CN114831847B - 一种四支链并联机构颈部康复训练机器人及其力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种四支链并联机构颈部康复训练机器人及其力控制方法，主要包括第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器、肩部固定模块、头部固定模块、力控制系统；本发明采用四支链并联机构构型，四个支链为具有反向驱动能力的直线执行器，使得机器人可以实现无传感器的力控制，可对头部运动保持随动，提升了人机交互的柔顺性；四个执行器的电机独立控制，机器人可向头颈部施加多个自由度的动态载荷，可实现俯仰、侧偏及其复合动作模式下的助力或阻力对抗训练；本发明结构紧凑，可由医师随身携带出诊；自主执行能力，可由患者自行使用；增加网络通讯模块，可从云平台下载医师的治疗处方，并将诊疗数据上传至云平台，提高了医护诊疗效率。

Description

一种四支链并联机构颈部康复训练机器人及其力控制方法
技术领域
本发明涉及自动化康复训练设备及人体外骨骼机器人技术领域，特别是涉及一种四支链并联机构颈部康复训练机器人及其力控制方法。
背景技术
长时间伏案办公易造成颈椎不适，严重时出现疲劳过度反弓、韧带增厚、椎管狭窄等问题，压迫神经根和脊髓引起病变，出现与颈椎相关的综合症状，这类颈椎综合症的发病率在逐年升高并且呈年轻化趋势。另外，交通事故和运动冲击也容易引起颈部损伤。在颈椎病的治疗手段上，由于椎骨的结构复杂性和周边神经血管密布，一般采用牵引康复训练这种保守治疗方法。典型方式有人工康复训练、机械装置牵引康复训练和高端智能大型脊柱牵引康复床。现有的颈部牵引康复训练床式设备体积较大，需要在医疗机构内由医护人员操作，医护人员的劳动强度大，并且这种模式对医护人员数量需求大。另外还有一类依靠弹性元件或绳索悬挂重物构成的牵引装置，功能单一，康复牵引载荷的角度和大小不能实时动态调节，限制了诊疗处方的多样性。
随着老龄人口比例的提高，对医疗设施和医护人员的需求增加，若能增强医疗设备的易用性和自主性，让一位医师可以同时管理多位患者，则可以提高诊疗效率，改善病患和医护人员福利。现有技术虽然实现了设备小型化，降低了对使用环境的要求，便于医护人员出诊携带，也可由患者自行使用，有利于减小医护人员的劳动强度；不过受机构原理的限制，无法实现俯仰、侧偏多自由度混合的动态复合加载训练，机构对人体头颈部的运动适应性有限。另外，康复机器人与人体交互作用的柔顺性非常重要，为降低机器人成本和系统复杂度，在不采取高精度传感器进行补偿控制的条件下，机构对人体运动的随动性是实现柔顺交互的一项重要特性，这种随动性就要求机构具有反向驱动能力。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种四支链并联机构颈部康复训练机器人及其力控制方法。采用四支链并联机构构型，每个支链都为具有主动力控制功能的直线执行器，四个执行器可单独控制并可反向驱动。通过调整每个执行器的作用力，本发明可向颈部施加多自由度的动态载荷，实现俯仰、侧偏及其复合动作的牵引、运动助力或阻力对抗训练。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，包括第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器、肩部固定模块、头部固定模块；
所述第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器包括电机定子、电机动子、壳体连接器、联轴器、丝杠轴承、丝杠、丝杠螺母、圆筒壳体、空心输出轴、输出轴防转杆、直线轴承、直线轴承座；
所述壳体连接器一端与电机定子端面固定安装，另一端与圆筒壳体固定安装，并使得电机与圆筒壳体的轴心重合；
所述联轴器连接电机动子的前端输出轴与丝杠，使得丝杠与电机动子同步旋转；
所述输出轴防转杆的两端分别与壳体联轴器和直线轴承座固定安装；
所述丝杠螺母与空心输出轴固定连接，所述丝杠螺母侧面设置有凹槽，凹槽与输出轴防转杆形成滑动摩擦副，当电机驱动丝杠转时，丝杠螺母进行前后运动，与丝杠螺母固定连接的空心输出轴也同步地前后运动；
所述直线轴承安装于直线轴承座的圆柱形凹槽内，与空心输出轴外表面构成滑动摩擦副；
所述肩部固定模块包括左侧肩座、前连接板、右侧肩座、后连接板；
所述第一执行器可转动连接于左侧肩座的前部，所述第二执行器可转动连接于右侧肩座的前部，所述第三执行器可转动连接于右侧肩座的后部，所述第四执行器可转动连接于左侧肩座的后部；所述前连接板和后连接板的两端与所述左侧肩座和右侧肩座固定连接；
