CN114344094A - 一种实现减重和重心转移的机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种实现减重和重心转移的机器人，包括减重机架、视觉检测模块、主动减重模块、被动减重模块、重心偏移和旋转模块和控制器模块，视觉检测模块用于采集人体的图像及深度信息；主动减重模块包括主动减重电机和由主动减重电机驱动的减重拉绳力；被动减重模块包括被动弹簧和减重往复滑块，减重往复滑块能在竖直方向上运动，被动弹簧的顶端位置可调，且底端与减重往复滑块可拆卸连接；重心偏移和旋转模块与被动减重模块连接；视觉检测模块、主动减重模块、被动减重模块、偏移和旋转模块均与控制器模块连接。本发明采用主动减重和被动减重结合的方式来实现，控制精度高，能有效地辅助康复患者进行步态康复训练，提升康复训练效果。
Description
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，尤其涉及一种实现辅助下肢康复训练的减重及偏移偏转的机器人。
背景技术
据统计，我国2018年末，60周岁以上的老人人口达24949万人，占总人口数的17.3％。庞大的老龄化人口基数也带来了一系列人口老龄化问题，据有关数据显示，中国有近600万的脑血管病患者，这么多患者需要康复治疗，因此产生了巨大的康复需求。
目前我国国内的康复医疗水平还相对比较落后，大部分的康复科室还是采用人工物理治疗方案，即使采用器械也是十分简单的康复器材。同时，面对我国广大的人口基数及其康复人群，康复治疗师的还远远不能满足需求，而且，康复治疗也不得不承担繁重康复训练任务。
培养一名合格的康复治疗师需要花费大量的精力和经济成本。而且康复治疗师的治疗水平与其实际的经验很相关。康复的过程往往缺少直观的可视化的数据和量化标准。对于重心转移的过程，往往由于其运动幅度不是特别明显而被忽略，但是确实对自然步态的形成、身体的平衡控制和行走代谢能量的节约是十分重要的。
当前虽然已有不少针对下肢康复的康复机器人产品，包括基于平台的产品和便携式的可穿戴产品。但是，大部分的产品未考虑到如何减轻上半身的重力对下肢的康复运动的影响，即使考虑了，也只考虑较少的自由度，而其他的自由多是被限制了，从而极大的影响了自然步态的形成，效果往往有限。
刘遥峰等在中国实用新型专利“一种用于患者下肢康复训练的减重支撑系统”提出的系统，主要包括减重支撑机构、下肢康复机器人固定装置和动态减重系统。主要是通过被动的弹簧或固定质量的重物拉伸来实现减重，减重的分级有限，同时主要依靠拉力传感器来感知或许减重的状态，信息相对有限，减重状态的真实感知有限，并且未考虑对相应减重训练的结果评估。张瀚桥等在中国实用新型专利“一种康复机器人悬吊系统的双弹簧减重机构”提出的机构，主要由两个弹簧拉着滑块沿竖直光轴运动来实现连续均匀的减重运动。但是该减重系统仅考虑竖直方向的运动，对于由减重引起的其他的运动没有考虑，而且，该系统为无源的系统，系统只能以固定的运动模态进行运动，缺乏可以调节的变量以适应不同的人体参数和减重需求。
发明内容
为了解决现有技术存在的下肢康复运动中的问题，本发明提供一种实现减重和重心转移的机器人，能够减轻康复训练患者的重力负担，延长肌肉训练疲劳时间，使得使用者可以更加高效、自然地进行步态康复训练。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种实现减重和重心转移的机器人，包括减重机架、视觉检测模块、主动减重模块、被动减重模块、重心偏移和旋转模块和控制器模块，
视觉检测模块用于采集人体的图像及相对相机的深度信息；
主动减重模块和被动减重模块均设置在减重机架上；
主动减重模块包括主动减重电机和由主动减重电机驱动的减重拉绳，用于对人体产生竖直方向上的拉力，来平衡部分重力；
被动减重模块包括被动弹簧和减重往复滑块，减重往复滑块能在竖直方向上往复运动，被动弹簧的顶端位置可调，且底端与减重往复滑块可拆卸连接；
重心偏移和旋转模块与被动减重模块连接，重心偏移和旋转模块用于实现人体重心的偏移和旋转；
视觉检测模块、主动减重模块、被动减重模块、偏移和旋转模块均与控制器模块连接。
进一步地，视觉检测模块包括视觉相机，架设在康复患者前方，用来获取人体的图像及人体相对于相机的深度信息，采集的图像及深度信息实时传送至控制器模块中，采用现有的深度学习训练的模型，可以获得人体当前的康复姿态以及人体重心的三维空间位置、重心的三个空间轨迹、身体的姿态，控制器模块再根据当前重心的轨迹，决策判断，施加相应的控制，纠正人体驱动的运动。
进一步地，还包括减重外壳，主动减重模块和被动减重模块均设置在减重外壳内。
