CN113367935B - 柔性驱动膝关节康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明的柔性驱动膝关节康复机器人包括框架、座椅、左训练机构、右训练机构，所述座椅设置在框架的底部，左训练机构和右训练机构分别位于座椅的左侧和右侧，所述左训练机构包括左大腿段、左小腿段、新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器，所述左大腿段的上端与座椅固定连接，左大腿段的下端与左小腿段的上端转动连接，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的两端分别与左大腿段和左小腿段转动连接；所述右训练机构包括右大腿段、右小腿段、柔索、伺服驱动模块、变刚度模块，所述右大腿段的上端与座椅固定连接，右大腿段的下端与右小腿段的上端转动连接，柔索的一端与右小腿段连接，柔索的另一端与伺服驱动模块连接，变刚度模块设置在柔索上。
Description
技术领域
本发明涉及康复医学技术领域，尤其涉及柔性驱动膝关节康复机器人。
背景技术
膝关节为人体最大且构造最复杂，损伤机会亦较多的关节，属于滑车关节。人体膝关节的主要运动方式为屈曲和伸展。膝关节的运动范围因髋关节的位置以及主动或被动屈曲而不同。髋关节屈曲时，膝关节主动屈曲可达140°，髋关节伸展时，由于腘绳肌松弛，失去部分效应，主动屈曲可达120°，膝关节的被动屈曲可达160°。
随着人口老龄化加剧，以及疾病、事故和自然灾害等的多发，导致膝关节运动功能障碍的患者越来越多。根据康复医学理论，膝关节功能障碍患者除了前期的手术治疗和药物治疗外，科学有效的康复训练可以恢复其大脑中枢神经对膝关节运动的协调与控制，帮助其提高肌肉力量和协调性，对患者膝关节运动机能的恢复有着重要作用。传统的膝关节康复训练是通过康复师一对一进行训练的，劳动强度大，效率低，重复性强，康复效果完全取决于康复师的经验和水平，由于康复师大量紧缺，导致患者可能错过最佳的康复训练时间。因此，为了提高膝关节的康复效率和效果，缓解康复师人数的不足，把他们从繁重的、重复性的工作中解放出来，发明一种用于膝关节康复的柔性驱动膝关节康复机器人具有重要的应用价值和现实意义。
为了解决上述问题，本领域技术人员开发设计了许多膝关节康复机器人用于提高膝关节的康复效率和效果，缓解康复师紧缺等问题。如中国发明专利(申请号201811152914.4)公开了一种膝关节康复装置及基于该装置的康复训练方法，包括底座、电机、大腿连杆、小腿连杆、导轨、第一轴和第二轴。电机驱动大腿连杆和小腿连杆，大腿连杆一端通过套筒固定安装在第一轴上，大腿连杆的另一端和小腿连杆通过连接销连接在一起，小腿连杆另一端通过第二轴连接在底座头部，第二轴两端的滚轮可以在导轨上滑动。该装置的大腿连杆和小腿连杆由电机直接驱动，此驱动方式为刚性驱动，康复训练过程中容易造成膝关节的二次伤害；仅适用于人体卧式位姿的膝关节康复训练；自动化程度不高。又如中国发明专利(申请号201810602368.3)公开了一种两平移一转动膝关节康复机器人，包括大腿夹具、第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链和小腿夹具。大腿夹具的大腿固定支撑架通过转动副A与第一支链上连杆调节装置相连接，第一支链下连杆调节装置与小腿夹具通过转动副C相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架通过圆柱副与第二支链上连杆调节装置相连接，第二支链下连杆调节装置与小腿夹具通过虎克铰相连接。大腿夹具的大腿固定支撑架与第三支链的电动推杆的自由端通过转动副D相连接，电动推杆的固定端通过转动副E与小腿夹具相连接。该装置为并联机构，其旋转的角度有限，限制了膝关节屈伸的角度范围；三条运动支链均由电机直接驱动，此驱动方式为刚性驱动，在康复训练过程中容易造成膝关节的二次伤害。
发明内容
有鉴于此，有必要提供柔性驱动膝关节康复机器人，避免刚性驱动造成膝关节的二次损伤。
柔性驱动膝关节康复机器人包括框架、座椅、左训练机构、右训练机构，所述座椅设置在框架的底部，左训练机构和右训练机构分别位于座椅的左侧和右侧，所述左训练机构包括左大腿段、左小腿段、新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器，所述左大腿段的上端与座椅固定连接，左大腿段的下端与左小腿段的上端转动连接，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的两端分别与左大腿段和左小腿段转动连接；所述右训练机构包括右大腿段、右小腿段、柔索、伺服驱动模块、变刚度模块，所述右大腿段的上端与座椅固定连接，右大腿段的下端与右小腿段的上端转动连接，柔索的一端与右小腿段连接，柔索的另一端与伺服驱动模块连接，变刚度模块设置在柔索上，以调节柔索驱动的刚度。