所述头部固定模块包括额部左侧固定半环、额部右侧固定半环、额部弹力连接带；
所述额部左侧固定半环和额部右侧固定半环通过所述额部弹力连接带相连构成圆环形结构，包围额部；
所述第一执行器和第四执行器可转动连接于所述额部左侧固定半环上，所述第二执行器和第三执行器可转动连接于额部右侧固定半环上。
在上述技术方案的基础上，所述第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器还包括尾部关节轴承、尾部连接器、输出端关节轴承、输出端关节轴承座；
所述尾部关节轴承、输出端关节轴承为耳环状；
所述尾部连接器与电机定子端部固定安装，尾部连接器设置圆柱形孔用于安装尾部关节轴承；
所述输出端关节轴承座与空心输出轴固定连接，并有圆柱形安装孔用于安装输出端关节轴承。
在上述技术方案的基础上，所述第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器还包括角度传感器，所述角度传感器包含定子和动子两部分，角度传感器定子与尾部连接器固定连接，角度传感器动子与电机动子尾部输出轴承固定连接；
在上述技术方案的基础上，所述左侧肩座、右侧肩座为拱门形结构，可适配肩部形状。
在上述技术方案的基础上，所述左侧肩座和右侧肩座的前后下部设置有长条孔，用于连接弹性固定带，固定带经过腋下将所述左侧肩座底板、右侧肩座底板、前连接板和后连接板组成的闭合结构稳定的固定于人体肩部。
在上述技术方案的基础上，所述左侧肩座前端安装有第一执行器肩部安装座、后端安装有第四执行器肩部安装座；所述右侧肩座前端安装有第二执行器肩部安装座、后端安装有第三执行器肩部安装座，分别用于连接第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器的尾部关节轴承。
在上述技术方案的基础上，所述头部固定模块还包括枕骨托板和下颚托板；
所述枕骨托板通过枕骨托板连接带与额部左侧固定半环和额部右侧固定半环连接，所述下颚托板通过下颚托板连接带与额部左侧固定半环和额部右侧固定半环连接，使得组合体包围整个头部。
在上述技术方案的基础上，所述额部左侧固定半环前端安装有第一执行器额部安装座、后端安装有第四执行器额部安装座，所述额部右侧固定半环；前端安装有第二执行器额部安装座、后端安装有第三执行器额部安装座；分别用于连接所述第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器的输出端关节轴承。
在上述技术方案的基础上，包括网络通讯模块和力控制系统；
所述网络通讯模块可从云平台下载医师的治疗处方；
所述力控制系统使用所述治疗处方生成对所述第一执行器、第二执行器、第三执行器、第四执行器的牵引指令。
在上述技术方案的基础上，提供一种四支链并联机构颈部康复训练机器人的力控制方法，包括如下步骤：
步骤一、并联机器人的安装及机构坐标系定义：将所述肩部固定模块安装于患者肩部，将所述头部固定模块安装于患者头部，将颈部骨骼和头部简化等效为一个球铰描述的两杆机构，定义身体随动坐标系{C_body}和颈部随动坐标系{C_neck}；
步骤二、运动学求解：利用四个支链执行器的角度传感器测量电机轴转角，通过丝杠传动比计算并联机构四个支链的长度，然后根据支链长度和人体关节行程约束进行运动学正解，求解并联机构头部固定模块四个连接点在{C_body}坐标系下的空间坐标；
将头部固定模块四个连接点标记为E、F、G和H，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为PE、PF、PG和PH；
将肩部固定模块四个连接点标记为A、B、C和D，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为PA、PB、PC和PD，求得并联机构四个支链的空间坐标向量，分别记为r1、r2、r3和r4，有：
r1＝PE-PA，r2＝PF-PB，r3＝PG-PC，r4＝PH-PD
步骤三、根据康复训练处方生成牵引力指令Ftrac：由于Ftrac是三维空间力矢量，因此可用三维空间坐标系下沿各坐标轴的分量表达为Ftrac＝(Ftx,Fty,Ftz)T；
步骤四、根据牵引力指令Ftrac和并联机器人四个支链的位姿向量计算四个支链执行器的作用力指令：由于支链执行器两端是通过关节轴承与肩部及头部固定模块连接，因此支链执行器只能提供沿其轴线方向的推拉力，定义四个支链作用力的标量值分别为F1、F2、F3和F4，则四个支链的作用力矢量为：
