面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人。

背景技术

脑卒中，人们通常称作中风，发病急，严重者表现为偏瘫、失语、昏迷甚至死亡。我国第三次国民死因调查结果表明，脑卒中已经升为中国第一位死因。近二十年监测结果显示，脑卒中年死亡人数逾200万，年增长速率达8.7％。脑卒中除了高致死率外，还具有高致残率和高复发率的特点，严重威胁国民生命和生活质量。据全国心血管专业委员会的调查，全国存活的脑卒中患者有3/4患有不同程度的残疾，这些正值盛年的残疾人给家庭和社会带来了巨大的经济负担和社会问题。康复治疗是目前改善脑卒中发病后肢体运动障碍的主要方法之一。因此，将机器人技术运用于康复领域，研制一种满足康复需要的康复训练机器人以提高康复训练效率和效果，具有重大的应用价值和实际的紧迫性。

授权号为“CN 113893137 B”的发明公开了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人，在该文件中仅仅设置第一卡扣组件和第二卡扣组件，通过手动的方式来对人体关节进行固定；在使用训练装置时，可能由于卡扣组件过紧或过松导致的训练效果不佳等情况。

发明内容

本发明提供一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置及机器人，用以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，包括：折叠组件、水平移动组件和摆动组件，所述折叠组件设置在第二安装座，所述水平移动组件和摆动组件均设置于第一安装座上，所述第一安装座和第二安装座上均设有紧固带，且所述紧固带上设有力传感器，所述折叠组件包括：第二辅助装置和第一角度传感器，所述水平移动组件包括：位移传感器；所述摆动组件包括：第一辅助装置和第二角度传感器，所述摆动组件的左右两端分别与折叠组件和水平移动组件连接，所述力位感知装置用于构成人体二自由度的肢体。

优选的，所述水平移动组件还包括：第一电机、螺纹杆和移动箱，所述第一电机固定设置于第一安装箱内，所述第一电机上端通过输出轴固定连接螺纹杆，所述螺纹杆上啮合连接移动箱，所述第一安装箱上端设有位移传感器。

优选的，所述第一安装箱上左右对称设有稳定杆，所述稳定杆上下两端分别与第二安装箱和第一安装箱转动连接，且所述第一安装箱和第二安装箱均固定设置在第一安装座上。

优选的，所述移动箱上侧左右对称设有第一缓冲弹簧，所述移动箱下侧左右对称设有第二缓冲弹簧，所述第一缓冲弹簧上端固定连接第二安装箱，所述第二缓冲弹簧下端固定连接第一安装箱。

优选的，所述摆动组件还包括：C型连杆和第一连杆，所述第一连杆左侧铰接C型连杆上，所述第一连杆右侧铰接在移动箱上，所述C型连杆右端固定连接固定块、梯形块和第二角度传感器，所述固定块转动连接在安装块上。

优选的，所述安装块上还设有第一辅助装置，所述第一辅助装置包括：

双轴电机，所述双轴电机左右两端通过输出轴固定连接第一转动杆，右侧的所述第一转动杆向右穿过L型稳定板，且右侧的所述第一转动杆上固定设有第一齿轮和两个左右对称的转动环，所述转动环上固定连接一根伸缩杆，所述伸缩杆的另一端固定连接转动块，且所述转动块转动连接在第二连杆上，所述第二连杆左端固定设有第二齿轮，所述第二齿轮啮合连接第一齿轮；

所述第二连杆上还转动连接有第三连杆，所述第三连杆上端铰接在第四连杆的一端，所述第四连杆的中央位置与L型稳定板转动连接，所述第四连杆左侧固定连接两个移动块，所述移动块设置于梯形块右端。

优选的，右侧的所述第一转动杆上还固定设有凸轮，所述凸轮周侧设有接触块，所述接触块左侧两侧对称设有第四连杆，所述第四连杆靠外的一侧固定设有滑动板，所述滑动板滑动设置在第一安装座上，且所述滑动板上固定设有伸出杆，所述伸出杆上套接有第一弹簧，所述第一弹簧的另一端固定设置在第一棘爪上，所述第一棘爪转动连接在滑动板上；

所述第一安装座上还固定设有第一固定板，所述第一固定板上转动设有棘轮和第二棘爪，所述第一棘爪和第二棘爪均抵接在棘轮上，所述第二棘爪上固定设有第二弹簧，所述第二弹簧的另一端固定连接在第二固定板上，所述第二固定板固定设置在第一安装座上；

