一种同/异步四肢联动康复机器人的研究
发布时间：2021-01-04 18:55
为提高偏瘫患者健、患侧肢体协调运动能力,研制了一种新型坐式单驱动四肢联动康复机器人,它能够在主被动模式下为偏瘫患者的肢体提供同异步协同训练。基于平面七连杆变胞机构设计了一种可实现四肢协调运动的训练机构,通过传动系统调节两侧训练机构曲柄的相位差,实现左右两侧肢体同步或异步联合运动;在矢状面内建立人-机模型及训练机构进行运动学分析,从理论上证明该机构能够实现四肢联动的可行性;基于智能移动终端和微控制器开发了上下位机控制系统,并在样机上进行了试验,结果表明试验者在机器人作用下能够实现:肩关节-16.9°15.1°、膝关节121.5°172.5°的上下肢协同运动;06 r/min速度范围的同/异步被动训练和61.82227 N足底压力范围的异步主动训练;同/异步训练模式之间可自动切换。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2017年10期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
机器人样机Fig．1Prototypeoftherobot
第10期姜礼杰等:一种同/异步四肢联动康复机器人的研究2383化训练需求。在下肢训练机构的基础上添加一种具有零自由度的II级杆组，II级杆组可等效为一种可变连杆长度的凸轮机构，它随着5R下肢变胞机构进行协调运动，如图2(a)所示。将图2(a)康复训练机构可建立图2(b)所示机构示意图，其中AB代表训练机构的曲柄，由伺服电机进行驱动;BC为连杆，杆BC分别与曲柄AB铰接，脚踏点M可在连杆上滑动调节以实现不同运动参数;II级连杆GF的铰接点F也在连杆BC上;CD为摇杆两端分别与杆BC、DE进行铰接、DE为调整杆，由伺服电机进行驱动;FG为上肢连杆、GN是上肢摇杆，N点为扶手位置;A、E、H3点分别与座椅机架进行铰接，脚踏点M和扶手N点可在平面内实现不同封闭曲线和不同幅度的摆动。该机构采用平面连杆机构设计，具有承载能力大、控制简单，安全可靠、经济性好，在一定范围可实现不同运动轨迹、幅度的特点。图2机器人一侧执行机构Fig．2Executingmechanismononesideoftherobot1．2传动系统设计机器人两侧训练机构由一套传动系统进行驱动，传动系统有主、副两条传动链，通过传动系统中制动器、离合器及齿轮间的相互配合实现训练机构输出不同运动轨迹和幅度的康复训练。主传动链主要用来驱动训练机构的曲柄运动;副传动链主要是驱动训练机构的调整杆进行调节训练机构的训练幅度，两者分时共用一个伺服电机驱动，如图3所示。在图3中，主传动链是由伺服电机，减速机、离合器3/4、制动器3/4，齿轮副1/1″、齿轮副6/6'、齿轮副7/7'、齿轮副8/8'、齿轮副9/9'和曲柄轴1/2等零部件组成。在主传动链中，伺服电机将运动经减速机降速并增大扭矩后传递到齿轮1，经离合器3、4将运动传递到齿轮6/8，然后制动器3/4处于非制动状态，齿轮6/8分别与齿轮6'/8'相啮
?嘶?股杓疲?哂谐性啬芰Υ蟆⒖刂萍虻ィ?安全可靠、经济性好，在一定范围可实现不同运动轨迹、幅度的特点。图2机器人一侧执行机构Fig．2Executingmechanismononesideoftherobot1．2传动系统设计机器人两侧训练机构由一套传动系统进行驱动，传动系统有主、副两条传动链，通过传动系统中制动器、离合器及齿轮间的相互配合实现训练机构输出不同运动轨迹和幅度的康复训练。主传动链主要用来驱动训练机构的曲柄运动;副传动链主要是驱动训练机构的调整杆进行调节训练机构的训练幅度，两者分时共用一个伺服电机驱动，如图3所示。在图3中，主传动链是由伺服电机，减速机、离合器3/4、制动器3/4，齿轮副1/1″、齿轮副6/6'、齿轮副7/7'、齿轮副8/8'、齿轮副9/9'和曲柄轴1/2等零部件组成。在主传动链中，伺服电机将运动经减速机降速并增大扭矩后传递到齿轮1，经离合器3、4将运动传递到齿轮6/8，然后制动器3/4处于非制动状态，齿轮6/8分别与齿轮6'/8'相啮合，齿轮6'/8'分别与齿轮7/9同轴相连，运动经齿轮7'和齿轮9'传递至曲柄轴1/2，且曲柄轴1/2分别与两侧训练机构的曲柄相连，驱动曲柄做回转运动，完成图3传动系统Fig．