CN113893137B - 面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人，旨在解决现有技术中的康复训练装置无法实现人体关节的力位感知、柔性差，易对人体关节造成损伤的问题；装置包括直线驱动机构、球面连杆驱动机构、运动执行机构、分别固定于构成二自由度肢体关节两个区域的第一基座、第二基座；直线驱动机构用于控制对应区域的肢体摆动，直线驱动机构中设置有第一电机以及获取实际直线移动量的直线位移传感器；球面连杆驱动机构中设置有控制纵向摆动的第二电机以及用于获取输出位置和力信息的角度检测组件；本发明可实时监测关节的角度位置信息和人机交互力信息，实现安全、高效的柔顺控制及康复训练。

Description

面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人。
背景技术
随着社会的发展，人口老龄化的问题越来越突出，同时带来的脑卒中，关节炎等疾病患病人数大大增加，这些疾病将导致患者的肢体运动性障碍，严重影响患者的日常生活。肢体康复训练是必不可少的，康复训练能够增加肌肉肌腱的锻炼强度，通过完成运动学习来修复或重塑受损神经，重建或改善患者肢体的运动功能。
但由于我国康复医师数量少，患者数量多，设计出一种能够代替康复医师对患者进行康复运动治疗的康复机器人是很有必要的，康复机器人可以帮助脑卒中患者提升肢体的运动能力，但是现有技术中公开的康复训练装置柔性差，并且无法实现人体关节的位置和力矩感知，无法在训练过程中实时获知实际运动的位置以及力矩信息，易对装置驱动以及人体关节造成损伤。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中公开的康复训练装置无法实现人体关节的位置和力矩感知、柔性差，易对装置驱动以及人体关节造成损伤的问题，本发明提供了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人。
本发明的第一方面提供了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，该装置包括关节固定基座、直线驱动机构、球面连杆驱动机构以及运动执行机构；所述关节固定基座包括分别固定于构成二自由度肢体关节两个区域的第一基座、第二基座；所述直线驱动机构包括装设于所述第一基座的第一导轨组件、第二导轨组件、第三导轨组件、第一电机以及直线位移传感器，所述第一电机用于驱动所述第一导轨组件移动以通过所述球面连杆驱动机构、所述运动执行机构带动对应区域的肢体在第一平面的摆动运动；所述直线位移传感器用于检测直线位移量。
所述运动执行机构包括第一摆动杆、第二摆动杆、C型块和第四导轨组件，所述第二摆动杆的一端与所述第一摆动杆连接，另一端与所述C型块铰接；所述C型块设置于所述第四导轨组件顶部；所述第四导轨组件设置于所述第二基座。
所述球面连杆驱动机构包括第二电机、球面连杆组件、弹性驱动器、第一角度检测组件和第二角度检测组件，所述球面连杆组件与所述第二电机的动力输出端固定连接；所述弹性驱动器设置于所述球面连杆组件的末端；所述球面连杆组件包括第一球面连杆、第二球面连杆和第三球面连杆，所述第二电机的电机轴、所述第一球面连杆与所述第二球面连杆的铰接轴、所述第二球面连杆与所述第三球面连杆的铰接轴的轴线延长线交于预设半径虚拟球的球心，且所述第一球面连杆、所述第二球面连杆和所述第三球面连杆的摆动轨迹沿球面运动。
所述弹性驱动器包括芯轴和阿基米德螺旋弹簧，所述阿基米德螺旋弹簧包括阿基米德弹簧本体、第一限位凸起和第二限位凸起，所述第一限位凸起与第二限位凸起的连线过所述阿基米德螺旋弹簧的中心；所述第三球面连杆包括套筒部，所述套筒部套设于所述芯轴；所述套筒部的顶部设置有与所述第二球面连杆连接的凸起部；所述套筒部的侧壁开设有第一卡槽、第二卡槽，所述第一限位凸起、所述第二限位凸起分别卡紧设置于所述第一卡槽、所述第二卡槽；所述第一角度检测组件设置于所述套筒部远离所述阿基米德螺旋弹簧的一侧，用于检测所述芯轴的期望转动角度；所述第二角度检测组件设置于所述芯轴远离所述套筒部的端部，用于检测所述芯轴的实际转动角度。
在一些优选实施例中，第一导轨组件包括第一导轨和第一滑块，所述第一导轨固设于所述第一基座，所述第一滑块可移动的设置于所述第一导轨的顶部。
所述第一电机通过第一固定支架固设于所述第一基座；所述第一电机的输出轴设置有齿轮，所述第一滑块的顶部依次设置有齿条支架以及与所述齿轮匹配的齿条。
所述第二导轨组件包括固设于所述第一基座的第二导轨以及与所述第二导轨可滑动连接的第二滑块；所述第三导轨组件包括固设于所述第一基座的第三导轨以及与所述第三导轨可滑动连接的第三滑块。
所述第二滑块、所述第三滑块均与承载所述第二电机的第二固定支架固定连接。
所述第二固定支架的侧部设置有第一连接轴和第二连接轴；所述齿条支架的端部两侧壁分别设置有第一连接耳、第二连接耳，所述第一连接轴、所述第二连接轴分别贯穿所述第一连接耳、所述第二连接耳设置。
所述第二固定支架与所述第一连接耳之间轴段上、所述第一连接耳与所述第一连接轴的末端限位之间轴段上分别套设有第一弹簧、第二弹簧；所述第二固定支架与所述第二连接耳之间轴段上、所述第二连接耳与所述第二连接轴的末端限位之间轴段上分别套设有第三弹簧、第四弹簧。
在工作状态下，所述齿轮在所述第一电机的驱动下带动所述齿条、所述齿条支架通过所述第一弹簧、所述第三弹簧或者所述第二弹簧、所述第四弹簧进行所述运动执行机构的柔性控制；所述直线位移传感器实时检测所述第二固定支架实际直线位移量。
在一些优选实施例中，所述第一导轨组件的纵向轴线、所述第二导轨组件的纵向轴线、所述第三导轨组件的纵向轴线、所述第一连接轴的纵向轴线、所述第二连接轴的纵向轴线平行设置。