进一步地，主动减重模块还包括输出线轮和导向滑轮组，输出线轮与主动减重电机的输出轴连接，减重拉绳卷绕在输出线轮上，且其两端分别导向滑轮组连接后用于与人体连接。通过导向轮组实现换向，通过主动减重电机的正反转，输出线轮转动减重拉绳，实现拉绳牵引人体的上下起伏运动。
进一步地，主动减重模块还包括用于测量减重拉绳拉力的拉力传感器，拉力传感器与控制器模块连接。
进一步地，被动减重模块还包括初始位置端调节电机、自锁丝杠和可调节初始位置端，初始位置端调节电机固定在减重机架上，自锁丝杠与初始位置端调节电机的输出轴连接，可调节初始位置端通过自锁丝杠驱动而实现上下移动，被动弹簧的顶端与可调节初始位置端可拆卸连接。
进一步地，被动减重模块还包括导向模组，减重往复滑块与导向模组连接。减重往复滑块可以在竖直方向上运动，从而可以适应不同身高的康复患者的要求。
进一步地，被动弹簧的数量至少有一条。或，被动弹簧能更换为不同刚度的弹簧。被动弹簧的刚度可调整，可以通过改变并联连接弹簧的数目，或者更换不同刚度的弹簧来实现刚度变换，从而改变重心上下起伏的运动，适应不同康复患者的个体差异。
进一步地，重心偏移和旋转模块包括第一偏移偏转电机、第二偏移偏转电机和连杆，第一偏移偏转电机与减重往复滑块固定连接，第一偏移偏转电机和第二偏移偏转电机之间通过连杆连接，第二偏移偏转电机的输出轴用于与靠背连接。该靠背可与人体的减重背心耦合，实现机械臂带动人体进行偏移和偏转运动。
进一步地，控制器模块包括运动轨迹规划生成器、主动减重控制器、被动减重控制器和偏移偏转控制器，运动轨迹规划生成器用于生成运动轨迹，主动减重控制器用于控制主动减重模块的工作，被动减重控制器用于控制被动减重模块的工作，偏移偏转控制器用于重心偏移和旋转模块的工作。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)本发明采用主被动式的减重方案，主动减重方式通过电机带动线轮，产生向上的牵引力实现减重，减重比例自由可调。被动减重采用弹簧加滑块的模式，弹簧的刚度可以更换来调整，弹簧的运动范围亦可以进行调整，以适应不同康复患者的减重需求。
(2)在减重功能实现的前提下，本发明还能够为康复患者提供重心转移运动，以实现其对身体平衡能力的训练，防止由于减重后过渡的限制了其上半身的运动，阻碍其身体协调性的康复。
(3)本发明可以模拟人体躯干在竖直方向的重心起伏和左右方向的偏移和旋转运动过程。重心轨迹的变化过程采用深度相机结合深度学习算法来实时的获取，反馈给控制器模块，控制器模块更加实时反馈的轨迹大小，实时调整执行器的输出，身体躯干按照给定的运动轨迹运行。该系统还能根据设置或者自适应的调整人体的减重比例，采用主动减重和被动减重结合地方式来实现。本发明控制精度高、同步性高、安全舒适，能有效地辅助康复患者进行步态康复训练，提升康复训练效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是主动减重的结构示意图；
图3是被动减重的结构示意图；
图4是重心偏移和偏转机构的结构示意图；
图5是本发明的控制示意图；
图中，1-视觉检测模块；2-主动减重模块；3-被动减重模块；4-重心偏移和旋转模块；5-控制器模块；6-减重机架；7-主动减重电机；8-导向滑轮组；9-减重拉绳；10-输出线轮；11-初始位置端调节电机；12-自锁丝杠；13-可调节初始位置端；14-被动弹簧；15-减重往复滑块；16-导向模组；17-靠背；18-第一偏移偏转电机；19-第二偏移偏转电机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
本发明提供的一种实现减重和重心转移的机器人，既可以单独作为训练身体躯干运动及平衡控制的平台，又可以配合其他下肢外骨骼产品一起使用。请参阅图1-图4，所述机器人包括视觉检测模块1、减重机架6、主动减重模块2、被动减重模块3、偏移和旋转模块4和控制器模块5。
本发明中，请参阅图1，视觉检测模块1和主动减重模块2相对设置，视觉检测模块1包括相机，相机通过相机支架固定，相机用来获取人体的图像及人体相对于相机的深度信息。在本发明的其中一些实施例中，相机支架为空心钢管，机器人还包括位于底部的结构框架，空心钢管的底部通过焊接连接底部的结构框架，底部的结构框架可以内嵌跑步机。使用时，相机位于康复患者的前方中轴上，采集患者的图像。
在本发明的其中一些实施例中，相机采用Kinect摄像机，采集的图像及深度信息实时传送至控制器模块5的GPU中，采用深度学习方法训练得到的CNN神经网络模型，计算出人体当前的康复姿态以及人体重心的三维空间位置，控制器模块5再根据计算出的人体重心的三维空间位置，与期望的目标位置做比较，进行决策判断，施加相应的控制，用以纠正人体躯干的运动。
