CN113975089B - 一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，包括依次连接的手握杆、腕部柔性结构、下臂气动组件、肘部柔性结构、上臂气动组件以及肩部柔性结构，所述腕部柔性结构、肘部柔性结构以及肩部柔性结构均为可变形连接件，所述下臂气动组件和所述上臂气动组件中，每一者包括并联设置的多条气动连接链，每条所述气动连接链包括串联设置并可拆卸连接的多个气动模块，本发明结构巧妙合理，通过各构件之间的配合，利用气动模块的灵活组合装配，可提高上肢外骨骼康复机器人对不同康复对象与康复需求的适应性，改善穿戴舒适性与动作柔顺性，实现灵活柔顺安全康复任务。

Description

一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是指一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人。
背景技术
上肢外骨骼康复机器人是一种模拟人体上肢动作，对具有上肢运动障碍的患者进行康复训练的新型智能设备，它将机械、控制、信息、医学等多个学科有机地融合于一体，相较于人工辅助康复具有很大的优势。对上肢外骨骼康复机器人而言，面对具有不同上肢特征与康复需求的康复对象，如何提高上肢外骨骼康复机器人对不同康复对象的适应性，改善穿戴舒适性与动作柔顺性，实现灵活柔顺安全康复，是评价上肢外骨骼康复机器人工作能力的重要指标，也是上肢外骨骼康复机器人的设计难点。
但是，目前现有上肢外骨骼康复机器人在面对人机穿戴偏差、个体体征差异与人机关节运动属性不同等带来的适用范围窄、穿戴不灵活问题时也显得束手无措，难以适应多样化的康复对象与康复需求，并且大多没有充分考虑康复机器人与人体上肢的贴合特性，不能保障穿戴舒适性与动作柔顺性，导致不能很好地实现柔顺动作。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，以适应多样化的康复对象与康复需求，精确、舒适、安全与高效地完成上肢辅助康复训练。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中上肢外骨骼康复机器人在面对人机穿戴偏差、个体体征差异与人机关节运动属性不同等带来的适用范围窄、穿戴不灵活问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，包括依次连接的手握杆、腕部柔性结构、下臂气动组件、肘部柔性结构、上臂气动组件以及肩部柔性结构，所述腕部柔性结构、肘部柔性结构以及肩部柔性结构均为可变形连接件，所述下臂气动组件和所述上臂气动组件中，每一者包括并联设置的多条气动连接链，每条所述气动连接链包括串联设置并可拆卸连接的多个气动模块。
进一步的，所述可变形连接件包括柔性关节和连接于所述柔性关节两端的滑环A和滑环B，所述下臂气动组件一端与所述腕部柔性结构的滑环B连接，所述下臂气动组件另一端与所述肘部柔性结构的滑环A连接，所述上臂气动组件一端与所述肘部柔性结构的滑环B连接，所述上臂气动组件另一端与所述肩部柔性结构的滑环连接。
进一步的，所述腕部柔性结构、肘部柔性结构以及肩部柔性结构中，每一者的旋转角度范围为0°-180°。
进一步的，所述可变形连接件整体呈C形管状。
进一步的，所述柔性关节采用高度可压缩和可拉伸的硅弹性体制成。
进一步的，所述气动模块包括受气压变形的外部气动软体和用于约束所述外部气动软体沿非功能方向形变的约束结构，所述外部气动软体具有腔体，还包括用于受气压变形的内部气动软体，所述内部气动软体设于所述外部气动软体的腔体内，所述内部气动软体的内部设有并列布置的多条网格气道，不同所述网格气道之间互不相通。
进一步的，所述约束结构为绕所述外部气动软体的长度方向缠绕的纤维丝，所述纤维丝为刚性碳纤维丝。
进一步的，还包括非变形层，所述非变形层设于所述外部气动软体的非变形部，所述非变形层为刚性碳纤维薄层。
进一步的，所述网格气道的横截面为矩形。
进一步的，还包括距离感知系统、触觉感知系统和关节力/位感知系统，所述距离感知系统包括多个超声波传感器和多个红外传感器，所述触觉感知系统包括多个触觉传感器，所述关节力/位感知系统包括多个编码器和力矩传感器。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1)本发明公开的可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，本发明结构巧妙合理，通过各构件之间的配合，利用气动模块的灵活组合装配，可提高上肢外骨骼康复机器人对不同康复对象与康复需求的适应性，改善穿戴舒适性与动作柔顺性，实现灵活柔顺安全康复任务；
