一种新型游泳训练机器人辅助系统的制作方法

本发明属于游泳训练技术领域，具体涉及一种新型游泳训练机器人辅助系统。

背景技术：

游泳是一项老少皆宜、强身健体的休闲化大众运动，不同年龄段的人都能够根据自身身体特征选择不同的泳姿。游泳运动能够促进运动者全身关节、骨骼与肌肉等协调发展，有利于塑造健美的形体与正确的体态，有利于提高人体的协调性与灵活性，促进运动者新陈代谢，提升人们器官的功能，对人们身心健康的全面发展具有重要作用。但游泳动作形式多样，较为复杂，运动过程中动作的熟练程度是掌握游泳技能的核心。在游泳训练和教学过程中，姿势的正确性、标准性，是决定游泳速度的关键。在传统的游泳训练和教学中，由于个体的差异和水中情况较为复杂，很难在传统游泳教学和训练中保证学员动作规范化、标准化。

目前，在陆地上四种泳姿的教学装置较少，且使用者在使用这类装置过程中是主动发力，仍然存在无法较好的让使用者学会标准、正确的泳姿，不能真正有效提高学习的效果，掌握技术要点。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种新型游泳训练机器人辅助系统，用于学校和游泳机构的日常游泳培训，也可用于提高游泳技术的准确性和协调性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种新型游泳训练机器人辅助系统，包括整体呈长方体形状的框架，框架顶部的中间位置沿左右水平方向设有一根横梁和一根转轴，横梁位于转轴前侧，转轴下部固定设有一块连接板，连接板前后两侧边到转轴的距离均大于转轴到横梁的距离，连接板的前侧上表面与横梁底部接触，连接板下表面沿垂直方向设有若干根伸缩杆，伸缩杆的下端连接有穿戴式人体外骨骼机构。

穿戴式人体外骨骼机构包括背臀部壳体，背臀部壳体的顶部通过铰链与伸缩杆下端铰接，背臀部壳体下部通过卡扣绑带连接有胸腹部壳体，背臀部壳体的后侧连接有左右对称且结构箱相同的左下肢运动部分和右下肢运动部分，背臀部壳体的前侧连接有左上肢运动部分、头部运动部分和右上肢运动部分，左上肢运动部分和右上肢运动部分左右对称且结构相同。

左下肢运动部分和右下肢运动部分均包括l型的胯部连板，胯部连板的一端通过第一胯部伺服电机转动连接在背臀部壳体的顶部后侧，第一胯部伺服电机的主轴沿竖向方向设置，胯部连板另一端通过第二胯部伺服电机转动连接有大腿护套，大腿护套后端通过膝关节伺服电机转动连接有小腿外壳，小腿外壳后端通过脚踝伺服电机转动连接有脚踏板。

大腿护套包括固定板、伸缩板、上定位护板和下定位护板，固定板前端与所述的第二胯部伺服电机连接，固定板内沿前后方向开设有滑槽，伸缩板前端滑动伸入到滑槽内并通过定位长孔及定位螺栓结构与固定板定位连接，伸缩板的后端与所述的膝关节伺服电机连接，上定位护板和下定位护板上下对称布置，上定位护板为向下凹的弧形结构，下定位护板为向上凹的弧形结构，上定位护板和下定位护板分别固定连接在固定板的上侧边和下侧边。

左上肢运动部分和右上肢运动部分均包括固定设在背臀部壳体顶部前侧的固定架，固定架上通过第一肩部伺服电机转动连接有前后方向设置的第一连板、第一连板前端通过第二肩部伺服电机转动连接有向下方前外侧倾斜设置的第二连板，第二连板的下端通过第三肩部伺服电机转动连接有向下方外侧倾斜设置的第三连板，第三连板下端通过第四肩部伺服电机转动连接有向前下方设置的上臂连板，上臂连板前端通过肘部伺服电机转动连接有向前下方设置的前臂连板，前臂连板前端的外侧固定设有腕部伺服电机，前臂连板前端固定设有固定圆环，固定圆环的中心线与前臂连板的长度方向平行，固定圆环外圆周转动连接有带轮圈，腕部伺服电机的主轴安装有主动带轮，主动带轮与带轮圈通过皮带传动连接，带轮圈的前侧下部固定连接有安装板，安装板前端固定设有手柄。