在一些优选实施例中，所述第二固定支架包括第一底板、第二底板、第一支架、第二支架、第一L型板和第二L型板，所述第一支架设置于所述第一底板远离所述第二底板的端部，所述第二支架设置于所述第一底板与所述第二底板之间；所述第一L型板、所述第二L型板设置于所述第二底板远离所述第一底板的端部，且所述第一L型板与所述第二L型板构成向外开口的C型结构；所述第一底板用于承载所述第二电机；所述第一球面连杆设置于所述第二底板的上方区域且与所述第二电机的动力输出端固定连接。
所述弹性驱动器的外侧设置有套筒十字铰，所述套筒十字铰包括套筒本体、第一凸起、第二凸起、第一弧形孔、第二弧形孔、第三弧形孔，所述第一凸起设置于所述套筒本体的顶部以与所述第一L型板连接；所述第二凸起设置于所述套筒本体的底部以与所述第二L型板连接；所述第一弧形孔用于穿设所述凸起部；所述第二弧形孔、所述第三弧形孔用于所述第一摆动杆的穿设；所述第二L型板的底部设置有第三角度检测组件，用于实时检测所述套筒十字铰的转动角度。
所述第一角度检测组件、所述第二角度检测组件分别设置于所述套筒本体的两端。
在一些优选实施例中，所述芯轴为腰形轴。
所述第一摆动杆包括第一结构和第二结构，所述第一结构与所述第二结构构成C型杆状结构。
所述第一结构的自由端开设有穿设所述芯轴的第一腰形孔。
所述第二结构的自由端开设有穿设所述芯轴的第二腰形孔。
所述第二摆动杆为弧形结构。
所述第四导轨组件包括第四导轨以及与所述第四导轨匹配的第四滑块，所述第四导轨固设于所述第二基座，所述第四滑块与所述第四导轨可滑动连接；所述第四导轨的纵向轴线与所述第二基座所处肢体关节的纵向轴线一致设置。
在一些优选实施例中，所述第一角度检测组件包括第一磁阻角度传感器和第一铷磁铁磁环，所述第一磁阻角度传感器装设于所述套筒十字铰的一端，所述第一铷磁铁磁环套设于所述腰形轴紧贴所述套筒部设置。
所述第二角度检测组件包括第二磁阻角度传感器和第二铷磁铁磁环，所述第二磁阻角度传感器装设于所述套筒十字铰的另一端，所述第二铷磁铁磁环套设于所述腰形轴。
所述第二铷磁铁磁环与所述第二结构之间设置有滚子轴承。
所述第二结构与所述阿基米德螺旋弹簧之间设置有第一滑动轴承。
所述阿基米德螺旋弹簧与所述第一结构之间设置有第二滑动轴承。
所述第一结构与所述第一铷磁铁磁环之间设置有第三滑动轴承，所述第三滑动轴承用于承载所述套筒部。
在一些优选实施例中，所述阿基米德螺旋弹簧设置于所述腰形轴的中间。
所述第一结构的悬臂段与所述第二结构的悬臂段相对于所述阿基米德螺旋弹簧对称设置。
在一些优选实施例中，所述第一弹簧、所述第二弹簧、所述第三弹簧与所述第四弹簧一致设置。
在一些优选实施例中，所述第一电机与所述第二电机平行设置。
所述第一电机的纵向轴线与所述第一导轨组件的纵向轴线垂直设置。
本发明的第二方面提供了一种面向二自由度肢体关节的力位感知机器人，包括总 控中心和康复训练装置，所述康复训练装置与所述总控中心信号连接，所述康复训练装置 为所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置；所述总控中心基于所述面向二自由度肢 体关节的力位感知装置可获取二自由度肢体关节的运动部实际横向转动角度
Figure 633434DEST_PATH_IMAGE001
，二自由度 肢体关节的运动部实际纵向转动角度
Figure 884287DEST_PATH_IMAGE002
，二自由度肢体关节的运动部实际横向转动力矩
Figure 459624DEST_PATH_IMAGE003
，二自由度肢体关节的运动部实际纵向转动力矩
Figure 795928DEST_PATH_IMAGE004
，以进行二自由度肢体关节的位置信 息和力矩信息的实时获取，判断训练效果是否符合预设目标，以进行第一电机、第二电机的 控制调整。
本发明的有益效果为：1）本发明的第一方面提供了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，是一种面向二自由度人肢体关节的一种力位感知驱动一体化柔性康复外骨骼装置，其结构紧密，体积小重量轻，运动范围广，能够实现关节多种运动姿势，如：水平弯曲、横向弯曲、圆锥运动等；本发明可以实时监测关节的角度位置信息和人机交互力信息，提高外骨骼机器人与患者之间的信息交互，简单的工业控制方法即可实现柔顺辅助运动控制；自动化程度高，力传递效益好，能够执行重复性高，劳动强度大的康复训练过程，并且有利于提高康复训练效果。
2）本发明的第一方面提供的一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，能够实现人体关节的二自由度辅助运动，且采用直驱方式，柔性传动，提升对于患者关节的保护性和舒适性；体积小，重量轻，减少患者负担以及对于关节的不必要的压迫或拉伸，能够实现关节二自由度运动，以及圆锥运动等复杂运动形式，且安装有转动和移动形式的弹性驱动器机构和位移传感器，利用弹性执行器的恒定刚度和测量得到的相对位置变化，获得弹性驱动器的输出位置和力信息，然后利用空间机构的运动学和静力学建立弹性执行器与人肢体二自由度关节的运动和力映射关系，根据该映射关系可以计算得到人体二自由度关节的位置和力信号，从而完成人肢体关节的位置和力感知。另外，利用弹性执行器的固有柔性，利用PID等工业常用算法即可实现该装置的柔顺辅助运动控制，有助于提升康复效果。
3）本发明公开的方案具有固定柔性，不需进行复杂控制，即可实现人体二自由度关节的柔顺控制，突破现有人体关节外骨骼运动功能单一、穿戴舒适性差等缺点，为康复中的精细运动提供解决方案，解决现有人体关节外骨骼不能进行力位感知信息交互和柔顺控制的瓶颈问题，有望在提高人体关节外骨骼的康复效果上提供一种新型康复装备，提升我们康复设备的硬实力。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明中的面向二自由度肢体关节的力位感知装置的一种具体实施例的立体结构示意图。
图2是图1的另一角度示意图。
图3是图2中的运动执行机构以及角度检测组件的示意图；
图4是图2中的套筒十字铰的立体结构示意图。
图5是图2中的第二固定支架以及套筒十字铰的连接示意图。
图6是图2中的弹性驱动器的结构示意图。
图7是图6中的角度检测组件的示意图。