在本发明的其中一些实施例中，所述视觉检测模块1放置于康复患者前方1.5-2m的中间位置，高度为0.8-1.2m。
在本发明的其中一些实施例中，相机视角为120°，采样帧率为30FPS。
本发明中，主动减重模块2安装在减重机架6上，且使用时位于于人体正上方，减重机架6采用倒“L”支撑结构，保证人体不与支撑机体发生运动干涉。
在本发明的其中一些实施例中，请参阅图1和图2，主动减重模块1包括主动减重电机7、减速器、输出线轮10、减重拉绳9和导向滑轮组8。主动减重电机7固定在减重机架6上，减速器固定在主动减重电机7的输出轴上，输出线轮10固定在减速器上，减重拉绳9绕设在输出线轮10上，且通过导向滑轮组8与用于穿戴在人体上的减重背心连接。通过主动减重电机7拉动减重拉绳9，产生向上的拉力，来平衡部分重力。减速器上安装的所述输出线轮10用于转动拉绳，减重拉绳9的两端从输出线轮10的两侧延伸出来后，分别通过导向滑轮组8换向后由水平方向变为竖直方向，然后向下连接穿戴在人体的减重背心上。
在本发明的其中一些实施例中，主动减重电机7为大力矩伺服电机，通过伺服电机的正反转，实现拉绳牵引人体的上下起伏运动。
主动减重模块2可根据人体的体重分级设置减重的比例。实际运行时可根据人体在运动中的动态重力变化，会引起减重拉绳9的拉力的变化，该变化可通过拉力传感器测量到，再输入控制器模块5，控制主动减重电机7的输出力矩，将减重拉绳9的拉力维持在期望值，从而实现恒定比例的减重分级控制。在本发明的其中一些实施例中，根据数值划分不同等级的体重范围，每个等级的体重范围对应不同的减重拉绳拉力，控制器模块5通过控制主动减重电机7的输出力矩来控制减重拉绳9的拉力，从而可以根据不同的体重等级的康复患者进行优化配置，以及适用不同减重分级的训练要求。
所述主动减重模块2还可以结合视觉检测模块1实时在线地捕获人体运动的姿态通过意图识别预测人体下一时刻的运动，智能地调整期望的减重目标值，自适应地动态调整减重的比例，使其能满足康复患者的实际康复需求。
本发明中，被动减重模块3安装在减重机架6上，且位于主动减重模块2下方，在使用时，被动减重模块3位于人体背后。
在本发明的其中一些实施例中，请参阅图1和图3，被动减重模块3包括初始位置端调节电机11、自锁丝杠12、被动弹簧14、减重往复滑块15和导向模组16。自锁丝杠12能有效地防止可调节初始位置端13因受被动弹簧14向下的拉力而发生滑动位移，影响被动弹簧14的运动行程和偏移和旋转模块4设定的初始位置。可调节初始位置端13套设设置在自锁丝杠12上。然后被动弹簧14的两端分别跟可调节初始位置端13和减重往复滑块15连接。在其他的实施例中，还可包括初始位置调节滑块，初始位置调节滑块套设在自锁丝杠12上，可调节初始位置端13与初始位置调节滑块固定连接。
在本发明的其中一些实施例中，所述初始位置端调节电机11固定安装在减重机架6上，其输出轴竖直朝下，其输出轴连接自锁丝杠12，可调节初始位置端13连接在自锁丝杠12，减重往复滑块15与导向模组16连接，导向模组16与减重机架6连接。通过初始位置端调节电机11带动自锁丝杠12转动，从而控制被动弹簧14上端沿着自锁丝杠12上下移动。
通过初始位置端调节电机11带动自锁丝杠12来调整被动弹簧14的上端的位置，保证减重往复滑块15自然静止时刚好处于人体腰部的位置。不同用户因身高和下肢的高度不同，可以通过调节可调节初始位置端13的位置来改变被动弹簧14的初始位置，实现减重往复滑块15在竖直方向上的高度调节。
在本发明的其中一些实施例中，被动弹簧14采用易拆装的燕尾槽连接，可以方便拆装更换以及不同刚度的被动弹簧。被动弹簧14下端连接减重往复滑块15，减重往复滑块15通过竖直方向的导向模组16进行上下运动。
所述被动减重模块3通过被动弹簧14的动能势能转化来模拟人体步行时的重力势能与动能的转变过程。由于康复患者一侧出现肌无力或者运动未到位的情况，导致其重力势能和动能的相互转化周期不完整或者不规律。通过被动弹簧14和减重往复滑块15可以在需要的时机和步相予以外力的辅助，帮助康复患者形成完整的、对称的步态周期，更加高效的恢复其运动能力。
在本发明其中一些实施例中，被动减重模块3可以根据不同康复患者的体重差异来配置不同的弹簧模组，以保证运动的同步性和有效性。所述被动减重模块的弹簧是刚度可调整的，可以通过改变并联连接弹簧的数目，或者更换不同刚度的弹簧来实现刚度变换，从而改变重心上下起伏的运动，适应不同康复患者的个体差异。
