CN112494285A - 一种平衡控制训练机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平衡控制训练机器人，包括操作台、骨盆紧固器、驱动装置、底座、支撑梁。根据大数据统计下的健康人体行走过程中骨盆的位置与姿态变化规律，基于人体仿生学数据进行机械结构设计，通过控制三条并联电动伺服推杆的伸缩运动，向上驱动操作台带动骨盆紧固器进行三维姿态调整，进而带动人体骨盆实现同步的三维姿势变化，使用户实现仿生学运动康复训练。基于力/位混合控制系统可提供被动、助动和主动三种康复运动训练模式，可满足患者在不同康复阶段的运动训练需求，也可切换机器人功能平衡训练功能，通过控制三条并联电动伺服推杆的伸缩运动悬吊底座，进行站立平衡训练。该结构简单轻便、体积小、利于家庭化使用与推广。

Description

一种平衡控制训练机器人
技术领域
本发明涉及人体运动辅助机器人领域，尤其涉及一种平衡控制训练机器人。
背景技术
在我国老龄化问题日益严峻的社会背景下，由脊髓损伤或脑卒中等疾病导致的下肢运动功能障碍患者数量日渐庞大，而在其康复运动过程中，本体平衡感觉又是康复训练需要解决的首要问题。国内运动平衡机器人多见于辅助运动设备领域，或功能不够仿生、人机交互体验感差，或设备造价高且不够简洁轻便，或控制方法复杂、功能单一等，严重阻碍了平衡训练机器人产品化普及。如申请号201521127615.7的专利，公布了一种柔索驱动六自由度并连康复装置，可实现六个自由度的运动，由六根柔性绳索驱动拉力，通过六个拉力传感器测量绳索拉力，位移传感器测量用户的位置进行闭环控制康复训练。但该设备控制系统复杂，体积较大，无法实现跟随用户移动，不利于家庭化使用。申请号201911147822.1的发明专利公布了一种基于六杆机构的单自由度下肢康复机器人，通过传动机构连接六杆机构终端，模拟健康人体行走轨迹，结构简单但未考虑对人体骨盆位置与姿势的仿生跟随控制。因此，按照对标健康人体运动状态中的人体各肢段运动学特征，依据仿生学和人体工学原理，设计机械结构简单、造价低、使用方便、轻量化的平衡控制训练机器人，在技术领域和市场需求方面都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于人体骨盆三维运动仿生学数据设计的平衡控制训练机器人，可使患者按照健康人体行走过程中的骨盆位移与姿态变化进行运动康复训练，并能通过机械结构的调整进行功能切换，为患者提供平衡控制与运动训练功能。
为达到上述目的，本发明通过如下技术方案予以实现：
所述的一种平衡控制训练机器人，由硬件和软件控制系统组成，其中硬件包括操作台1、骨盆紧固器2、驱动装置3、底座4、支撑梁5，所述操作台1下表面三个位置分别与三个所对应的驱动装置3上端固连，每个驱动装置3下端固连在底座4上表面相应的安装位置；骨盆紧固器2可以穿戴绑缚在使用者骨盆上，并可通过电磁力吸附在操作台1内侧；两个支撑梁5的上端分别铰接固定于操作台1底面左右侧呈“八”字形分布的凹槽内。
所述的操作台1包括扶手101、第一电磁片102,、台面103、第一卡扣104、中控模块105，两个所述扶手101分别向下栓接固定在台面103上表面的两个开孔处，给用户提供抓取和操纵设备转的功能。第一电磁片102固定在台面103中心位置弧形侧面所开槽的内部，两个所述第一卡扣104分别固定在台面103下表面左右开槽内部，中控模块105固定在台面103下表面开槽内。