图8是图2中的第三球面连杆与阿基米德螺旋弹簧的连接示意图。
附图标记说明：100、关节固定基座；110、第一基座，120、第二基座；111、第一卡扣组件，112、第二卡扣组件；200、直线驱动机构；210、第一导轨组件，211、第一导轨，212、第一滑块；220、第二导轨组件，221、第二导轨，222、第二滑块；230、第三导轨组件，231、第三导轨，232、第三滑块；240、第一固定支架；250、传输齿条组件，251、齿条支架，2511、第一连接耳，2512、第二连接耳，252、齿条；260、第一电机；270、直线位移传感器；280、齿轮；300、球面连杆驱动机构；310、第二固定支架，311、第一支架，312、第二支架，313、第一底板，314、第二底板，315、第一L型板，316、第二L型板，317、第一连接轴，318、第二连接轴；320、第二电机；330、球面连杆组件，331、第一球面连杆，332、第二球面连杆，333、第三球面连杆，3331、凸起部，3332、套筒部，3333、第一卡槽，3334、第二卡槽；341、芯轴，342、滚子轴承，343、第一滑动轴承，344、阿基米德螺旋弹簧，3441、阿基米德弹簧本体，3442、第一限位凸起，3443、第二限位凸起；345、第二滑动轴承，346、第三滑动轴承；350、套筒十字铰；351、套筒本体，352、第一凸起，353、第二凸起，354、第一弧形孔，355、第二弧形孔，356、第三弧形孔；361、第一角度检测组件，3611、第一磁阻角度传感器，3612、第一铷磁铁磁环；362、第二角度检测组件，3621、第二磁阻角度传感器，3622、第二铷磁铁磁环；363、第三角度检测组件；371、第一弹簧，372、第二弹簧，373、第三弹簧，374、第四弹簧；400、运动执行机构；410、第一摆动杆，411、第一结构，412、第二结构；420、第二摆动杆；430、C型块；440、第四导轨组件，441、第四导轨，442、第四滑块。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的第一方面公开了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，该装置包括关节固定基座、直线驱动机构、球面连杆驱动机构以及运动执行机构；关节固定基座包括分别固定于构成二自由度肢体关节两个区域的第一基座、第二基座；直线驱动机构包括装设于第一基座的第一导轨组件、第二导轨组件、第三导轨组件、第一电机以及直线位移传感器，第一电机用于驱动第一导轨组件移动以通过球面连杆驱动机构、运动执行机构带动对应区域的肢体在第一平面的摆动运动；直线位移传感器用于检测直线位移量；运动执行机构包括第一摆动杆、第二摆动杆、C型块和第四导轨组件，第二摆动杆的一端与第一摆动杆连接，另一端与C型块铰接；C型块设置于第四导轨组件顶部；第四导轨组件设置于第二基座；球面连杆驱动机构包括第二电机、球面连杆组件、弹性驱动器、第一角度检测组件和第二角度检测组件，球面连杆组件与第二电机的动力输出端固定连接；弹性驱动器设置于球面连杆组件的末端；球面连杆组件包括第一球面连杆、第二球面连杆和第三球面连杆，第二电机的电机轴、第一球面连杆与第二球面连杆的铰接轴、第二球面连杆与第三球面连杆的铰接轴的轴线延长线交于预设半径虚拟球的球心，且第一球面连杆、第二球面连杆和第三球面连杆的摆动轨迹沿球面运动；弹性驱动器包括芯轴和阿基米德螺旋弹簧，阿基米德螺旋弹簧包括阿基米德弹簧本体、第一限位凸起和第二限位凸起，第一限位凸起与第二限位凸起的连线过阿基米德螺旋弹簧的中心；第三球面连杆包括套筒部，套筒部套设于所述芯轴；套筒部的顶部设置有与第二球面连杆连接的凸起部；套筒部的侧壁开设有第一卡槽、第二卡槽，第一限位凸起、第二限位凸起分别卡紧设置于第一卡槽、第二卡槽；第一角度检测组件设置于套筒部远离阿基米德螺旋弹簧的一侧，用于检测芯轴的期望转动角度；第二角度检测组件设置于芯轴远离套筒部的端部，用于检测芯轴的实际转动角度。本发明公开的装置，其结构紧密，体积小重量轻，运动范围广，能够实现关节多种运动姿势，如水平弯曲、横向弯曲、圆锥运动等，可以实时监测关节的角度位置信息和人机交互力信息，提高外骨骼机器人与患者之间的信息交互，简单的工业控制方法即可实现柔顺辅助运动控制；自动化程度高，力传递效益好，能够执行重复性高，劳动强度大的康复训练过程，并且有利于提高康复训练效果。
以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。
参照附图1至附图8，本发明的第一方面公开了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，该装置包括关节固定基座100、直线驱动机构200、球面连杆驱动机构300以及运动执行机构400；关节固定基座包括分别固定于构成二自由度肢体关节两个区域的第一基座110、第二基座120，在本实施例中，第一基座的底部设置有第一卡扣组件111，第二基座的底部设置有第二卡扣组件112，用于分别与肢体关节的不同区域绑定；需要说明的是，本发明为面向二自由度肢体关节的力位感知装置，虽然实施例中是以构成二自由度的手指关节为例，但是本发明的保护范围不限于人手，还可以用于构成二自由度的上肢和下肢，或者髋关节和腕关节，或者肩关节等等，只要构成人体两自由度的肢体皆可适用。
直线驱动机构包括装设于第一基座的第一导轨组件210、第二导轨组件220、第三导轨组件230、第一电机260以及直线位移传感器270，第一电机用于驱动第一导轨组件移动以通过球面连杆驱动机构、运动执行机构带动对应区域的肢体在第一平面的摆动运动；直线位移传感器用于检测直线位移量；第一电机通过第一固定支架240固设于第一基座；第一电机的输出轴设置有齿轮280；其中，第一导轨组件包括第一导轨211和第一滑块212，第一导轨固设于第一基座，第一滑块可移动的设置于第一导轨的顶部，并且第一滑块的顶部依次设置有齿条支架251以及与齿轮匹配的齿条252。
