CN112932895B - 一种轴线自适应膝关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轴线自适应膝关节康复机器人，包括基座总成、运动链总成和动平台总成；所述基座总成包括大腿支架、中央控制器和驱动器，大腿支架固定在大腿上，中央控制器集成设置在大腿支架上，中央控制器电连接驱动器；所述动平台总成包括小腿支架和滑环，滑环固定在小腿上，所述滑环可转动地套设在小腿支架上，所述滑环的转动轴心与小腿重合；所述运动链总成包括三组并联设置的支链组成，每组支链均包括两个连杆，两个连杆的一端相互铰接，两个连杆的另一端分别铰接在大腿支架和小腿支架上；三个驱动器设置在大腿支架上并分别驱动铰接在大腿支架上的连杆。

Description

一种轴线自适应膝关节康复机器人

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种轴线自适应膝关节康复机器人。

背景技术

膝关节康复外骨骼机器人是针对康复及助力的外骨骼机器人，主要用于康复医疗和助老领域，现有的膝关节外骨骼大多将膝关节简化为一个旋转副，并且关节驱动装置直接布置在关节处，然而，人体的关节存在两种运动：转动和滚动，这两种运动同时产生，再加上人体关节的复杂曲面造型，造成人体关节的转动轴线会随着关节的转动而变化，直接将驱动装置布置在关节处，不仅会导致下肢末端惯量大，增加了驱动功率的需求，还会产生“寄生力”。而转动轴线的不重合产生的“寄生力”不仅会给穿戴者带来不舒适的穿戴体验，甚至对人体造成损伤。康复机器人的使用者关节比较脆弱，更容易受到伤害。

该问题还有在申请号为CN201910401305.6一种人机融合的膝关节康复机器人的案件中提出，该案件是在腿部侧面和后面分别设置一转动副，两个转动副进行并联后，用以自适应膝部的复杂动作。但其结构整体体积大，转动副向外转动时易造成行走中的磕碰。

因此，应当格外重视转动中心的重合问题，有必要对现有技术中的下肢康复外骨骼机器人予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴线自适应膝关节康复机器人,克服上述缺陷，机器人转动与人体膝关节转动高度适应。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种轴线自适应膝关节康复机器人，设置于人体膝部并通过连接大腿和小腿以带动膝部进行自适应地转动，包括基座总成、运动链总成和动平台总成；

所述基座总成包括大腿支架、中央控制器和驱动器，大腿支架固定在大腿上，中央控制器集成设置在大腿支架上，中央控制器电连接驱动器；

所述动平台总成包括小腿支架和滑环，滑环固定在小腿上，所述滑环可转动地套设在小腿支架上，所述滑环的转动轴心与小腿重合；

所述运动链总成包括三组并联设置的支链组成，每组支链均包括两个连杆，两个连杆的一端相互铰接，两个连杆的另一端分别铰接在大腿支架和小腿支架上，所述连杆的转动面平行于膝关节的转动面；三个驱动器设置在大腿支架上并分别驱动铰接在大腿支架上的连杆；

所述基座总成通过驱动器驱动运动链总成的支链，从而带动动平台总成转动，使基座总成和动平台总成构成实时与膝关节转动轴线重合的转动机构。

优选的，所述支链铰接的转动轴心相互平行。

优选的，所述驱动器内置角度传感器，所述的两个连杆一端相互铰接处设置有编码器，所述动平台总成内置加速度传感器。

优选的，两组所述的支链铰接在小腿支架的同一位置。

优选的，所述大腿支架上还设置有大腿环和柔性垫块，所述大腿环对大腿进行夹持，大腿环通过柔性垫块固定设置在大腿支架上。

优选的，所述大腿支架凸设一朝向小腿支架的轴线指示区，轴线指示区与膝关节的转动轴线重合。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于：本案采用3RRR并联结构作为基础，串接三个旋转副后，将三组旋转副进行并联。该结构的自由度数目符合人体膝关节结构的自由度数目，设备转动轴线能够跟随人体膝关节轴线的变化而变化，使设备最大限度的满足使用者肢体的运动规律，消除外骨骼在穿戴过程中的不适。并联结构减轻了机构的重量，使得驱动安装靠近人体重心，提高了舒适度，降低了关节损伤隐患。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明的运动示意图；