3Transmissionsystem被动康复训练。训练机构的同异步运动是由两侧曲柄的相位差所决定的，当二者相位差为0°时，训练机构则同步运动，相位差为180°时，则两者为异步运动。进行两侧训练机构同异步调节时，需将副传动链的离合器1/2处于离合状态，控制器控制制动器3处于制动状态及离合器3处于分离状态;利用制动器3使无负载的左侧训练机构处于静止状态;另一侧执行机构的离合器4处于粘合状态，制动器4处于非制动状态。此状态下，伺服电机将运动经减速机、齿轮1、齿轮副8/8'、齿轮副9/9'等传递到右侧曲柄轴2进行相位调
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Unity3D与Kinect的康复训练机器人情景交互系统[J]. 秦超龙,宋爱国,吴常铖,刘玉庆,姜国华. 仪器仪表学报. 2017(03)
[2]肢体协调运动康复机器人的机构设计与实验[J]. 姜礼杰,陈进,王良诣,侯言旭,王勇. 自动化学报. 2016(12)
[3]模型不确定的下肢康复机器人轨迹跟踪自适应控制[J]. 尹贵,张小栋,陈江城,马伟光. 电子测量与仪器学报. 2016(11)
[4]手指远程康复训练机器人系统设计[J]. 易荣武,王爱民. 电子测量技术. 2016(09)
[5]基于欧拉角的关节活动度测量系统[J]. 李文浩,葛云,陈颖. 电子测量技术. 2016(07)
[6]一种混合输入并联拟人步态康复机器人的机构设计与分析[J]. 姜礼杰,王良诣,王勇,陈进. 机器人. 2016(04)
[7]用于肩关节康复训练的单输入三转动输出并联机构及其运动学设计[J]. 沈惠平,杨梁杰,邓嘉鸣,张晓玉,沈晓军. 中国机械工程. 2015(22)
[8]Fundamental problems in rehabilitation robots based on neuro-machine interaction[J]. SONG Aiguo,ZENG Hong,YANG Renhuan,XU Baoguo. Instrumentation. 2014(03)
[9]下肢康复机器人步态轨迹自适应控制[J]. 李峰,吴智政,钱晋武. 仪器仪表学报. 2014(09)
[10]一种上肢康复训练机器人及控制方法[J]. 吴常铖,宋爱国,李会军,徐宝国,徐晓明. 仪器仪表学报. 2014(05)
本文编号：2957251
【文章来源】：仪器仪表学报. 2017年10期 北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
机器人样机Fig．1Prototypeoftherobot
第10期姜礼杰等:一种同/异步四肢联动康复机器人的研究2383化训练需求。在下肢训练机构的基础上添加一种具有零自由度的II级杆组，II级杆组可等效为一种可变连杆长度的凸轮机构，它随着5R下肢变胞机构进行协调运动，如图2(a)所示。将图2(a)康复训练机构可建立图2(b)所示机构示意图，其中AB代表训练机构的曲柄，由伺服电机进行驱动;BC为连杆，杆BC分别与曲柄AB铰接，脚踏点M可在连杆上滑动调节以实现不同运动参数;II级连杆GF的铰接点F也在连杆BC上;CD为摇杆两端分别与杆BC、DE进行铰接、DE为调整杆，由伺服电机进行驱动;FG为上肢连杆、GN是上肢摇杆，N点为扶手位置;A、E、H3点分别与座椅机架进行铰接，脚踏点M和扶手N点可在平面内实现不同封闭曲线和不同幅度的摆动。该机构采用平面连杆机构设计，具有承载能力大、控制简单，安全可靠、经济性好，在一定范围可实现不同运动轨迹、幅度的特点。图2机器人一侧执行机构Fig．2Executingmechanismononesideoftherobot1．2传动系统设计机器人两侧训练机构由一套传动系统进行驱动，传动系统有主、副两条传动链，通过传动系统中制动器、离合器及齿轮间的相互配合实现训练机构输出不同运动轨迹和幅度的康复训练。主传动链主要用来驱动训练机构的曲柄运动;副传动链主要是驱动训练机构的调整杆进行调节训练机构的训练幅度，两者分时共用一个伺服电机驱动，如图3所示。在图3中，主传动链是由伺服电机，减速机、离合器3/4、制动器3/4，齿轮副1/1″、齿轮副6/6'、齿轮副7/7'、齿轮副8/8'、齿轮副9/9'和曲柄轴1/2等零部件组成。在主传动链中，伺服电机将运动经减速机降速并增大扭矩后传递到齿轮1，经离合器3、4将运动传递到齿轮6/8，然后制动器3/4处于非制动状态，齿轮6/8分别与齿轮6'/8'相啮
