运动学等相关领域，通常采用划分等级的方式来表现肌肉力量状态，参照临床医学常用的改良Ashworth量表作为人体肌肉张力分级标准，人体四肢肌肉张力可分为0级、1级、1+级、2级、3级、4级，共计六个级别。
人体神经损伤，尤其是中枢神经损伤后，由于神经控制系统发生受损，所支配的肌肉会出现不同程度的张力表现，该张力表现在被动拉长时会有不同程度的阻力反应，人体科学专业技术人员需要对肌肉在被动拉长运动过程中表现的张力进行检查测试，并综合分析后才能做出准确的诊断和合理的治疗方案。
目前，医学、运动学等人体科学相关专业的学生在进入实习阶段后才有机会接触患者，开始实际学习对人体肌肉被动运动时所表现出的张力进行检查的方法，学习和掌握该技能的时机滞后，并且，包括低年资专业技术人员在内，都需要在临床实践过程中检查大量患者后方能逐渐掌握该方法，严重影响学习进度、学习效果和学习的系统性。
发明内容
本发明的目的提供一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，为医学、运动学等相关专业学生及低年资人体科学专业技术人员掌握临床基础体格检查技术、分析医学和运动学问题等提供标准化的学习和实践平台，对提高教学水平、改进教学方法、增进教学效果等具有重要意义。
本发明采用的技术方案是：
一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，包括：机器人模拟人体不同等级屈肘或屈膝肌肉张力的方法，机器人模拟人体不同等级伸肘或伸膝肌肉张力的方法，所述机器人包括基座、肩关节组件、大臂、肘关节组件、小臂及手掌；肩关节组件包括肩关节固定件及肩关节活动件，肩关节固定件一端固定在基座上，另一端连接肩关节活动件，肩关节活动件与大臂固定连接且可带动大臂做全方位转动；肘关节组件包括驱动电机及电机减速器，电机减速器的输入端与驱动电机连接，大臂和小臂分别位于电机减速器输出轴端的两侧，电机减速器固定在大臂上，电机减速器驱动小臂绕电机轴转动，手掌固定连接在小臂末端，大臂、小臂及手掌处于同一轴线上；
所述机器人的小臂前端掌侧及背侧设有压力传感器，所述压力传感器用于检测操作者对小臂前端施加力的大小；肩关节组件设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器用于检测肩关节的转动角度；肘关节组件设有角度传感器，所述角度传感器用于检测小臂的转动角度；压力传感器、陀螺仪传感器及角度传感器分别与控制器单元连接，驱动电机通过电机驱动器与控制器单元连接连接，压力传感器、陀螺仪传感器、角度传感器、驱动电机及电机驱动器及控制器单元组成控制系统。
进一步地，所述模拟人体不同等级屈肘肌肉张力的方法包括：
0级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；操作者可顺利完成肘关节145°～0°全范围的伸展运动，全运动过程中不会感受到明显阻力；
1级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～10°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到小于肘关节角度小于10°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节10°～0°，不包括10°的运动范围内，感受到0N～5N的阻力；
1+级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～60°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于60°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节60°～0°，不包括60°的运动范围内，感受到大于5N且小于10N的阻力；
2级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～120°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于120°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节120°～0°，不包括120°的运动范围内，感受到10N～30N的阻力；
3级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；操作者在肘关节145°～0°全运动范围内感受到大于30N且小于80N的阻力；
4级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～110°的运动范围内，操作者感受到80N～200N阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于110°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，操作者无法伸直肘关节，肘关节卡死；
上述模拟不同等级屈肘肌肉张力的方法也适用于模拟不同等级屈膝肌肉张力，在模拟不同等级屈膝肌肉张力时，肩关节相当于髋关节，肘关节相当于膝关节。
进一步地，所述不同等级伸肘肌肉张力的方法包括：
0级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；操作者可顺利完成肘关节0°～145°全范围的屈曲运动，全程不会感受到明显阻力；