所述棘轮上设有线轮，所述线轮上绕接有紧固带。

优选的，所述折叠组件包括：转动筒，所述转动筒设置在C型连杆内，左侧的所述第一转动杆延伸进转动筒中，且所述第一转动杆与转动筒转动连接；

左侧的所述第一转动杆上固定设有转动轮，所述转动轮上设有凸起，所述凸起下端啮合连接齿轮，所述齿轮中间位置贯穿连接第二转动杆，所述第二转动杆上上下对称设有转轮，所述转轮上设有夹持块，所述夹持块上设有第一角度传感器所述夹持块上固定连接驱动杆，所述驱动杆的另一端固定连接滑动杆，所述滑动杆滑动连接在导轨上，且所述导轨固定安装在第二安装座上，且所述第二安装座位于第一安装座左侧。

优选的，所述第二安装座上还固定设有若干第二辅助装置，若干所述第二辅助装置包括：安装壳，所述安装壳靠内的一侧固定设有第二电机，所述第二电机通过输出轴固定连接第三转动杆，所述第三转动杆靠外的一侧固定连接转动筒，所述转动筒上设有弧形凸起；

所述安装壳内设有复位弹簧，所述复位弹簧的一端固定连接在安装壳的内壁上，所述复位弹簧的另一端固定设置在移动框上，所述移动框上下两端对称设有驱动块，所述驱动块贯穿移动框上下两侧壁，且所述驱动块与弧形凸起接触配合，所述移动框靠外的一侧固定连接紧固带。

本发明另公开了一种面向二自由度肢体关节的力位感知机器人，包括：控制中心和训练装置，所述控制中心和训练装置电连接，所述训练装置为力位感知装置；

所述控制中心可对位移传感器、第一角度传感器、第二角度传感器和力传感器的检测数值进行实时监测，判断紧固带的收紧情况以及训练是否达到预期效果，从而调整第一电机、第二电机和双轴电机的转速，或控制某个电机运转或停止。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的图1的侧视图；

图3为本发明的第一辅助装置结构示意图一；

图4为本发明的图3的俯视图；

图5为本发明的图3的侧视图；

图6为本发明的第一辅助装置结构示意图二；

图7为本发明的转动筒内部结构图；

图8为本发明的图7的俯视图；

图9为本发明的第二辅助装置结构示意图。

图中：1、第一安装座；2、第二安装座；3、双轴电机；4、稳定杆；5、第一缓冲弹簧；6、第二安装箱；7、水平移动组件；8、C型连杆；9、安装块；10、摆动组件；11、驱动杆；12、滑动杆；13、导轨；14、转动筒；15、固定块；16、第一转动杆；17、螺纹杆；18、第一电机；19、第一安装箱；20、紧固带；21、L型稳定板；22、第二齿轮；23、第一齿轮；24、转动环；25、伸缩杆；26、转动块；27、第二连杆；28、第三连杆；29、第四连杆；30、折叠组件；31、移动块；32、梯形块；33、接触块；34、第一辅助装置；35、凸轮；36、第四连杆；37、滑动板；38、第一弹簧；39、棘轮；40、第二弹簧；41、凸起；42、第二固定板；43、第一棘爪；44、第二棘爪；45、伸出杆；46、第一固定板；47、转动轮；48、夹持块；49、转轮；50、齿轮；51、第二转动杆；52、第二辅助装置；53、复位弹簧；54、驱动块；55、转动筒；56、移动框；57、弧形凸起；58、第三转动杆；59、第二电机；60、第一连杆；61、位移传感器；62、角度传感器；63、移动箱；64、第二缓冲弹簧；65、第一角度传感器；66、安装壳。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案以及技术特征可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

本发明的实施例提供了一种面向二自由度肢体关节的力位感知装置，如图1-2所示，包括：折叠组件30、水平移动组件7和摆动组件10，所述折叠组件30设置在第二安装座2，所述水平移动组件7和摆动组件10均设置于第一安装座1上，所述第一安装座1和第二安装座2上均设有紧固带20，且所述紧固带20上设有力传感器，所述折叠组件30包括：第二辅助装置52和第一角度传感器65，所述水平移动组件7包括：位移传感器61；所述摆动组件10包括：第一辅助装置34和第二角度传感器62，所述摆动组件10的左右两端分别与折叠组件30和水平移动组件7连接，所述力位感知装置用于构成人体二自由度的肢体。