2)本发明公开的可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，每个关节滑环机构上设计有活动开口与柔性伸缩机构，可根据患者需求进行调节，可提高上肢外骨骼康复机器人对不同康复对象与康复需求的适应性；
3)本发明公开的可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，充分考虑上肢各关节中心在运动过程中的微小滑移特性，增加自适应关节中心调节装置，并设计相应的机械限位、电气限位和急停保护开关，保证在康复过程中机器人不会对患者造成意外伤害。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1是本发明可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人整体三维结构示意图；
图2是本发明可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人可变形连接件结构示意图；
图3是本发明可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人气动连接链结构示意图；
图4是本发明可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人中气动模块剖面示意图。
说明书附图标记说明：10、手握杆；11、腕部柔性结构；12、下臂气动组件；13、肘部柔性结构；14、上臂气动组件；15、肩部柔性结构；16、气动模块；161、内部气动软体；162、外部气动软体；163、非变形层；164、约束结构；17、柔性关节；18、滑环A；19、滑环B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供作为进一步改进说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
参照图1至图4所示，一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，包括依次连接的手握杆10、腕部柔性结构11、下臂气动组件12、肘部柔性结构13、上臂气动组件14以及肩部柔性结构15，上述腕部柔性结构11、肘部柔性结构13以及肩部柔性结构15均为可变形连接件，上述下臂气动组件12和上述上臂气动组件14中，每一者包括并联设置的多条气动连接链，每条上述气动连接链包括串联设置并可拆卸连接的多个气动模块16。
上文中，利用气动模块的大变形来辅助驱动上肢动作，气动模块连接链与各个柔性关节通过滑轨连接，利用各气动模块支链不同程度的弯曲/伸长变形实现滑环的柔性旋转，气动模块与手臂骨骼方向同向的弯曲/伸长变形实现关节的伸展屈曲，利用气动模块的灵活组合装配，可提高上肢外骨骼康复机器人对不同康复对象与康复需求的适应性，改善穿戴舒适性与动作柔顺性，实现灵活柔顺安全康复任务。
本实施例中优选的实施方式，上述可变形连接件包括柔性关节17和连接于上述柔性关节两端的滑环A18和滑环B19，上述下臂气动组件12一端与上述腕部柔性结构11的滑环B连接，上述下臂气动组件12另一端与上述肘部柔性结构13的滑环A连接，上述上臂气动组件14一端与上述肘部柔性结构13的滑环B连接，上述上臂气动组件14另一端与上述肩部柔性结构15的滑环连接。
本实施例中优选的实施方式，上述腕部柔性结构11、肘部柔性结构13以及肩部柔性结构15中，每一者的旋转角度范围为0°-180°。
本实施例中优选的实施方式，上述可变形连接件整体呈C形管状。
上文中，可变形连接件设计有活动开口，可根据患者需求进行调节，可提高上肢外骨骼康复机器人对不同康复对象与康复需求的适应性
本实施例中优选的实施方式，上述柔性关节17采用高度可压缩和可拉伸的硅弹性体制成。
本实施例中优选的实施方式，上述气动模块16包括受气压变形的外部气动软体162和用于约束上述外部气动软体162沿非功能方向形变的约束结构164，上述外部气动软体162具有腔体，还包括用于受气压变形的内部气动软体161，上述内部气动软体161设于上述外部气动软体162的腔体内，上述内部气动软体161的内部设有并列布置的多条网格气道，不同上述网格气道165之间互不相通。
本实施例中优选的实施方式，上述约束结构164为绕上述外部气动软体162的长度方向缠绕的纤维丝，上述纤维丝为刚性碳纤维丝。
上文中，刚性碳纤维丝缠绕于气动软体腔体结构外部，刚性碳纤维丝主要用来限制非功能方向上的变形量，以此来提高变形效率，并且刚性碳纤维丝的缠绕方式也可根据需求进行改变，其对气动软体模块的驱动变形与支撑刚度有一定的影响。刚性碳纤维丝沿一个方向缠绕时，气动软体模块可实现扭转或伸长变形，当缠绕升角等于或接近0度时，气动软体模块充气膨胀时可实现轴向伸长变形，当缠绕升角不等于0度时，气动软体模块可实现轴向扭转变形与一定程度的伸长变形，随着缠绕升角的增大，扭转变形增加，伸长变形减小，当缠绕升角增大到一定值后，扭转变形转而减小，当缠绕升角接近90度，气动软体模块不产生扭转变形，主要体现为轴向收缩变形。缠绕升角是碳纤维丝与横向水平方向的夹角。具体的缠绕方式可根据实际需求进行灵活改变。