1级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～135°的范围运动内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节角度运动到大于135°时，控制单元检测到角度传感器反馈的肘关节角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节135°～145°，不包括135°的运动范围内，感受到0N～5N的阻力。
1+级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～85°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节运动到肘关节角度大于85°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节85°～145°，不包括85°的运动范围内，感受到大于5N且小于10N的阻力。
2级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～30°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节运动到肘关节角度大于30°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节30°～145°，不包括30°的运动范围内，感受到10N～30的阻力。
3级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；操作者在肘关节0°～145°全运动范围内感受到大于30N且小于80N的阻力；
4级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～60°的运动范围内，操作者感受到80N～200N阻力；当肘关节运动到肘关节角度大于60°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，操作者无法伸直肘关节，肘关节卡死；
上述模拟不同等级伸肘肌肉张力的方法也适用于模拟不同等级伸膝肌肉张力，在模拟不同等级伸膝肌肉张力时，肩关节相当于髋关节，肘关节相当于膝关节。
进一步地，控制系统还包括人机交互系统及电机驱动器，人机交互系统与控制单元之间传递控制和运动信息；电机驱动器与驱动电机组成驱动单元。
控制单元根据陀螺仪传感器的输出信息，判断机器人肩关节转动角度是否在设定范围内，并将判断结果传送给人机交互系统显示；
控制单元根据角度传感器的输出信息，判断机器人肘关节转动角度是否在设定范围内，并将判断结果传送给人机交互系统显示；
控制单元根据不同等级张力控制命令设定电机启动力矩，并将所述启动力矩发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机运转；在动作执行过程中，接收到角度传感器的角度反馈的肘关节转动角度信息后进一步调整电机转动力矩，并将所述转动力矩发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机运转；
人机交互系统包括显示单元、报警单元及若干按钮单元，所述显示单元用于显示陀螺仪传感器及角度传感器检测的肩关节角度及肘关节角度；所述报警单元用于控制单元判断肘关节或肩关节转动角度超过设定范围时报警；所述按钮单元与控制单元之间传递控制和运动信息，所述按钮单元包括屈肘模式按钮单元和伸肘模式按钮单元，屈肘模式下不同等级的操作按钮单元及伸肘模式下不同等级的操作按钮单元，所述按钮单元供操作者选择不同等级的屈肘或伸肘张力模拟，还包括启动按钮单元、停止按钮单元、急停按钮单元、去急停按钮单元和复位按钮单元；急停按钮单元用于当机器人肘关节或肩关节转动角度超过设定范围时的紧急停机，去急停按钮单元和复位按钮单元用于急停后机器人肘关节或肩关节回复到初始位置。
进一步地，所述控制单元可以为PLC控制器；所述人机交互系统为工业触控屏。
进一步地，所述控制系统的控制流程包括依次连接的以下步骤：
S1、初始化，即操作者登陆；
S2、模式选择，操作者通过模式按钮选择要模拟的被动力模式；
S3、等级选择，操作者通过等级按钮选择确定模式下的模拟等级；
S4、条件判断，判断在该等级中机器人肩关节及肘关节是否处于设定范围，以及压力传感器是否检测到压力，上述条件均满足时进入下一步骤；
S5、启动，启动驱动电机；
S6、运行，机器人执行相应动作；
S7、是否超限；运行过程中，借助角度传感器及陀螺仪传感器实时反馈肩关节及肘关节的转动角度，判断肩关节及肘关节是否超过设定范围，当超过设定范围时，人机交互系统发出警报，操作者按照急停、去急停、复位的顺序操作，返回至S4步骤；没有超过极限位置时，继续执行该步骤；
S8、是否结束；控制单元执行完对应等级的模拟程序后，操作者确认此次模拟过程是否结束，未结束返回至第S6步骤，结束进入下一步骤；
S9、结束，控制单元结束该模拟程序。
进一步地，机器人小臂法兰的外侧设有限位盖，限位盖用于限定小臂法兰在0°～145°范围内转动，从而限定肘关节的运动范围。
进一步地，机器人肩关节活动件为万向节阻尼球头关节连杆，万向节球头关节连杆的固定端与肩关节固定件连接，活动端固定连接大臂，万向节球头关节连杆带动大臂做全方位转动。
进一步地，机器人电机减速器为谐波减速器，驱动电机与谐波减速器通过减速器法兰连接，大臂的一端设有大臂法兰，小臂的一端设有小臂法兰，大臂法兰与谐波减速器输出端刚轮固定连接，小臂法兰设于大臂法兰的外侧，小臂法兰与谐波减速器输出端柔轮固定连接。