图4是本发明的机构控制流程图。

标号说明：基座总成(1)、运动链总成(2)、动平台总成(3)、大腿支架(11)、驱动器(12)、小腿支架(31)、滑环(32)、支链(21)、连杆(22)、编码器(23)、大腿环(13)、柔性垫块(14)、轴线指示区(110)。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。

如图1-3所示，本发明提供一种轴线自适应膝关节康复机器人，设置于人体膝部并通过连接大腿和小腿以带动膝部进行自适应地转动，包括基座总成1、运动链总成2和动平台总成3；

所述基座总成1包括大腿支架11、中央控制器和驱动器12，大腿支架11固定在大腿上，中央控制器集成设置在大腿支架11上，中央控制器电连接驱动器12；

所述动平台总成3包括小腿支架31和滑环32，滑环32固定在小腿上，所述滑环32可转动地套设在小腿支架31上，所述滑环32的转动轴心与小腿重合；

所述运动链总成2包括三组并联设置的支链21组成，每组支链21均包括两个连杆22，两个连杆22的一端相互铰接，两个连杆22的另一端分别铰接在大腿支架11和小腿支架31上，所述连杆22的转动面平行于膝关节的转动面；三个驱动器12设置在大腿支架11上并分别驱动铰接在大腿支架11上的连杆22；本案提及所述连杆22的转动面平行于膝关节的转动面更具体地是指，连杆22在相对转动的过程中构成的平面，而膝关节的转动面是由大腿及小腿共同组成的转动面。

所述基座总成1通过驱动器12驱动运动链总成2的支链21，从而带动动平台总成3转动，使基座总成1和动平台总成3构成实时与膝关节转动轴线重合的转动机构。本案提及的“使基座总成1和动平台总成3构成实时与膝关节转动轴线重合的转动机构”是指使基座总成1和动平台总成3所构成的转动机构是通过三组并联设置的支链21组成的，其转动中心是一个并不一定在其结构上的空间几何位置，但这三组并联设置的支链21最后所构成的转动中心(转动轴线)是一定与大腿、小腿联合膝关节所构成的转动中心(转动轴线)相重合的，这也是本案设计的最核心的目的。故本案结构中还设计了轴线指示区110，这便是本案涉及机构的转动轴线的大致区域。

本案采用3RRR并联结构作为基础，串接三个旋转副后，将三组旋转副进行并联。该结构的自由度数目符合人体膝关节结构的自由度数目，设备转动轴线能够跟随人体膝关节轴线的变化而变化，使设备最大限度的满足使用者肢体的运动规律，消除外骨骼在穿戴过程中的不适。并联结构减轻了机构的重量，使得驱动安装靠近人体重心，提高了舒适度，降低了关节损伤隐患。3RRR，3个运动链，每一个运动链均由3个转动副组成。并联结构是机器人学的一个重要分支，它可以定义为动平台和定平台通过两个或者两个及以上的独立的开环运动链相连，机构具有两个或者两个以上的自由度。

所述支链21铰接的转动轴心相互平行。使用该结构可以使得多组支链21呈平面旋转副结构，可贴合设置在膝部侧面，结构运动时不向外突出，符合美观和人体工程学设计。

所述驱动器12内置角度传感器，所述的两个连杆22一端相互铰接处设置有编码器23，所述动平台总成3内置加速度传感器。

两组所述的支链21铰接在小腿支架31的同一位置。

所述大腿支架11上还设置有大腿环13和柔性垫块14，所述大腿环13对大腿进行夹持，大腿环13通过柔性垫块14固定设置在大腿支架11上。

所述大腿支架11凸设一朝向小腿支架31的轴线指示区110，轴线指示区110与膝关节的转动轴线重合。

结合上述机器人结构，如图4所示，本案机器人结构的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1，安装机器人：大腿环13固定于人体大腿处，膝关节对准轴线指示区110，滑环32固定于人体小腿处；