需要说明的是，本发明的实施例中是以人体腕关节为例，但本发明的保护范围不仅仅如此，还可用于构成二自由度的上肢、下肢、髋关节，手掌等，只要构成人体二自由度的肢体都可使用。

上述技术方案的工作原理为：将手臂放入第一安装座1上的紧固带20内，手掌放入第二安装座2上的紧固带内，启动水平移动组件7，水平移动组件7带动摆动组件10开始摆动，位移传感器61实时检测水平移动组件7的移动位移，第二角度传感器62实时检测摆动组件10的摆动角度，摆动组件10带动手掌左右移动，进行康复训练，启动折叠组件30，第一角度传感器实时检测折叠组件的折叠角度，带动手掌上下移动，进行康复训练启动第一辅助装置34和第二辅助装置52，可使得紧固带20收紧，使得手臂和手掌与第一安装座1和第二安装座2连接。

上述技术方案的有益效果为：通过设置折叠组件30、水平移动组件7和摆动组件10，可自由控制关节的角度变化，而设置位移传感器61、第一角度传感器65和第二角度传感器62可在训练中实时获取实际运动的位置及其力矩信息，避免了力矩或位移过大造成的关节损伤，有效的完成康复训练；通过设置第一辅助装置34和第二辅助装置52，可使得紧固带20收紧，避免了因为手动对关节进行固定导致的过松或过紧的问题。

实施例2

在上述实施例1的基础上，如图1-5所示，所述水平移动组件7还包括：第一电机18、螺纹杆17和移动箱63，所述第一电机18固定设置于第一安装箱19内，所述第一电机18上端通过输出轴固定连接螺纹杆17，所述螺纹杆17上啮合连接移动箱63，所述第一安装箱19上端设有位移传感器61。

其中，优选的，所述第一安装箱19上左右对称设有稳定杆4，所述稳定杆4上下两端分别与第二安装箱6和第一安装箱19转动连接，且所述第一安装箱19和第二安装箱6均固定设置在第一安装座1上。

其中，优选的，所述移动箱63上侧左右对称设有第一缓冲弹簧5，所述移动箱63下侧左右对称设有第二缓冲弹簧64，所述第一缓冲弹簧5上端固定连接第二安装箱6，所述第二缓冲弹簧64下端固定连接第一安装箱19。

其中，优选的，所述摆动组件10还包括：C型连杆8和第一连杆60，所述第一连杆60左侧铰接C型连杆8上，所述第一连杆60右侧铰接在移动箱63上，所述C型连杆8右端固定连接固定块15、梯形块32和第二角度传感器62，所述固定块15转动连接在安装块9上。

上述技术方案的工作原理为：启动第一安装箱19内的第一电机18，螺纹杆17开始旋转，带动移动箱63上下移动，在移动箱63上下移动的同时，第一缓冲弹簧5和第二缓冲弹簧64拉伸或压缩，带动第一连杆60偏转，使得C型连杆8在安装块9上上下偏转。

上述技术方案的有益效果为：通过设置第一连杆60，可以使得移动箱63在移动的时候带动C型连杆8的偏转，使得水平运动机构7在运动时，会带动人体关节进行横向摆动运动，使得运动更加流畅。

实施例3

在上述实施例1-2的基础上，如图3-5所示，所述安装块9上还设有第一辅助装置34，所述第一辅助装置34包括：

双轴电机3，所述双轴电机3左右两端通过输出轴固定连接第一转动杆16，右侧的所述第一转动杆16向右穿过L型稳定板21，且右侧的所述第一转动杆16上固定设有第一齿轮23和两个左右对称的转动环24，所述转动环24上固定连接一根伸缩杆25，所述伸缩杆25的另一端固定连接转动块26，且所述转动块26转动连接在第二连杆27上，所述第二连杆27左端固定设有第二齿轮22，所述第二齿轮22啮合连接第一齿轮23；

所述第二连杆27上还转动连接有第三连杆28，所述第三连杆28上端铰接在第四连杆29的一端，所述第四连杆29的中央位置与L型稳定板21转动连接，所述第四连杆29左侧固定连接两个移动块31，所述移动块31设置于梯形块32右端。