本发明的有益效果是：本申请用于模拟受累肌肉在被动运动时可能出现的不同等级的肌肉张力表现，使用者可以观察和感受在被动运动状态下受累肌肉不同等级的肌肉张力表现，经反复体会、学习，能快速掌握人体肌肉张力的检查方法，提高实践技能。本申请为学院对医学、运动学等相关专业的学生、低年资医务人员进行形象化、精准化的实践模拟教育，提供了标准化的学习平台和实践平台。对于提高学院的教学水平、改进教学方法、增进教学效果具有重要意义。
附图说明
图1为本发明机器人的立体结构示意图。
图2为本发明机器人的肘关节组件的分解图。
图3为本发明机器人的肩关节组件的分解图。
图4为本发明机器人的限位盖的结构示意图。
图5为本发明机器人上肢自然下垂，掌心朝前体位示意图。
图6为本发明的肩关节前屈45度，肘关节屈曲145度，掌心朝向肩关节的体位示意图。
图7为本发明的肩关节前屈45度，肘关节伸直，掌心朝前上的体位示意图。
图8为本发明机器人的控制系统的结构示意图。
图9为本发明机器人的控制系统的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下实施例中，设定肘关节伸直位位0°位，肘关节屈曲最大角度位为145°位。0°～145°全范围的屈曲运动是指从肘关节伸直位，即0°位，运动到肘关节屈曲最大角度位，即145°位。145°～0°全范围的伸直运动是指从肘关节最大屈曲角度位，即145°位，运动到肘关节伸直位，即0°位。
实施例1
参阅图1～图4，本实施例提供一种用于模拟人体四肢肌肉被动力学状态的机器人，包括基座1、肩关节组件、大臂5、肘关节组件、小臂14及手掌16；肩关节组件包括肩关节固定件2及肩关节活动件3，肩关节固定件2一端固定在基座上，另一端连接肩关节活动件3，肩关节活动件3与大臂5固定连接且可带动大臂做全方位转动；肘关节组件包括驱动电机6及电机减速器8，电机减速器8的输入端与驱动电机6连接，大臂5和小臂14位于电机减速器输出轴端的两侧，电机减速器8固定在大臂5上，电机减速器8驱动小臂14绕电机轴转动，手掌16固定连接在小臂14末端，大臂5、小臂14及手掌16处于同一轴线上。以下对各部件的结构做详细介绍。
在本实施例中，基座1呈长方体形，肩关节固定件2固定在长方体上端的一个边角上。
在本实施例中，肩关节固定件2呈矩形平板状，平板的一端设有四个用于连接基座的螺纹孔，另一端设有用于安装肩关节活动件3的圆形通孔。肩关节固定件2通过螺栓固定在基座1上。
在本实施中，肩关节活动件3为万向节球头阻尼关节连杆，优选所述万向节球头阻尼关节连杆为1-150KGF.CM型号。万向节球头阻尼关节连杆包括阻尼固定件c、球壳b及球头活动件a，阻尼固定件c与球壳b螺纹连接，球壳b与球头活动件a全方位可转动连接，大臂2固定在球头活动件a上与球头活动件a同轴设置。球头活动件a上安装有陀螺仪传感器4，陀螺仪传感器4用于检测球头活动件a的转动角度。
在本实施中，大臂5呈中空管状，两端由封板封闭，靠近肘关节的一端封板呈内凹弧形，弧度与肘关节组件适配。大臂弧形封板轴向连接有大臂法兰12，大臂法兰12径向设有连接大臂的连接部。小臂14呈中空管状，两端由封板封闭，靠近肘关节的一端封板呈内凹弧形，弧度与肘关节组件适配。小臂弧形封板轴向连接有小臂法兰13，小臂法兰13径向设有连接大臂的连接部。
在本实施中，电机减速器8优选谐波减速器。谐波减速器与驱动电机直联减小安装空间，从而使肘关节结构更为精巧。谐波减速器8与驱动电机6通过减速器法兰7连接，驱动电机6的电机轴插入谐波减速器8的波发生器中。大臂法兰12通过螺钉固定在谐波减速器8输出端的刚轮上，小臂法兰13设于大臂法兰12的外侧且与大臂法兰12设有转动间隙，小臂法兰13通过螺钉固定在在谐波减速器8的柔轮上，小臂法兰13的外侧设有限位盖9，限位盖9通过螺钉固定在大臂法兰12上。减速器法兰7、大臂法兰12、小臂法兰13及限位盖9同轴依次设置。
在本实施中，限位盖9内侧面的外缘部设有扇环形限位凸台10，扇环形限位凸台10上设有限位盖连接孔，扇环形限位凸台10通过螺钉固定在大臂法兰12的外侧面上，大臂法兰12、限位盖9形成容纳小臂法兰13的转动空间，小臂带动小臂法兰13在转动空间内转动，小臂法兰13的连接部碰到扇环形限位凸台10的两端面时因受到扇环形限位凸台10的阻挡而停止转动，从而将小臂14的转动角度限定为0～145°。
在本实施例中，限位盖9的一侧装有角度传感器11。角度传感器11用于检测小臂14与大臂5的相对转动角度。小臂14的前端手掌面和手背面分别安装有2个压力传感器15，压力传感器15用于测量操作者施加的外力。
上述机器人，将大臂5替换为大腿、小臂14替换为小腿，手掌16替换为脚掌，则肘关节组件相对于髋关节组件，肘关节组件相当于膝关节组件。
上述机器人的肩关节或髋关节可以通过操作者手动操作摆放至不同位置，如肩关节或髋关节前屈45°位置、肩关节或髋关节自然下垂位置。操作者转动手握大臂或球头活动件a，使球头活动件a在球壳b内转动，改变肩关节位置。驱动电机6带动谐波减速器8的波发生器转动，柔轮作为从动轮，输出转动，带动小臂14或小腿绕肘关节或膝关节产生一个自由度的运动，即小臂或小腿的屈伸运动。
压力传感器15、陀螺仪传感器4、角度传感器11及驱动电机6分别与控制器单元连接，压力传感器、陀螺仪传感器、角度传感器及驱动电机分别与控制器单元组成控制系统。
实施例2
参阅图5及图6，下面以实施例1所示机器人模拟人体不同等级屈肘肌肉张力的方法为例，说明本发明的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法。
本申请机器人模拟人体不同等级屈肘肌肉张力的方法包括：
0级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节屈曲145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；操作者可顺利完成肘关节145°～0°全范围的伸展运动，全运动过程中不会感受到明显阻力；