本实施例中优选的实施方式，还包括非变形层163，上述非变形层163设于上述外部气动软体162的非变形部，上述非变形层163为刚性碳纤维薄层。
上文中，非变形层主要用来改变气动软体模块的变形模式，当非变形层贴满气动模块的底面时，在气压的驱动下气动模块的上表面膨胀伸长，而贴有非变形层的气动模块的底面保持不变，则气动模块可实现弯曲变形；当气动模块的底面没有贴非变形层时，气动模块的上表面与底面同时膨胀伸长，实现气动模块的伸长变形；当气动模块的底面贴有部分非变形层时，气动模块可实现弯曲/伸长复合变形，非变形层的尺寸决定了弯曲/伸长的程度。
本实施例中优选的实施方式，还包括上述网格气道的横截面为矩形。
上文中，网格气道的横截面并不局限于矩形，在其他实施例中，还可以为三角形或正六边形等其他形状。
本实施例中优选的实施方式，还包括距离感知系统、触觉感知系统和关节力/位感知系统，上述距离感知系统包括多个超声波传感器和多个红外传感器，上述触觉感知系统包括多个触觉传感器，上述关节力/位感知系统包括多个编码器和力矩传感器。
上文中，在上肢外骨骼康复机器人特征点处安装超声波和红外传感器，利用超声波和红外传感器设计接近觉感知系统，在线感知处理机器人与障碍物间的距离信息；将触觉传感器嵌入到机器人与上肢的贴合面，利用触觉传感器设计触觉感知系统，用于实时感知机器人与上肢的接触力反馈信息，分析作用机制，建立接触力模型。在各个关节布置编码器与力矩传感器设计关节力/位感知系统，实时测量反馈关节角度与关节力矩。利用表面肌电信号传感器设计肌电信号感知系统，监测相关肌肉表面肌电信号，实时获取人体运动意图。利用Hill模型将表面肌电信号活化度转化为肌肉力，然后利用扩展Kalman滤波器实现运动估计。Hill模型将肌肉抽象为由串联弹性单元、主动收缩单元和并联弹性单元构成的肌肉结构力学模型，并以此计算肌肉力。充分考虑上肢各关节中心在运动过程中的微小滑移特性，增加自适应关节中心调节装置，并设计相应的机械限位、电气限位和急停保护开关，保证在康复过程中机器人不会对患者造成意外伤害。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，包括依次连接的手握杆、腕部柔性结构、下臂气动组件、肘部柔性结构、上臂气动组件以及肩部柔性结构，所述腕部柔性结构、肘部柔性结构以及肩部柔性结构均为可变形连接件，所述下臂气动组件和所述上臂气动组件中，每一者包括并联设置的多条气动连接链，每条所述气动连接链包括串联设置并可拆卸连接的多个气动模块；
所述可变形连接件整体呈C形管状，所述可变形连接件包括柔性关节和连接于所述柔性关节两端的滑环A和滑环B，所述下臂气动组件一端与所述腕部柔性结构的滑环B连接，所述下臂气动组件另一端与所述肘部柔性结构的滑环A连接，所述上臂气动组件一端与所述肘部柔性结构的滑环B连接，所述上臂气动组件另一端与所述肩部柔性结构的滑环连接，所述腕部柔性结构、肘部柔性结构以及肩部柔性结构中，每一者的旋转角度范围为0°-180°；
所述柔性关节采用高度可压缩和可拉伸的硅弹性体制成；
所述气动模块包括受气压变形的外部气动软体和用于约束所述外部气动软体沿非功能方向形变的约束结构，所述外部气动软体具有腔体，还包括用于受气压变形的内部气动软体，所述内部气动软体设于所述外部气动软体的腔体内，所述内部气动软体的内部设有并列布置的多条网格气道，不同所述网格气道之间互不相通。
2.根据权利要求1所述的一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述约束结构为绕所述外部气动软体的长度方向缠绕的纤维丝，所述纤维丝为刚性碳纤维丝。
3.根据权利要求1所述的一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，还包括非变形层，所述非变形层设于所述外部气动软体的非变形部，所述非变形层为刚性碳纤维薄层。
4.根据权利要求1所述的一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，所述网格气道的横截面为矩形。
5.根据权利要求1所述的一种可重构模块化柔体上肢外骨骼康复机器人，其特征在于，还包括距离感知系统、触觉感知系统和关节力/位感知系统，所述距离感知系统包括多个超声波传感器和多个红外传感器，所述触觉感知系统包括多个触觉传感器，所述关节力/位感知系统包括多个编码器和力矩传感器。
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