所述的骨盆紧固器2包括第二电磁片201、前紧固片202、第二销轴203、后紧固片204、第三销轴205、六维位置姿态传感器206、铰接片207、第四销轴208、第二卡扣209、力传感器210、束带211，所述第二电磁片201固连在前紧固片202的外侧面中心位置，前紧固片202右端通过第二销轴203与后紧固片204右端铰接，使前紧固片202和后紧固片204可绕第二销轴203形成转动约束效果，第三销轴205和铰接片207固连在紧固片204左侧端开槽处，当用户将前紧固片202和后紧固片204绕第二销轴203打开后可合围穿戴在骨盆上，再通过铰接片207卡接前紧固片202左侧端开槽处进行紧固，调整骨盆紧固器2紧固在用户骨盆上，两个所述第四销轴208分别固定在前紧固片202与后紧固片204的下边沿中位，两片所述第二卡扣209分别固连在束带211前端与后端，用户通过胯下穿戴使用束带211，再通过前后两片所述第二卡扣209分别向上勾连第四销轴208，形成对用户骨盆的紧固约束功能。
所述的驱动装置3包括球套301、第五销轴302、球头303、电动伺服推杆304，三个所述球套301向上固定在台面103下底面相应位置并呈正三角形分布，另外三个所述球套301向下固定在底座4上表面相应位置并呈正三角形分布，三个所述电动伺服推杆304上端和下端都分别固定一个所述的球头303，并且每个所述球头303都分别封装在所对应的球套301内部形成球铰约束，每组所述的球头303和球套301在垂直电动伺服推杆304方向开通孔，可通过拆、装第五销轴302，实现球铰和转动铰之间的功能转换。
所述的底座4包括前撑板401、电池组402、脚踏板403、运动传感器模块404、第六销轴405、后撑板406、轴承座407、主动轮408、从动轮409，所述前撑板401向后通过第六销轴405与后撑板406相连，第六销轴405向前穿过脚踏板403侧向通孔后，插入前撑板401尾端开孔内部并固定，第六销轴405向后插入后撑板406开孔内部并固定，使得脚踏板403通过第六销轴405与前撑板401、后撑板406铰接可180度旋转，所述电池组402固连在前撑板401下底面开槽内为整个设备供电，三个所述轴承座407分别固定在前撑板401下底面开孔和两块所述后撑板406下底面开孔的内部，呈正三角形分布，主动轮408向上过盈穿过轴承406内径，可实现绕竖直轴向的转动，两个所述从动轮409向上过盈穿过轴承406内径，可实现绕竖直轴向的转动。
所述支撑梁5包括第一销轴501、第一梁板502、第七销轴503、第一卡钉504、第二梁板505、第二卡钉506、第三梁板507、第四梁板508，所述第一梁板502上端通过第一销轴501与台面103下底面开槽一段铰接固定，第一梁板502下端固定第七销轴503，可以卡接到固定在台面103底面开槽内部的第一卡扣104上，进行槽内隐藏固定，所述第二梁板505上端通过第一卡钉504与第一梁板502下端铰接，所述第三梁板507和第四梁板508重合嵌套后，上端均通过第二卡钉506与第二梁板505下端铰接，当左右两组所述支撑梁5下放时，第一梁板502、第二梁板505、第三梁板507、第四梁板508首尾接续串联展开，呈倒Y字形向上稳定支撑操作台1。
所述的一种平衡控制训练机器人的软件控制系统， 提供一种力/位混合控制方法，所述力/位混合控制方法由位置控制环与力控制环两部分组成，通过位置选择矩阵C p 和力选择矩阵C f 来确定位置控制和力控制的方向，所述位置控制部分由健康人体骨盆的位置轨迹与姿态变化作为输入值，经过速度雅可比矩阵J-1得到驱动装置3的期望杆长变化，所述力控制部分以力传感器210所检测到的人机交互力值作为反馈输入，经过力雅可比矩阵J-T转换为驱动装置3的驱动力，经过控制器计算出驱动装置3的铰接力、位作为输出，实现闭环控制。