1级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节屈曲145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～10°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到小于肘关节角度小于10°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节10°～0°，不包括10°的运动范围内，感受到4N的阻力；
1+级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节屈曲145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～60°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于60°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节60°～0°，不包括60°的运动范围内，感受到8N的阻力；
2级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节屈曲145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～120°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于120°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节120°～0°，不包括120°的运动范围内，感受到20N的阻力；
3级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节屈曲145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；操作者在肘关节145°～0°全运动范围内感受到大于50N的阻力；
4级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节屈曲145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～110°的运动范围内，操作者感受到100N阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于110°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，操作者无法伸直肘关节，肘关节卡死。
上述模拟不同等级屈肘肌肉张力的方法也适用于模拟不同等级屈膝肌肉张力，在模拟不同等级屈膝肌肉张力时，肩关节相当于髋关节，肘关节相当于膝关节。
实施例3
参阅图5及图7，下面以实施例1所示机器人模拟人体不同等级伸肌肉张力的方法为例，说明本发明的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法。
本申请机器人模拟人体不同等级伸肘肌肉张力的方法包括：
0级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；操作者可顺利完成肘关节0°～145°全范围的屈曲运动，全程不会感受到明显阻力；
1级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～135°的范围运动内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节角度运动到大于135°时，控制单元检测到角度传感器反馈的肘关节角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节135°～145°，不包括135°的运动范围内，感受到4N的阻力；
1+级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～85°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节运动到肘关节角度大于85°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节85°～145°，不包括85°的运动范围内，感受到8N的阻力；
2级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～30°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节运动到肘关节角度大于30°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节30°～145°，不包括30°的运动范围内，感受到20N的阻力；
3级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；操作者在肘关节0°～145°全运动范围内感受到50N的阻力；
4级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度45°、外展角度30°、内旋30°、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～60°的运动范围内，操作者感受到100N阻力；当肘关节运动到肘关节角度大于60°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，操作者无法伸直肘关节，肘关节卡死；
