一种动态悬吊式体重支持系统的制作方法

本发明涉及康复医疗机器人技术领域，具体涉及一种动态悬吊式体重支持系统。

背景技术：

目前我国人口老龄化问题日趋严重，残疾人的人口比重越来越大，亟需进行康复医疗的患者也在逐年增加。目前的康复训练主要由专业医师指导，且多在诸如医院等康复场所进行，康复训练过程耗费大量时间与人力，随着机器人技术的发展，越来越多的科研机构开始将机器人技术用于康复训练器材的设计与研发中，其中外骨骼正是一种典型的助力装置。协助外骨骼助力的动态悬吊装置，通过绳索连接使用者，具有动态减重甚至使人脱离地面的能力。

目前的减重悬吊系统，一种是只采用单个驱动，或加入弹簧等弹性元件作为被动的减重方式，这样由于人体重心的不断变化，造成惯性力不断变化，致使减重力不断变化，无法在人体运动时提供近似恒定的拉力，不能给使用者舒适的体验。还有一种是双驱动悬吊系统，这种系统需要同时考虑位置反馈与力反馈，控制难度大大增加，并且系统容易出现不稳定的情况。而且电机系统的柔顺性差，一般需要弹性元件辅助，这又造成了控制上的难题。

因此需要这样一种体重支持系统，能够精确控制提供给使用者的减重力，同时具有一定的柔顺性，不产生过度的拉拽力，同时降低对于减重力的控制难度，并且针对不同身高体重的使用者均能提供不同的助力。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种动态悬吊式体重支持系统，解决现有技术中悬吊系统减重力稳定性差、柔顺性差、控制难度大的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供动态悬吊式体重支持系统，包括电机驱动装置、气动肌肉驱动装置、电机检测装置、气动肌肉检测装置、控制器、悬吊单元、连接单元以及框架；

所述电机驱动装置和气动肌肉驱动装置分别安装于所述框架上，所述电机驱动装置设置于所述悬吊单元的一侧，并通过所述连接单元与所述悬吊单元连接，所述气动肌肉驱动装置设置于所述悬吊单元的另一侧，并通过所述连接单元与所述悬吊单元连接，所述悬吊单元用于连接使用者，所述电机检测装置与所述电机驱动装置连接，所述气动肌肉检测装置与所述气动肌肉驱动装置连接，所述电机驱动装置、气动肌肉驱动装置、电机检测装置以及气动肌肉检测装置分别与所述控制器电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明使用气动肌肉驱动装置和电机驱动装置作为驱动，双驱动的设计能够提供给人体恒定的减重力，同时，气动肌肉提供的驱动力具备一定的柔性，无需再使用其他柔性元件，使得系统提供的减重力柔顺性更好，提高人体的舒适度和体验感。同时通过气动肌肉检测装置和电机检测装置分别对电机驱动装置和气动肌肉驱动装置进行检测，双驱动的分开检测，使得其检测更方便，控制上也更容易。

附图说明

图1是本发明提供的动态悬吊式体重支持系统一实施方式的整理结构示意图；

图2是本发明提供的动态悬吊式体重支持系统的连接单元一实施方式的结构示意图；

图3是本发明提供的动态悬吊式体重支持系统的电机驱动装置图一实施方式的局部结构示意图；

图4是本发明提供的动态悬吊式体重支持系统的气动肌肉驱动装置图一实施方式的局部结构示意图；

图5是本发明提供的动态悬吊式体重支持系统一实施方式的物理结构框图；

图6是本发明提供的动态悬吊式体重支持系统一实施方式的数学模型示意图；

图7是本发明提供的动态悬吊式体重支持系统一实施方式的阻抗控制流程图。

附图标记：

1、电机驱动装置，11、电机，12、减速器，13、联轴器，14、轴承，15、滚筒，16、安装架，17、铜柱，2、气动肌肉驱动装置，21、气动肌肉，22、连接头，3、电机检测装置，31、第一力传感器，4、气动肌肉检测装置，41、第二力传感器，42、位移传感器，43、连接板，44、固定座，5、悬吊单元，51、拉索，6、连接单元，61、第一滑轮，62、第二滑轮，63、第三滑轮，64、第四滑轮，65、第五滑轮，66、第六滑轮，67、绳索，7、框架，81、滑轨，82、滑块，10、使用者。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的实施例1提供了动态悬吊式体重支持系统，以下简称本系统，包括电机驱动装置1、气动肌肉驱动装置2、电机检测装置3、气动肌肉检测装置4、控制器、悬吊单元5、连接单元6以及框架7；

