[0001] 本发明属于医学康复机器人领域，具体涉及一种基于执行器的机器人上行李箱训练设备。

[0002] 康复机器人是一种基于机器人技术指导康复医学的医用机器人，常用于肢体损伤患者的康复治疗。其总体目的是替代或帮助康复师治疗肢体损伤，并简化常规康复的一对一治疗过程。随着科技的进步和医疗需求的增加，康复机器人在康复医学领域的应用越来越广泛。目前，针对四肢康复的机械系统发展已经相对成熟，但针对脊柱、躯干受损患者的康复设备还相对匮乏。这些患者在康复过程中需要特殊的支持和辅助，以帮助他们恢复躯干的稳定性和运动能力。

[0003] 在康复训练中，目前大多数躯干康复设备都没有很好的处理关节错位、缺乏武力适应性援、僵化的人机交互等问题，这些设备专注于腰关节的运动。这些设备由于使用刚性执行器，如直流电机和广泛使用的基于PID的位置控制器。力自适应辅助通常在当前中继支持设备的控制器中未提及。参考位置或力控制器通常由研究人员预定义，而不管患者的恢复状态和肌肉力量状态，即主动支持能力。因此，通常会发生过度的指导并降低训练结果发明内容

[0004] 本发明的目的是解决上述问题，提供一种新型的康复机器人，通过优化结构和传动装置，设计了一种基于执行器的机器人上行李箱训练设备，在这项工作中，机器人旨在协助上躯干康复训练基于腰关节。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于执行器的机器人上行李箱训练设备，其特征在于：包括可变刚度模块、刚度控制模块、框架。框架包括底座、塔身、可变刚度模块固定框架。所述刚度控制模块和可变刚度模块安装在直角承重长和可变刚度模块固定框架内。所述塔身和可变刚度模块固定框架安装在底座和塔身。首先，引入单自由度四杆联动机构连接患者的躯干，将人体躯干的动作间接传递至康复机器人。将人体躯干和康复机器人间接相连,避免了腰关节和机器人关节之间的关节错位。此外联动机构的运动学约束可用于准确估计人体关节的位置。其次，通过可变刚度模块和刚度控制模块,可以调整康复机器人的支持级别并提供反馈和武力适应性援助，旨在提供友好的人类机器人相互作用。这项工作中并联弹性执行器的机构是由行星齿轮组系统形成的并集成了来自弹性组件的被动支持和刚性执行器。为了降低刚性执行器的要求并提高控制效率，被动元件的支撑扭矩设计需要能够匹配所需的扭矩。最终通过可定制的凸轮弹簧机构，可以在康复机器人的工作空间内将人体躯干以各种姿势固定。康复机器人的支持水平，以及并联弹性执行器的刚度水平(扭矩角度关系)，可以使用并联弹性执行器的刚性执行器来进行实时调制时间。同时，如果调节在训练开始时执行，力适应性援助是为半主动方式，其中康复机器人的支撑力主要由并联弹性执行器的弹性组件被动产生，并由刚性执行器调节。

[0006] 优选地，所述底座包括基架承重梁超短、基架承重梁短、基架承重梁长、基架固定件、底板，将基架承重梁超短、基架承重梁短、基架承重梁长依次用基架固定件进行固连，再将底板固定在其上。

[0007] 优选地，所述塔身包括直角承重中、基架固定件1、直角承重长、直角承重固定件、直角承重短、直角承重超短、直角承重弹簧、基架固定件2，用基架固定件1和基架固定件2将直角承重中和4直角承重弹簧固定到底板上。用直角承重固定件将直角承重长固定在直角承重中。用直角承重固定件将直角承重短和直角承重超短固定到直角承重弹簧。

[0008] 优选地，所述刚度控制模块包括弹簧固定下底座、弹簧底座、弹簧、弹簧固定、弹簧固定上底座、线性轴承、滚柱、滚轮、电位计输出、销轴、电位计仪器、电位计，将弹簧安装到弹簧固定，再将弹簧底座安装到弹簧固定，然后将整体安装到弹簧固定下底座和弹簧固定上底座，再将线性轴承装入弹簧固定上底座和弹簧固定之间当作轴向定位。将滚柱和滚轮放置在弹簧固定上方通孔，并将销轴依次穿过，并用弹簧挡圈将其固定。将电位计输出固定在电位计仪器上，并将电位计仪器安装到电位计的孔内，并将电位计输出用螺钉固定到弹簧固定上。

[0009] 优选地，所述可变刚度模块固定框架包括弹簧侧板、电机侧固定板、编码器挡板、人体侧板，将人体侧板、弹簧侧板、电机侧固定板、编码器挡板依次与直角承重的通孔一一对应，并用螺钉和螺母进行固连。

[0010] 优选地，所述可变刚度模块包括涡轮蜗杆结构和齿轮传动装置，所示涡轮蜗杆结构和齿轮传动装置安装在可变刚度模块固定框架，所示涡轮蜗杆结构与齿轮传动进行蜗轮蜗杆间的配合。

