CN114949762B - 一种sea驱动的便携式颈肌训练器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SEA驱动的便携式颈肌训练器及其控制方法，包括佩戴在人体头部上用于牵引的柔性头套、通过钢丝绳组件与柔性头套相连的SEA驱动组件、用于固定SEA驱动组件的外壳组件、与外壳组件相连且用于将外壳组件固定夹紧的定紧组件以及控制器，控制器控制SEA驱动组件转动产生拉力拉动钢丝绳组件佩戴柔性头套的人体头部受到拉力，进行阻抗训练。本发明可解决了现在颈肌训练装置阻尼难以控制规划，便携性与训练数据监测无法兼顾的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种训练器，尤其涉及一种SEA驱动的便携式颈肌训练器及其控制方法。
背景技术
颈部伤病是一类由于颈部椎体、骨关节及其附着韧带和肌群异常所引起的一系列疾患的统称。颈部伤病治疗周期长，比较难治愈，容易复发。因此在积极治疗颈部伤病的同时，更应重视颈部伤病的预防，树立“治未病”的观念。
个人缺乏锻炼，或是平时不注意身体姿势，使身体过度或长期处于不良姿势都会加速脊柱的退化，从而造成承受力下降，最常见的表现就是颈部疼痛或伤病。个人能力的下降又造成颈部稳定性的基础丧失，更加重了颈部伤病，使个体陷入恶性循环。实践研究结果显示，开展颈椎周围肌肉组织的抗阻训练，增加颈椎周围肌肉力量、运动幅度以及各肌肉群之间的协调能力，能维持颈椎稳定性，是预防颈椎病的有效手段。
目前我国使用的颈部肌肉训练设备，以座椅式加头部固定环来进行砝码式或液压式的抗阻训练，主要配发了部分疗养院，大部分场站和飞行部队均未配备，主要原因有设备体量大不便携带、需要固定场所、训练体验感较差，并且这些设备大多为纯机械结构，可调性较差。而国外虽然有使用可控阻尼发生器来自动控制阻尼进行训练的训练设备，但其体积也比较庞大。
随着人机交互技术的发展，特别是随着近年来对外骨骼机器人、外肢体机器人、康复机器人等设备的研究，人机力交互控制技术越来越成熟，安全性也有了巨大提升，特别是SEA(弹性串联驱动器)等技术的发展，使得机器人与人交互时具有了较高可靠度的柔性，这为力控锻炼装置的研究奠定了基础。
在专利号为CN201020517055.7的实用新型专利中，公布了一种颈肌训练器，该训练器现配备于各大空军疗养院，用于飞行员颈部肌肉训练及测试。其可实现前后屈伸和左右屈伸两种颈部动作的阻抗训练，但其阻尼生成依靠液压缓冲装置，阻力无法精确控制，且装置整体体型庞大，无法满足日常训练的需要。
在专利号为CN202110218122.8的发明专利中，公布了一种颈部训练康复帽及其训练方法，该装置使用弹性绳作为阻尼发生元件，具有一定便携性，但其功能简单，阻力依靠更换弹性带进行调节，且没有训练数据检测功能，无法对不同训练者进行针对性的调节。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，可解决了现在颈肌训练装置阻尼难以控制规划，便携性与训练数据监测无法兼顾的问题。
本发明的第二目的是提供一种SEA驱动的便携式颈肌训练器的控制方法。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，包括佩戴在人体头部上用于牵引的柔性头套、通过钢丝绳组件与柔性头套相连的SEA驱动组件、用于固定SEA驱动组件的外壳组件、与外壳组件相连且用于将外壳组件固定夹紧的定紧组件以及控制器，控制器控制SEA驱动组件转动产生拉力拉动钢丝绳组件佩戴柔性头套的人体头部受到拉力，进行阻抗训练。
其中SEA驱动组件包括伺服驱动器、与伺服驱动器输出端固定相连的弹性输入输出元件、与弹性输入输出元件固定连接的凸出法兰、内圈与凸出法兰固定连接的绝对式磁旋转编码器、外圈与凸出法兰固定连接的力矩传感器以及与力矩传感器内圈固定连接的绕线轮；伺服驱动器输出端转动时，通过弹性输入输出元件带动凸台法兰转动，并带动绕线轮转动；其中绝对式磁旋转编码器采集的信号和力矩传感器采集的信号均传送至控制器。
