一种基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，尤其涉及一种基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人。

背景技术

随着脑卒中、创伤性脑损伤等可引起肢体损伤的疾病发病量的逐年攀升，面向肢体障碍患者的康复需求急剧增加，研发康复器械成为了缓解当前康复行业现状的主要途径。对于无法站立的患者，目前绝大多数康复训练均是面向患者肢体矢状面上的康复。针对患者的不同肌力水平，康复训练一般分为姿势控制训练、力辅助训练、恒力抗阻训练。姿势控制训练康复过程主要面向肌力水平为0或者1的患者，这部分患者的肌肉无收缩或肌肉有微弱收缩，但不能移动关节；该模式下康复机器人驱动人体关节沿预定轨迹运动。力辅助训练主要面向肌力水平为2或者3的患者，这部分患者的肌肉收缩可带动关节在水平方向运动，但不能对抗地心吸引力或肌肉收缩能对抗地心引力移动关节，但不能抵抗阻力；该模式下康复机器人沿既定轨迹运动，通过检测人体运动主观意图使康复机器人为患者提供一定的辅助力。恒力抗阻训练主要面向肌力水平为4或5的患者，这部分患者肌肉收缩能对抗地心引力运动肢体，且能抵抗一定强度的阻力或肌肉收缩能抵抗强大的阻力运动肢体；该模式下患者进行自主运动，康复机器人为受试关节提供恒定阻力。

现有的坐卧式康复机器人均由刚性关节组成，一方面，患者随着刚性关节直接运动，当刚性康复机器人发生故障或者意外运动时，患者的安全性无法保证；而且，由于和刚性机器人固定，患者无法动弹，患者的舒适度无法保证。另一方面，机器人通过电流或放置在输出端的力矩传感器实现机器人的输出端力矩采集，通过力矩传感器实现力矩控制是通过一个测力元件测量当前连杆侧的输出端力矩，利用反馈控制器计算被测力和期望力之间的误差，并通过电流控制实现偏差纠正。然而，刚性测力元件可能存在力矩环不稳定的问题，在力矩反馈控制算法的设计中，高增益的反馈参数易引发系统震颤。除此之外，大部分康复机器人没有精确的人机交互力控制能力，为了实现精确输出端力矩控制，必须配备关节内部的力矩传感器或者脚蹬底部的力传感器，成本较高。另外，现有的康复机器人，均无法实现每个关节的机械强制限位，以保证患者安全。

因此，本领域的技术人员致力于提供一种基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，保证患者使用舒适度、安全性以及人机力交互的高稳定性。

发明内容

有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够提高使用舒适度、安全性以及人机交互稳定性的康复机器人。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，包括座椅、机器人本体、控制系统，所述机器人本体包括机器人基座、第一串联弹性致动器、第二串联弹性致动器、第三串联弹性致动器、第一连杆、第二连杆、踏板，所述第一串联弹性致动器固设在所述基座上，所述第二串联弹性致动器与所述第一串联弹性致动器通过所述第一连杆连接，所述第三串联弹性致动器与所述第二串联弹性致动器通过所述第二连杆连接，所述踏板与所述第三串联弹性致动器的另一端连接，所述第一串联弹性致动器、第二串联致动器、第三串联致动器被配置为能够转动，所述第一连杆、第二连杆被配置为能够伸缩，所述控制系统与所述机器人本体电连接，所述机器人本体向所述控制系统发送数据，所述控制系统向所述机器人本体发送控制指令；患者坐在所述座椅上时，所述第一串联弹性致动器位于髋关节处，所述第二串联弹性致动器位于膝关节处，所述第三串联弹性致动器位于踝关节处。

进一步地，所述第一串联弹性致动器、第二串联弹性致动器、第三串联弹性致动器均包括外壳、设于所述外壳内的电机运动系统、与所述电机运动系统连接的弹性元件、与所述弹性元件连接的输出端法兰、与所述输出端法兰连接的连杆轴。

优选地，所述弹性元件是双螺旋扭簧。

进一步地，所述电机运动系统、所述连杆轴上分别设有角度传感器。

进一步地，所述电机运动系统还设有控制器，所述控制器与所述电机、所述角度传感器电连接；所述控制器通过所述角度传感器的测量值计算所述输出端法兰承受的输出端力矩。

进一步地，所述控制系统还包括主机，所述主机与所述控制器、角度传感器通过CAN总线通讯，所述主机向所述控制器发送电流控制指令。

进一步地，所述第一连杆、第二连杆均包括第一套筒、第二套筒，所述第一套筒与所述第二套筒可伸缩地连接。

优选地，所述第一套筒的筒壁上开有第一圆孔，所述第二套筒的筒壁上开有第一螺栓孔，所述第一套筒插入所述第二套筒内，至少一个所述第一圆孔与至少一个所述第一螺栓孔通过螺栓配合；所述第一套筒的外壁上的第一圆孔所在面为平面。