本发明的有益效果在于：根据大数据统计下的健康人体行走过程中骨盆的位置与姿态变化规律，基于人体仿生学数据进行机械结构设计，通过控制三条并联电动伺服推杆的伸缩运动，向上驱动操作台带动骨盆紧固器进行三维姿态调整，进而带动人体骨盆实现同步的三维姿势变化，使用户实现仿生学运动康复训练。基于力/位混合控制系统可提供被动、助动和主动三种康复运动训练模式，可满足患者在不同康复阶段的运动训练需求。另外，也可把折叠隐藏在操作台下表面开槽内的支撑梁展开下放，把整个设备向上稳定支撑，再通过拆装第五销轴切换机构上、下自由度，使操作台下表面所固连的运动副切换为转动铰，和底座固连的三个运动副切换为球铰，设备调整为倒置控制的三杆并联机器人结构，即切换机器人功能为平衡训练功能，用户站立到翻转后的脚踏板上，通过控制三条并联电动伺服推杆的伸缩运动支撑底座， 进行站立平衡训练。该结构简单轻便、体积小、利于家庭化使用与推广。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1 本发明的一种平衡控制训练机器人第一功能（骨盆运动训练）状态时的轴测图。
图2 本发明的一种平衡控制训练机器人第二功能（站立平衡训练）状态时的轴测图。
图3 本发明的操作台俯视视角的结构爆炸图。
图4 本发明的操作台仰视视角的结构爆炸图。
图5 本发明的骨盆紧固器的结构爆炸图。
图6 本发明的驱动装置的结构爆炸图。
图7 本发明的底座的结构爆炸图。
图8 本发明的支撑梁的结构爆炸图。
图9 本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1和图2，本发明所述的一种平衡控制训练机器人，由硬件和软件控制系统组成，其中硬件包括操作台1、骨盆紧固器2、驱动装置3、底座4、支撑梁5，所述操作台1下表面三个位置分别与三个所对应的驱动装置3上端固连，每个驱动装置3下端固连在底座4上表面相应的安装位置；骨盆紧固器2可以穿戴绑缚在使用者骨盆上，并可通过电磁力吸附在操作台1内侧；两个支撑梁5的上端分别铰接固定于操作台1底面左右侧呈“八”字形分布的凹槽内。
参见图3和图4，本发明所述的操作台1包括扶手101、第一电磁片102,、台面103、第一卡扣104、中控模块105，两个所述扶手101分别向下栓接固定在台面103上表面的两个开孔处，给用户提供抓取和操纵设备转的功能。第一电磁片102固定在台面103中心位置弧形侧面所开槽的内部，两个所述第一卡扣104分别固定在台面103下表面左右开槽内部，中控模块105固定在台面103下表面开槽内。
参见图5，本发明所述的骨盆紧固器2包括第二电磁片201、前紧固片202、第二销轴203、后紧固片204、第三销轴205、六维位置姿态传感器206、铰接片207、第四销轴208、第二卡扣209、力传感器210、束带211，所述第二电磁片201固连在前紧固片202的外侧面中心位置，前紧固片202右端通过第二销轴203与后紧固片204右端铰接，使前紧固片202和后紧固片204可绕第二销轴203形成转动约束效果，第三销轴205和铰接片207固连在紧固片204左侧端开槽处，当用户将前紧固片202和后紧固片204绕第二销轴203打开后可合围穿戴在骨盆上，再通过铰接片207卡接前紧固片202左侧端开槽处进行紧固，调整骨盆紧固器2紧固在用户骨盆上，两个所述第四销轴208分别固定在前紧固片202与后紧固片204的下边沿中位，两片所述第二卡扣209分别固连在束带211前端与后端，用户通过胯下穿戴使用束带211，再通过前后两片所述第二卡扣209分别向上勾连第四销轴208，形成对用户骨盆的紧固约束功能。