所述电机驱动装置1和气动肌肉驱动装置2分别安装于所述框架7上，所述电机驱动装置1设置于所述悬吊单元5的一侧，并通过所述连接单元6与所述悬吊单元5连接，所述气动肌肉驱动装置2设置于所述悬吊单元5的另一侧，并通过所述连接单元6与所述悬吊单元5连接，所述悬吊单元5用于连接使用者10，所述电机检测装置3与所述电机驱动装置1连接，所述气动肌肉检测装置4与所述气动肌肉驱动装置2连接，所述电机驱动装置1、气动肌肉驱动装置2、电机检测装置3以及气动肌肉检测装置4分别与所述控制器电连接。

本发明实施例采用气动肌肉驱动装置2和电机驱动装置1提供双驱动力，电机驱动装置1作为主要的悬吊力输出器，柔性的气动肌肉驱动装置2作为调节器，适应人体运动时重心的摆动，主要用于康复训练中提供给人体恒定的支撑力。使用者10连接悬吊单元5，电机驱动装置1与气动肌肉驱动装置2均通过连接单元6连接于悬吊单元5，从而提供给使用者10一定的支撑力，人体进行康复运动时，控制器通过改变气动肌肉驱动装置2的伸缩长度，适应人体运动时的重心上下变化，保持连接单元6上的拉力，即提供给使用者10的支持力为恒定值。选用气动肌肉驱动装置2作为辅助驱动装置，由于气动肌肉驱动装置2提供的驱动力具备一定的柔性，不产生过度的拉拽力，因此无需再使用其他柔性元件，也使得本系统提供的减重力柔顺性更好，从而提高人体的舒适度和体验感。同时，气动肌肉驱动装置2的结构简单，控制容易。气动肌肉驱动装置2不工作时，还可当做静态的悬吊系统使用，可视为具有一定柔性的静态悬吊系统，即只具有将人体拉起的效果。电机检测装置3用于检测电机驱动装置1的力与位置，气动肌肉检测装置4用于检测气动肌肉驱动装置2的力与位置，电机驱动装置1与气动肌肉驱动装置2分别检测，使得检测更加方便，也使得控制更加简单。

使用时，首先通过电机驱动装置1大范围调节悬吊单元5的高度，使得悬吊单元5降低，方便使用者10穿戴好连接装置，并与悬吊单元5连接到一起。之后电机驱动装置1调节到连接单元6拉紧，达到预紧的效果。控制器控制电机驱动装置1和气动肌肉驱动装置2同时协调运行，实现动态悬吊效果。

本发明在采用电机驱动装置1作为大范围位置调节的基础上，使用气动肌肉驱动装置2作为第二个驱动解决了现有技术中柔顺性恒定力兼顾难以及控制难度高的问题，使用刚性驱动装置辅以柔性驱动装置，在人体运动时，提供给人体恒定的支持力以完成康复训练内容。同时，双驱动的分别检测，降低了检测和控制的难度。

优选的，如图2、图3所示，所述连接单元6包括绳索67、第一滑轮组以及第二滑轮组；

所述绳索67的一端穿过所述悬吊单元5，并绕过所述第一滑轮组后与所述电机驱动装置1连接，所述绳索67的另一端绕过所述第二滑轮组后与所述气动肌肉驱动装置2连接。

具体的，第一滑轮组包括第一滑轮61、第二滑轮62、第三滑轮63以及第四滑轮64，绳索67一端依次绕过第一滑轮61、第二滑轮62、第三滑轮63以及第四滑轮64后与滚筒15连接，电机11转动时，绳索67卷绕于滚筒15上。第二滑轮组包括第五滑轮65和第六滑轮66，绳索67另一端依次绕过第五滑轮65和第六滑轮66后与气动肌肉21的移动端连接。通过绳索67动态地向悬吊单元5输出减重力，使用者10通过拉索51连接至悬吊单元5，组成动态悬吊减重系统。气动肌肉驱动装置2和电机驱动装置1分别设置在悬吊单元5的两侧，并分别与绳索67的两端连接，能够减少两个驱动装置之间的干扰，也使得对两个驱动装置的控制更简单。