优选的，所述的柔性驱动膝关节康复机器人还包括控制模块，所述控制模块包括左角位移传感器、右角位移传感器、拉线位移传感器、柔索拉力传感器、控制器、触摸屏，所述左角位移传感器设置在左大腿段与左小腿段的连接处，以检测膝关节的屈伸角度，所述右角位移传感器设置在右大腿段与右小腿段的连接处，以检测膝关节的屈伸角度，所述拉线位移传感器、柔索拉力传感器设置在柔索上，以检测柔索的长度和拉力，所述左角位移传感器、右角位移传感器、拉线位移传感器、柔索拉力传感器与控制器电性连接，以将检测信息传输至控制器，控制器还与触摸屏、左训练机构和右训练机构电性连接，以将检测信息显示在触摸屏上并控制机器人的运行。
优选的，所述新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器包括气动人工肌肉、第一弹簧、上套筒、下套筒、连接件，气动人工肌肉与第一弹簧套设连接，气动人工肌肉的两端分别与上套筒、下套筒固定连接，连接件位于上套筒和下套筒的外侧，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器通过连接件与左大腿段和左小腿段连接，连接件与上套筒或下套筒之间设有压力传感器，以检测新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的输出力，上套筒和下套筒之间设有红外线测距传感器，以检测新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的伸缩长度，所述压力传感器、红外线测距传感器与控制器电性连接，以将实时的输出力和伸缩长度传输至控制器。
优选的，所述变刚度模块包括容纳壳体、定滑轮、动滑轮、滑轮支架、第二弹簧，所述容纳壳体为立方体型，容纳壳体的一个侧壁上设有两个定滑轮，两个定滑轮之间设有一个动滑轮，动滑轮的转轴与滑轮支架连接，滑轮支架的下端与第二弹簧的上端固定连接，第二弹簧的下端与容纳壳体的底部固定连接，所述容纳壳体的两侧还设有通孔，柔索从容纳壳体的一个通孔进入，先后绕过定滑轮、动滑轮、另一个定滑轮，并从容纳壳体的另一个通孔穿出，动滑轮与两个定滑轮共面且居中布置，以使动滑轮两边的柔索受力均匀。
优选的，所述框架为立方体状，且材质为铝合金，所述伺服驱动模块和座椅位于框架的底部，框架的一侧的上部设有转向滑轮，柔索绕过转向滑轮并与伺服驱动模块连接。
优选的，所述伺服驱动模块包括伺服电机、减速器、联轴器、卷轴、卷轴支架，所述伺服电机位于框架的底部，伺服电机的转轴与减速器的输入端连接，减速器的输出端与卷轴的一端通过联轴器连接，卷轴的另一端与卷轴支架套设连接，所述柔索缠绕在卷轴上。
优选的，所述座椅可调节高度，所述座椅包括气压缸、座椅板、座椅靠背，所述气压缸的伸缩杆与座椅板的底部固定连接，座椅板的前端与左训练机构、右训练机构固定连接，座椅板的后端与座椅靠背固定连接。
有益效果：本发明的柔性驱动膝关节康复机器人包括框架、座椅、左训练机构、右训练机构，所述座椅设置在框架的底部，左训练机构和右训练机构分别位于座椅的左侧和右侧，所述左训练机构包括左大腿段、左小腿段、新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器，所述左大腿段的上端与座椅固定连接，左大腿段的下端与左小腿段的上端转动连接，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的两端分别与左大腿段和左小腿段转动连接；所述右训练机构包括右大腿段、右小腿段、柔索、伺服驱动模块、变刚度模块，所述右大腿段的上端与座椅固定连接，右大腿段的下端与右小腿段的上端转动连接，柔索的一端与右小腿段连接，柔索的另一端与伺服驱动模块连接，变刚度模块设置在柔索上，以调节柔索驱动的刚度。左训练机构和右训练机构均为柔性驱动，避免了由于刚性驱动造成膝关节康复训练的二次损伤。
附图说明
图1为本发明的柔性驱动膝关节康复机器人的结构示意图。
图2为图1的局部结构示意图。
图3为本发明的新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的结构示意图。
图4为本发明的右训练机构的结构示意图。
图5为本发明的变刚度模块的结构示意图。
图6为本发明的变刚度模块的受力示意图。
图7为本发明的伺服驱动模块的结构示意图。
图8为本发明的座椅与左训练机构、右训练机构配合的结构示意图。
图9本发明的功能模块图。