参见图6，本发明所述的驱动装置3包括球套301、第五销轴302、球头303、电动伺服推杆304，三个所述球套301向上固定在台面103下底面相应位置并呈正三角形分布，另外三个所述球套301向下固定在底座4上表面相应位置并呈正三角形分布，三个所述电动伺服推杆304上端和下端都分别固定一个所述的球头303，并且每个所述球头303都分别封装在所对应的球套301内部形成球铰约束，每组所述的球头303和球套301在垂直电动伺服推杆304方向开通孔，可通过拆、装第五销轴302，实现球铰和转动铰之间的功能转换。
参见图7，本发明所述的底座4包括前撑板401、电池组402、脚踏板403、运动传感器模块404、第六销轴405、后撑板406、轴承座407、主动轮408、从动轮409，所述前撑板401向后通过第六销轴405与后撑板406相连，第六销轴405向前穿过脚踏板403侧向通孔后，插入前撑板401尾端开孔内部并固定，第六销轴405向后插入后撑板406开孔内部并固定，使得脚踏板403通过第六销轴405与前撑板401、后撑板406铰接可180度旋转，所述电池组402固连在前撑板401下底面开槽内为整个设备供电，三个所述轴承座407分别固定在前撑板401下底面开孔和两块所述后撑板406下底面开孔的内部，呈正三角形分布，主动轮408向上过盈穿过轴承406内径，可实现绕竖直轴向的转动，两个所述从动轮409向上过盈穿过轴承406内径，可实现绕竖直轴向的转动。
参见图8，本发明所述支撑梁5包括第一销轴501、第一梁板502、第七销轴503、第一卡钉504、第二梁板505、第二卡钉506、第三梁板507、第四梁板508，所述第一梁板502上端通过第一销轴501与台面103下底面开槽一段铰接固定，第一梁板502下端固定第七销轴503，可以卡接到固定在台面103底面开槽内部的第一卡扣104上，进行槽内隐藏固定，所述第二梁板505上端通过第一卡钉504与第一梁板502下端铰接，所述第三梁板507和第四梁板508重合嵌套后，上端均通过第二卡钉506与第二梁板505下端铰接，当左右两组所述支撑梁5下放时，第一梁板502、第二梁板505、第三梁板507、第四梁板508首尾接续串联展开，呈倒Y字形向上稳定支撑操作台1。
参见图9，本发明所述的一种平衡控制训练机器人的软件控制系统， 提供一种力/位混合控制方法，所述力/位混合控制方法由位置控制环与力控制环两部分组成，通过位置选择矩阵C p 和力选择矩阵C f 来确定位置控制和力控制的方向，所述位置控制部分由健康人体骨盆的位置轨迹与姿态变化作为输入值，经过速度雅可比矩阵J-1得到驱动装置3的期望杆长变化，所述力控制部分以力传感器210所检测到的人机交互力值作为反馈输入，经过力雅可比矩阵J-T转换为驱动装置3的驱动力，经过控制器计算出驱动装置3的铰接力、位作为输出，实现闭环控制。
参照图1，作为一种优选实例，当用户使用本发明的一种平衡控制训练机器人第一功能时，即使用骨盆仿生运动训练功能，支撑梁5处于折叠收起状态，通过第一销轴501卡接在第一卡扣104上，从而隐藏在操作台1下底面开槽内部，此时，底座4中的两块脚踏板403分别向外收起，保证底座4的内部给用户预留足够的触地站立和踏步的空间，用户首先佩戴和调整骨盆紧固器2，保证舒适的情况下，使骨盆紧固器2紧固在骨盆上，然后用户向前进入操作台1的台面103内，骨盆紧固器2起到保护、矫姿的作用；调整骨盆使得前紧固片202上的第二电磁片201与操作台1上的第一电磁片102正向紧密贴合，三组驱动装置3上端球头303和球套301通孔内分别插入第五销轴302，此时驱动装置3上端铰接处只保留了一个自由度，即单轴转动的功能，三组驱动装置3下端球头303和球套301通孔内分别拔出第五销轴302，此时下端铰接处实现球铰功能，即实现三个转动自由度的任意转动，做好开机准备工作后进行开机，首先通过电磁力使用骨盆紧固器2与操作台1合为一体，在训练开始前需对空载力进行校准，由第一力传感器210检测人机交互力信号，由六维位置姿态传感器206检测用户骨盆的仰俯角信号和倾斜角信号，用于分析用户运动意图，从而能把操作台1被三杆并联的驱动装置3驱动下的三维运动状态传递给用户的骨盆，控制骨盆进行预想的仿生运动康复训练，也可通过调整控制主动轮408转速，带动用户进行仿生步态行走训练。