上述模拟不同等级伸肘肌肉张力的方法也适用于模拟不同等级伸膝肌肉张力，在模拟不同等级伸膝肌肉张力时，肩关节相当于髋关节，肘关节相当于膝关节。
实施例4
参阅图8及图9，本实施例提供一种控制系统及控制方法，用于实施例2及实施例3所述的机器人模拟方法中。
所述控制系统主要由驱动单元、控制单元、传感器单元及人机交互系统组成。驱动单元包括驱动电机6及电机驱动器；传感器单元包括角度传感器11、压力传感器15及陀螺仪传感器4；在本实施例中，所述控制单元优选PLC控制器，在其他实施例中，也可为单片机系统或基于PC的运动控制控制板卡。在本实施例中，优选人机交互系统为工业触控屏，在其他实施例中，也可为其他触摸屏或手机APP。PLC控制器与驱动电机6的电机驱动器之间采用通讯协议进行信息交互，驱动电机6选用电流环控制方式，由可编程控制器根据触摸屏上的功能键选择来发送控制信息。PLC控制器与工业触控屏之间采用通讯协议进行信息交互。
陀螺仪传感器4将检测到的肩关节角度传送给PLC控制器，PLC控制器根据陀螺仪传感器4的输出信息，判断机器人肩关节是否处于设定位置，并将判断结果传送给人机交互系统显示在工业触控屏上，当肩关节不处于设定位置时发出警报。
PLC控制器根据角度传感器11的输出信息，判断机器人肘关节是否处于设定位置，并将判断结果传送给人机交互系统显示在工业触控屏上，当肘关节不处于设定位置时发出警报。
PLC控制器根据不同等级张力控制命令设定驱动电机6的启动力矩，并将所述启动力矩发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机6运转；在动作执行过程中，接收到压力传感器15的力反馈信息和角度传感器11的角度反馈信息后进一步调整电机6的转动力矩，并将所述转动力矩发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机6运转。
工业触控屏上设置有“屈肘模式”和“伸肘模式”操控按钮，分别对应屈肘模式按钮单元和伸肘模式按钮单元，“屈肘模式”和“伸肘模式”下分别设置“0级”、“1级”、1+级、“2级”、“3级”、“4级”等级操控按钮，分别对应各不同等级的操作按钮单元。还设置“启动”、“停止”、“复位”、“急停”、“去急停”操控按钮，分别对应启动按钮单元、停止按钮单元、复位按钮单元、急停按钮单元和去急停按钮单元；所述按钮单元与控制单元之间传递控制和运动信息。
“启动”表示操作者登录。“停止”表示控制单元执行完对应等级的模拟程序，操作者确认此次模拟过程结束。“复位”表示当前状态或急停状态下，肘关节回到初始状态；“急停”表示在模拟进程中的任意时间，尤其是装置继续运动状态下可能出现危险的情况下，操作者按下本按钮可紧急制动模拟系统。“去急停”表示装置在报警或急停状态下，为保护装置的安全性，在消除故障或问题后，采取的强制保护措施，防止操作者进一步操作造成设备损坏。
本实施的控制系统用于控制本发明的机器人模拟人体不同等级屈肘张力时，按以下流程控制机器人动作：
所述控制系统的控制流程包括依次连接的以下步骤：
S1、初始化，即操作者登陆；在具体模拟操作时，操作者将机器人置于肩关节、肘关节置于自然下垂、掌心朝前体位后点击“启动按钮”登陆控制系统；
S2、模式选择，操作者通过模式按钮选择要模拟的被动力模式；在具体模拟操作时，操作者点击“屈肘模式”、“伸肘模式”操作按钮选择要模拟的动力模式；
S3、等级选择，操作者通过等级按钮选择确定模式下的模拟等级；在具体模拟操作时，操作者点击“0级”、“1级”、“1+级”、“2级”、“3级”、“4级”操控按钮选择对应模式下的不同等级；
S4、条件判断，判断在该等级中机器人肩关节及肘关节是否处于设定范围，以及压力传感器是否检测到压力，若不满足判断条件，则返回S4步骤；上述条件均满足时进入下一步骤；在具体模拟操作时，所述设定范围为在伸肘模式下肩关节处于前屈角度0°～75°范围，外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围，肘关节伸直；在屈肘模式下，肩关节处于前屈角度0°～75°范围，外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围，肘关节屈曲145°；
S5、启动，启动驱动电机；在具体模拟操作时，控制单元根据不同等级张力控制命令设定电机启动力矩，并将所述启动力矩发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机运转；
S6、运行，机器人执行相应的动作；在具体模拟操作时，机器人执行选定模式下的选定等级的屈肘或伸肘动作；
S7、是否超限；在运行过程中，借助角度传感器及陀螺仪传感器实时反馈肩关节及肘关节的转动角度，判断肩关节及肘关节是否超过设定范围，当超过设定范围时，人机交互系统发出警报，操作者按照急停、去急停、复位的顺序操作，返回至S4步骤；没有超过极限位置时，继续按照步骤S7执行该模拟程序；所述范围为肩关节处于前屈角度0°～75°范围，外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围，肘关节屈曲角度0°～145°范围；
S8、是否结束；控制单元执行完对应等级的模拟程序后，操作者确认此次模拟过程是否结束，未结束返回至第S6步骤，结束进入下一步骤；
S9、结束，控制单元结束该模拟程序，机器人停止动作。
