冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其控制方法与流程

本发明涉及康复医疗训练器械技术领域，尤其涉及一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其控制方法。

背景技术：

我国已经成为世界上人口老龄化速度最快的国家之一，同时我国残疾人比例也位居世界较高国家之列，老年人和残疾人的护理与康复已成为一个重要的社会问题。现代康复医学研究表明，神经系统具有自我重塑性，运动康复训练能够重新建立肢体与脑部损伤中枢神经间的联系，逐步刺激促使脑部损伤部位康复，达到对肢体行为的有效控制。然而，目前中国康复医疗资源总量不足、人才匮乏、体系尚不完善。传统康复训练由康复治疗师对患者进行一对一的康复治疗，效率低、成本高、操作场合受限。这种康复方式效果差异明显，由于缺乏客观的康复参数，患者的康复效果依赖于康复师的个人经验与技术水平，在很大程度上影响患者的康复效果。因此，康复机器人成为了万众瞩目的新型康复医疗产品。专利申请号“cn201910361439.x”设计了一种末端牵引式、可同时对人体腰部及下肢多关节同时或分别进行康复训练的机器人，帮助患者完成康复训练。专利申请号“cn201810606101.1”设计了一种步态式康复训练装置，帮助患者完成下肢的康复训练。专利申请号“cn201910227324.1”设计了一种外骨骼可穿戴机器人及其检测人体运动意图的检测方法，通过检测足底压力、关节角度，助患者完成康复训练。然而还存在着诸如以下问题：一是训练方式多为被动训练，适合早期的康复训练，较难适应中期及后期的康复训练。二是外骨骼机器人设计结构复杂，其自身平衡的维持依然是个研究难题，通常需要穿戴在患者身上，通过患者施力平衡，患者承受额外的重量负担。三是外骨骼康复训练机器人与人体直接接触，采用电机直接驱动方式，其启动与停止的加速度、转动惯量较大，易对患者下肢造成二次伤害。

技术实现要素：

本发明目的为了弥补已有技术的缺陷，提供一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人及其运动控制方法，采用冗余约束增加机器人本体的平衡性，同时也可将被动训练、主动训练以及主被动训练多种康复训练策略相结合，在腿部运动意图识别传感器和冗余约束柔索并联机构作用下，实现对人体下肢的康复训练。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，包括有外框架、nao仿人机器人、上肢穿戴式可调固定装置、下肢腿部电流式传感器、脚部固定装置、卷筒机构、滚珠丝杆副、八组驱动柔索、伺服电机和运动平台，所述的脚部固定装置固定在运动平台上，运动平台位于外框架的内侧，所述的驱动柔索一端连接运动平台，另一端连接柔索驱动装置，柔索驱动装置驱动驱动柔索带动运动平台实现六个自由度的空间运动，所述的nao仿人机器人通过脚部固定装置安装在运动平台上，所述的下肢腿部电流式传感器套在nao仿人机器人的腿部，所述的上肢穿戴式可调固定装置套在nao仿人机器人的腰部以上部位，所述的卷筒机构安装在外框架的上端，卷筒机构与上肢穿戴式可调固定装置固定连接。所述nao仿人机器人模拟人形，完成人体的相应动作。

所述的外框架包括有由底板、多个横杆和多个立柱构成的立方体框架，在外框架的顶部还设有4个垂直于对角线分布的斜横杆。

所述的驱动柔索包括对称分布的8组16根绳索，其中有4组上驱动柔索和4组下驱动柔索，上驱动柔索的一端连接运动平台，接着向上绕过设于外框架顶部的定滑轮机构，与位于外框架外部的柔索牵引块相连；下驱动柔索的一端连接运动平台，接着向下绕过设于底板上的定滑轮机构，与位于外框架内部的柔索牵引块相连，每个柔索牵引块均连接有所述的柔索驱动装置；所述的柔索驱动装置包括有驱动电机一和滚珠丝杠副，所述柔索牵引块固定在滚珠丝杠副的滑块上，每个柔索牵引块连接1组2根绳索；滚珠丝杠副由滚珠丝杠支撑连接并固定在立柱上，驱动电机一带动滚珠丝杆副运动。