图中：柔性驱动膝关节康复机器人10、框架20、座椅30、气压缸301、座椅板302、座椅靠背303、左训练机构40、左大腿段401、左小腿段402、新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403、气动人工肌肉4031、第一弹簧4032、上套筒4033、下套筒4034、连接件4035、压力传感器4036、红外线测距传感器4037、右训练机构50、右大腿段501、右小腿段502、柔索503、伺服驱动模块504、伺服电机5041、减速器5042、联轴器5043、卷轴5044、卷轴支架5045、变刚度模块505、容纳壳体5051、定滑轮5052、动滑轮5053、滑轮支架5054、第二弹簧5055、控制模块60、左角位移传感器601、右角位移传感器602、拉线位移传感器603、柔索拉力传感器604、控制器605、触摸屏606。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，接下来结合附图将对实施例中的技术方案进行详细的阐述。
请参看图1、图2和图3，柔性驱动膝关节康复机器人10包括框架20、座椅30、左训练机构40、右训练机构50，所述座椅30设置在框架20的底部，左训练机构40和右训练机构50分别位于座椅30的左侧和右侧，所述左训练机构40包括左大腿段401、左小腿段402、新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403，所述左大腿段401的上端与座椅30固定连接，左大腿段401的下端与左小腿段402的上端转动连接，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403的两端分别与左大腿段401和左小腿段402转动连接；所述右训练机构50包括右大腿段501、右小腿段502、柔索503、伺服驱动模块504、变刚度模块505，所述右大腿段501的上端与座椅30固定连接，右大腿段501的下端与右小腿段502的上端转动连接，柔索503的一端与右小腿段502连接，柔索503的另一端与伺服驱动模块504连接，变刚度模块505设置在柔索503上，以调节柔索503驱动的刚度。
在一较佳实施方式中，左大腿段401和左小腿段402均设有弹性绑带，以便于固定训练者的大腿和小腿。右大腿段501和右小腿段502均设有弹性绑带，以便于固定训练者的大腿和小腿。左大腿段401和左小腿段402之间通过销轴连接，以实现左小腿段402和左大腿段401的相对转动。右大腿段501和右小腿段502之间通过销轴连接，以实现右小腿段502和右大腿段501的相对转动。左大腿段401和右大腿段501设有螺钉孔，以通过螺钉将左大腿段401和右大腿段501固定在座椅30上。
在一较佳实施方式中，右小腿段502的前端和后端分别设置一根柔索，其中，右小腿段502的前端的柔索与弹性绑带固定连接。即右训练机构50包括两根柔索503、两个伺服驱动模块504、两个变刚度模块505。
左右两个不同的训练机构，左训练机构40由新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403进行驱动，适用于膝关节活动范围较小的康复训练任务；右训练机构50由柔索503与变刚度模块505进行驱动，适用于膝关节活动范围较大的康复训练任务。
进一步的，请参看图9，所述柔性驱动膝关节康复机器人10还包括控制模块60，所述控制模块60包括左角位移传感器601、右角位移传感器602、拉线位移传感器603、柔索拉力传感器604、控制器605、触摸屏606，所述左角位移传感器601设置在左大腿段401与左小腿段402的连接处，以检测膝关节的屈伸角度；所述右角位移传感器602设置在右大腿段501与右小腿段502的连接处，以检测膝关节的屈伸角度；所述拉线位移传感器603、柔索拉力传感器604设置在柔索上，以检测柔索503的长度和拉力；所述左角位移传感器601、右角位移传感器602、拉线位移传感器603、柔索拉力传感器604与控制器605电性连接，以将检测信息传输至控制器605，控制器605还与触摸屏606、左训练机构40和右训练机构50电性连接，以将检测信息显示在触摸屏606上并控制机器人的运行。
触摸屏606可设置在座椅30上，也可通过支撑杆设置在座椅30的前方，方便患者控制。患者根据自身的身体情况，结合各个传感器传输的信息，控制各执行部件，例如控制新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403的伸缩、伺服驱动模块504对柔索503进行卷绕或缩放。
本发明引入控制模块提高了该膝关节康复机器人的人机交互能力、自动化和智能化水平。