步骤S2，自动矫正位置：根据小腿的运动确定人体膝关节轴线的具体位置，动平台总成3自动进行位置矫正，将基座总成1和动平台总成3组成的转动机构的转动轴线和膝关节的转动轴线对齐，从而将滑环32和小腿进行固定；

步骤S3，学习运动数据：使病人小腿大范围运动多次，依据加速度传感器和编码器23的信息计算膝关节的运动特点并存入存储器；通过调整病人小腿的运动范围，本案的中央控制器可以学习并记录最适应的调整范围。

步骤S4，自适应运动：依据病人的选择，机器人进行随动或驱动人体进行运动。

步骤S3的具体工作过程可以细分为：

首先，用外力带动病人小腿活动，尽量覆盖小腿的所有活动范围；

其次，中央控制器利用驱动器12的角度传感器、编码器23和加速度传感器测量并计算膝关节的运动特点；

最后，中央控制器将运动特点进行后处理并存储后处理结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (1)

1.一种轴线自适应膝关节康复机器人，设置于人体膝部并通过连接大腿和小腿以带动膝部进行自适应地转动，其特征在于：包括基座总成（1）、运动链总成（2）和动平台总成（3）；

所述基座总成（1）包括大腿支架（11）、中央控制器和驱动器（12），大腿支架（11）固定在大腿上，中央控制器集成设置在大腿支架（11）上，中央控制器电连接驱动器（12）；

所述动平台总成（3）包括小腿支架（31）和滑环（32），滑环（32）固定在小腿上，所述滑环（32）可转动地套设在小腿支架（31）上，所述滑环（32）的转动轴心与小腿重合；

所述运动链总成（2）包括三组并联设置的支链（21）组成，每组支链（21）均包括两个连杆（22），两个连杆（22）的一端相互铰接，两个连杆（22）的另一端分别铰接在大腿支架（11）和小腿支架（31）上，所述连杆（22）的转动面平行于膝关节的转动面；三个驱动器（12）设置在大腿支架（11）上并分别驱动铰接在大腿支架（11）上的连杆（22）；

所述基座总成（1）通过驱动器（12）驱动运动链总成（2）的支链（21），从而带动动平台总成（3）转动，使基座总成（1）和动平台总成（3）所构成的转动机构的转动轴线实时与膝关节的转动轴线重合；

所述支链（21）铰接的转动轴心相互平行；

所述驱动器（12）内置角度传感器，所述的两个连杆（22）一端相互铰接处设置有编码器（23），所述动平台总成（3）内置加速度传感器；

两组所述的支链（21）铰接在小腿支架（31）的同一位置；

所述大腿支架（11）上设置有大腿环（13），所述大腿环（13）对大腿进行夹持；

所述大腿支架（11）凸设一朝向小腿支架（31）的轴线指示区（110），轴线指示区（110）与膝关节的转动轴线重合；

轴线自适应膝关节康复机器人的控制方法包括如下步骤：

步骤S1，安装机器人：大腿环（13）固定于人体大腿处，膝关节对准轴线指示区（110）；

步骤S2，自动矫正位置：根据小腿的运动确定人体膝关节轴线的具体位置，动平台总成（3）自动进行位置矫正，将基座总成（1）和动平台总成（3）组成的转动机构的转动轴线和膝关节的转动轴线对齐，从而将滑环（32）和小腿进行固定；

步骤S3，学习运动数据：首先，用外力带动病人小腿活动，尽量覆盖小腿的所有活动范围；

其次，中央控制器利用驱动器（12）的角度传感器、编码器（23）和加速度传感器测量并计算膝关节的运动特点；

最后，中央控制器将运动特点进行后处理并存储后处理结果；

步骤S4，自适应运动：依据病人的选择，机器人进行随动或驱动人体进行运动。