所述上肢穿戴式可调固定装置包括可调式弹性上肢外衣，可调式弹性上肢外衣的周向长度和肩高可调，可调式弹性上肢外衣周向侧面与外框架的顶部之间连接有多个上肢承载柔索，上肢承载柔索另一端缠绕在卷筒机构上，卷筒机构设置于外框架上端的横杆上。

所述的卷筒机构包括有法兰轴承座、有孔端盖、花键轴、轴承座、无孔端盖、卷筒、联轴器和驱动电机二，法兰轴承座和轴承座通过轴承支撑花键轴，法兰轴承座的法兰端连接驱动电机二，联轴器一端连接动电机二的输出轴，另一端连接花键轴，卷筒固定在花键轴上，卷筒上缠绕上肢承载柔索。

所述下肢腿部电流式传感器包括腿部传感器本体和传感器穿戴套索，所述的传感器穿戴套索穿戴在nao仿人机器人腿部，并与腿部传感器本体连接，腿部传感器本体包括通过传感器铰链连接的腿部传感器前部本体和腿部传感器后部本体，使得腿部传感器本体可以开合，套于nao仿人机器人腿部，腿部传感器后部本体上设有卡扣，在穿戴完成后，锁紧腿部传感器前部本体和腿部传感器后部本体。

所述的腿部传感器本体为圆环形，包括内外分离的两层，外层设有8个均匀分布的电极，当下肢腿部电流式传感器穿戴在腿部，当腿部有运动趋势时，内外层触碰，触碰位置的电极电流通过，根据通过电流的电极编号信息判断出人腿部的运动方向。在康复训练启动时，内部传感器贴片与腿部传感器前部本体断开，此时无相应电流产生，当下肢有某个方向运动趋势时，通过微小位移变化，使得与腿部传感器前部本体接触，产生电流，再通过解码形成运动信号，在上位机控制下，完成相应的康复训练运动。

所述的脚部固定装置包括可固定两脚的固定鞋套，固定鞋套安装在运动平台上，固定鞋套后端对称铰接两个鞋套锁扣，形成两组可开合的铰链机构；固定鞋套的两脚之间设有插销防脱杆，插销防脱杆上铰接一个插销，插销插入固定鞋套和鞋套锁扣配合的孔中，以锁紧鞋套锁扣；固定鞋套的顶部和底部还分别设有脚背压力传感器和脚底压力传感器，以识别人体下肢在竖直空间轴上的运动方向。

还包括有外部传感系统，所述的外部传感系统包括有拉力传感器、拉绳位移传感器和工业相机，所述的拉力传感器分别连接于下驱动柔索和上驱动柔索中，所述的拉绳位移传感器为编码器，上驱动柔索的拉绳位移传感器安装在外框架顶部对角分布的斜横杆上，下驱动柔索的拉绳位移传感器通过底部拉绳位移传感器支撑安装在底板上，所述的工业相机工业相机作为视觉传感器，安装在外框架顶部对角分布的斜横杆上，摄像头朝向运动平台。

一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人的运动控制方式，包括以下步骤：

步骤一：系统初始化，检查各驱动电机是否回复到初始位置，各个传感器是否复位；

步骤二：在上位机中输入患者身高、大腿长、小腿长身体信息，通过人工肌肉调节腿部康复装置的小腿及大腿长以匹配患者身材，调节上肢穿戴式可调固定装置，使其达到平衡身体重量的目的，最终贴合患者的身材要求；

步骤三：开启系统，进行训练模式的选择；可选择被动运动训练方式、主动运动训练方式、主动运动与被动运动结合训练方式；在进行完对应模式的选择后，发出对应的指令，如果进行被动运动训练方式，则启动人体步态训练程序；如果进行主动运动训练方式，则由下肢腿部电流式传感器和脚部固定装置上的压力传感器采集人体运动意图方位，经上位机发出指令，驱动电机按人体运动意图方位运动；如果进行主动运动与被动运动结合训练方式，则在主动运动训练方式的基础上，上位机发出指令，同时给予适当阻抗；