在本发明其中一些实施例中，动态地调整被动弹簧14的初始位置，可以适应不同减重比例下不同步频的康复训练任务要求。
在本发明其中一些实施例中，所述被动减重模块3可以融合视觉检测模块1在线统计分析康复患者的重心运动起伏周期。
本发明的被动减重模块3与主动减重模块2结合成一个总的减重系统，减重比例、重心起伏运动频率和幅度都可以统一的规划和调整，通过构建起人体——主动减重——被动减重动力学模型，控制达到想要的运动模式，保证康复减重与重心起伏运动的效果。
本发明中，重心偏移和旋转模块4安装在减重往复滑块15上，末端通过靠背17将作用力施加在康复患者的躯干上，实现机械臂带动人体进行偏移和偏转运动。
在本发明其中一些实施例中，所述重心偏移和旋转模块4通过两自由度串联机构来实现左右的偏转和左右的旋转运动。具体地，重心偏移和旋转模块4包括第一偏移偏转电机18、第二偏移偏转电机19、连杆和靠背17。第一偏移偏转电机18通过电机安装支架固定与被动减重模块3的减重往复滑块15固定连接，第一偏移偏转电机18的输出轴安装所述连杆，所述连杆的末端安装第二偏移偏转电机19，第二偏移偏转电机19输出端通过转接连接靠背17，靠背17在使用时和康复患者躯干连接，传递辅助交互力。
所述的偏移功能的实现是通过第一偏移偏转电机18带动其输出轴所连的连杆的转动，结合连杆的转动力臂，在连杆末端产生向左和向右的位置偏移量来完成的。所述的旋转功能的实现是靠第二偏移偏转电机19带动靠背17发生转动，从而带动人体产生向左和向右的旋转运动。
在本发明其中一些实施例中，重心偏移和旋转模块4的左右偏移范围为0-10cm，左右偏转的范围为0-10°。
在本发明其中一些实施例中，靠背17为柔性靠背。
在本发明其中一些实施例中，所述的主动减重电机7、初始位置端调节电机11以及两个偏移偏转电机均为直流伺服电机，可实现较为精准的闭环控制，输出想要的交互辅助力。
重心偏移和旋转模块4位于康复患者后腰的位置，重心偏移和旋转模块4通过靠背17将合成偏移偏转运动传递给人体躯干。人体躯干叠加的自身的运动及辅助的运动量大小被视觉检测模块1检测到，通过控制器模块5的调节反馈控制，生成设定的参考运动。
控制器模块5安装在重心偏移和旋转模块4的下方。所述控制器模块5包括计算机、GPU显卡以及外设接口。控制器模块5还包括运动轨迹规划生成器、主动减重控制器、被动减重控制器和偏移偏转控制器，运动轨迹规划生成器、主动减重控制器、被动减重控制器和偏移偏转控制器均设置在计算机里。
在本发明的一些实施例中，计算机采用高性能计算机。所述高性能计算机主要是能够满足大量的人体姿态数据出来、轨迹生成、控制决策、指令发送与实时通信等任务要求。GPU显卡采用高性能GPU。所述高性能GPU显卡主要是为满足视觉检测模块1所采集的大量图片信息的处理要求，通过运行训练和运行深度神经网络模型，实时输出康复患者的三维姿态、三维重心轨迹等运动信息。外设接口包括连接视觉相机的USB3.0口、传输控制指令的COM口、连接键盘鼠标的USB输入接口和连接外部显示器的HDMI接口。
在本发明的一些实施例中，所述机器人还包括供电电源模块。控制器模块5由市电供电，四个直流伺服电机需要直流24V供电，因此需要接入交流转直流的供电电源。
所述控制器模块5主要实现视觉信号的处理、康复训练任务的规划、控制指令的生成与通信，电机反馈信息的处理与决策等实时任务。同时，对于康复训练过程的数据进行记录，在康复训练结束时，生成相应的训练报告和评估结果，通过显示器的输出显示出来。
所述控制器模块5能连接互联网，通过云技术，能够把康复患者的训练数据和结果实时同步到云端服务器上，通过云端服务器，将结果反馈给康复训练患者及其家人。
本发明提供的机器人在运行时，控制器模块5按照减重设置和运动轨迹规划生成器规划好的运动轨迹，生成相应的控制参考指令，通过通信协议，将指令分别传送至主动减重控制器、被动减重控制器和偏移偏转控制器，然后电机的各个伺服驱动器根据指令控制相应的电机产生相应的运动，电机输出相应的力和位移，带动身体驱动运动。人体的运动又被放置于身体前面的视觉相机捕捉到，通过深度学习算法，得到人体运动的重心轨迹、步态的周期、步幅、左右运动的对称度、运动的同步度。并实时反馈给控制器模块5，控制器模块5再根据当前反馈的数据，及时地调整控制的力度，保证身体重心的起伏、左右偏移量、左右的旋转角度按照预先参考值运动。
由于康复患者往往身体一侧出现肌无力的现象，通过视觉系统的在线学习的方式，对人体的姿态及运动信息进行预测，对于可能出现的运动不同步、不协调的状态加以提前的修正和干预，保证按照尽可能正常的自然的步态来训练，提升训练的效果。