[0011] 优选地，所述涡轮蜗杆结构包括编码器、电机、蜗杆支撑、轴承1、蜗杆,将编码器安装到电机，然后将电机和蜗杆支撑固定到电机侧固定板，并将轴承1安装到蜗杆支撑，最后将蜗杆安装到电机。

[0012] 优选地，所述齿轮传动结构包括轴承2、悬臂梁、轴承3、轴承4、小齿轮固定、齿环、小齿轮、太阳轮、涡轮支撑、轴承5、涡轮连杆、涡轮、凸轮，将轴承5固定到涡轮，然后将涡轮支撑与涡轮的四个螺纹孔一一对应，并用螺钉进行连接，最后将齿环与涡轮支撑的四个螺纹孔一一对应，并用螺钉进行连接。将小齿轮和轴承2穿过小齿轮固定，并将轴承2固定在悬臂梁的三个通孔内，最后将轴承安装在悬臂梁的中心通孔。将凸轮、涡轮、涡轮支撑、太阳轮、齿环、悬臂梁依次安装到涡轮连杆，并将小齿轮与太阳轮和齿环进行齿轮啮合。

[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0023] 如图1到图8所示，本发明提供的一种基于执行器的机器人上行李箱训练设备：

[0024] 图1为本发明总装图：

[0025] 首先，引入单自由度四杆联动机构连接患者的躯干，将人体躯干的动作间接传递至康复机器人。将人体躯干和康复机器人间接相连,避免了腰关节和机器人关节之间的关节错位。此外联动机构的运动学约束可用于准确估计人体关节的位置。

[0026] 其次，通过并联弹性执行器,可以调整康复机器人的支持级别并提供反馈和武力适应性援助，旨在提供友好的人类机器人相互作用。这项工作中并联弹性执行器的机构是由行星齿轮组系统形成的并集成了来自弹性组件的被动支持和刚性执行器。为了降低刚性执行器的要求并提高控制效率，被动元件的支撑扭矩设计需要能够匹配所需的扭矩。

[0027] 最终通过可定制的凸轮弹簧机构，可以在康复机器人的工作空间内将人体躯干以各种姿势固定。康复机器人的支持水平，以及并联弹性执行器的刚度水平(扭矩角度关系)，可以使用并联弹性执行器的刚性执行器来进行实时调制时间。同时，如果调节在训练开始时执行，力适应性援助是为半主动方式，其中康复机器人的支撑力主要由并联弹性执行器的弹性组件被动产生，并由刚性执行器调节。

[0028] 图2为本发明刚度控制模块的结构爆炸示意图：

[0029] 刚度控制模块包括弹簧固定下底座(1)、弹簧底座(2)、弹簧(3)、弹簧固定(4)、弹簧固定上底座(5)、线性轴承(6)、滚柱(7)、滚轮(8)、电位计输出(9)、销轴(10)、电位计仪器(11)、电位计(12)。

[0030] 将弹簧(3)安装到弹簧固定(4)，再将弹簧底座(2)安装到弹簧固定(4)，然后将整体安装到弹簧固定下底座(1)和弹簧固定上底座(5)，再将线性轴承(6)装入弹簧固定上底座(5)和弹簧固定(4)之间当作轴向定位。将滚柱(7)和滚轮(8)放置在弹簧固定(4)上方通孔，并将销轴(10)依次穿过，并用弹簧挡圈将其固定。将电位计输出(9)固定在电位计仪器(11)上，并将电位计仪器(11)安装到电位计(12)的孔内，并将电位计输出(9)用螺钉固定到弹簧固定(4)上。

[0031] 图3为本发明可变刚度模块爆炸结构示意图：

[0032] 可变刚度模块包括编码器(13)、电机(14)、蜗杆支撑(15)、轴承1(16)、涡轮(17)、轴承2(18)、悬臂梁(19)、轴承3(20)、轴承4(21)、小齿轮固定(22)、齿环(23)、小齿轮(24)、太阳轮(25)、涡轮支撑(26)、轴承5(27)、涡轮连杆(28)、涡轮(29)、凸轮(30)。

[0033] 将编码器(13)安装到电机(14)，然后将电机(14)和蜗杆支撑(15)固定到40、电机侧固定板，并将轴承1(16)安装到蜗杆支撑(15)，最后将蜗杆(17)安装到电机(14)。将轴承5(27)固定到涡轮(29)，然后将涡轮支撑(26)与涡轮(29)的四个螺纹孔一一对应，并用螺钉进行连接，最后将齿环(23)与涡轮支撑(26)的四个螺纹孔一一对应，并用螺钉进行连接。将小齿轮(24)和轴承2(18)穿过小齿轮固定(22)，并将轴承2(18)固定在悬臂梁(19)的三个通孔内，最后将轴承4(21)安装在悬臂梁(19)的中心通孔。将凸轮(30)、涡轮(29)、涡轮支撑(26)、太阳轮(25)、齿环(23)、悬臂梁(19)依次安装到涡轮连杆(28)，并将小齿轮(24)与太阳轮(25)和齿环(23)进行齿轮啮合。