步骤四：根据拉力传感器、拉绳位移传感器、工业相机所传回的信息，判断运动幅度是否合适，监测运动的安全性；

步骤五：在单个流程结束后选择是否继续当前项目或选择其他项目，若选择其他项目则返回步骤三进行选择，如不需要继续进行训练，则系统复位，完成训练。

本发明的优点是：1、本发明采用柔索作为机器人驱动装置，将柔索的柔性、转动惯性小、大负载、工作空间大特性与人体的下肢康复运动结合起来，能够使患者有效的避免二次伤害，增加机器人的安全性；

2、本发明设计一种八组十六根绳索对称分布，同时牵引运动的冗余约束机器人，能够有效保证患者在运动过程中的平衡，减少机器人本体的震动，同时为患者提供六个自由度较为全面的完成康复训练；

3、本发明设计了一种腿部电流式传感器，传感器均匀分布在8个方位，通过解码能够有效的提前预测出康复患者的运动趋势，上位机控制电机施加阻抗从而完成患者的主动训练；

4、本发明控制系统将被动训练、主动训练以及主被动训练多种康复训练策略相结合满足患者完成早期、中期以及后期不用时期的康复训练。

附图说明

图1为该冗余约束柔索驱动训练并联机器人的结构图。

图2为该冗余约束柔索驱动训练并联机器人简图。

图3为该冗余约束机器人的柔索布局三维图。

图4为该机器人的柔索布局主视图。

图5为该机器人的柔索布局另一视图。

图6为机器人的柔索与运动平台和滚珠丝杠的机构连接图。

图7为运动平台的a视图。

图8为下肢腿部电流式传感器安装结构图。

图9为下肢腿部电流式传感器俯视图及安装剖面图。

图10为下肢传感器与脚部连接图。

图11为训练机器人脚底压力传感器安装结构图。

图12为模拟人型的nao仿人机器人三维模型。

图13为穿戴式可调上肢固定装置结构图。

图14为该卷筒机构。

图15为该冗余约束柔索驱动训练并联机器人控制流程图。

图中标号为：

1-nao仿人机器人；2-上肢穿戴式可调固定装置；3-下肢腿部电流式传感器；4-脚部固定装置；201-可调式弹性上肢外衣，202-上肢可调式紧固柔索，203-弹簧卡扣；301-腿部传感器后部本体；302-腿部传感器前部本体；303-传感器穿戴套索；304-传感器铰链；305-传感器闭合卡扣；401-固定鞋套；402-插销防脱杆；403-脚背压力传感器；404-脚底压力传感器；405-插销；406-鞋套锁扣；501-驱动电机一；502-底板；503-立柱；504-拉绳位移传感器；505-传感器支撑；506-运动平台；507-横杆；508-下驱动柔索；509-定滑轮机构；510-底部滑轮支撑；511-滚珠丝杠支撑；512-柔索牵引块；513-滚珠丝杠副；514-顶部滑轮支撑；515-上驱动柔索；516-工业相机；517-拉力传感器；518-上肢承载柔索；519-卷筒机构；520-驱动电机二；521-法兰轴承座；522-有孔端盖；523-花键轴；524-轴承座；525-无孔端盖；526-卷筒；527-联轴器。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

如图1-图14所示，一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人，包括外框架、柔索驱动机构，以及位于外框架内的nao仿人机器人1、上肢穿戴式可调固定装置2、下肢腿部电流式传感器3、脚部固定装置4，其中：

外框架由底板502、多个横杆507、多个立柱503构成，其整体为立方体，顶部又设有4个横杆垂直于对角线分布；

柔索驱动机构包括对称分布的8组16根绳索，其中上驱动柔索515向上绕过设于外框架顶部的定滑轮机构509，与位于外框架外部的柔索牵引块512相连；下驱动柔索508向下绕过设于底板上的定滑轮机构509，与位于外框架内部的柔索牵引块512相连。在立柱的上端和下端分别设有顶部滑轮支撑514和底部滑轮支撑510，柔索牵引块512固定在滚珠丝杠副513的滑块上，每个柔索牵引块512连接1组2根绳索；滚珠丝杠副513由滚珠丝杠支撑511连接并固定在立柱503上。