?嘶?股杓疲?哂谐性啬芰Υ蟆⒖刂萍虻ィ?安全可靠、经济性好，在一定范围可实现不同运动轨迹、幅度的特点。图2机器人一侧执行机构Fig．2Executingmechanismononesideoftherobot1．2传动系统设计机器人两侧训练机构由一套传动系统进行驱动，传动系统有主、副两条传动链，通过传动系统中制动器、离合器及齿轮间的相互配合实现训练机构输出不同运动轨迹和幅度的康复训练。主传动链主要用来驱动训练机构的曲柄运动;副传动链主要是驱动训练机构的调整杆进行调节训练机构的训练幅度，两者分时共用一个伺服电机驱动，如图3所示。在图3中，主传动链是由伺服电机，减速机、离合器3/4、制动器3/4，齿轮副1/1″、齿轮副6/6'、齿轮副7/7'、齿轮副8/8'、齿轮副9/9'和曲柄轴1/2等零部件组成。在主传动链中，伺服电机将运动经减速机降速并增大扭矩后传递到齿轮1，经离合器3、4将运动传递到齿轮6/8，然后制动器3/4处于非制动状态，齿轮6/8分别与齿轮6'/8'相啮合，齿轮6'/8'分别与齿轮7/9同轴相连，运动经齿轮7'和齿轮9'传递至曲柄轴1/2，且曲柄轴1/2分别与两侧训练机构的曲柄相连，驱动曲柄做回转运动，完成图3传动系统Fig．3Transmissionsystem被动康复训练。训练机构的同异步运动是由两侧曲柄的相位差所决定的，当二者相位差为0°时，训练机构则同步运动，相位差为180°时，则两者为异步运动。进行两侧训练机构同异步调节时，需将副传动链的离合器1/2处于离合状态，控制器控制制动器3处于制动状态及离合器3处于分离状态;利用制动器3使无负载的左侧训练机构处于静止状态;另一侧执行机构的离合器4处于粘合状态，制动器4处于非制动状态。此状态下，伺服电机将运动经减速机、齿轮1、齿轮副8/8'、齿轮副9/9'等传递到右侧曲柄轴2进行相位调
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Unity3D与Kinect的康复训练机器人情景交互系统[J]. 秦超龙,宋爱国,吴常铖,刘玉庆,姜国华. 仪器仪表学报. 2017(03)
[2]肢体协调运动康复机器人的机构设计与实验[J]. 姜礼杰,陈进,王良诣,侯言旭,王勇. 自动化学报. 2016(12)
[3]模型不确定的下肢康复机器人轨迹跟踪自适应控制[J]. 尹贵,张小栋,陈江城,马伟光. 电子测量与仪器学报. 2016(11)
[4]手指远程康复训练机器人系统设计[J]. 易荣武,王爱民. 电子测量技术. 2016(09)
[5]基于欧拉角的关节活动度测量系统[J]. 李文浩,葛云,陈颖. 电子测量技术. 2016(07)
[6]一种混合输入并联拟人步态康复机器人的机构设计与分析[J]. 姜礼杰,王良诣,王勇,陈进. 机器人. 2016(04)
[7]用于肩关节康复训练的单输入三转动输出并联机构及其运动学设计[J]. 沈惠平,杨梁杰,邓嘉鸣,张晓玉,沈晓军. 中国机械工程. 2015(22)
[8]Fundamental problems in rehabilitation robots based on neuro-machine interaction[J]. SONG Aiguo,ZENG Hong,YANG Renhuan,XU Baoguo. Instrumentation. 2014(03)
[9]下肢康复机器人步态轨迹自适应控制[J]. 李峰,吴智政,钱晋武. 仪器仪表学报. 2014(09)
[10]一种上肢康复训练机器人及控制方法[J]. 吴常铖,宋爱国,李会军,徐宝国,徐晓明. 仪器仪表学报. 2014(05)
本文编号：2957251
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