头部运动部分包括支撑连接架、六自由度运动平台、下颚托和脖套，支撑连接架位于背臀部壳体和胸腹部壳体的前侧部，支撑连接架的上部向后延伸并与背臀部壳体的的前侧顶部固定连接，支撑连接架下部，支撑连接架的下部开设有前后通透、下侧敞口的脖颈穿孔，下颚托上部两侧和脖套下部两侧连接，支撑连接架前侧与下颚托及脖套的后侧之间通过所述的六自由度运动平台连接。

采用上述技术方案，本发明工作原理及过程为：游泳训练时，根据训练者的身高，先调整好大腿护套的长度并将固定板与伸缩板通过穿过定位长孔的定位螺栓固定牢靠，然后解开卡扣绑带，训练者的躯干放置于胸腹部壳体和背臀部壳体内，大腿位于上定位护板与下定位护板之间，小腿位于小腿外壳内，脚部踏在脚踏板上，训练者的头部向前依次穿过支撑连接架脖颈穿孔、下颚托及脖套，手部穿过固定圆环，手握手柄。

胸腹部壳体和背臀部壳体的内部设置有柔软弹性材料，给训练者者带来舒适感觉。脚踝伺服电机可实现脚踝上下运动，膝关节伺服电机可实现膝关节上下运动，第一胯关节伺服电机可实现胯关节左右运动，第二胯关节伺服电机可实现胯关节上下运动，从而实现腿部满足游泳姿势的运动。

肘关节伺服电机可实现肘关节上下运动，第三肩部伺服电机可实现肩部上下运动，第一肩部伺服电机和第二肩部伺服电机共同作用可实现肩部大幅度的左右运动。

下颚托和脖套通过卡扣连接，通过六自由度运动平台的支撑连接，可实现头部六个自由度运动。

背臀部壳体通过三根呈三角形布置的伸缩杆与转轴相连，伸缩杆采用气弹簧，伸缩杆可在运动时实现伸长或压缩，从而实现肩部的上下运动。第四肩部伺服电机可实现上臂的上下运动。

腕部伺服电机带动主动带轮转动，主动带轮通过皮带带动带轮圈转动，带轮圈通过安装板，带动手柄转动，从而带动手腕转动。

本发明中的连接板的前侧上表面与横梁底部接触，即压接配合，这样可使系统处于良好的稳定性。

本发明通过编程控制，可实现整体系统的联动，从而将实现蛙泳、蝶泳和自由泳。若要实现仰泳，可将本发明的系统绕转轴向上转动，使整个系统转动180°后位于框架的上方，并使连接板与横梁的顶部顶压接触，确保系统的稳定性，从而实现人脸朝上的仰泳姿势。

综上所述，本发明用于被动式、自动化的游泳教学，有利于提高动作的协调性与灵活性，同时标准化、规划化游泳姿势，提高游泳水平。节约成本，不受场地限制，高效游泳教学，提高教学质量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中左下肢运动部分和右下肢运动部分的放大图；

图3是图1中左上肢运动部分、头部运动部分和右上肢运动部分的放大图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明的一种新型游泳训练机器人辅助系统，包括整体呈长方体形状的框架1，框架1顶部的中间位置沿左右水平方向设有一根横梁2和一根转轴3，横梁2位于转轴3前侧，转轴3下部固定设有一块连接板4，连接板4前后两侧边到转轴3的距离均大于转轴3到横梁2的距离，连接板4的前侧上表面与横梁2底部接触，连接板4下表面沿垂直方向设有若干根伸缩杆5，伸缩杆5的下端连接有穿戴式人体外骨骼机构。

穿戴式人体外骨骼机构包括背臀部壳体6，背臀部壳体6的顶部通过铰链7与伸缩杆5下端铰接，背臀部壳体6下部通过卡扣绑带8连接有胸腹部壳体9，背臀部壳体6的后侧连接有左右对称且结构箱相同的左下肢运动部分10和右下肢运动部分11，背臀部壳体6的前侧连接有左上肢运动部分12、头部运动部分13和右上肢运动部分14，左上肢运动部分12和右上肢运动部分14左右对称且结构相同。

左下肢运动部分10和右下肢运动部分11均包括l型的胯部连板15，胯部连板15的一端通过第一胯部伺服电机16转动连接在背臀部壳体6的顶部后侧，第一胯部伺服电机16的主轴沿竖向方向设置，胯部连板15另一端通过第二胯部伺服电机17转动连接有大腿护套，大腿护套后端通过膝关节伺服电机18转动连接有小腿外壳19，小腿外壳19后端通过脚踝伺服电机20转动连接有脚踏板21。