F1＝r1F1、F2＝r2F2、F3＝r3F3，F4＝r1F4
四个支链作用力的矢量和即为牵引力，有：
Ftrac＝r1F1+r2F2+r3F3+r4F4
步骤五、对每个支链进行力控制，定义电机旋转角速度ωm到执行器直线输出速度va的传动比关系为va＝Kaωm，则在忽略摩擦力和静态输出条件下，执行器输出力Fa与电机力矩Tm的关系为：
Fa＝Tm/Ka
根据四个支链需要的作用力计算电机的力矩，有：
T1＝KaF1、T2＝KaF2、T3＝KaF3、T4＝KaF4
根据需要的输出力矩T1、T2、T3、T4对四个执行器的电机分别进行控制。
本发明的有益效果：
本发明所述一种四支链并联机构颈部康复训练机器人结构紧凑、可由医师随身携带出诊，相比于大型的床式牵引康复设备，减少了对使用场地的要求；自主执行能力使得用户可自行在家中使用，减速了对医院康复床位的需求，降低了医护人员的劳动强度；设备的易用性能使得更多的患者在早期积极仅仅治疗，减少拖延现象，降低轻症转重的比例；在机器人增加网络通讯模块，使颈部康复训练机器人可从云平台下载医师的治疗处方，用户在家中即可进行康复训练，并将诊疗数据上传至云平台，由医师进行治疗效果评估，提高了医护诊疗效率。
本发明提供的颈部康复训练机器人及其力控制方法具有自主性、易用性、小型化以及动态多自由度牵引加载能力。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是本发明实施例公开的一种四支链并联机构颈部康复机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例公开的一种四支链并联机构颈部康复机器人的支链执行器的结构示意图；
图3是本发明实施例公开的一种四支链并联机构颈部康复机器人的肩部固定模块的结构示意图；
图4是本发明实施例公开的一种四支链并联机构颈部康复机器人的头部固定模块的结构示意图；
图5是本发明实施例公开的一种四支链并联机构颈部康复机器人的支链作用力示意图；
图6是本发明实施例公开的一种四支链并联机构颈部康复机器人的机构等效建模示意图；
其中：1，第一执行器；2，第二执行器；3，第三执行器；4，第四执行器；5，肩部固定模块；6，头部固定模块；101，尾部关节轴承；102，尾部连接器；103，角度传感器；104，电机定子；105，电机动子；106，壳体连接器；107，联轴器；108，丝杠轴承；109，丝杠；110，丝杠螺母；111，圆筒壳体；112，空心输出轴；113，输出轴防转杆；114，直线轴承；115，直线轴承座；116，输出端关节轴承；117，输出端关节轴承座；501，左侧肩座；502，前连接板；503，右侧肩座；504，后连接板；505，第一执行器肩部安装座；506，第二执行器肩部安装座；507，第三执行器肩部安装座；508，第四执行器肩部安装座；601，额部左侧固定半环；602，额部右侧固定半环；603，枕骨托板；604，下颚托板；605，额部弹力连接带；606，枕骨托板连接带；607，下颚托板连接带；608，第一执行器额部安装座；609，第二执行器额部安装座；610，第三执行器额部安装座；611，第四执行器额部安装座。
具体实施方式
以下结合图1-图6对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4，一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，包括第一执行器1、第二执行器2、第三执行器3、第四执行器4、肩部固定模块5、头部固定模块6；
所述第一执行器1、第二执行器2、第三执行器3、第四执行器4包括电机定子104、电机动子105、壳体连接器106、联轴器107、丝杠轴承108、丝杠109、丝杠螺母110、圆筒壳体111、空心输出轴112、输出轴防转杆113、直线轴承116、直线轴承座117；
所述壳体连接器106一端与电机定子104端面固定安装，另一端与圆筒壳体111固定安装，并使得电机与圆筒壳体111的轴心重合；
所述联轴器107连接电机动子105的前端输出轴与丝杠109，使得丝杠109与电机动子105同步旋转；
所述输出轴防转杆113的两端分别与壳体联轴器107和直线轴承座117固定安装；
所述丝杠螺母110与空心输出轴112固定连接，所述丝杠螺母110侧面设置有凹槽，凹槽与输出轴防转杆113形成滑动摩擦副，当电机驱动丝杠109转时，丝杠螺母110进行前后运动，与丝杠螺母110固定连接的空心输出轴112也同步地前后运动；