[0034] 图4为本发明框架爆炸结构示意图：

[0035] 框架包括基架承重梁超短(31)、基架承重梁短(32)、基架承重梁长(33)、基架固定件(34)、直角承重中(35)、基架固定件1(36)、直角承重长(37)、直角承重固定件(38)、弹簧侧板(39)、电机侧固定板(40)、编码器挡板(41)、直角承重短(42)、直角承重超短(43)、直角承重弹簧(44)、人体侧板(45)、基架固定件2(46)、底板(47)。

[0036] 将基架承重梁超短(31)、基架承重梁短(32)、基架承重梁长(33)依次用基架固定件(34)进行固连，再将底板(47)固定在其上。用基架固定件1(36)和基架固定件2(46)将直角承重中(35)和4直角承重弹簧(44)固定到底板(47)上。用直角承重固定件(38)将直角承重长(37)固定在直角承重中(35)。用直角承重固定件(38)将直角承重短(42)和直角承重超短(43)固定到直角承重弹簧(44)。将人体侧板(45)、弹簧侧板(39)、电机侧固定板(40)、编码器挡板(41)依次与直角承重的通孔一一对应，并用螺钉和螺母进行固连。

[0037] 图6到图8为凸轮尺寸设计原理图：

[0038] 该可变刚度模块尺寸设计采用了一种特殊的凸轮轮廓设计，是为了匹配参考扭矩，可以保持人体躯干在其工作空间内的所有姿势。所开发的凸轮型线分为四个区域:零支撑区、力匹配区、运动限制区和过渡区。坐标系XoY是凸轮的参照系，其中o与凸轮轴的中心重合，各轴平行于XoY的全局参照系。零支撑区域的轮廓为扇形角θzs的圆弧，圆心与o重合，此处可变刚度模块的弹簧不被压缩，不会产生输出扭矩。扇形角为θfm的力匹配区域的廓形，旨在提供可以在所有姿态下被动托住躯干的支撑力。扇形角θmr的运动限制区产生较大的阻力，使躯干停止运动。过渡区是运动约束和零支持区域。

[0039] 康复机器人的工作模式与凸轮滚子从动件机构的初始配置有关。当滚轮最初放置在零支撑和力匹配区域的连接处，即起始配置位置时，康复机器人工作在全支撑模式，这样躯干就可以被设备被动支撑，而不需要患者主动扭矩。当滚轮初始放置在零支撑区域的某个位置时，在滚轮进入力匹配区域之前不产生输出扭矩，康复机器人工作在部分支撑模式。在这种模式下，有一个允许躯干自由运动的区域，称为躯干的自由运动区域，这可以增加训练挑战。当滚子从零支撑和过渡区域的连接处，即极限配置位置开始时，如果电机不移动，康复机器人不产生输出转矩。

[0040] 当电机旋转时，滚子可以移动到凸轮轮廓的不同区域调节可变刚度模块的输出转矩。可变刚度模块的凸轮有三个工作区域:零支持区域，其中可变刚度模块输出无转矩；力匹配区域，其中输出转矩‑角关系上文中描述；运动限制区域，其中可变刚度模块总是输出最大的支持扭矩。这些区域的可变刚度模块输出转矩可以为

[0041]

[0042] 其中τ可变刚度模块(θ凸轮)是力匹配区域中所需的输出扭矩‑角度关系给出的区域，θzs和θmr是零支撑区域和运动限制区域的扇形角的最大值，max(τ可变刚度模块)是为了找到τ可变刚度模块的最大值的区域。对于本产品设计的凸轮轮廓，零支撑区域和运动限制区域的扇形叫相同，即θzs＝θmr＝156.5°，患者躯干的自由活动区域可以覆盖躯干的整个工作空间(60.9°<θ<90°)，如果滚筒最初放置在LMTCON上，则为90°。

[0043] 在电机不移动的情况下，康复机器人有三种工作模式。

[0044] 如果滚筒在躯干直立时位于初始处，即当初始凸轮角θ凸轮＝0°时，当躯干夹角θ＝90°时，可变刚度模块仅在躯干在其工作空间内运动时工作在凸轮的力匹配区域，由康复机器人提供所有所需的支持扭矩，而患者不提供主动支撑扭矩的情况下，将其固定在患者的躯干上，称为康复机器人的全支撑模式。

[0045] 若滚子位于初始凸轮角θ凸轮＝‑θzs＝‑156.5°的位置，当躯干夹角θ＝90°时，躯干的整个工作空间内不存在由可变刚度模块提供的力矩，称为康复机器人的零支撑模式。

[0046] 如果滚子位于凸轮的支撑运动区域，则初始凸轮角为θ凸轮＝‑78°，当躯干夹角θ＝90°时，躯干经历一个自由运动区域(75.3°≤θ≤90°)，其中滚子处于凸轮的零支撑区域，随后是一个部分支撑运动区域(60.9°<θ<75.3°)，其中滚子处于力匹配区域。由于康复机器人的支撑力矩始终介于躯干的部分支撑模式之间。当电机移动时，在后备箱的整个工作空间内，需要支撑运动区域和支撑运动区域，这种模式被称为部分支撑模式。

[0047] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。