大腿护套包括固定板22、伸缩板23、上定位护板24和下定位护板25，固定板22前端与所述的第二胯部伺服电机17连接，固定板22内沿前后方向开设有滑槽，伸缩板23前端滑动伸入到滑槽内并通过定位长孔及定位螺栓结构与固定板22定位连接，伸缩板23的后端与所述的膝关节伺服电机18连接，上定位护板24和下定位护板25上下对称布置，上定位护板24为向下凹的弧形结构，下定位护板25为向上凹的弧形结构，上定位护板24和下定位护板25分别固定连接在固定板22的上侧边和下侧边。

左上肢运动部分12和右上肢运动部分14均包括固定设在背臀部壳体6顶部前侧的固定架26，固定架26上通过第一肩部伺服电机27转动连接有前后方向设置的第一连板28、第一连板28前端通过第二肩部伺服电机29转动连接有向下方前外侧倾斜设置的第二连板30，第二连板30的下端通过第三肩部伺服电机31转动连接有向下方外侧倾斜设置的第三连板32，第三连板32下端通过第四肩部伺服电机33转动连接有向前下方设置的上臂连板34，上臂连板34前端通过肘部伺服电机35转动连接有向前下方设置的前臂连板36，前臂连板36前端的外侧固定设有腕部伺服电机37，前臂连板36前端固定设有固定圆环38，固定圆环38的中心线与前臂连板36的长度方向平行，固定圆环38外圆周转动连接有带轮圈39，腕部伺服电机37的主轴安装有主动带轮40，主动带轮40与带轮圈39通过皮带传动连接，带轮圈39的前侧下部固定连接有安装板41，安装板41前端固定设有手柄42。

头部运动部分13包括支撑连接架43、六自由度运动平台44、下颚托45和脖套46，支撑连接架43位于背臀部壳体6和胸腹部壳体9的前侧部，支撑连接架43的上部向后延伸并与背臀部壳体6的的前侧顶部固定连接，支撑连接架43下部，支撑连接架43的下部开设有前后通透、下侧敞口的脖颈穿孔47，下颚托45上部两侧和脖套46下部两侧连接，支撑连接架43前侧与下颚托45及脖套46的后侧之间通过所述的六自由度运动平台44连接。

本发明工作原理及过程为：游泳训练时，根据训练者的身高，先调整好大腿护套的长度并将固定板22与伸缩板23通过穿过定位长孔的定位螺栓固定牢靠，然后解开卡扣绑带8，训练者的躯干放置于胸腹部壳体9和背臀部壳体6内，大腿位于上定位护板24与下定位护板25之间，小腿位于小腿外壳19内，脚部踏在脚踏板21上，训练者的头部向前依次穿过支撑连接架43脖颈穿孔47、下颚托45及脖套46，手部穿过固定圆环38，手握手柄42。

胸腹部壳体9和背臀部壳体6的内部设置有柔软弹性材料，给训练者者带来舒适感觉。脚踝伺服电机20可实现脚踝上下运动，膝关节伺服电机18可实现膝关节上下运动，第一胯关节伺服电机可实现胯关节左右运动，第二胯关节伺服电机可实现胯关节上下运动，从而实现腿部满足游泳姿势的运动。

肘关节伺服电机可实现肘关节上下运动，第三肩部伺服电机31可实现肩部上下运动，第一肩部伺服电机27和第二肩部伺服电机29共同作用可实现肩部大幅度的左右运动。第四肩部伺服电机33可实现上臂的上下运动。

下颚托45和脖套46通过卡扣连接，通过六自由度运动平台44的支撑连接，可实现头部六个自由度运动。六自由度运动平台44为现有常规技术，具体结构及原理不再赘述。

背臀部壳体6通过三根呈三角形布置的伸缩杆5与转轴3相连，伸缩杆5采用气弹簧，伸缩杆5可在运动时实现伸长或压缩，从而实现肩部的上下运动。

腕部伺服电机37带动主动带轮40转动，主动带轮40通过皮带带动带轮圈39转动，带轮圈39通过安装板41，带动手柄42转动，从而带动手腕转动。

本发明中的连接板4的前侧上表面与横梁2底部接触，即压接配合，这样可使系统处于良好的稳定性。

本发明通过编程控制，可实现整体系统的联动，从而将实现蛙泳、蝶泳和自由泳。若要实现仰泳，可将本发明的系统绕转轴3向上转动，使整个系统转动180°后位于框架1的上方，并使连接板4与横梁2的顶部顶压接触，确保系统的稳定性，从而实现人脸朝上的仰泳姿势。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。