请参阅图5，本发明机器人的控制过程为：通过康复规任务规划，设定相应的康复任务类型，这些康复类型被定量描述为特定的运动控制参数，输入到运动轨迹规划生成器，通过该运动轨迹规划生成器，生成特定轨迹的运动曲线，包括主动减重控制轨迹、被动减重控制轨迹、偏移偏转运动轨迹，然后，这些轨迹分别与视觉相机捕获到的图像经过处理得到的实际的重心运动轨迹、实际偏移偏转量作比较，得到相应的误差e1,e2和e3,这些误差分别输入主动减重控制器、被动减重控制器和偏移偏转控制器，生成对应的控制量，并将控制量传输给主动减重电机7、初始位置端调节电机11、第一偏移偏转电机18和第二偏移偏转电机19，产生对应的拉力力矩，作用于人体，使人体发生相应的调整，不断接近于目标值。
所述的康复训练评估，主要根据设定的康复任务规划，获得相应的运动参数输入，同时，通过视觉相机采集的图像数据，经过图像处理和运动参数计算，所获得的实际的运动进行比较、分析，生成综合的康复评价，最后将结果输出显示和云端同步。
本发明实施例提供的一种适用于辅助步态康复治疗的智能综合减重机器人，可以模拟人体躯干在竖直方向的重心起伏和左右方向的偏移和旋转运动过程。被动减重模块位于训练时人体的后面，可以根据不同的体重等级的康复患者进行优化配置，以及适用不同减重分级的训练要求。同时，减重弹簧的初始位置在竖直方向上的可通过电机自动调节，以适应不同身高的康复患者的要求。重心偏移和旋转模块位于在康复患者后腰的位置，通过两个电机驱动，连杆末端用于安装贴合人体的靠背，该靠背可与穿戴在人体上的减重背心耦合，实现机械臂带动人体进行偏移和偏转运动。重心轨迹的变化过程采用深度相机结合深度学习算法来实时的获取，反馈给控制器模块，控制器模块5实时反馈的轨迹大小，实时调整执行器的输出，身体躯干按照给定的运动轨迹运行。该系统还能根据设置或者自适应的调整人体的减重比例，采用主动减重和被动减重结合地方式来实现。
本发明可以根据康复训练中的康复任务，结合实际的减重训练数据和重心转移数据，进行康复训练结果的评价，给康复训练患者提出合理的康复建议与反馈。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：包括减重机架(6)、视觉检测模块(1)、主动减重模块(2)、被动减重模块(3)、重心偏移和旋转模块(4)和控制器模块(5)，
视觉检测模块(1)用于采集人体的图像及相对相机的深度信息；
主动减重模块(2)和被动减重模块均设置在减重机架上；
主动减重模块(2)包括主动减重电机(7)和由主动减重电机(7)驱动的减重拉绳(9)，用于对人体产生竖直方向上的拉力；
被动减重模块(3)包括被动弹簧(14)和减重往复滑块(15)，减重往复滑块(15)能在竖直方向上运动，被动弹簧(14)的顶端位置可调，且底端与减重往复滑块(15)可拆卸连接；
重心偏移和旋转模块(4)与被动减重模块(3)连接，重心偏移和旋转模块(4)用于实现人体重心的偏移和旋转；
视觉检测模块(1)、主动减重模块(2)、被动减重模块(3)、偏移和旋转模块(4)均与控制器模块(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：还包括减重外壳，主动减重模块(2)和被动减重模块(3)均设置在减重外壳内。
3.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：主动减重模块(2)还包括输出线轮(10)和导向滑轮组(8)，输出线轮与主动减重电机(7)的输出轴连接，减重拉绳(9)卷绕在输出线轮(10)上，且其两端分别导向滑轮(8)组连接后用于与人体连接。
4.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：主动减重模块(2)还包括用于测量减重拉绳(9)拉力的拉力传感器，拉力传感器与控制器模块(5)连接。
5.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：被动减重模块(3)还包括初始位置端调节电机(11)、自锁丝杠(12)和可调节初始位置端(13)，初始位置端调节电机(11)固定在减重机架(6)上，自锁丝杠(12)与初始位置端调节电机(11)的输出轴连接，可调节初始位置端(13)通过自锁丝杠(12)驱动而实现上下移动，被动弹簧(14)的顶端与可调节初始位置端(13)可拆卸连接。
6.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：被动减重模块(3)还包括导向模组(16)，减重往复滑块(15)与导向模组(16)连接。