第二导轨组件包括固设于第一基座的第二导轨221以及与第二导轨可滑动连接的第二滑块222；第三导轨组件包括固设于第一基座的第三导轨231以及与第三导轨可滑动连接的第三滑块232；第二滑块、第三滑块均与承载第二电机320的第二固定支架310固定连接。
第二固定支架的侧部设置有第一连接轴317和第二连接轴318；齿条支架的端部两侧壁分别设置有第一连接耳2511、第二连接耳2512，第一连接轴、第二连接轴分别贯穿第一连接耳、第二连接耳设置。
第二固定支架与第一连接耳之间轴段上、第一连接耳与所述第一连接轴的末端限位之间轴段上分别套设有第一弹簧371、第二弹簧372；第二固定支架与第二连接耳之间轴段上、第二连接耳与第二连接轴的末端限位之间轴段上分别套设有第三弹簧373、第四弹簧374；在工作状态下，齿轮在第一电机的驱动下带动齿条、齿条支架通过第一弹簧、第三弹簧或者第二弹簧、第四弹簧进行运动执行机构的柔性控制；直线位移传感器实时检测第二固定支架实际直线位移量。
优选地，第一导轨组件的纵向轴线、第二导轨组件的纵向轴线、第三导轨组件的纵向轴线、第一连接轴的纵向轴线、第二连接轴的纵向轴线平行设置。
运动执行机构包括第一摆动杆410、第二摆动杆420、C型块430和第四导轨组件440，第二摆动杆的一端与第一摆动杆连接，另一端与C型块铰接；C型块设置于第四导轨组件顶部；第四导轨组件设置于第二基座；第二摆动杆为弧形杆，并且与第一摆动杆固定连接。
球面连杆驱动机构包括第二电机、球面连杆组件330、弹性驱动器、第一角度检测组件361和第二角度检测组件362，球面连杆组件与第二电机的动力输出端固定连接；弹性驱动器设置于球面连杆组件的末端。
球面连杆组件包括第一球面连杆331、第二球面连杆332和第三球面连杆333，第二电机的电机轴、第一球面连杆与第二球面连杆的铰接轴、第二球面连杆与第三球面连杆的铰接轴的轴线延长线交于预设半径虚拟球的球心，且第一球面连杆、第二球面连杆和第三球面连杆的摆动轨迹沿球面运动。
弹性驱动器包括芯轴341和阿基米德螺旋弹簧344，阿基米德螺旋弹簧包括阿基米德弹簧本体3441、第一限位凸起3442和第二限位凸起3443，第一限位凸起与第二限位凸起的连线过阿基米德螺旋弹簧的中心；第三球面连杆包括套筒部3332，套筒部套设于芯轴；套筒部的顶部设置有与第二球面连杆连接的凸起部3331；套筒部的侧壁开设有第一卡槽3333、第二卡槽3334，第一限位凸起、第二限位凸起分别卡紧设置于第一卡槽、第二卡槽；第一角度检测组件设置于套筒部远离阿基米德螺旋弹簧的一侧，用于检测芯轴的期望转动角度，在本实施例中，第一角度检测组件实际检测的是第三球面连杆的实际转动角度；第二角度检测组件设置于芯轴远离套筒部的端部，用于检测芯轴的实际转动角度。
进一步地，第二固定支架包括第一底板313、第二底板314、第一支架311、第二支架312、第一L型板315和第二L型板316，第一支架设置于第一底板远离第二底板的端部，第二支架设置于第一底板与第二底板之间；第一L型板、第二L型板设置于第二底板远离第一底板的端部，且第一L型板与第二L型板构成向外开口的C型结构；第一底板用于承载第二电机；第一球面连杆设置于第二底板的上方区域且与第二电机的动力输出端固定连接。
弹性驱动器的外侧设置有套筒十字铰，套筒十字铰包括套筒本体351、第一凸起352、第二凸起353、第一弧形孔354、第二弧形孔355、第三弧形孔356，第一凸起设置于套筒本体的顶部以与第一L型板连接；第二凸起设置于套筒本体的底部以与第二L型板连接；第一弧形孔用于穿设凸起部；第二弧形孔、第三弧形孔用于第一摆动杆的穿设；第二L型板的底部设置有第三角度检测组件363，用于实时检测套筒十字铰的转动角度；第一角度检测组件、第二角度检测组件分别设置于套筒本体的两端。
其中，芯轴为腰形轴；第一摆动杆包括第一结构411和第二结构412，第一结构与第二结构构成C型杆状结构；第一结构的自由端开设有穿设芯轴的第一腰形孔；第二结构的自由端开设有穿设芯轴的第二腰形孔；第二摆动杆为弧形结构；第四导轨组件包括第四导轨441以及与第四导轨匹配的第四滑块442，第四导轨固设于第二基座，第四滑块与第四导轨可滑动连接；第四导轨的纵向轴线与第二基座所处肢体关节的纵向轴线一致设置。
第一角度检测组件包括第一磁阻角度传感器3611和第一铷磁铁磁环3612，第一磁阻角度传感器装设于套筒十字铰的一端，第一铷磁铁磁环套设于腰形轴紧贴套筒部设置；第二角度检测组件包括第二磁阻角度传感器3621和第二铷磁铁磁环3622，第二磁阻角度传感器装设于套筒十字铰的另一端，第二铷磁铁磁环套设于腰形轴；第二铷磁铁磁环与第二结构之间设置有滚子轴承342；第二结构与阿基米德螺旋弹簧之间设置有第一滑动轴承343；阿基米德螺旋弹簧与第一结构之间设置有第二滑动轴承345；第一结构与第一铷磁铁磁环之间设置有第三滑动轴承346，第三滑动轴承用于承载套筒部。
优选地，第三角度检测组件与第一角度检测组件结构相同设置。
优选地，阿基米德螺旋弹簧设置于腰形轴的中间；第一结构的悬臂段与第二结构的悬臂段相对于阿基米德螺旋弹簧对称设置；第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧与第四弹簧一致设置。
优选地，第一电机与第二电机平行设置；第一电机的纵向轴线与第一导轨组件的纵向轴线垂直设置。
本发明的第二方面公开了一种面向二自由度肢体关节的力位感知机器人，包括总 控中心和康复训练装置，该康复训练装置与总控中心信号连接，康复训练装置为所述的面 向二自由度肢体关节的力位感知装置；总控中心基于所述面向二自由度肢体关节的力位感 知装置可获取二自由度肢体关节的运动部实际横向转动角度
Figure 114914DEST_PATH_IMAGE001
，二自由度肢体关节的运动 部实际纵向转动角度
Figure 220273DEST_PATH_IMAGE002
，二自由度肢体关节的运动部实际横向转动力矩
Figure 966512DEST_PATH_IMAGE003
，二自由度肢体 关节的运动部实际纵向转动力矩