进一步地，所述壳体靠近所述输出端法兰的端部设有限位块，所述输出端法兰上设有止挡块，所述限位块与所述止挡块配合。

优选地，所述限位块与所述止挡块为弧形，所述限位块与所述止挡块为面配合。

本发明至少具有如下有益技术效果：

1、本发明提供的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，采用基于串联弹性致动器的机器人本体设计，能够明显增强机器人的柔性；当机器人发生故障或者意外运动时能够为患者提供保护，在机器人运动方向的舒适度上也得到明显改善。

2、本发明提供的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，建立了基于扭簧的输出端力矩采集系统，在扭簧的两侧分别放置角度传感器，通过两侧的角度差和刚度相乘得到实时的输出端力矩；这种方式测量输出端力矩，不需要昂贵的关节力矩传感器，成本更低，高分辨率的角度传感器可以提供高分辨率的输出端力矩采集结果。

3、本发明提供的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，基于人体关节的主动力、人体自身重力、机器人自身动力学设计每个关节的扭簧的刚度，以保证扭簧不会因为超过屈服应力发生塑性变形。

4、本发明提供的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，基于人体下肢运动范围，利用限位块实现关节的机械强制限位。

5、本发明提供的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，连杆的第一套筒的外壁上的第一圆孔所在面为平面，保证螺栓安装面与螺栓头底面平行，提高安装稳定性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人的整体示意图；

图2是本发明实施例的弹性致动器结构示意图；

图3是本发明实施例的连杆结构示意图；

图4是本发明实施例的限位装置结构示意图；

图5是本发明实施例的控制系统示意图。

图中，1-第一串联弹性致动器，2-第一连杆，3-第二串联弹性致动器，4-第二连杆，5-第三串联弹性致动器，6-踏板，7-座椅背板，8-座椅坐板，9-基座，10-底座，101-输出端法兰，102-限位块，103-连杆轴，104-弹性元件，105-电机运动系统，106-外壳，107-控制器，301-接触面，302-第一套筒，303-第二套筒。

具体实施方式

以下介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供了一种基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，包括机器人本体、座椅及控制系统，患者坐在座椅上，患肢的脚放在机器人本体末端的踏板上，控制系统设定控制模型、处理数据并发出指令，由机器人本体带动或者随着患者的肢体进行康复运动。

如图1所示，本实施例的坐卧式康复机器人，设有底座10，座椅固设在底座10上；底座10上设有基座9，机器人本体固设在基座9上，基座9为柱式结构，将机器人本体整体抬升，以与人体的坐姿相适应。

机器人本体包括第一串联弹性致动器1、第二串联弹性致动器3、第三串联弹性致动器5、第一连杆2、第二连杆4、踏板6，第一串联弹性致动器1固设在基座9上，第一连杆2的第一端与第一串联弹性致动器1的输出端连接，第一连杆2的第二端与第二串联弹性致动器3固定连接，第二连杆4的第一端与第二串联弹性致动器3的输出端连接，第二连杆4的第二端与第三串联弹性致动器5固定连接，踏板6与第三串联弹性致动器5的输出端连接。这样，第一连杆2能够在第一串联弹性致动器1的带动下旋转，第二连杆4能够在第二串联弹性致动器3的带动下旋转，踏板6能够在第三串联弹性致动器5的带动下旋转，得到一种具有柔性的机器人，实现对患者的康复训练。

本实施例中，在患者坐于座椅上后，第一串联弹性致动器1对应于人体髋关节位置，第二串联弹性致动器3对应于人体膝关节位置，第三串联弹性致动器5对应于人体踝关节位置。机器人本体与基座9连接，由基座9对机器人本体进行支撑，可以减轻患者承重负担。

如图2所示，第一串联弹性致动器1、第二串联弹性致动器3、第三串联弹性致动器5具有基本相同的结构，具体包括：外壳106，设于外壳106内的电机运动系统105，与电机运动系统105连接的弹性元件104，与弹性元件104连接的输出端法兰101，与输出端法兰101套合连接的连杆轴103。电机运动系统105、弹性元件104、连杆轴103设于外壳106内部，输出端法兰101设于外壳106的端部外侧。

以上实施方式的串联弹性致动器，由电机运动系统105驱动，通过弹性元件104进行传动，再由输出端法兰101对外输出转动。本实施例中，电机运动系统105是以永磁同步电机组成的运动系统。

外壳106内还设有控制器107，控制器107固设在外壳106上并与电机运动系统105电连接，向电机运动系统105发送控制指令。

弹性元件104采用双螺旋的扭簧，通过调节双螺旋线之间的间距、螺旋线的螺旋角和螺距来改变弹性元件104的刚度；通过扭簧材料的不同屈服强度曲线以匹配弹性元件104的可用工况，选取合适的弹性元件104的材料，本实施例中，弹性元件104的材料为1J50铁镍软磁合金。电机运动系统105和连杆轴103上分别设有角度传感器，读取两侧角度的绝对位置。在控制系统中，通过理论刚度和实时测量的角度差相乘，即可获得实时的输出端力矩。这种力矩测量方式，不需要昂贵的关节力矩传感器，成本更低；高分辨率的角度传感器可以提供高分辨率的力矩信息。