所述直线轴承116安装于直线轴承座117的圆柱形凹槽内，与空心输出轴112外表面构成滑动摩擦副；
所述肩部固定模块5包括左侧肩座501、前连接板502、右侧肩座503、后连接板504；
所述第一执行器1可转动连接于左侧肩座501的前部，所述第二执行器2可转动连接于右侧肩座503的前部，所述第三执行器3可转动连接于右侧肩座503的后部，所述第四执行器4可转动连接于左侧肩座501的后部；所述前连接板502和后连接板504的两端与所述左侧肩座501和右侧肩座503固定连接；
所述头部固定模块6包括额部左侧固定半环601、额部右侧固定半环602、额部弹力连接带605；
所述额部左侧固定半环601和额部右侧固定半环602通过所述额部弹力连接带605相连构成圆环形结构，包围额部；
所述第一执行器1和第四执行器4可转动连接于所述额部左侧固定半环601上，所述第二执行器2和第三执行器3可转动连接于额部右侧固定半环602上。
在上述技术方案的基础上，所述第一执行器1、第二执行器2、第三执行器3、第四执行器4还包括尾部关节轴承101、尾部连接器102、输出端关节轴承116、输出端关节轴承座117；
所述尾部连接器102与电机定子104端部固定安装，尾部连接器102设置圆柱形孔用于安装尾部关节轴承101；
所述输出端关节轴承座117与空心输出轴112固定连接，并有圆柱形安装孔用于安装输出端关节轴承116。
在上述技术方案的基础上，所述第一执行器1、第二执行器2、第三执行器3、第四执行器4还包括角度传感器103，所述角度传感器103包含定子和动子两部分，角度传感器103定子与尾部连接器102固定连接，角度传感器103动子与电机动子尾部输出轴承101固定连接；
在上述技术方案的基础上，所述左侧肩座501、右侧肩座503为拱门形结构，可适配肩部形状。优选地可采用具有弹性的材料，提高对不同体型使用者的适配性。
在上述技术方案的基础上，所述左侧肩座501和右侧肩座503的前后下部设置有长条孔，用于连接弹性固定带，固定带经过腋下将所述左侧肩座501底板、右侧肩座503底板、前连接板502和后连接板502组成的闭合结构稳定的固定于人体肩部。
在上述技术方案的基础上，所述左侧肩座501前端安装有第一执行器肩部安装座505、后端安装有第四执行器肩部安装座508；所述右侧肩座503前端安装有第二执行器肩部安装座506、后端安装有第三执行器肩部安装座507，分别用于连接第一执行器1、第二执行器2、第三执行器3、第四执行器4的尾部关节轴承101。
在上述技术方案的基础上，所述头部固定模块6还包括枕骨托板603和下颚托板604；
所述枕骨托板603通过枕骨托板连接带606与额部左侧固定半环601和额部右侧固定半环602连接，所述下颚托板604通过下颚托板连接带607与额部左侧固定半环601和额部右侧固定半环602连接，使得组合体包围整个头部。
在上述技术方案的基础上，所述额部左侧固定半环601前端安装有第一执行器额部安装座608、后端安装有第四执行器额部安装座611，所述额部右侧固定半环602；前端安装有第二执行器额部安装座609、后端安装有第三执行器额部安装座610；分别用于连接所述第一执行器1、第二执行器2、第三执行器3、第四执行器4的输出端关节轴承116。四个执行器的动子末端通过输出端关节轴承116与执行器额部安装座的销轴构成可转动连接；执行器的作用载荷通过额部安装座传递给头部固定模块，对颈部产生牵引康复训练作用。
在上述技术方案的基础上，包括网络通讯模块和力控制系统；
所述网络通讯模块可从云平台下载医师的治疗处方；
所述力控制系统使用所述治疗处方生成对所述第一执行器1、第二执行器2、第三执行器3、第四执行器4的牵引指令。
在另一个实施例中，机器人的四个支链的执行器采用旋转电机转直线的小减速比传动方案或直线电机直驱方案，使得执行器可反向驱动，进而使得机器人对头颈部运动具有随动性，并可以实现无需力传感器的机器人力控制，提升人机交互的柔顺性。
如图5、图6，在上述技术方案的基础上，一种四支链并联机构颈部康复训练机器人的力控制方法，包括如下步骤：
步骤一、并联机器人的安装及机构坐标系定义：将所述肩部固定模块5安装于患者肩部，将所述头部固定模块6安装于患者头部，将颈部骨骼和头部简化等效为一个球铰描述的两杆机构，定义身体随动坐标系{C_body}和颈部随动坐标系{C_neck}；
步骤二、运动学求解：利用四个支链执行器的角度传感器103测量电机轴转角，通过丝杠109传动比计算并联机构四个支链的长度，然后根据支链长度和人体关节行程约束进行运动学正解，求解并联机构头部固定模块四个连接点在{C_body}坐标系下的空间坐标；