优选的，弹性输入输出元件包括与伺服驱动器固定连接的外圈固定壳、外圈与外圈固定壳过盈配合连接的涡卷弹簧以及与涡卷弹簧内圈过盈配合连接的心轴法兰，心轴法兰与凸台法兰固定连接。
再者，绕线轮上固定连接有压线块。
进一步，钢丝绳组件包括包塑钢丝绳、钢丝绳卡扣和登山扣，包塑钢丝绳末端穿过登山扣，折回后使用钢丝绳卡扣将末端卡紧；登山扣可挂载于柔性头套的不同锚点上；包塑钢丝绳首端通过压线块固定，并绕设在绕线轮上。
优选的，定紧组件包括用于夹持外部静物的U型板、穿设在U型板顶板上的方头螺杆、与方头螺杆的首端固定连接的六边形手盘以及与方头螺杆末端固定连接的弹性压板，旋转六边形手盘时，方头螺杆可在U型板内侧做直线运动，控制弹性压板与U型板底板的距离，使定紧组件可夹持在外部静物上。
再者，外壳组件包括与定紧组件相固定连接的L型板、与L型板固定连接的外壁套筒、与L型板固定连接的轴承支架、与外壁套筒固定连接的盖板、设置于盖板上且与轴承支架相对应的凸台，位于凸台上的一对短轴以及穿设在短轴上的一对带槽轴承，带槽轴承内圈穿过短轴，并由凸台与轴承支架限制一对带槽轴承内圈的轴向运动，使带槽轴承内圈与盖板固定连接，带槽轴承外圈可自由转动。
进一步，带槽轴承装配后与竖直方向有一定夹角。
优选的，柔性头套内置蓝牙陀螺仪。
本发明一种SEA驱动的便携式颈肌训练器的控制方法，包括如下步骤：
S1：控制器接收上位机软件通过蓝牙发送的训练强度系数K、个人颈部长度系数L以及训练开始指令；
S2：控制器根据训练强度系数K、个人颈部长度L制定训练过程中的阻力变化曲线，其规律依据公式(1)，
其中K为训练强度系数，L为个人颈部长度系数，Md(t)为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，θ(t)为不同时刻下使用柔性头套内的蓝牙陀螺仪测得的头部运动时轴线相对水平面的夹角，Q(θ(t))为预设的肌肉训练最适力矩模型；
S3：SEA驱动组件中的伺服驱动器接受由控制器发送的位置指令，根据位置指令旋转运动到相应位置角度；其位置α(t)由控制器根据如下导纳力跟踪控制计算生成：
ΔM(t)＝Md(t)-Me(t) (2)
公式(2)到公式(5)中，ΔM(t)为力控误差，Md(t)为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，Me(t)为力矩传感器反馈的力矩，为伺服驱动器角加速度，/>为绝对式磁旋转编码器反馈的角加速度，mY为导纳控制质量系数，bY为导纳控制阻尼系数，/>为伺服驱动器上一控制周期的角速度，/>为绝对式磁旋转编码器反馈的角速度，/>为伺服驱动器角速度，T为控制周期时长，α(t)为伺服驱动器角度位置，α(t-1)为伺服驱动器上一控制周期的角度位置；控制器将监测到的数据反馈给上位机。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明使用SEA驱动机构产生训练力，实现了训练力在整个运动过程中可控，并保证了断电安全性及人机柔顺力交互；本发明利用拉绳牵引的方式传递训练力，有效降低了设备收纳体积，同时保证了人体训练时运动数据的采集精度；本发明采用位置伺服驱动器，利用导纳控制实现力跟踪，相比传统的电流控制方案提高了控制精度与响应速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中定紧组件的结构示意图；
图3为本发明中SEA驱动组件的结构示意图；
图4为本发明中SEA驱动组件的爆炸示意图；
图5为本发明中弹性输入输出元件的底部爆炸示意图；
图6为本发明中弹性输入输出元件的上侧爆炸示意图；
图7为本发明中外壳组件的结构示意图；
图8为本发明中外壳组件的爆炸示意图；
图9为本发明中钢丝绳组件的结构示意图；
图10为本发明中导纳力跟踪控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图9所示，本发明一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，包括柔性头套1、钢丝绳组件2、SEA驱动组件3、外壳组件4、定紧组件5和控制器。柔性头套1佩戴在人体头部上用于牵引头颈，SEA驱动组件3通过钢丝绳组件2与柔性头套1相连，连接方式为将包塑钢丝绳201放置于SEA驱动组件3中的压线块309与绕线轮305之间，然后用螺栓连接将压线块309与绕线轮305压紧，从而固定包塑钢丝绳201。