基于人体关节的主动力、人体自身重力、机器人自身动力学设计扭簧的刚度，以保证扭簧不会因为超过屈服应力而发生塑性变形。

输出端法兰101分为内圈和外圈，内圈和外圈之间通过凸块、凹槽相配合，实现同步传动。内圈的一个端面从外圈内伸出，以与第一连杆2、第二连杆4进行连接；输出端法兰101即为串联弹性致动器的输出端。串联弹性致动器的外壳106上还设有连接装置，以与基座9及第一连杆2、第二连杆4的第二端连接。

如图3所示，第一连杆2、第二连杆4为两段式结构，具体由第一套筒302和第二套筒303组成，第二套筒303插入第一套筒302内，并且第二套筒303能够相对于第一套筒302伸缩。为实现第二套筒303与第一套筒302的定位，在第一套筒302的壁面上设有第一圆孔，在第二套筒303的壁面上设有第一螺纹孔，当某一个第一螺纹孔与第一圆孔对齐时，在圆孔内装入螺栓，即可实现第一套筒302与第二套筒303的固定。

本实施例中，螺栓与第一套筒302的接触面301区域设置为长方形平面，并且长方形的短边长度也大于螺帽的直径，以保证连接的紧固性。第二套筒303上，沿着筒体的长度方向，第二圆孔以10mm为一个间隔，可以根据需要实现长度不同的连杆。

第一套筒302、第二套筒303不相连接的端部分别设有法兰状连接头，以分别与输出端法兰101、串联弹性致动器的外壳106上的连接装置相连接。

以上方式的第一连杆2、第二连杆4，通过调节其长度可以适应不同人体下肢长度。具体地，康复机器人大腿长度为350-480mm，小腿长度为440-550mm，第三弹性致动器5的轴心与踏板6保持75mm距离，保证踝关节轴线对齐。

如图1所示，座椅包括座椅背板7和座椅坐板8，座椅背板7和座椅坐板8满足人体尺寸需求，提高人体在训练过程中的舒适度。在一个具体实施方式中，座椅坐板8的长度为400mm，宽度为400mm，座椅坐板8的上表面离底座10的高度设置为700-800mm，座椅坐板8的厚度为80mm；座椅背板7的高度为900mm。

如图4所示，为了对康复机器人的转动进行机械限位，在外壳106的端部设有限位块102，限位块102设置2个，并且沿着周向间隔一定距离。输出端法兰101的外圈设置成半扇形面结构，以形成止挡块，止挡块与限位块102相配合，以对输出端法兰101的转动进行限位。限位块102与外壳111通过螺栓连接，形成可拆卸结构；限位块102的侧面与输出端法兰101的扇面相切，保证接触时为面接触。

如图5所示，本实施例的控制系统，包括主机、串联弹性致动器上的控制器107、以及串联弹性致动器上的角度传感器，主机与控制器107通过CAN总线进行通讯，控制器107采集实时的电流、两个角度传感器的数据、以及计算得到的输出端力矩，向主机传输数据。主机通过期望的运动方式、控制模型计算得到期望的串联弹性致动器电流，向控制器107传输实时期望电流。。

本发明的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，在工作过程中，患者坐在座椅上，脚踩在踏板上，髋膝踝关节的矢状面旋转的法向轴线分别与第一串联弹性致动器、第二串联弹性致动器、第三串联弹性致动器对齐，控制器107从主机得到指令后，转动第一串联弹性致动器、第二串联弹性致动器、第三串联弹性致动器，患者的患肢与机器人本体同步运动，实现康复。在本实例中，第一串联弹性致动器、第二串联弹性致动器、第三串联弹性致动器执行轨迹跟踪运动，三个串联弹性致动器配合实现患者脚的画圈运动，以激活患者患肢的肌肉。

本发明的基于串联弹性致动器的坐卧式康复机器人，串联弹性致动器具有低阻抗、力保真性好、反向驱动能力强以及抗冲击等特点，一方面，串联弹性致动器通过特有的弹性元件将电机的惯量、摩擦与人体和机器人连杆侧完全隔绝，弹性元件可以快速做出反应实现位移，提高患者的舒适度；另一方面，串联弹性致动器将力矩控制转换为位置控制，实现了高增益的力矩闭环，并且能够在收到患者的交互力干扰下维持恒定力矩，保证恒力抗阻训练的准确性。此外，串联弹性致动器可以对驱动系统的瞬时力矩进行缓冲，避免大的瞬时力矩对人体的影响，且在系统掉电后仍能提供一定的交互柔性，提高康复过程中的安全性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到。