Figure 258953DEST_PATH_IMAGE004
，以进行二自由度肢体关节的位置信息和力矩信息的 实时获取，判断训练效果是否符合预设目标，以进行第一电机、第二电机的控制调整。
具体地，总控中心基于第一角度检测组件获取的芯轴期望转动角度
Figure 381630DEST_PATH_IMAGE005
以及第二角 度检测组件获取的芯轴实际转动角度
Figure 341496DEST_PATH_IMAGE006
，获得
Figure 258636DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 303953DEST_PATH_IMAGE008
-
Figure 964741DEST_PATH_IMAGE006
；其中，所述芯轴为驱动机构 与运动执行机构的连接轴。
若
Figure 779113DEST_PATH_IMAGE009
，则判断为二自由度肢体关节的运动部未产生阻挡力，二自由度肢体关 节的运动轨迹为预设运动轨迹。
若
Figure 132734DEST_PATH_IMAGE010
，判断为二自由度肢体关节的运动部产生了阻挡力，基于获取的二自由度 肢体关节的运动部实际横向转动角度
Figure 399767DEST_PATH_IMAGE001
、实际纵向转动角度
Figure 598668DEST_PATH_IMAGE002
、实际横向转动力矩
Figure 533126DEST_PATH_IMAGE003
、实际 纵向转动力矩
Figure 57648DEST_PATH_IMAGE004
，判断
Figure 811977DEST_PATH_IMAGE001
与
Figure 814568DEST_PATH_IMAGE011
之间的大小以及
Figure 603533DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 33377DEST_PATH_IMAGE012
之间的大小；和/或，判断
Figure 540582DEST_PATH_IMAGE002
与
Figure 81285DEST_PATH_IMAGE013
的大 小以及
Figure 724755DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 591080DEST_PATH_IMAGE015
之间的大小。
在位置控制模式下，若
Figure 320002DEST_PATH_IMAGE016
＜
Figure 664396DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 427952DEST_PATH_IMAGE003
＜
Figure 199599DEST_PATH_IMAGE012
，则总控中心基于转动角度高于转动力矩 的优先级控制直线电机继续转动以控制运动执行机构带动二自由度肢体关节的运动部到 达预设横向转动角度
Figure 681396DEST_PATH_IMAGE017
。
若
Figure 829481DEST_PATH_IMAGE016
＜
Figure 181965DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 124513DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 828027DEST_PATH_IMAGE012
，则总控中心控制直线电机停止，以保护肢体关节，因为在这种 情况下，一般为肢体关节出现痉挛、抽筋的状态。
若
Figure 514223DEST_PATH_IMAGE016
=
Figure 986793DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 365821DEST_PATH_IMAGE003
＜
Figure 556631DEST_PATH_IMAGE012
，则总控中心基于转动角度高于转动力矩的优先级控制直线电 机停止，因为已达到预设角度值。
在力矩控制模式下：若
Figure 46518DEST_PATH_IMAGE016
＜
Figure 373594DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 923524DEST_PATH_IMAGE003
＜
Figure 336051DEST_PATH_IMAGE012
，则总控中心控制直线电机继续转动以控 制运动执行机构带动二自由度肢体关节的运动部到达预设横向转动力矩
Figure 629629DEST_PATH_IMAGE012
。
若
Figure 76791DEST_PATH_IMAGE016
＜
Figure 532043DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 697445DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 529135DEST_PATH_IMAGE012
，则总控中心基于转动力矩高于转动角度的优先级控制直线电 机停止，因为已达到预设横向力矩值。
若
Figure 830804DEST_PATH_IMAGE001
=
Figure 456957DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 844076DEST_PATH_IMAGE003
＜
Figure 479457DEST_PATH_IMAGE012
，则总控中心基于转动力矩高于转动角度的优先级控制直线电 机继续转动以控制运动执行机构带动二自由度肢体关节的运动部到达预设横向转动力矩
Figure 901211DEST_PATH_IMAGE012
。
和/或，在位置控制模式下，若
Figure 698265DEST_PATH_IMAGE002
＜