在一较佳实施方式中，左角位移传感器601和右角位移传感器602设置在销轴处。
进一步的，请参看图4，所述新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403包括气动人工肌肉4031、第一弹簧4032、上套筒4033、下套筒4034、连接件4035，气动人工肌肉4031与第一弹簧4032套设连接，气动人工肌肉4031的两端分别与上套筒4033和下套筒4034固定连接，连接件4035位于上套筒4033和下套筒4034的外侧，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403通过连接件4035与左大腿段401和左小腿段402连接，连接件4035与上套筒4033或下套筒4034之间设有压力传感器4036，以检测新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403的输出力，上套筒4033和下套筒4034之间设有红外线测距传感器4037，以检测新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403的伸缩长度，所述压力传感器4036、红外线测距传感器4037与控制器605电性连接，以将实时的输出力和伸缩长度传输至控制器605。
通过新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403对左训练机构40进行驱动，可实现膝关节较小范围的屈伸运动。
具体的，当给气动人工肌肉4031充气时，气动人工肌肉4031的直径变大，长度变短，第一弹簧4032处于压缩状态，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403收缩；当给气动人工肌肉4031放气时，第一弹簧4032从压缩状态恢复到初始状态，气动人工肌肉4031的直径和长度恢复到初始状态，新型并联弹簧型气动人工肌肉驱动器403由收缩变为伸长。
进一步的，请参看图5，所述变刚度模块505包括容纳壳体5051、定滑轮5052、动滑轮5053、滑轮支架5054、第二弹簧5055，所述容纳壳体5051为立方体型，容纳壳体5051的一个侧壁上设有两个定滑轮5052，两个定滑轮5052之间设有一个动滑轮5053，动滑轮5053的转轴与滑轮支架5054连接，滑轮支架5054的下端与第二弹簧5055的上端固定连接，第二弹簧5055的下端与容纳壳体5051的底部固定连接，所述容纳壳体5051的两侧还设有通孔，柔索503从容纳壳体5051的一个通孔进入，先后绕过定滑轮5052、动滑轮5053、另一个定滑轮5052，并从容纳壳体5051的另一个通孔穿出，动滑轮5053与两个定滑轮5052共面且居中布置，以使动滑轮5053两边的柔索503受力均匀。
为了使动滑轮5053更加稳定，可在滑轮支架5054和容纳壳体5051底部之间设置可伸缩的导杆组件，即导杆和套筒。导杆组件与第二弹簧5055同轴，如此，可使动滑轮5053只能沿着导杆移动。
请参看图6，当柔索503的拉力变大时，动滑轮5053沿着导杆和导杆套所在的方向向上运动的位移就变大，第二弹簧5055所受的拉力就变大，柔索503与变刚度模块505的刚度就变大；当柔索503的拉力变小时，动滑轮5053沿着导杆和导杆套所在的方向向上运动的位移就变小，第二弹簧5055所受的拉力就变小，柔索503与变刚度模块505的刚度就变小。
变刚度模块505的刚度KV可以表示为：
在式(1)—(3)中，a为动滑轮5053到定滑轮5052之间的横向距离，b为动滑轮5053到柔索503末端的纵向距离，b-c为第二弹簧的形变量，θ为柔索503与柔索503之间的夹角，L为斜边的柔索503长度，T为柔索503末端的拉力。
柔索503与变刚度模块505的刚度可以表示为：
在式(4)中，KV代表变刚度模块505的刚度，KC代表柔索503本身的刚度。
进一步的，所述框架20为立方体状，且材质为铝合金，所述伺服驱动模块504和座椅30位于框架20的底部，框架20的一侧的上部设有转向滑轮，柔索503绕过转向滑轮并与伺服驱动模块504连接。
进一步的，请参看图7，所述伺服驱动模块504包括伺服电机5041、减速器5042、联轴器5043、卷轴5044、卷轴支架5045，所述伺服电机5041位于框架20的底部，伺服电机5041的转轴与减速器5042的输入端连接，减速器5042的输出端与卷轴5044的一端通过联轴器5043连接，卷轴5044的另一端与卷轴支架5045套设连接，所述柔索503缠绕在卷轴5044上。