7.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：被动弹簧(14)的数量至少有一条。
8.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：被动弹簧(14)能更换为不同刚度的弹簧。
9.根据权利要求1所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：重心偏移和旋转模块(4)包括第一偏移偏转电机(18)、第二偏移偏转电机(19)和连杆，第一偏移偏转电机(18)与减重往复滑块(15)固定连接，第一偏移偏转电机(18)和第二偏移偏转电机(19)之间通过连杆连接，第二偏移偏转电机(19)的输出轴用于与靠背连接。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种实现减重和重心转移的机器人，其特征在于：控制器模块(5)包括运动轨迹规划生成器、主动减重控制器、被动减重控制器和偏移偏转控制器，运动轨迹规划生成器用于生成运动轨迹，主动减重控制器用于控制主动减重模块(2)的工作，被动减重控制器用于控制被动减重模块(3)的工作，偏移偏转控制器用于重心偏移和旋转模块(4)的工作。
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Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107149539A (zh) * | 2016-03-04 | 2017-09-12 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种支持全向移动的下肢康复助行机器人及控制方法 |
| CN107537136A (zh) * | 2017-02-13 | 2018-01-05 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种康复训练设备和方法 |
| CN107694013A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-02-16 | 航天科工智能机器人有限责任公司 | 一种用于患者下肢康复训练的减重支撑系统 |
| US20180071580A1 (en) * | 2016-09-12 | 2018-03-15 | Lunghwa University Of Science And Technology | Pneumatic lower extremity gait rehabilitation training system |
| CN108245380A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-07-06 | 西安交通大学 | 一种人体下肢康复训练机器人 |
| CN108272602A (zh) * | 2018-03-15 | 2018-07-13 | 哈工大机器人（合肥）国际创新研究院 | 一种下肢康复机器人悬吊减重装置 |
| CN109953761A (zh) * | 2017-12-22 | 2019-07-02 | 浙江大学 | 一种下肢康复机器人感知系统及运动意图推理方法 |
| CN110450135A (zh) * | 2019-07-30 | 2019-11-15 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种动态悬吊式体重支持系统 |
| CN110664585A (zh) * | 2019-09-26 | 2020-01-10 | 湖北文理学院 | 一种腰部控制机构及腰部康复机器人 |
| CN110934715A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-03-31 | 南京伟思医疗科技股份有限公司 | 一种实现下肢机器人与减重车协同运动的控制系统及方法 |
| CN211752206U (zh) * | 2019-11-18 | 2020-10-27 | 南京伟思医疗科技股份有限公司 | 一种辅助重心转移的康复减重步行训练车 |
| CN111939003A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-11-17 | 上海莱影医疗科技有限公司 | 下肢康复机器人 |