nao仿人机器人1模拟人形，完成人体的相应动作。

穿戴式可调上肢固定装置2包括可调式弹性上肢外衣201，可调式弹性上肢外衣201位于外框架内，可调式弹性上肢外衣201穿戴于人体腰部以上部位，可调式弹性上肢外衣201的周向长度和肩高可调，可调式弹性上肢外衣201周向侧面与外框架的顶部之间连接有多个上肢承载柔索518，由此实现可调式弹性上肢外衣201吊挂在外框架内。上肢承载柔索518另一端缠绕在卷筒机构519上，卷筒机构519设置于外框架上端的横杆507上，卷筒机构由驱动电机二520驱动，使得人体在外框架内的位置可以上下调节。

下肢腿部电流式传感器3包括腿部传感器本体和传感器穿戴套索303。传感器穿戴套索303可以穿戴在人体腿部，并与腿部传感器本体连接，腿部传感器本体包括通过传感器铰链304连接的腿部传感器前部本体302和腿部传感器后部本体301，使得传感器本体可以开合，套于人体腿部。腿部传感器后部本体301上设有传感器闭合卡扣305，可以在传感器穿戴完成后，锁紧传感器的前后本体。在康复训练启动时，内部传感器贴片与腿部传感器前部本体302断开，此时无相应电流产生，当下肢有某个方向运动趋势时，通过微小位移变化，使得与腿部传感器前部本体302接触，产生电流，再通过解码形成运动信号，在上位机控制下，完成相应的康复训练运动。

脚部固定装置4包括可固定两脚的固定鞋套401，固定鞋套401安装在运动平台506上，其后端对称铰接2个鞋套锁扣406，形成两组可开合的铰链机构。固定鞋套的两脚之间设有插销防脱杆402，插销防脱杆402上铰接一个插销405，插销405可插入固定鞋套401和鞋套锁扣406配合的孔中，以锁紧鞋套锁扣406。固定鞋套401的顶部和底部还分别设有脚背压力传感器403和脚底压力传感器404，以识别人体下肢在竖直空间轴上的运动方向。

还包括外部传感系统，外部传感系统包括拉力传感器517、拉绳位移传感器504、工业相机516，其中拉力传感器517分别连接于各个下驱动柔索508和上驱动柔索515中。拉绳位移传感器504为编码器，上驱动柔索515的拉绳位移传感器504安装在外框架顶部对角分布的横杆上，下驱动柔索508的拉绳位移传感器504通过底部拉绳位移传感器支撑505安装在底板502上。工业相机516作为视觉传感器，安装在外框架顶部对角分布的2个横杆上，摄像头朝向运动平台506。

如图1、2所示，本发明该冗余约束柔索驱动下肢训练并联机器人主要包括以下组件：

nao仿人机器人1，上肢穿戴式可调固定装置2，下肢腿部电流式传感器3，脚部固定装置4，底板502，驱动电机一501，滚珠丝杠副513，上驱动柔索515，下驱动柔索508，定滑轮机构509，运动平台506。其中nao仿人机器人1位于外框架中心。上肢穿戴式可调固定装置2通过上肢承载柔索518连接在外框架顶部和位于外框架顶部的卷筒机构519上，并穿戴在nao仿人机器人1的腰部以上位置。下肢腿部电流式传感器3穿戴在nao仿人机器人1的腿部。脚部固定装置4穿戴在nao仿人机器人1脚部，并将nao仿人机器人1脚部固定在运动平台506上。

基本的运动形式如下实现：位于外框架外部的滚珠丝杠副513通过上驱动柔索515经过定滑轮机构509与运动平台506的上端相连，位于外框架内部的滚珠丝杠副513通过下驱动柔索508经过定滑轮机构509与运动平台506的下端相连。每组滚珠丝杠副513均由驱动电机一501驱动，牵引驱动柔索来实现对运动平台506运动形式和作用力的调整，以实现对连接人体下肢的训练。