采用上述控制系统和控制方法，可以让操作者非常方便地操作和控制机器人完成人体四肢肌肉被动力学状态的模拟，并在模拟过程中真切地感受到屈肘和伸肘检查过程中需要对被检查人体施加的外力大小，提高实践技能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，包括：机器人模拟人体不同等级屈肘或屈膝肌肉张力的方法，机器人模拟人体不同等级伸肘或伸膝肌肉张力的方法，所述机器人包括基座、肩关节组件、大臂、肘关节组件、小臂及手掌；肩关节组件包括肩关节固定件及肩关节活动件，肩关节固定件一端固定在基座上，另一端连接肩关节活动件，肩关节活动件与大臂固定连接且可带动大臂做全方位转动；肘关节组件包括驱动电机及电机减速器，电机减速器的输入端与驱动电机连接，大臂和小臂分别位于电机减速器输出轴端的两侧，电机减速器固定在大臂上，电机减速器驱动小臂绕电机轴转动，手掌固定连接在小臂末端，大臂、小臂及手掌处于同一轴线上；
所述机器人的小臂前端掌侧及背侧设有压力传感器，所述压力传感器用于检测操作者对小臂前端施加力的大小；肩关节组件设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器用于检测肩关节的转动角度；肘关节组件设有角度传感器，所述角度传感器用于检测小臂的转动角度；压力传感器、陀螺仪传感器及角度传感器分别与控制器单元连接，驱动电机通过电机驱动器与控制器单元连接连接，压力传感器、陀螺仪传感器、角度传感器、驱动电机及电机驱动器及控制器单元组成控制系统。
2.根据权利要求1所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，所述模拟人体不同等级屈肘肌肉张力的方法包括：
0级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；操作者可顺利完成肘关节145°～0°全范围的伸展运动，全运动过程中不会感受到明显阻力；
1级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～10°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到小于肘关节角度小于10°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节10°～0°，不包括10°的运动范围内，感受到0N～5N的阻力；
1+级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～60°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于60°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节60°～0°，不包括60°的运动范围内，感受到大于5N且小于10N的阻力；
2级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～120°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于120°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节120°～0°，不包括120°的运动范围内，感受到10N～30N的阻力；
3级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；操作者在肘关节145°～0°全运动范围内感受到大于30N且小于80N的阻力；
4级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；在肘关节145°～110°的运动范围内，操作者感受到80N～200N阻力；当肘关节运动到肘关节角度小于110°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，操作者无法伸直肘关节，肘关节卡死；
上述模拟不同等级屈肘肌肉张力的方法也适用于模拟不同等级屈膝肌肉张力，在模拟不同等级屈膝肌肉张力时，肩关节相当于髋关节，肘关节相当于膝关节。
3.根据权利要求1所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，所述不同等级伸肘肌肉张力的方法包括：
0级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；操作者可顺利完成肘关节0°～145°全范围的屈曲运动，全程不会感受到明显阻力；
1级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～135°的范围运动内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节角度运动到大于135°时，控制单元检测到角度传感器反馈的肘关节角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节135°～145°，不包括135°的运动范围内，感受到0N～5N的阻力；
1+级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～85°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节运动到肘关节角度大于85°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节85°～145°，不包括85°的运动范围内，感受到大于5N且小于10N的阻力；