为便于描述，将矢量和矩阵用粗体符号表示，标量用非粗体符号表示。
将头部固定模块6四个连接点标记为E、F、G和H，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为PE、PF、PG和PH；
将肩部固定模块5四个连接点标记为A、B、C和D，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为PA、PB、PC和PD，求得并联机构四个支链的空间坐标向量，分别记为r1、r2、r3和r4，有：
r1＝PE-PA，r2＝PF-PB，r3＝PG-PC，r4＝PH-PD
步骤三、根据康复训练处方生成牵引力指令Ftrac：由于Ftrac是三维空间力矢量，因此可用三维空间坐标系下沿各坐标轴的分量表达为Ftrac＝(Ftx,Fty,Ftz)T；
步骤四、根据牵引力指令Ftrac和并联机器人四个支链的位姿向量计算四个支链执行器的作用力指令：由于支链执行器两端是通过关节轴承与肩部及头部固定模块连接，因此支链执行器只能提供沿其轴线方向的推拉力，定义四个支链作用力的标量值分别为F1、F2、F3和F4，则四个支链的作用力矢量为：
F1＝r1F1、F2＝r2F2、F3＝r3F3，F4＝r1F4
四个支链作用力的矢量和即为牵引力，有：
Ftrac＝r1F1+r2F2+r3F3+r4F4
步骤五、对每个支链进行力控制，定义电机旋转角速度ωm到执行器直线输出速度va的传动比关系为va＝Kaωm，则在忽略摩擦力和静态输出条件下，执行器输出力Fa与电机力矩Tm的关系为：
Fa＝Tm/Ka
根据四个支链需要的作用力计算电机的力矩，有：
T1＝KaF1、T2＝KaF2、T3＝KaF3、T4＝KaF4
根据需要的输出力矩T1、T2、T3、T4对四个执行器的电机分别进行控制。
电机控制方法可采用磁场定向矢量控制(Field OrientedControl,FOC)方法和直接力矩控制(Direct Torque Control,DTC)方法。
以上实施方式仅用于说明本发明专利，而并非对本发明专利的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明专利的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明专利的范畴，本发明专利的专利保护范围应由权利要求限定。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，包括第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)、肩部固定模块(5)、头部固定模块(6)；
所述第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)包括电机定子(104)、电机动子(105)、壳体连接器(106)、联轴器(107)、丝杠轴承(108)、丝杠(109)、丝杠螺母(110)、圆筒壳体(111)、空心输出轴(112)、输出轴防转杆(113)、直线轴承(114)、直线轴承座(115)；
所述壳体连接器(106)一端与电机定子(104)端面固定安装，另一端与圆筒壳体(111)固定安装，并使得电机与圆筒壳体(111)的轴心重合；
所述联轴器(107)连接电机动子(105)的前端输出轴与丝杠(109)，使得丝杠(109)与电机动子(105)同步旋转；
所述输出轴防转杆(113)的两端分别与壳体联轴器(107)和直线轴承座(115)固定安装；
所述丝杠螺母(110)与空心输出轴(112)固定连接，所述丝杠螺母(110)侧面设置有凹槽，凹槽与输出轴防转杆(113)形成滑动摩擦副，当电机驱动丝杠(109)转时，丝杠螺母(110)进行前后运动，与丝杠螺母(110)固定连接的空心输出轴(112)也同步地前后运动；
所述直线轴承(114)安装于直线轴承座(115)的圆柱形凹槽内，与空心输出轴(112)外表面构成滑动摩擦副；
所述肩部固定模块(5)包括左侧肩座(501)、前连接板(502)、右侧肩座(503)、后连接板(504)；
所述第一执行器(1)可转动连接于左侧肩座(501)的前部，所述第二执行器(2)可转动连接于右侧肩座(503)的前部，所述第三执行器(3)可转动连接于右侧肩座(503)的后部，所述第四执行器(4)可转动连接于左侧肩座(501)的后部；所述前连接板(502)和后连接板(504)的两端与所述左侧肩座(501)和右侧肩座(503)固定连接；