如图3-图5所示，冗余约束的柔索驱动下肢训练并联机器人包括8组16根驱动柔索，沿外框架对称分布。1组柔索包括完全平行的2根柔索，其中下驱动柔索508向下经过位于底板502上的两组定滑轮机构509，由位于外框架内部的柔索牵引块512牵引；上驱动柔索515向上经过位于外框架顶部的两组定滑轮机构509，由位于外框架外部的柔索牵引块512牵引。

如图6、7所示，柔索驱动机构还包括滚珠丝杠副513和驱动滚珠丝杠副513的驱动电机一501。滚珠丝杠副513上的滑块与柔索牵引块512固结，以使每个滚珠丝杠副513驱动1组柔索。滚珠丝杠副513通过滚珠丝杠支撑511对称安装在外框架的立柱503上，与柔索牵引块512相对应，分布在外框架的内部和外部。以上驱动柔索515为例，上驱动柔索515的末端设有锁扣，同时运动平台506设有对应的孔槽，孔槽与锁扣配合，防止上驱动柔索515从运动平台506上脱落。

如图8所示，下肢腿部电流式传感器3包括腿部传感器本体和传感器穿戴套索303。传感器穿戴套索303可以穿戴在人体腿部，并与腿部传感器本体连接，腿部传感器本体包括通过铰链304连接的腿部传感器前部本体302和腿部传感器后部本体301，使得传感器本体可以开合，套于人体腿部。腿部传感器后部本体301上设有卡扣305，可以在传感器穿戴完成后，锁紧传感器的前后本体。

如图9所示，下肢腿部电流式传感器3的传感器本体为圆环形，包括内外分离的两层，外层设有8个均匀分布的电极。下肢腿部电流式传感器3穿戴在人体腿部，当腿部有运动趋势时，内外层触碰，触碰位置的电极电流通过，根据通过电流的电极编号信息判断出人腿部的运动方向。

如图10所示，下肢腿部电流式传感器3穿戴在nao仿人机器人1的腿部，传感器本体穿戴在大腿处，传感器穿戴套索303从nao仿人机器人1脚部穿进，将下肢腿部电流式传感器3绑定在nao仿人机器人1腿上。

如图11所示，脚部固定装置4包括可固定两脚的固定鞋套401，固定鞋套401安装在运动平台506上，其后端对称铰接2个鞋套锁扣406，形成两组可开合的铰链机构。固定鞋套的两脚之间设有插销防脱杆402，插销防脱杆402上铰接一个插销405，插销405可插入固定鞋套401和鞋套锁扣406配合的孔中，以锁紧鞋套锁扣406。固定鞋套401的顶部和底部还分别设有脚背压力传感器403和脚底压力传感器404，以识别人体下肢在竖直空间轴上的运动方向。

如图12所示，nao仿人机器人1为人形，拥有24个自由度，可模拟人体基本运动。

如图13所示，上肢穿戴式可调固定装置2包括可调式弹性上肢外衣201，可调式弹性上肢外衣201周向侧面与外框架的顶部之间连接有多个上肢承载柔索518，两侧的上肢承载柔索518缠绕在卷筒机构519上，卷筒机构由驱动电机二520驱动，使得人体在外框架内的位置可以上下调节。

如图14所示，该卷筒机构519包括法兰轴承座521，有孔端盖522，花键轴523，轴承座524，无孔端盖525，卷筒526，联轴器527。法兰轴承座521和轴承座524通过轴承支承花键轴523，法兰轴承座521的法兰端连接驱动电机二520，联轴器527一端连接动电机二520的输出轴，另一端连接花键轴523，卷筒526固定在花键轴523上，缠绕上肢承载柔索518。

参见图15，本发明所述的一种冗余约束柔索驱动下肢训练并联康复机器人控制方法，按如下步骤进行：

步骤一：系统初始化，检查各电机是否回复到初始位置，锁紧装置以及传感器是否复位。

步骤二：在上位机中输入患者身高、大腿长、小腿长等身体信息，通过人工肌肉调节腿部康复装置的小腿及大腿长以匹配患者身材。调节穿戴式可调上肢固定装置，通过上肢可调式紧固柔索202，弹簧卡扣203来进行调整，使其达到平衡身体重量的目的，最终贴合患者的身材要求。