Figure 572681DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 746173DEST_PATH_IMAGE004
＜
Figure 22433DEST_PATH_IMAGE019
，则总控中心基于转动角度高于转 动力矩的优先级控制直线电机继续转动以控制运动执行机构带动二自由度肢体关节的运 动部转动以到达预设纵向转动角度
Figure 255969DEST_PATH_IMAGE018
。若
Figure 352101DEST_PATH_IMAGE002
＜
Figure 329284DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 725630DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 130067DEST_PATH_IMAGE019
，则总控中心控制直线电机停止， 以保护肢体关节，因为在这种情况下，一般为肢体关节出现痉挛、抽筋的状态；若
Figure 447916DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 228790DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 479643DEST_PATH_IMAGE004
＜
Figure 54980DEST_PATH_IMAGE019
，则总控中心基于转动角度高于转动力矩的优先级控制直线电机停止。
在力矩控制模式下，若
Figure 860125DEST_PATH_IMAGE002
＜
Figure 179111DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 284470DEST_PATH_IMAGE004
＜
Figure 30710DEST_PATH_IMAGE019
，则总控中心控制直线电机继续转动以控 制运动执行机构带动二自由度肢体关节的运动部到达预设横向转动力矩
Figure 854309DEST_PATH_IMAGE019
。若
Figure 445827DEST_PATH_IMAGE002
＜
Figure 671272DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 588413DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 633729DEST_PATH_IMAGE019
，则总控中心基于转动力矩高于转动角度的优先级控制直线电机停止，因为到达预设 纵向力矩值。若
Figure 28939DEST_PATH_IMAGE020
=
Figure 108890DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 196932DEST_PATH_IMAGE022
＜
Figure 729544DEST_PATH_IMAGE023
，则总控中心基于转动力矩高于转动角度的优先级控制直 线电机继续转动以控制运动执行机构带动二自由度肢体关节的运动部到达预设纵向转动 力矩
Figure 928444DEST_PATH_IMAGE019
。
其中，
Figure 862902DEST_PATH_IMAGE024
。
Figure 121845DEST_PATH_IMAGE025
。
Figure 141754DEST_PATH_IMAGE026
。
Figure 144345DEST_PATH_IMAGE027
。
Figure 933309DEST_PATH_IMAGE028
。
Figure 363154DEST_PATH_IMAGE029
为直线电机驱动的齿条的纵向轴线与芯轴的纵向轴线之间的距离；其中，直线电 机驱动的齿条的末端与旋转电机的承载结构固定连接，旋转电机的承载结构的末端与芯轴 固定连接，并且，齿条与固设于二自由度肢体关节第一区域的齿条支架可滑动连接；
Figure 870359DEST_PATH_IMAGE030
为芯 轴的纵向轴线与运动执行机构的末端铰接轴的纵向轴线之间的距离；
Figure 411061DEST_PATH_IMAGE031
为运动执行机构的 末端铰接轴的纵向轴线与被动滑块的表面之间的距离；
Figure 54532DEST_PATH_IMAGE032
为被动滑块的顶部平面与二自由 度肢体关节的运动部的纵向中心轴线之间的距离；其中，被动滑块与固设于二自由度肢体 关节的运动部的限位导轨可滑动设置；
Figure 920857DEST_PATH_IMAGE033
为承载旋转电机的第一导轨组件、第二导轨组件 的垂面与旋转电机的纵向轴线之间的距离；
Figure 649779DEST_PATH_IMAGE034
为第三角度检测组件检测的套筒十字铰的转 动角度；
Figure 994172DEST_PATH_IMAGE035
为第二角度检测组件获取的芯轴实际转动角度；
Figure 492150DEST_PATH_IMAGE036
为旋转电机初始点中心与二自 由度肢体关节的旋转中心之间的水平距离；其中，旋转电机初始点中心为第一导轨组件、第 二导轨组件的中心点；
Figure 529376DEST_PATH_IMAGE037
为旋转电机初始点中心与二自由度肢体关节的旋转中心之间的垂 向距离。
Figure 745594DEST_PATH_IMAGE038
。
Figure 893678DEST_PATH_IMAGE039
。
Figure 246162DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 454290DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 169522DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure 121298DEST_PATH_IMAGE043