进一步的，请参看图8，所述座椅30可调节高度，所述座椅30包括气压缸301、座椅板302、座椅靠背303，所述气压缸301的伸缩杆与座椅板302的底部固定连接，座椅板302的前端与左训练机构40、右训练机构50固定连接，座椅板302的后端与座椅靠背303固定连接。
在一较佳实施方式中，气压缸301设置两个，起到稳定的效果。根据训练者的身高，可通过气压缸301对座椅30的高度进行调节。左训练机构40、右训练机构50将座椅30分成三个乘坐区域。当训练者坐在座椅板302的左位置时，可以进行右膝关节较小范围的康复训练；当训练者坐在座椅板302的中位置时，可以进行左膝关节较小范围的康复训练和右膝关节较大范围的康复训练；当训练者坐在座椅板302的右位置时，可以进行左膝关节较大范围的康复训练。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种柔性驱动膝关节康复机器人，其特征在于：包括框架、座椅、左训练机构、右训练机构，所述座椅设置在框架的底部，左训练机构和右训练机构分别位于座椅的左侧和右侧，所述左训练机构包括左大腿段、左小腿段、并联弹簧型气动人工肌肉驱动器，所述左大腿段的上端与座椅固定连接，左大腿段的下端与左小腿段的上端转动连接，并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的两端分别与左大腿段和左小腿段转动连接；所述右训练机构包括右大腿段、右小腿段、柔索、伺服驱动模块、变刚度模块，所述右大腿段的上端与座椅固定连接，右大腿段的下端与右小腿段的上端转动连接，柔索的一端与右小腿段连接，柔索的另一端与伺服驱动模块连接，变刚度模块设置在柔索上，以调节柔索驱动的刚度。
2.如权利要求1所述的柔性驱动膝关节康复机器人，其特征在于：所述的柔性驱动膝关节康复机器人还包括控制模块，所述控制模块包括左角位移传感器、右角位移传感器、拉线位移传感器、柔索拉力传感器、控制器、触摸屏，所述左角位移传感器设置在左大腿段与左小腿段的连接处，以检测膝关节的屈伸角度，所述右角位移传感器设置在右大腿段与右小腿段的连接处，以检测膝关节的屈伸角度，所述拉线位移传感器、柔索拉力传感器设置在柔索上，以检测柔索的长度和拉力，所述左角位移传感器、右角位移传感器、拉线位移传感器、柔索拉力传感器与控制器电性连接，以将检测信息传输至控制器，控制器还与触摸屏、左训练机构和右训练机构电性连接，以将检测信息显示在触摸屏上并控制机器人的运行。
3.如权利要求2所述的柔性驱动膝关节康复机器人，其特征在于：所述并联弹簧型气动人工肌肉驱动器包括气动人工肌肉、第一弹簧、上套筒、下套筒、连接件，气动人工肌肉与第一弹簧套设连接，气动人工肌肉的两端分别与上套筒、下套筒固定连接，连接件位于上套筒和下套筒的外侧，并联弹簧型气动人工肌肉驱动器通过连接件与左大腿段和左小腿段连接，连接件与上套筒或下套筒之间设有压力传感器，以检测所述并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的输出力，上套筒和下套筒之间设有红外线测距传感器，以检测所述并联弹簧型气动人工肌肉驱动器的伸缩长度，所述压力传感器、红外线测距传感器与控制器电性连接，以将实时的输出力和伸缩长度传输至控制器。
4.如权利要求2所述的柔性驱动膝关节康复机器人，其特征在于：所述变刚度模块包括容纳壳体、定滑轮、动滑轮、滑轮支架、第二弹簧，所述容纳壳体为立方体型，容纳壳体的一个侧壁上设有两个定滑轮，两个定滑轮之间设有一个动滑轮，动滑轮的转轴与滑轮支架连接，滑轮支架的下端与第二弹簧的上端固定连接，第二弹簧的下端与容纳壳体的底部固定连接，所述容纳壳体的两侧还设有通孔，柔索从容纳壳体的一个通孔进入，先后绕过定滑轮、动滑轮、另一个定滑轮，并从容纳壳体的另一个通孔穿出，动滑轮与两个定滑轮共面且居中布置，以使动滑轮两边的柔索受力均匀。
5.如权利要求1所述的柔性驱动膝关节康复机器人，其特征在于：所述框架为立方体状，且材质为铝合金，所述伺服驱动模块和座椅位于框架的底部，框架的一侧的上部设有转向滑轮，柔索绕过转向滑轮并与伺服驱动模块连接。
6.如权利要求1所述的柔性驱动膝关节康复机器人，其特征在于：所述伺服驱动模块包括伺服电机、减速器、联轴器、卷轴、卷轴支架，所述伺服电机位于框架的底部，伺服电机的转轴与减速器的输入端连接，减速器的输出端与卷轴的一端通过联轴器连接，卷轴的另一端与卷轴支架套设连接，所述柔索缠绕在卷轴上。
7.如权利要求1所述的柔性驱动膝关节康复机器人，其特征在于：所述座椅可调节高度，所述座椅包括气压缸、座椅板、座椅靠背，所述气压缸的伸缩杆与座椅板的底部固定连接，座椅板的前端与左训练机构、右训练机构固定连接，座椅板的后端与座椅靠背固定连接。
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