步骤三：开启系统，进行训练模式的选择。可选择被动运动训练方式、主动运动训练方式、主动运动与被动运动结合训练方式。在进行完对应模式的选择后，发出对应的指令。如果进行被动运动训练方式，则启动人体步态训练程序；如果进行主动运动训练方式，则由下肢腿部电流式传感器3和脚部固定装置4上的压力传感器采集人体运动意图方位，经上位机发出指令，驱动电机按人体运动意图方位运动；如果进行主动运动与被动运动结合训练方式，则在主动运动训练方式的基础上，上位机发出指令，同时给予适当阻抗。

步骤四：根据拉力传感器517、拉绳位移传感器504、工业相机516所传回的信息，判断运动幅度是否合适，监测运动的安全性。

步骤五：在单个流程结束后选择是否继续当前项目或选择其他项目，若选择其他项目则返回步骤三进行选择。如不需要继续进行训练，则系统复位，完成训练。

实施实例1：

图1与图2为本冗余约束柔索驱动下肢训练并联机器人的结构图，如图1所示，nao仿人机器人1位于外框架中心，上肢穿戴式可调固定装置2通过上肢承载柔索518连接在外框架顶部和位于外框架顶部的卷筒机构519上，并穿戴在nao仿人机器人1的腰部以上位置。下肢腿部电流式传感器3穿戴在nao仿人机器人1的腿部。脚部固定装置4穿戴在nao仿人机器人1脚部，并将nao仿人机器人1脚部固定在运动平台506上。位于外框架外部的滚珠丝杠副513通过上驱动柔索515经过定滑轮机构509与运动平台506的上端相连，位于外框架内部的滚珠丝杠副513通过下驱动柔索508经过定滑轮机构509与运动平台506的下端相连。每组滚珠丝杠副513均由驱动电机一501驱动，牵引驱动柔索来实现对运动平台506运动形式和作用力的调整，以实现对连接人体下肢的训练。

本实例1以实现被动运动训练方式为目标，参照控制流程图15，具体控制流程如下：

步骤一：系统初始化，检查各电机是否回复到初始位置，锁紧装置以及传感器是否复位。

步骤二：在上位机中输入患者身高、大腿长、小腿长等身体信息，通过人工肌肉调节腿部康复装置的小腿及大腿长以匹配患者身材。调节穿戴式可调上肢固定装置，通过上肢可调式紧固柔索202，弹簧卡扣203来进行调整，使其达到平衡身体重量的目的，最终贴合患者的身材要求。

步骤三：选择被动运动训练方式，启动人体步态训练程序，滚珠丝杠副513牵引柔索，驱动运动平台506进行跟踪运动。

步骤四：根据拉力传感器517、拉绳位移传感器504、工业相机516所传回的信息，判断运动幅度是否合适，监测运动的安全性。

步骤五：在单个流程结束后选择是否继续当前项目或选择其他项目，若选择其他项目则返回步骤三进行选择。如不需要继续进行康复，则系统复位，结束康复训练。

实施实例2：

本实例以实现主动运动训练方式为目标，系统结构与实施实例1相同

参照控制流程图15，本实例的控制流程如下：

步骤一、二与实施实例一中相同。

步骤三：选择主动运动训练方式，下肢腿部电流式传感器3、脚背压力传感器403和脚底压力传感器404，采集人体运动方位趋势，经上位机发出指令，驱动电机一501牵引柔索驱动运动平台506按人体运动意图方位运动。

步骤四、五与实施实例1中相同。

实施实例3：

本实例以实现主动运动与被动运动结合训练方式为目标，系统结构与实施实例1相同。

参照控制流程图15，本实例的控制流程如下：

步骤一、二与实施实例1中相同。

步骤三：选择主动运动与被动运动结合训练方式，下肢腿部电流式传感器3、脚背压力传感器403和脚底压力传感器404，采集人体运动方位趋势，经上位机发出指令，驱动电机一501牵引柔索驱动运动平台506按人体运动意图方位运动，同时上位机发出指令驱动电机一501给予适当阻抗。

步骤四、五与实施实例1中相同。