优选的，如图3所示，所述电机检测装置3包括第一力传感器31以及编码器；

所述第一滑轮组包括承重滑轮，所述第一力传感器31安装于所述框架7上，所述承重滑轮压设于所述第一力传感器31上，所述绳索67绕设于所述承重滑轮上并朝所述第一力传感器31施加压力；所述编码器安装于所述电机驱动装置1上，所述第一力传感器31以及编码器分别与所述控制器电连接。

具体的，本实施例中电机驱动装置1采用电机11进行驱动，编码器内置于电机11中，因此图中未示出。本实施例中第一力传感器31用于检测电机11的输出力，编码器用于检测电机11的转动位置，从而获取电机11转动时绳索67的收放距离，通过第一力传感器31以及编码器分别检测电机11的力参数与位置参数，便于控制器对其力和位置分别进行控制。第一力传感器31工作时，承重滑轮受到绳索67的压力产生向内的压力传递给第一力传感器31，第一力传感器31接收到压力信号转换为电信号并传递给控制器，从而完成对电机11输出力的检测。具体的，本实施例中第三滑轮63即承重滑轮。

优选的，如图4所示，所述气动肌肉检测装置4包括第二力传感器41以及位移传感器42；

所述第二力传感器41的一端固定于所述框架7上，所述第二力传感器41的另一端与所述气动肌肉驱动装置2连接，所述位移传感器42固定于所述框架7上，所述位移传感器42的移动端与所述气动肌肉驱动装置2的移动端连接，并跟随所述气动肌肉驱动装置2同步移动，所述第二力传感器41以及位移传感器42分别与所述控制器电连接。

气动肌肉驱动装置2采用气动肌肉21进行驱动，气动肌肉21为气缸，第二力传感器41用于检测气动肌肉21的输出力，位移传感器42用于检测气动肌肉21的伸缩位置。通过第二力传感器41、位移传感器42分别检测气动肌肉21的力参数与位置参数，便于控制器对其力和位置分别进行控制。

具体的，第一力传感器31和第二力传感器41分别设置于悬吊单元5的两侧，编码器和位移传感器42分开设置，由于电机11和气动肌肉21分别设置于悬吊单元5的两侧，且对于电机11和气动肌肉21的力及位置的检测是分开进行的，使得电机11和气动肌肉21的力及位置的检测更加方便，同时还可减少电机11和气动肌肉21检测时的相互干扰。

优选的，如图4所示，所述位移传感器42固定于所述框架7上，所述框架7上还安装有滑轨81，所述位移传感器42以及所述滑轨81均沿所述气动肌肉驱动装置2的伸缩方向设置，所述滑轨81内可滑动地安装有滑块82，所述气动肌肉驱动装置2的移动端与所述滑块82连接。

位移传感器42通过两个固定座44固定于框架7上，位移传感器42的移动端通过连接板43连接至气动肌肉21的连接头22处，跟随气动肌肉21的伸缩同步运动。滑轨81和滑块82的设置是为位移传感器42的伸缩以及气动肌肉21的伸缩进行导向。

优选的，如图3所示，所述电机驱动装置1包括电机11、减速器12、联轴器13、轴承14、滚筒15、安装架16以及铜柱17；

所述安装架16通过所述铜柱17安装于所述框架7上，所述电机11以及所述减速器12通过螺栓固定于所述安装架16上，所述电机11与所述减速器12连接，所述滚筒15内穿设有滚轴，所述减速器12的输出轴通过所述联轴器13与所述滚轴连接，所述滚轴通过所述轴承14固定于所述框架7上，所述滚筒15通过所述连接单元6与所述悬吊单元5连接，所述滚筒15通过所述连接单元6与所述力与位置检测装置连接，所述电机11与所述控制器电连接。

电机11通过减速器12、联轴器13以及轴承14驱动滚筒15滚动，滚筒15滚动时通过连接单元6对悬吊单元5输出减重力。同时，通过控制滚筒15转动的角度可以大范围调节悬吊单元5高度，从而使得本系统能够适应不同高度的人体，且具有预紧的效果。

优选的，如图4所示，所述气动肌肉驱动装置2包括气动肌肉21以及连接头22，所述气动肌肉21的一端与所述气动肌肉检测装置4连接，并通过气动肌肉检测装置4安装于所述框架7上，所述气动肌肉21的另一端通过所述连接头22与所述连接单元6连接，所述气动肌肉21与所述控制器电连接。