。
Figure 593867DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 707317DEST_PATH_IMAGE045
。
Figure 898127DEST_PATH_IMAGE046
。
Figure 388014DEST_PATH_IMAGE047
=
Figure 715090DEST_PATH_IMAGE048
；
Figure 999441DEST_PATH_IMAGE049
；
Figure 677547DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure 971125DEST_PATH_IMAGE051
Figure 418287DEST_PATH_IMAGE052
；
Figure 873539DEST_PATH_IMAGE053
；
Figure 773362DEST_PATH_IMAGE054
；
Figure 605052DEST_PATH_IMAGE055
。
Figure 906720DEST_PATH_IMAGE056
为直线位移传感器检测的旋转电机直线位移量；
Figure 798452DEST_PATH_IMAGE057
为设置于直线电机驱动的齿 条的末端与旋转电机的承载结构之间的缓冲弹簧（即第一弹簧）的刚度；
Figure 185571DEST_PATH_IMAGE058
为直线电机的 旋转角度；
Figure 820952DEST_PATH_IMAGE059
为固设于直线电机输出轴的齿轮的模数；
Figure 242706DEST_PATH_IMAGE060
为固设于直线电机输出轴的齿轮的 齿数；
Figure 39761DEST_PATH_IMAGE061
为阿基米德螺旋弹簧的刚度，所述阿基米德螺旋弹簧套设且固设于芯轴的中间。
在使用过程中，通过对应的卡扣组件将装置固定于人体关节上；第一电机带动齿轮转动，齿轮与齿条啮合，齿条带动直线运动机构运动，且摆动杆旋转中心与人体关节旋转中心共线，所以当直线运动机构运动时，会带动人体关节进行横向摆动运动；第二电机（即旋转电机）带球面连杆机构运动，推动弹性单元（即弹性驱动器）转动，从而带动摆动杆（即运动执行机构中的第二摆动杆）纵向摆动，实现二自由度运动。当两个驱动电机联合运动时，可实现圆锥运动等复杂运动；转动和移动形式的弹性驱动器机构和直线位移传感器，利用弹性执行器的恒定刚度和测量得到的相对位置变化，获得弹性驱动器的输出位置和力信息，然后利用空间机构的运动学和静力学建立弹性执行器与人肢体二自由度关节的运动和力映射关系，根据该映射关系可以计算得到人体二自由度关节的位置和力信号，从而完成人肢体关节的位置和力感知。
本发明公开的方案适用于二自由度肢体关节的检测感知以及抗毒训练，具有两个独立自由度，水平弯曲和横向弯曲，实现人体二自由度关节的运动辅助，可以完成人肢体复杂的运动辅助。
本发明公开的方案，提出了一种关节外骨骼力位感知和柔顺控制的方案，根据弹性驱动器机构和角度、位移传感器，结合运动学和静力学的运动和力的映射关系，实时监测计算出关节位置和人机交互力信息。且装置具有转动和移动的柔顺关节，具有固定柔性，不需进行复杂控制，通过PID位置控制即可实现人体二自由度关节的柔顺控制。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，该装置包括关节固定基座、直线驱动机构、球面连杆驱动机构以及运动执行机构；所述关节固定基座包括分别固定于构成二自由度肢体关节两个区域的第一基座、第二基座；所述直线驱动机构包括装设于所述第一基座的第一导轨组件、第二导轨组件、第三导轨组件、第一电机以及直线位移传感器，所述第一电机用于驱动所述第一导轨组件移动以通过所述球面连杆驱动机构、所述运动执行机构带动对应区域的肢体在第一平面的摆动运动；所述直线位移传感器用于检测直线位移量；
所述运动执行机构包括第一摆动杆、第二摆动杆、C型块和第四导轨组件，所述第二摆动杆的一端与所述第一摆动杆连接，另一端与所述C型块铰接；所述C型块设置于所述第四导轨组件顶部；所述第四导轨组件设置于所述第二基座；
所述球面连杆驱动机构包括第二电机、球面连杆组件、弹性驱动器、第一角度检测组件和第二角度检测组件，所述球面连杆组件与所述第二电机的动力输出端固定连接；所述弹性驱动器设置于所述球面连杆组件的末端；所述球面连杆组件包括第一球面连杆、第二球面连杆和第三球面连杆，所述第二电机的电机轴、所述第一球面连杆与所述第二球面连杆的铰接轴、所述第二球面连杆与所述第三球面连杆的铰接轴的轴线延长线交于预设半径虚拟球的球心，且所述第一球面连杆、所述第二球面连杆和所述第三球面连杆的摆动轨迹沿球面运动；
所述弹性驱动器包括芯轴和阿基米德螺旋弹簧，所述阿基米德螺旋弹簧包括阿基米德弹簧本体、第一限位凸起和第二限位凸起，所述第一限位凸起与第二限位凸起的连线过所述阿基米德螺旋弹簧的中心；所述第三球面连杆包括套筒部，所述套筒部套设于所述芯轴；所述套筒部的顶部设置有与所述第二球面连杆连接的凸起部；所述套筒部的侧壁开设有第一卡槽、第二卡槽，所述第一限位凸起、所述第二限位凸起分别卡紧设置于所述第一卡槽、所述第二卡槽；所述第一角度检测组件设置于所述套筒部远离所述阿基米德螺旋弹簧的一侧，用于检测所述芯轴的期望转动角度；所述第二角度检测组件设置于所述芯轴远离所述套筒部的端部，用于检测所述芯轴的实际转动角度。
2.根据权利要求1所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，第一导轨组件包括第一导轨和第一滑块，所述第一导轨固设于所述第一基座，所述第一滑块可移动的设置于所述第一导轨的顶部；
所述第一电机通过第一固定支架固设于所述第一基座；所述第一电机的输出轴设置有齿轮，所述第一滑块的顶部依次设置有齿条支架以及与所述齿轮匹配的齿条；