上述技术方案的工作原理为：右侧的第一转动杆16开始旋转，带动第一齿轮23旋转，当需要C型连杆8摆动时，启动转动环24上的伸缩杆25，使得第二齿轮22与第一齿轮23啮合，第一齿轮23带动第二齿轮22绕第一齿轮23旋转，第二连杆27上的第三连杆28推动第四连杆29上下移动，使得移动块31上下移动推动梯形块32摆动，从而使得C型连杆8摆动。

上述技术方案的有益效果为：通过设置第一辅助装置34，可以使得摆动组件10自由摆动，而不一定要通过水平移动组件7的移动来使得摆动组件10进行摆动，使得整个装置的功能性更加合理和完善，当水平移动组件7不进行运动时，摆动组件10依旧可以进行摆动，从而实现康复训练的效果。

实施例4

在上述实施例1-3的基础上，如图5-6所示，右侧的所述第一转动杆16上还固定设有凸轮35，所述凸轮35周侧设有接触块33，所述接触块33左侧两侧对称设有第四连杆36，所述第四连杆36靠外的一侧固定设有滑动板37，所述滑动板37滑动设置在第一安装座1上，且所述滑动板37上固定设有伸出杆45，所述伸出杆45上套接有第一弹簧38，所述第一弹簧38的另一端固定设置在第一棘爪43上，所述第一棘爪43转动连接在滑动板37上；

所述第一安装座1上还固定设有第一固定板46，所述第一固定板46上转动设有棘轮39和第二棘爪44，所述第一棘爪43和第二棘爪44均抵接在棘轮39上，所述第二棘爪44上固定设有第二弹簧40，所述第二弹簧40的另一端固定连接在第二固定板42上，所述第二固定板42固定设置在第一安装座1上；

所述棘轮39上设有线轮，所述线轮上绕接有紧固带20。

上述技术方案的工作原理为：右侧的所述第一转动杆16旋转，带动凸轮35旋转，带动接触块33左右移动，使得滑动板37在第一安装座1上滑动，带动第一棘爪43推动棘轮39旋转，而第二棘爪44进行限位，棘轮39旋转带动线轮旋转，带动紧固带20紧固。

上述技术方案的有益效果为：通过设置第一棘爪43和第二棘爪44可以在推动棘轮39旋转的同时，避免棘轮39反向旋转，且在棘轮39上设有线轮，可使得紧固带20紧固，使得装置的使用更加方便，有效的提高了装置的实用性和有效性。

实施例5

在上述实施例1-4的基础上，如图7-8所示，所述折叠组件30包括：转动筒14，所述转动筒14设置在C型连杆8内，左侧的所述第一转动杆16延伸进转动筒14中，且所述第一转动杆16与转动筒14转动连接；

左侧的所述第一转动杆16上固定设有转动轮47，所述转动轮47上设有凸起41，所述凸起41下端啮合连接齿轮50，所述齿轮50中间位置贯穿连接第二转动杆51，所述第二转动杆51上上下对称设有转轮49，所述转轮49上设有夹持块48，所述夹持块48上设有第一角度传感器65所述夹持块48上固定连接驱动杆11，所述驱动杆11的另一端固定连接滑动杆12，所述滑动杆12滑动连接在导轨13上，且所述导轨13固定安装在第二安装座2上，且所述第二安装座2位于第一安装座1左侧。

上述技术方案的工作原理为：左侧的第一转动杆16开始旋转，带动转动轮47旋转，转动轮47上的凸起41，带动齿轮50旋转，带动第二转动杆51旋转，带动转轮49旋转，使得夹持块48旋转，带动驱动杆11移动，使得滑动杆12在导轨13上滑动，第二安装板2折叠。

上述技术方案的有益效果为：通过设置折叠组件30，可以使得第二安装板2折叠，带动关节进行上下的移动，使得训练更加有效，而设置第一角度传感器65，可以有效的监测第二安装板2的折叠角度，从而控制折叠组件的折叠角度，使得康复训练更加合理和完善。

实施例6

本实施例提供了一种面向二自由度肢体关节的力位感知机器人，还包括：工作状态监控系统，所述工作状态监控系统设置在所述第一安装座1上，用于监控力位感知装置的工作状态，并在力位感知装置出现故障时进行报警提示；