气动肌肉21的移动端通过绳索67与悬吊单元5连接，用于提供驱动力，气动肌肉21的非移动端通过气动肌肉检测装置4固定于框架7上，从而实现气动肌肉21的输出力与位置的检测。

优选的，所述控制器用于根据人体重心高度运动轨迹控制所述气动肌肉驱动装置2的伸缩移动；所述控制器还用于根据期望减重力控制所述电机驱动装置1的输出力。

控制器通过控制气动肌肉21的位置实现系统位置的调节，通过控制电机11的输出力实现系统悬吊力的调节，也就是实现力与位置的同时控制。位置控制由气动肌肉驱动装置2作为执行器完成，其控制目标为使气动肌肉驱动装置2的位置移动趋近于人体重心高度运动轨迹。力控制由电机驱动装置1作为执行器完成，其控制目标为使电机驱动装置1的输出力维持在期望减重力附近的一个恒定值。

优选的，根据人体重心高度运动轨迹控制所述气动肌肉驱动装置2的伸缩位置，具体为：

δx＝xp+xm

xd＝xp＝f(x)-xm

其中，δx为绳索67的总移动值，xp为气动肌肉驱动装置2伸缩距离的检测值，xm为电机11编码器的计算值，xd为控制器用于控制所述气动肌肉驱动装置2位置的控制目标值，f(x)为所述人体重心高度运动轨迹。

优选的，根据期望减重力控制所述电机驱动装置1的输出力，具体为：

fg±δf＝fp+fm-f

fd＝fm＝fg-fp+f

其中，fg为所述期望减重力，δf为允许误差，fp为气动肌肉驱动装置2输出力的检测值，fm为电机驱动装置1输出力的检测值，fd为控制器用于控制所述电机驱动装置1输出力的控制目标值，f系统摩擦力，f为常数。

控制器实现位置与力两个参数的精确调节。当使用者10运动时，借助第一力传感器31获取电机11输出力的检测值，通过编码器获取电机11收放绳索67长度的检测值，通过第二力传感器41获取气动肌肉21输出力的检测值，通过位移传感器42获取气动肌肉21伸缩距离的检测值。根据电机11输出力的检测值、气动肌肉21输出力的检测值以及期望减重力计算出电机11输出力的控制目标值，作为控制器控制电机11的控制信号。根据气动肌肉21位置的检测值、电机11转动位置的检测值以及人体重心高度运动轨迹计算气动肌肉21的控制目标值，作为控制器控制气动肌肉21的控制信号。通过控制电机11的输出力，以及气动肌肉21的伸缩位置，实现同时控制位置与力两个元素，以保持绳索67的拉力为恒定值不变，达到输出恒定减重力的效果。

具体的，为实现对力及位置两个参数的控制，首先建立本系统的物理结构框图，如图5所示，根据物理结构框图得到数学模型示意图，如图6所示。

图5，图6中，h为电机11与气动肌肉21的高度，x为悬吊单元5中心的高度，t为绳索67拉力。

位置控制的控制律推导如下

气动肌肉21的三元素模型为：

其中，m,b,k是气动肌肉21三元素模型的三个参数，ys是气动肌肉21移动端的位置，为ys的一阶导数，为ys的二阶导数，f(p)是气动肌肉21的外部力。

令u＝δp＝p-p0，y＝ys-y0，将三元素模型简化为：

其中，b＝(α0-α1p0)/m，c＝(β0-β1p0)/m，α＝α1/m，β＝β1/m，γ＝(γ1+β1y0)/m；

令x1＝y，三元素模型的状态空间表达式为：

令则动态误差即系统模型误差方程描述为：

基于模型误差方程，得到位置控制的自适应控制律：

其中，k1,k2为待定参数，λ,ξ为系统参数，是u的自适应估计。

如图7所示，力控制的阻抗控制率推导如下：

系统的动力学模型方程描述如下，

其中，矩阵m,c,g均为系统的状态参数，u＝[f,τ]^t为标准化后的二维力向量，f为作用点上的交互力，j为雅可比矩阵。

系统的动力学控制方程为：

其中，fd为输出力的控制目标值，f系统输出力的检测值，kd,bd,md分别为系统的刚度、阻尼和惯性。

根据动力学模型方程和动力学控制方程，得到阻抗控制律为：

其中，kp,kv,kf分别为位置矩阵、速度矩阵和力的增益矩阵。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。