参照图2，作为另一种优选实例，当用户使用本发明的一种平衡控制训练机器人第二功能时，即使用站立运动平衡控制训练功能，支撑梁5处于下放状态，呈倒Y字形向上稳定支撑操作台1，此时整个底座4在三杆并联驱动装置3的悬吊下，处于悬空状态，底座4中的两块脚踏板403分别向内收起，保证底座4的内部闭合，给用户预留能在悬空底座4平台上站立的支撑空间，用户不再佩戴骨盆紧固器2，双手扶握两个扶手101，三组驱动装置3上端球头303和球套301通孔内分别拔出第五销轴302，此时驱动装置3上端铰接处实现球铰功能，可实现三维转动，三组驱动装置3下端球头303和球套301通孔内分别插入第五销轴302，此时下端铰接处只保留单轴转动铰功能，做好开机准备工作后进行开机，用户在双手握住扶手101的状态下，双脚站在悬空的底座4上，所述运动传感器模块404采集用户站在踏板403上的运动信号传输到中控模块105中运算控制，通过控制三杆并联驱动装置3驱动底座4的三维摆动姿态，实现预制的平衡控制训练，从而锻炼用户下肢关节控制能力及重心稳定能力。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种平衡控制训练机器人，其特征在于：包括硬件和软件控制系统，硬件包括操作台（1）、骨盆紧固器（2）、驱动装置（3）、底座（4）、支撑梁（5），所述操作台（1）下表面三个位置分别与三个所对应的驱动装置（3）上端固连，每个驱动装置（3）下端固连在底座（4）上表面相应的安装位置，骨盆紧固器（2）可以穿戴绑缚在使用者骨盆上，并可通过电磁力吸附在操作台（1）内侧，两个支撑梁（5）的上端分别铰接固定于操作台（1）底面左右侧呈“八”字形分布的凹槽内；软件控制系统为一种力/位混合控制方法，所述力/位混合控制方法由位置控制环与力控制环两部分组成，通过位置选择矩阵C p 和力选择矩阵C f 来确定位置控制和力控制的方向，所述位置控制部分由健康人体骨盆的位置轨迹与姿态变化作为输入值，经过速度雅可比矩阵J-1得到驱动装置（3）的期望杆长变化，所述力控制部分以力传感器（210）所检测到的人机交互力值作为反馈输入，经过力雅可比矩阵J-T转换为驱动装置（3）的驱动力，经过控制器计算出驱动装置（3）的铰接力、位作为输出，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种平衡控制训练机器人，其特征在于：操作台（1）包括扶手（101）、第一电磁片（102）、台面（103）、第一卡扣（104）、中控模块（105），两个所述扶手（101）分别向下栓接固定在台面（103）上表面的两个开孔处，给用户提供抓取和操纵设备转向的功能，第一电磁片（102）固定在台面（103）中心位置弧形侧面所开槽的内部，两个所述第一卡扣（104）分别固定在台面（103）下表面左右开槽内部，中控模块（105）固定在台面（103）下表面开槽内。