如图7和图8所示，外壳组件4用于固定SEA驱动组件3，SEA驱动组件3中的伺服驱动器301外壳与外壳组件4通过螺栓固定连接；定紧组件5与外壳组件4通过螺栓固定连接，定紧组件5用于将外壳组件4固定夹紧于外部静物上，控制器控制SEA驱动组件3转动产生拉力拉动钢丝绳组件2佩戴柔性头套1的人体头部受到拉力，进行阻抗训练。
如图9所示，钢丝绳组件2包括包塑钢丝绳201、钢丝绳卡扣202和登山扣203；其中包塑钢丝绳201末端穿过登山扣203，折回后使用钢丝绳卡扣202将末端卡紧；登山扣203可挂载于柔性头套1的不同锚点上；其中柔性头套1使用时与人体头部固定，其内置有蓝牙陀螺仪，可以将当前头部的三维角度信号反馈给控制器。
如图3、图4、图5和图6所示，SEA驱动组件3包括伺服驱动器301、弹性输入输出元件、凸台法兰302、绝对式磁旋转编码器303、力矩传感器304、绕线轮305和压线块309，弹性输入输出元件包括外圈固定壳306、涡卷弹簧307和心轴法兰308。其中压线块309与绕线轮305通过螺栓固定连接；绕线轮305与力矩传感器304的外圈通过螺栓固定连接；力矩传感器304内圈与凸台法兰302通过螺栓固定连接；凸台法兰302与心轴法兰308通过螺栓固定连接；心轴法兰308与绝对式磁旋转编码器303内圈通过螺栓固定连接；心轴法兰308下端轴部中心开有一矩形深槽，心轴法兰308通过该深槽与涡卷弹簧307过盈固定连接；外圈固定壳306内部有3个短立柱，涡卷弹簧307外圈与外圈固定壳306通过将外圈末端嵌入短立柱缝隙进行过盈固定连接；外圈固定壳306与伺服驱动器301输出端通过螺栓固定连接。
其中心轴法兰308、涡卷弹簧307、外圈固定壳306共同组成SEA中的弹性输入输出元件，心轴法兰308相对外圈固定壳306可进行旋转运动并拥有小刚度弹簧运动特性；弹性输入输出元件使得电机输出的力矩不直接作用在人体上，增加了人机交互力的柔性，减小了环境变化或电流不稳定时装置对人体的冲击；同时相比刚性驱动系统，弹性输入输出元件的输出端与输入端的位置差值较大，便于传感器测量并用于导纳力跟踪控制。
其中绝对式磁旋转编码器303外圈与外壳组件4中的外壁套筒402固定连接，使得在绝对式磁旋转编码器303内圈随伺服驱动器301旋转时外圈静止，从而使得绝对式磁旋转编码器303获取弹性输入输出元件的输出端，同时也是绕线轮305的角度、角速度以及角加速度并反馈给控制器；
伺服驱动器301内部置有减速器、编码器、位置伺服控制器，可实现位置环的无静差控制；力矩传感器304可向控制器反馈其内圈与外圈的相互作用力矩。
外壳组件4包括L型板401、外壁套筒402、轴承支架403、盖板404、凸台405、一对短轴406和一对带槽轴承407。其中L型板401与外壁套筒402通过螺栓固定连接；L型板401与轴承支架403通过螺栓固定连接；外壁套筒402与盖板404通过螺栓固定连接；盖板404上有两短轴406，带槽轴承407的内圈穿过短轴406，并由盖板404上的凸台405与轴承支架403限制带槽轴承407内圈的轴向运动，使带槽轴承407内圈与盖板404固定连接，外圈可自由转动；其中外壁套筒402内侧中部有一层环状板，用于与绝对式磁旋转编码器303外圈固定连接；其中带槽轴承407装配后与竖直方向有一定夹角，其作用是保证两带槽轴承同时与包塑钢丝绳201接触，减小包塑钢丝绳201在外壳组件4内部部分的抖动。
如图2所示，定紧组件5包括U型板501、方头螺杆502、六边形手盘503和弹性压板504，其中弹性压板504一端开有未贯通的螺纹孔，通过螺纹孔与方头螺杆502固定连接；U型板501一端开有螺纹通孔，通过螺纹通孔与方头螺杆502连接；方头螺杆502主体部分为螺杆，螺杆一端为正方体小块，正方体小块末端开有一螺纹孔，六边形手盘503内侧中心开有一正方体凹槽，凹槽底部有一螺纹间隙空，方头螺杆502一端的正方体小块插入六边形手盘503的正方体凹槽中，再使用螺栓固定连接；其中定紧组件5装配后转动六边形手盘503即可使弹性压板504上下移动，从而使定紧组件5能够夹持在桌子、窗台、门框等板状静物上。