2级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～30°的运动范围内，操作者不会感受到明显阻力，当肘关节运动到肘关节角度大于30°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，使操作者在肘关节30°～145°，不包括30°的运动范围内，感受到10N～30的阻力；
3级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；操作者在肘关节0°～145°全运动范围内感受到大于30N且小于80N的阻力；
4级：操作者将机器人置于肩关节、肘关节自然下垂、掌心朝前体位，启动控制系统，然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节伸直体位；当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节角度信息，以及背侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；然后操作者双手协调运动，驱动小臂向屈曲方向运动；在肘关节0°～60°的运动范围内，操作者感受到80N～200N阻力；当肘关节运动到肘关节角度大于60°时，控制单元检测到角度传感器反馈的角度信息控制驱动电机增大转动力矩，操作者无法伸直肘关节，肘关节卡死；
上述模拟不同等级伸肘肌肉张力的方法也适用于模拟不同等级伸膝肌肉张力，在模拟不同等级伸膝肌肉张力时，肩关节相当于髋关节，肘关节相当于膝关节。
4.如权利要求2或3所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，控制系统还包括人机交互系统及电机驱动器，人机交互系统与控制单元之间传递控制和运动信息；电机驱动器与驱动电机组成驱动单元。
控制单元根据陀螺仪传感器的输出信息，判断机器人肩关节转动角度是否在设定范围内，并将判断结果传送给人机交互系统显示；
控制单元根据角度传感器的输出信息，判断机器人肘关节转动角度是否在设定范围内，并将判断结果传送给人机交互系统显示；
控制单元根据不同等级张力控制命令设定电机启动力矩，并将所述启动力矩发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机运转；在动作执行过程中，接收到角度传感器的角度反馈的肘关节转动角度信息后进一步调整电机转动力矩，并将所述转动力矩发送给电机驱动器，电机驱动器驱动电机运转；
人机交互系统包括显示单元、报警单元及若干按钮单元，所述显示单元用于显示陀螺仪传感器及角度传感器检测的肩关节角度及肘关节角度；所述报警单元用于控制单元判断肘关节或肩关节转动角度超过设定范围时报警；所述按钮单元与控制单元之间传递控制和运动信息，所述按钮单元包括屈肘模式按钮单元和伸肘模式按钮单元，屈肘模式下不同等级的操作按钮单元及伸肘模式下不同等级的操作按钮单元，所述按钮单元供操作者选择不同等级的屈肘或伸肘张力模拟，还包括启动按钮单元、停止按钮单元、急停按钮单元、去急停按钮单元和复位按钮单元；急停按钮单元用于当机器人肘关节或肩关节转动角度超过设定范围时的紧急停机，去急停按钮单元和复位按钮单元用于急停后机器人肘关节或肩关节回复到初始位置。
5.如权利要求4所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，所述控制单元可以为PLC控制器；所述人机交互系统为工业触控屏。
6.如权利要求4所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，所述控制系统的控制流程包括依次连接的以下步骤：
S1、初始化，即操作者登陆；
S2、模式选择，操作者通过模式按钮选择要模拟的被动力模式；
S3、等级选择，操作者通过等级按钮选择确定模式下的模拟等级；
S4、条件判断，判断在该等级中机器人肩关节及肘关节是否处于设定范围，以及压力传感器是否检测到压力，上述条件均满足时进入下一步骤；
S5、启动，启动驱动电机；
S6、运行，机器人执行相应动作；
S7、是否超限；运行过程中，借助角度传感器及陀螺仪传感器实时反馈肩关节及肘关节的转动角度，判断肩关节及肘关节是否超过设定范围，当超过设定范围时，人机交互系统发出警报，操作者按照急停、去急停、复位的顺序操作，返回至S4步骤；没有超过极限位置时，继续执行该步骤；
S8、是否结束；控制单元执行完对应等级的模拟程序后，操作者确认此次模拟过程是否结束，未结束返回至第S6步骤，结束进入下一步骤；
S9、结束，控制单元结束该模拟程序。
7.根据权利要求1所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，机器人小臂法兰的外侧设有限位盖，限位盖用于限定小臂法兰在0°～145°范围内转动，从而限定肘关节的运动范围。
8.根据权利要求1所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，机器人肩关节活动件为万向节阻尼球头关节连杆，万向节球头关节连杆的固定端与肩关节固定件连接，活动端固定连接大臂，万向节球头关节连杆带动大臂做全方位转动。
9.根据权利要求1所述的机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，其特征在于，机器人电机减速器为谐波减速器，驱动电机与谐波减速器通过减速器法兰连接，大臂的一端设有大臂法兰，小臂的一端设有小臂法兰，大臂法兰与谐波减速器输出端刚轮固定连接，小臂法兰设于大臂法兰的外侧，小臂法兰与谐波减速器输出端柔轮固定连接。
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