所述头部固定模块(6)包括额部左侧固定半环(601)、额部右侧固定半环(602)、额部弹力连接带(605)；
所述额部左侧固定半环(601)和额部右侧固定半环(602)通过所述额部弹力连接带(605)相连构成圆环形结构，包围额部；
所述第一执行器(1)和第四执行器(4)可转动连接于所述额部左侧固定半环(601)上，所述第二执行器(2)和第三执行器(3)可转动连接于额部右侧固定半环(602)上；
康复训练机器人的控制方法，包括如下步骤：
步骤一、并联机器人的安装及机构坐标系定义：将所述肩部固定模块(5)安装于患者肩部，将所述头部固定模块(6)安装于患者头部，将颈部骨骼和头部简化等效为一个球铰描述的两杆机构，定义身体随动坐标系{C_body}和颈部随动坐标系{C_neck}；
步骤二、运动学求解：利用四个支链执行器的角度传感器(103)测量电机轴转角，通过丝杠(109)传动比计算并联机构四个支链的长度，然后根据支链长度和人体关节行程约束进行运动学正解，求解并联机构头部固定模块四个连接点在{C_body}坐标系下的空间坐标；
将头部固定模块(6)四个连接点标记为E、F、G和H，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为PE、PF、PG和PH；
将肩部固定模块(5)四个连接点标记为A、B、C和D，记四个点在{C_body}坐标系的坐标分别为PA、PB、PC和PD，求得并联机构四个支链的空间坐标向量，分别记为r1、r2、r3和r4，有：
r1＝PE-PA，r2＝PF-PB，r3＝PG-PC，r4＝PH-PD
步骤三、根据康复训练处方生成牵引力指令Ftrac：由于Ftrac是三维空间力矢量，因此可用三维空间坐标系下沿各坐标轴的分量表达为Ftrac＝(Ftx,Fty,Ftz)T；
步骤四、根据牵引力指令Ftrac和并联机器人四个支链的位姿向量计算四个支链执行器的作用力指令：
定义四个支链作用力的标量值分别为F1、F2、F3和F4，则四个支链的作用力矢量为：
F1＝r1F1、F2＝r2F2、F3＝r3F3，F4＝r1F4
四个支链作用力的矢量和即为牵引力，有：
Ftrac＝r1F1+r2F2+r3F3+r4F4
步骤五、对每个支链进行力控制，定义电机旋转角速度ωm到执行器直线输出速度va的传动比关系为va＝Kaωm，则在忽略摩擦力和静态输出条件下，执行器输出力Fa与电机力矩Tm的关系为：
Fa＝Tm/Ka
根据四个支链需要的作用力计算电机的力矩，有：
T1＝KaF1、T2＝KaF2、T3＝KaF3、T4＝KaF4
根据需要的输出力矩T1、T2、T3、T4对四个执行器的电机分别进行控制。
2.如权利要求1所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，所述第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)还包括尾部关节轴承(101)、尾部连接器(102)、输出端关节轴承(116)、输出端关节轴承座(117)；
所述尾部连接器(102)与电机定子(104)端部固定安装，尾部连接器(102)设置圆柱形孔用于安装尾部关节轴承(101)；
所述输出端关节轴承座(117)与空心输出轴(112)固定连接，并有圆柱形安装孔用于安装输出端关节轴承(116)。
3.如权利要求2所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，所述第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)还包括角度传感器(103)，所述角度传感器(103)包含定子和动子两部分，角度传感器(103)定子与尾部连接器(102)固定连接，角度传感器(103)动子与电机动子尾部关节轴承(101)固定连接。
4.如权利要求1所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，所述左侧肩座(501)、右侧肩座(503)为拱门形结构，可适配肩部形状。
5.如权利要求4所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，所述左侧肩座(501)和右侧肩座(503)的前、后、下部设置有长条孔，用于连接弹性固定带，固定带经过人体腋下将所述左侧肩座(501)底板、右侧肩座(503)底板、前连接板(502)和后连接板(504)组成的闭合结构稳定的固定于人体肩部。