所述工作状态监控系统包括：

位移传感器61：安装在第一安装座1上，用于检测移动箱63的移动位移；

第一角度传感器65：安装在转动筒14内，用于检测第二安装座2的折叠角度；

第二角度传感器62：安装在安装块9上，用于检测C型连杆8的偏转角度；

第一速度传感器：安装在在转动筒14内，用于检测第二安装座2的折叠速度；

第二速度传感器：安装在安装块9上，用于检测C型连杆8的偏转速度；

计时器：安装在第一安装座1上，用于检测力位感知装置的工作时长；

控制器、报警器分别安装在第一安装座1上，所述控制器与所述位移传感器61、第一角度传感器65、第二角度传感器62、第一速度传感器、第二速度传感器、计时器和报警器电连接；

所述控制器基于所述位移传感器61、第一角度传感器65、第二角度传感器62、第一速度传感器、第二速度传感器、计时器及如下公式得到力位感知装置的工作状态系数K：

其中，K为力位感知装置的工作状态指数，L

基于计算出的力位感知装置的工作状态系数，所述控制中心控制第一电机18和双轴电机3的转速进行控制，来达到控制力位感知装置的工作状态系数的目的，将力位感知装置的工作状态系数调节至合适范围。

上述计算方案的工作原理及有益效果为：

计算过程中，安装座2的折叠速度取0.5cm/s,C型连杆8的偏转速度取0.3m/s，第二安装座2的折叠角度取45°，C型连杆8的偏转角度取30°。

本发明实施例中，通过第二安装座2的折叠速度，C型连杆8的偏转速度，第二安装座2的折叠角度，C型连杆8的偏转角度、移动箱63的移动位移以及力位感知装置的工作时长计算力位感知装置的工作状态系数，控制中心能够根据计算出的力位感知装置的工作状态系数，对第一电机18和双轴电机3的转速进行调节，使得力位感知装置的工作状态系数处于合适的值，能够使得力位感知装置正常工作，不会由于第一电机18和双轴电机3的旋转速度过快或过慢而导致的康复训练效果不佳的情况，且通过设置报警器来实现异常报警并提醒人员检查问题，能有效的保护人员和财产不受损失，达到了安全保护的目的。

实施例7

在上述实施例1-6的基础上，如图9所示，所述第二安装座2上还固定设有若干第二辅助装置52，若干所述第二辅助装置52包括：安装壳66，所述安装壳66靠内的一侧固定设有第二电机59，所述第二电机59通过输出轴固定连接第三转动杆58，所述第三转动杆58靠外的一侧固定连接转动筒55，所述转动筒55上设有弧形凸起57；

所述安装壳66内设有复位弹簧53，所述复位弹簧53的一端固定连接在安装壳66的内壁上，所述复位弹簧53的另一端固定设置在移动框56上，所述移动框56上下两端对称设有驱动块54，所述驱动块54贯穿移动框56上下两侧壁，且所述驱动块54与弧形凸起57接触配合，所述移动框56靠外的一侧固定连接紧固带20。

上述技术方案的工作原理为：启动第二电机59，第三转动杆58开始旋转，转动筒55开始旋转，转动筒55上的弧形凸起57旋转，驱动块54在弧形凸起57上左右移动，带动移动框56左右移动，复位弹簧53不断压缩复位，紧固带20收紧或放松。

上述技术方案的有益效果：通过设置弧形凸起57，可以有效的使得移动框56左右移动，带动紧固带20收紧或放松，更加提高了装置的功能性，且装置结构简单，使用方便，仅通过一个电机驱动，即可完成收紧或放松的动作。

实施例8

本实施例提供了一种面向二自由度肢体关节的力位感知机器人，包括：控制中心和训练装置，所述控制中心和训练装置电连接，所述训练装置为力位感知装置；

所述控制中心可对位移传感器61、第一角度传感器65、第二角度传感器62和力传感器的检测数值进行实时监测，判断紧固带20的收紧情况以及训练是否达到预期效果，从而调整第一电机18、第二电机59和双轴电机3的转速，或控制某个电机运转或停止。

上述计算方案的工作原理为：通过控制中心实时监测位移传感器61、第一角度传感器65、第二角度传感器62和力传感器的数值，当数值过大或过小时，控制第一电机18、第二电机59和双轴电机3的转速，或控制某一电机运转或停止。

上述计算方案的有益效果为：通过控制中心，可对某一电机转动或停止以及对转速进行调节，有效的控制折叠组件30、水平移动组件7和摆动组件10的运动速度及运动角度，有效的保障了训练装置的安全，也是得康复训练更加有效和安全。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。