| CN112657127A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-16 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种康复训练用智能跑步机 |
| CN213311456U (zh) * | 2020-07-24 | 2021-06-01 | 北华大学 | 下肢康复训练机器人 |
| CN113226489A (zh) * | 2019-07-01 | 2021-08-06 | 株式会社海科识 | 步行自动化机器人系统 |
-
2021
- 2021-12-31 CN CN202111680027.6A patent/CN114344094A/zh active Pending
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107149539A (zh) * | 2016-03-04 | 2017-09-12 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种支持全向移动的下肢康复助行机器人及控制方法 |
| US20180071580A1 (en) * | 2016-09-12 | 2018-03-15 | Lunghwa University Of Science And Technology | Pneumatic lower extremity gait rehabilitation training system |
| CN107537136A (zh) * | 2017-02-13 | 2018-01-05 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种康复训练设备和方法 |
| CN107694013A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-02-16 | 航天科工智能机器人有限责任公司 | 一种用于患者下肢康复训练的减重支撑系统 |
| CN109953761A (zh) * | 2017-12-22 | 2019-07-02 | 浙江大学 | 一种下肢康复机器人感知系统及运动意图推理方法 |
| CN108245380A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-07-06 | 西安交通大学 | 一种人体下肢康复训练机器人 |
| CN108272602A (zh) * | 2018-03-15 | 2018-07-13 | 哈工大机器人（合肥）国际创新研究院 | 一种下肢康复机器人悬吊减重装置 |
| CN113226489A (zh) * | 2019-07-01 | 2021-08-06 | 株式会社海科识 | 步行自动化机器人系统 |
| CN110450135A (zh) * | 2019-07-30 | 2019-11-15 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 一种动态悬吊式体重支持系统 |
| CN110664585A (zh) * | 2019-09-26 | 2020-01-10 | 湖北文理学院 | 一种腰部控制机构及腰部康复机器人 |
| CN110934715A (zh) * | 2019-11-18 | 2020-03-31 | 南京伟思医疗科技股份有限公司 | 一种实现下肢机器人与减重车协同运动的控制系统及方法 |
| CN211752206U (zh) * | 2019-11-18 | 2020-10-27 | 南京伟思医疗科技股份有限公司 | 一种辅助重心转移的康复减重步行训练车 |
| CN111939003A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-11-17 | 上海莱影医疗科技有限公司 | 下肢康复机器人 |
| CN213311456U (zh) * | 2020-07-24 | 2021-06-01 | 北华大学 | 下肢康复训练机器人 |
| CN112657127A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-16 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种康复训练用智能跑步机 |
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