6.如权利要求2所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，所述左侧肩座(501)前端安装有第一执行器肩部安装座(505)、后端安装有第四执行器肩部安装座(508)；所述右侧肩座(503)前端安装有第二执行器肩部安装座(506)、后端安装有第三执行器肩部安装座(507)，分别用于连接第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)的尾部关节轴承(101)。
7.如权利要求1所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，所述头部固定模块(6)还包括枕骨托板(603)和下颚托板(604)；
所述枕骨托板(603)通过枕骨托板连接带(606)与额部左侧固定半环(601)和额部右侧固定半环(602)连接，所述下颚托板(604)通过下颚托板连接带(607)与额部左侧固定半环(601)和额部右侧固定半环(602)连接，使得组合体包围整个头部。
8.如权利要求2所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，所述额部左侧固定半环(601)前端安装有第一执行器额部安装座(608)、后端安装有第四执行器额部安装座(611)，所述额部右侧固定半环(602)；前端安装有第二执行器额部安装座(609)、后端安装有第三执行器额部安装座(610)；分别用于连接所述第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)的输出端关节轴承(116)。
9.如权利要求1所述的一种四支链并联机构颈部康复训练机器人，其特征在于，包括网络通讯模块和力控制系统；
所述网络通讯模块可从云平台下载医师的治疗处方；
所述力控制系统使用所述治疗处方生成对所述第一执行器(1)、第二执行器(2)、第三执行器(3)、第四执行器(4)的牵引指令。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116308949A (zh) * 2023-02-21 2023-06-23 京大(北京)技术有限公司 一种社区居家型康复训练机器人

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3184447U (ja) * 2013-04-16 2013-06-27 サバンジ・ウニヴェルシテシ 非接地の足首治療及び測定外骨格型装置
CN203252780U (zh) * 2013-04-27 2013-10-30 赵枫 一种电动可调式牵引头颈胸支具
CA2975213A1 (en) * 2015-02-12 2016-08-18 Jonathan Cook Head and neck support and restraint system
CN105974797A (zh) * 2016-07-01 2016-09-28 厦门大学 考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法
CN107050763A (zh) * 2017-06-14 2017-08-18 韶关星火创客科技有限公司 一种新型踝关节康复机器人其控制方法
CN108445764A (zh) * 2018-03-23 2018-08-24 吉林大学 Stewart平台的主动柔顺控制策略
CN109223444A (zh) * 2018-10-23 2019-01-18 上海电气集团股份有限公司 康复机器人及其人机协同交互力控制方法
CN109662867A (zh) * 2019-02-22 2019-04-23 苏州大学 基于Stewart平台改进的脚踝康复机构
CN112107405A (zh) * 2020-10-13 2020-12-22 上海理工大学 一种穿戴式多功能颈椎康复动力外骨骼
WO2021260448A1 (es) * 2020-11-20 2021-12-30 Universidad Santiago De Cali Plataforma robótica para hipoterapia y método de evaluación cognitiva y estimulación

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3957040A (en) * 1974-12-16 1976-05-18 Charles Greiner & Company Cervical brace