所述第二导轨组件包括固设于所述第一基座的第二导轨以及与所述第二导轨可滑动连接的第二滑块；所述第三导轨组件包括固设于所述第一基座的第三导轨以及与所述第三导轨可滑动连接的第三滑块；
所述第二滑块、所述第三滑块均与承载所述第二电机的第二固定支架固定连接；
所述第二固定支架的侧部设置有第一连接轴和第二连接轴；所述齿条支架的端部两侧壁分别设置有第一连接耳、第二连接耳，所述第一连接轴、所述第二连接轴分别贯穿所述第一连接耳、所述第二连接耳设置；
所述第二固定支架与所述第一连接耳之间轴段上、所述第一连接耳与所述第一连接轴的末端限位之间轴段上分别套设有第一弹簧、第二弹簧；所述第二固定支架与所述第二连接耳之间轴段上、所述第二连接耳与所述第二连接轴的末端限位之间轴段上分别套设有第三弹簧、第四弹簧；
在工作状态下，所述齿轮在所述第一电机的驱动下带动所述齿条、所述齿条支架通过所述第一弹簧、所述第三弹簧或者所述第二弹簧、所述第四弹簧进行所述运动执行机构的柔性控制；所述直线位移传感器实时检测所述第二固定支架实际直线位移量。
3.根据权利要求2所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，所述第一导轨组件的纵向轴线、所述第二导轨组件的纵向轴线、所述第三导轨组件的纵向轴线、所述第一连接轴的纵向轴线、所述第二连接轴的纵向轴线平行设置。
4.根据权利要求3所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，所述第二固定支架包括第一底板、第二底板、第一支架、第二支架、第一L型板和第二L型板，所述第一支架设置于所述第一底板远离所述第二底板的端部，所述第二支架设置于所述第一底板与所述第二底板之间；所述第一L型板、所述第二L型板设置于所述第二底板远离所述第一底板的端部，且所述第一L型板与所述第二L型板构成向外开口的C型结构；所述第一底板用于承载所述第二电机；所述第一球面连杆设置于所述第二底板的上方区域且与所述第二电机的动力输出端固定连接；
所述弹性驱动器的外侧设置有套筒十字铰，所述套筒十字铰包括套筒本体、第一凸起、第二凸起、第一弧形孔、第二弧形孔、第三弧形孔，所述第一凸起设置于所述套筒本体的顶部以与所述第一L型板连接；所述第二凸起设置于所述套筒本体的底部以与所述第二L型板连接；所述第一弧形孔用于穿设所述凸起部；所述第二弧形孔、所述第三弧形孔用于所述第一摆动杆的穿设；所述第二L型板的底部设置有第三角度检测组件，用于实时检测所述套筒十字铰的转动角度；
所述第一角度检测组件、所述第二角度检测组件分别设置于所述套筒本体的两端。
5.根据权利要求4所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，所述芯轴为腰形轴；
所述第一摆动杆包括第一结构和第二结构，所述第一结构与所述第二结构构成C型杆状结构；
所述第一结构的自由端开设有穿设所述芯轴的第一腰形孔；
所述第二结构的自由端开设有穿设所述芯轴的第二腰形孔；
所述第二摆动杆为弧形结构；
所述第四导轨组件包括第四导轨以及与所述第四导轨匹配的第四滑块，所述第四导轨固设于所述第二基座，所述第四滑块与所述第四导轨可滑动连接；所述第四导轨的纵向轴线与所述第二基座所处肢体关节的纵向轴线一致设置。
6.根据权利要求5所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，所述第一角度检测组件包括第一磁阻角度传感器和第一铷磁铁磁环，所述第一磁阻角度传感器装设于所述套筒十字铰的一端，所述第一铷磁铁磁环套设于所述腰形轴紧贴所述套筒部设置；
所述第二角度检测组件包括第二磁阻角度传感器和第二铷磁铁磁环，所述第二磁阻角度传感器装设于所述套筒十字铰的另一端，所述第二铷磁铁磁环套设于所述腰形轴；
所述第二铷磁铁磁环与所述第二结构之间设置有滚子轴承；
所述第二结构与所述阿基米德螺旋弹簧之间设置有第一滑动轴承；
所述阿基米德螺旋弹簧与所述第一结构之间设置有第二滑动轴承；
所述第一结构与所述第一铷磁铁磁环之间设置有第三滑动轴承，所述第三滑动轴承用于承载所述套筒部。
7.根据权利要求6所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，所述阿基米德螺旋弹簧设置于所述腰形轴的中间；
所述第一结构的悬臂段与所述第二结构的悬臂段相对于所述阿基米德螺旋弹簧对称设置。
8.根据权利要求7所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，所述第一弹簧、所述第二弹簧、所述第三弹簧与所述第四弹簧一致设置。
9.根据权利要求8所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置，其特征在于，所述第一电机与所述第二电机平行设置；
所述第一电机的纵向轴线与所述第一导轨组件的纵向轴线垂直设置。
10.一种面向二自由度肢体关节的力位感知机器人，其特征在于，包括总控中心和康复训练装置，所述康复训练装置与所述总控中心信号连接，所述康复训练装置为权利要求9所述的面向二自由度肢体关节的力位感知装置；
所述总控中心基于所述面向二自由度肢体关节的力位感知装置可获取二自由度肢体 关节的运动部实际横向转动角度
Figure 446087DEST_PATH_IMAGE001
，二自由度肢体关节的运动部实际纵向转动角度
Figure 832069DEST_PATH_IMAGE002
，二 自由度肢体关节的运动部实际横向转动力矩
Figure 877385DEST_PATH_IMAGE003
，二自由度肢体关节的运动部实际纵向转 动力矩
Figure 741436DEST_PATH_IMAGE004
，以进行二自由度肢体关节的位置信息和力矩信息的实时获取，判断训练效果是 否符合预设目标，以进行第一电机、第二电机的控制调整。
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