如图10所示，一种SEA驱动的便携式颈肌训练器的控制方法，包括如下步骤：
S1：控制器接收上位机软件通过蓝牙发送的训练强度系数K、个人颈部长度系数L以及训练开始指令；
S2：控制器根据训练强度系数K、个人颈部长度L制定训练过程中的阻力变化曲线，其规律依据公式(1)，
其中K为训练强度系数，L为个人颈部长度系数，Md(t)为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，θ(t)为不同时刻下使用柔性头套内的蓝牙陀螺仪测得的头部运动时轴线相对水平面的夹角，Q(θ(t))为预设的肌肉训练最适力矩模型；肌肉训练最适力矩模型可根据肌动学关节两端垂直时肌力最大而设计的模型Q(θ(t))＝Q0-kq sinθ(t)，Q0为初始力矩模型常数，kq为肌力矫正系数，Q(θ(t))也可由使用者个人规划；
S3：SEA驱动组件中的伺服驱动器接受由控制器发送的位置指令，根据位置指令旋转运动到相应位置角度；其位置α(t)由控制器根据如下导纳力跟踪控制计算生成：
ΔM(t)＝Md(t)-Me(t) (2)
公式(2)到公式(5)中，ΔM(t)为力控误差，Md(t)为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，Me(t)为力矩传感器反馈的力矩，为伺服驱动器角加速度，/>为绝对式磁旋转编码器反馈的角加速度，mY为导纳控制质量系数，bY为导纳控制阻尼系数，/>为伺服驱动器上一控制周期的角速度，/>为绝对式磁旋转编码器反馈的角速度，/>为伺服驱动器角速度，T为控制周期时长，α(t)为伺服驱动器角度位置，α(t-1)为伺服驱动器上一控制周期的角度位置；控制器将监测到的数据反馈给上位机。
其中，公式(3)是为了使系统具有弹簧阻尼质量块系统性质，从而增大SEA驱动系统的柔顺性。控制器通过公式(3)至(5)的解算后获得当前控制周期的伺服驱动器角度位置α(t)，然后将该位置通过CAN总线传输给伺服驱动器，伺服驱动器内部具有位置环控制器，收到位置指令后自动转动到对应位置，从而保证力控误差ΔM(t)收敛。
本发明使用SEA驱动组件产生训练力，实现了训练力在整个运动过程中可控，并保证了断电安全性及人机柔顺力交互，并采用导纳控制方法，进一步提高了力跟踪控制精度与系统柔性，有效提高了颈肌训练运动的效率与安全性。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“首”、“末”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (8)
1.一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：包括佩戴在人体头部上用于牵引的柔性头套（1）、通过钢丝绳组件（2）与柔性头套（1）相连的SEA驱动组件（3）、用于固定SEA驱动组件的外壳组件（4）、与外壳组件相连且用于将外壳组件固定夹紧的定紧组件（5）以及控制器，控制器控制SEA驱动组件（3）转动产生拉力拉动钢丝绳组件（2）佩戴柔性头套（1）的人体头部受到拉力，进行阻抗训练；所述SEA驱动组件（3）包括伺服驱动器（301）、与伺服驱动器输出端固定相连的弹性输入输出元件、与弹性输入输出元件固定连接的凸台法兰（302）、内圈与凸台法兰固定连接的绝对式磁旋转编码器（303）、外圈与凸台法兰固定连接的力矩传感器（304）以及与力矩传感器内圈固定连接的绕线轮（305）；伺服驱动器（301）输出端转动时，通过弹性输入输出元件带动凸台法兰（302）转动，并带动绕线轮（305）转动；其中绝对式磁旋转编码器（303）采集的信号和力矩传感器（304）采集的信号均传送至控制器；所述弹性输入输出元件包括与伺服驱动器（301）固定连接的外圈固定壳（306）、外圈与外圈固定壳过盈配合连接的涡卷弹簧（307）以及与涡卷弹簧内圈过盈配合连接的心轴法兰（308），心轴法兰（308）与凸台法兰（302）固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述绕线轮（305）上固定连接有压线块（309）。