CN2158704Y (zh) * 1992-12-23 1994-03-16 刘新亮 便携式颈椎枕-颌带气力牵引器
AT502864A3 (de) * 2004-10-11 2008-08-15 Ehrenleitner Franz Parallelkinematischer roboter
CN101494405B (zh) * 2008-12-19 2011-03-16 杭州电子科技大学 位置跟踪式纠偏伺服执行器
RU137644U1 (ru) * 2013-07-18 2014-02-20 Закрытое акционерное общество "Орбита" Электропривод линейного перемещения
CN106422195B (zh) * 2016-10-09 2019-10-01 中国人民解放军海军总医院 一种颈肌训练器
CN107361896A (zh) * 2017-08-10 2017-11-21 深圳市中医院 颈部牵引装置
CN108056898B (zh) * 2017-12-21 2020-11-20 东南大学 基于下肢连杆模型和力觉信息的虚拟场景交互式康复训练机器人及其控制方法
CN109093600B (zh) * 2018-09-11 2021-06-18 河北科技大学 圆钢端面贴标五自由度混联机器人尺度综合方法
CN109498350B (zh) * 2018-11-09 2020-10-30 许昌学院 一种全方位临床用头部托起装置及其使用方法
KR102159449B1 (ko) * 2019-04-03 2020-09-23 경남대학교 산학협력단 목디스크 치료용 병렬로봇형 웨어러블 장치
CN111135012A (zh) * 2019-12-23 2020-05-12 中国科学院宁波工业技术研究院慈溪生物医学工程研究所 一种基于手部康复训练装置的训练方法
CN113491606A (zh) * 2020-04-08 2021-10-12 刘新书 背负式颈椎牵引、矫正、热敷、按摩器
CN112043482A (zh) * 2020-10-13 2020-12-08 上海理工大学 一种基于中医推拿手法的智能穿戴式颈椎外骨骼治疗仪
CN113681543B (zh) * 2021-08-25 2023-02-24 深圳亿嘉和科技研发有限公司 一种基于模型预测的机械臂零力控制方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3184447U (ja) * 2013-04-16 2013-06-27 サバンジ・ウニヴェルシテシ 非接地の足首治療及び測定外骨格型装置
CN203252780U (zh) * 2013-04-27 2013-10-30 赵枫 一种电动可调式牵引头颈胸支具
CA2975213A1 (en) * 2015-02-12 2016-08-18 Jonathan Cook Head and neck support and restraint system
CN105974797A (zh) * 2016-07-01 2016-09-28 厦门大学 考虑弹性影响与补偿的绳牵引并联机器人运动控制方法
CN107050763A (zh) * 2017-06-14 2017-08-18 韶关星火创客科技有限公司 一种新型踝关节康复机器人其控制方法
CN108445764A (zh) * 2018-03-23 2018-08-24 吉林大学 Stewart平台的主动柔顺控制策略
CN109223444A (zh) * 2018-10-23 2019-01-18 上海电气集团股份有限公司 康复机器人及其人机协同交互力控制方法
CN109662867A (zh) * 2019-02-22 2019-04-23 苏州大学 基于Stewart平台改进的脚踝康复机构
CN112107405A (zh) * 2020-10-13 2020-12-22 上海理工大学 一种穿戴式多功能颈椎康复动力外骨骼
WO2021260448A1 (es) * 2020-11-20 2021-12-30 Universidad Santiago De Cali Plataforma robótica para hipoterapia y método de evaluación cognitiva y estimulación

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