3.根据权利要求1所述的一种平衡控制训练机器人，其特征在于：骨盆紧固器（2）包括第二电磁片（201）、前紧固片（202）、第二销轴（203）、后紧固片（204）、第三销轴（205）、六维位置姿态传感器（206）、铰接片（207）、第四销轴（208）、第二卡扣（209）、力传感器（210）、束带（211），所述第二电磁片（201）固连在前紧固片（202）的外侧面中心位置，前紧固片（202）右端通过第二销轴（203）与后紧固片（204）右端铰接，使前紧固片（202）和后紧固片（204）可绕第二销轴（203）形成转动约束效果，第三销轴（205）和铰接片（207）固连在紧固片（204）左侧端开槽处，当用户将前紧固片（202）和后紧固片（204）绕第二销轴（203）打开后合围穿戴于骨盆，再通过铰接片（207）卡接前紧固片（202）左侧端开槽处进行紧固，调整骨盆紧固器（2）紧固在用户骨盆上，两个所述第四销轴（208）分别固定在前紧固片（202）与后紧固片（204）的下边沿中位，两片所述第二卡扣（209）分别固连在束带（211）前端与后端，用户通过胯下穿戴使用束带（211），再通过前后两片所述第二卡扣（209）分别向上勾连第四销轴（208）形成一体，形成对用户骨盆的紧固约束功能。
4.根据权利要求1所述的一种平衡控制训练机器人，其特征在于：驱动装置（3）包括球套（301）、第五销轴（302）、球头（303）、电动伺服推杆（304），三个所述球套（301）向上固定在台面（103）下底面相应位置并呈正三角形分布，另外三个所述球套（301）向下固定在底座（4）上表面相应位置并呈正三角形分布，三个所述电动伺服推杆（304）上端和下端都分别固定一个所述的球头（303），并且每个所述球头（303）都分别封装在所对应的球套（301）内部形成球铰约束，每组所述的球头（303）和球套（301）在垂直电动伺服推杆（304）方向开通孔，可通过拆、装第五销轴（302），实现球铰和转动铰之间的功能转换。
5.根据权利要求1所述的一种平衡控制训练机器人，其特征在于：底座（4）包括前撑板（401）、电池组（402）、脚踏板（403）、运动传感器模块（404）、第六销轴（405）、后撑板（406）、轴承座（407）、主动轮（408）、从动轮（409），所述前撑板（401）向后通过第六销轴（405）与后撑板（406）相连，第六销轴（405）向前穿过脚踏板（403）侧向通孔后，插入前撑板（401）尾端开孔内部并固定，第六销轴（405）向后插入后撑板（406）开孔内部并固定，使得脚踏板（403）通过第六销轴（405）与前撑板（401）、后撑板（406）铰接可180度旋转，所述电池组（402）固连在前撑板（401）下底面开槽内为整个设备进行供电，三个所述轴承座（407）分别固定在前撑板（401）下底面开孔和两块所述后撑板（406）下底面开孔的内部，呈正三角形分布，主动轮（408）向上过盈穿过轴承（406）内径，可实现绕竖直轴向的转动，两个所述从动轮（409）向上过盈穿过轴承（406）内径，可实现绕竖直轴向的转动。
6.根据权利要求1所述的一种平衡控制训练机器人，其特征在于：支撑梁（5）包括第一销轴（501）、第一梁板（502）、第七销轴（503）、第一卡钉（504）、第二梁板（505）、第二卡钉（506）、第三梁板（507）、第四梁板（508），所述第一梁板（502）上端通过第一销轴（501）与台面（103）下底面开槽一段铰接固定，第一梁板（502）下端固定第七销轴（503），可以卡接固定在台面（103）底面开槽内部的第一卡扣（104）上，进行槽内隐藏固定，所述第二梁板（505）上端通过第一卡钉（504）与第一梁板（502）下端铰接，所述第三梁板（507）和第四梁板（508）重合嵌套后，上端通过第二卡钉（506）与第二梁板（505）下端铰接，当左右两组所述支撑梁（5）下放时，第一梁板（502）、第二梁板（505）、第三梁板（507）、第四梁板（508）首尾接续串联展开，呈倒Y字形向上稳定支撑操作台（1）。
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