3.根据权利要求2所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述钢丝绳组件（2）包括包塑钢丝绳（201）、钢丝绳卡扣（202）和登山扣（203），包塑钢丝绳（201）末端穿过登山扣（203），折回后使用钢丝绳卡扣（202）将末端卡紧；登山扣（203）可挂载于柔性头套（1）的不同锚点上；包塑钢丝绳（201）首端通过压线块（309）固定，并绕设在绕线轮（305）上。
4.根据权利要求1所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述定紧组件（5）包括用于夹持外部静物的U型板（501）、穿设在U型板顶板上的方头螺杆（502）、与方头螺杆的首端固定连接的六边形手盘（503）以及与方头螺杆末端固定连接的弹性压板（504），旋转六边形手盘（503）时，方头螺杆（502）可在U型板内侧做直线运动，控制弹性压板（504）与U型板（501）底板的距离，使定紧组件可夹持在外部静物上。
5.根据权利要求1所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述外壳组件（4）包括与定紧组件相固定连接的L型板（401）、与L型板固定连接的外壁套筒（402）、与L型板固定连接的轴承支架（403）、与外壁套筒固定连接的盖板（404）、设置于盖板上且与轴承支架相对应的凸台（405），位于凸台上的一对短轴（406）以及穿设在短轴上的一对带槽轴承（407），带槽轴承（407）内圈穿过短轴（406），并由凸台（405）与轴承支架（403）限制一对带槽轴承内圈的轴向运动，使带槽轴承（407）内圈与盖板（404）固定连接，带槽轴承（407）外圈可自由转动。
6.根据权利要求5所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述带槽轴承（407）装配后与竖直方向有一定夹角。
7.根据权利要求1所述的一种SEA驱动的便携式颈肌训练器，其特征在于：所述柔性头套（1）内置蓝牙陀螺仪。
8.一种基于权利要求1至7任一所述的SEA驱动的便携式颈肌训练器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：控制器接收上位机软件通过蓝牙发送的训练强度系数K、个人颈部长度系数L以及训练开始指令；
S2：控制器根据训练强度系数K、个人颈部长度L制定训练过程中的阻力变化曲线，其规律依据公式（1），
（1）
其中K为训练强度系数，L为个人颈部长度系数，为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，/>为不同时刻下使用柔性头套内的蓝牙陀螺仪测得的头部运动时轴线相对水平面的夹角，/>为预设的肌肉训练最适力矩模型，肌肉训练最适力矩模型可根据肌动学关节两端垂直时肌力最大而设计的模型/>，/>为初始力矩模型常数，为肌力矫正系数；
S3：SEA驱动组件中的伺服驱动器接受由控制器发送的位置指令，根据位置指令旋转运动到相应位置角度；其位置由控制器根据如下导纳力跟踪控制计算生成：
（2）
（3）
（4）
（5）
公式（2）到公式（5）中，为力控误差，/>为SEA驱动组件需要产生的目标阻抗力矩，/>为力矩传感器反馈的力矩，/>为伺服驱动器角加速度，/>为绝对式磁旋转编码器反馈的角加速度，/>为导纳控制质量系数，/>为导纳控制阻尼系数，/>为伺服驱动器上一控制周期的角速度，/>为绝对式磁旋转编码器反馈的角速度，/>为伺服驱动器角速度，/>为控制周期时长，/>为伺服驱动器角度位置，/>为伺服驱动器上一控制周期的角度位置；控制器将监测到的数据反馈给上位机。
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2022
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