适用于腰部康复机器人的传动机构及控制方法与流程

本发明涉及精确机械传动技术领域，尤其涉及康复机器人的自动化卷绳机构与控制领域，具体为适用于腰部康复机器人的传动机构及控制方法。

背景技术：

腰部对于人体来说是非常重要的，同时也是非常容易出现健康问题的部位。现在社会，越来越多的人在工作、学习和生活中长时间坐着，这使人体腰部肌肉长时间处于紧绷状态，导致腰肌老损等疾病。腰部康复训练是腰部康复的基本手段，而现有的腰部康复治疗方法多依靠训练师的经验，康复训练设备相对单一。因此提高腰部康复训练的效率和安全性，丰富腰部康复训练的手段对腰部健康至关重要。

专利申请号“cn104800040a”的一种绳索并联柔索腰部康复机器人将柔性绳索应用到腰部康复机器人中。绳索驱动并联机器人用绳索代替连杆作为驱动元件，有转动惯量小，带负载能力强，运动速度快，工作空间大，柔顺性好，安全性好，可以实现变刚度控制，花费低等优点。但由于柔索特性，上述并联柔索腰部康复机器人存在如下缺点：在卷轴卷筒运动中，由于卷筒的宽度使绳子在纵向来回摆动，甚至会导致绳子在滑轮上脱落。绳子的预紧力需要操作者人工添加，十分麻烦而且不精确。在实际操作中经常会电机停车，由于绳索另一端悬挂的重物的惯性，易导致绳子在卷筒上乱绳，从而导致无法正常工作。

由于所提及腰部康复机器人的缠绳装置存在以上问题，为了保证机构能够安全可靠的工作，设计一种能够自动监控并能解决上述问题的卷绳机构是十分必要的，能够最大程度的保障整个腰部康复机构能够安全而可靠的运行。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术存在的不足之处，提供了一种适用于腰部康复机器人的传动机构及控制方法，能够对绳索缠绕机构上的绳索的状态进行监督，防止乱绳，并对绳索自动提供预紧力，避免了人工提供预紧力的麻烦，从而实现机构的智能化，提高了安全性、可靠性和经济价值。

本发明采用如下技术方案：

适用于腰部康复机器人的传动机构，其所适用的腰部康复机器人包括支架1、气动人工肌肉2、底板3、绳索6、顶梁7、腰部运动组件和腿部运动组件，其中，在底板3的四角分别设有一根支架1。在相邻的支架1顶部之间设有顶梁7。底板3、支架1和顶梁7共同构成本腰部康复机器人的框架。在框架上配有气动人工肌肉2，气动人工肌肉2与腰部运动组件相连接。此外：本传动机构由卷绳机构4和导向机构5组成。其中，在底板3上配有卷绳机构4，在顶梁7上配有导向机构5。绳索6的一端与卷绳机构4相连接，绳索6的另一端穿过导向机构5后与腿部运动组件相连接。

导向机构5能够旋转，通过导向机构5对绳索6的运动方向进行限定，从而实现绳索6在运动时不偏移的效果。换言之，导向机构5具有可绕其轴多向旋转，使绳索保持在导向槽内不偏移的功能。卷绳机构4能在一个以上的维度方向移动，对绳索6的偏移进行补偿。此外，

卷绳机构4具有夹紧/夹绳的功能，能够夹紧或松开绳索6。换言之，卷绳机构4具有可沿轴向左右移动的功能，可消除由于卷轴宽度使绳索产生偏移的影响，使绳索绕出或绕入卷轴时始终保持在同一平面上。

进一步说，导向机构5包括菱形轴承501、滑轮支撑架502和滑轮503。其中，在菱形轴承501的顶部设有滑轮支撑架502，在滑轮支撑架502上配有滑轮503。

优选的方案是：菱形轴承501和滑轮503均采购标准件，降低采购与加工成本。滑轮支撑架502的上端呈u形，其下端有一竖直向下伸出的轴。绳索6的力带动滑轮503和滑轮支撑架502绕轴偏转，使滑轮503和滑轮支撑架502保持和绳索在同一平面内。

进一步说，腿部运动组件包含踏板。绳索6的另一端绕过滑轮503后与腿部运动组件中的踏板相连接。

进一步说，卷绳机构4包括直流电机401、减速器402、第一直齿伞齿轮403、第二直齿伞齿轮404、第一支架405、第二支架412、支撑架端盖413、卷筒414、滚珠花键副415和夹绳装置。其中，

通过联轴器将直流电机401与减速器402的一个伸出轴相连，通过键将减速器402的另一伸出轴与第一直齿伞齿轮403相连。第一直齿伞齿轮403与第二直齿伞齿轮404相啮合。优选的方案是，第一直齿伞齿轮403的齿轮轴线与第二直齿伞齿轮404的齿轮轴线成90度夹角。

第一支架405和第二支架412均含有轴承。滚珠花键副415的轴的两端分别与第一支架405内的轴承、第二支架412内的轴承配合。在靠近第二支架412一侧的滚珠花键副415的轴的端部设有端盖413。即在滚珠花键副415的支出端设有端盖413。卷筒414固定在滚珠花键副415的外筒上。在滚珠花键副415下方有夹绳装置。通过夹绳装置锁住或放开卷筒414。

本发明所述的适用于腰部康复机器人的传动机构的控制方法，按如下步骤进行：

步骤一：通电启动，工控机进行系统初始化。同时，由工控机自检其与拉力传感器、红外位移传感器、应变片、直流电机401、第二电机418之间的通讯是否正常。

步骤二：在准备就绪后，由工控机控制直流电机401对绳索6添加预紧力。启动直流电机401，使直流电机401转动，使绳索6处于绷紧状态，各绳索6上的拉力传感器感知各绳索6受到的拉力，并将所受的拉力值传送到工控机，达到所需的预紧力时，工控机经电机驱动器向直流电机401发送信号，直流电机401停止转动，此时，各绳索6处于绷紧状态。

步骤三：当本康复机器人开始工作时，直流电机401驱动卷绳装置4运动。当卷绳机构4中的卷筒414沿滚珠花键副415的花键轴做轴向运动时，卷筒414端部的应变片，即位移传感器，将位移信号转化成电信号，并将其传送到工控机中，工控机控制第二电机418转动，使得夹绳装置中的夹紧块416可以在丝杠轴407上做相同的轴向运动，保持始终在卷筒414的下放。

当需要本康复机器人停车时，即需要夹紧绳索6时，由人工操作工控机发出信号，使液压缸410向上运动，带动夹块416同时向上运动，从而实现对卷筒414上绳索6的夹紧，防止突然停车时由于惯性而导致的乱绳。

步骤四：当本康复机器人的卷筒414处于抱死状态，需要重新进行工作时，工控机发出信号使直流电机401转动的同时，令液压缸410带动夹块416相下运动，放开卷筒414，使其正常运动，抱紧装置进行跟随运动。

为了更好地解释本发明，特换一角度阐述本发明的结构特点：安装在平台底板上的绳索缠绕机构，包括支撑座，与支撑座通过轴承相配合的滚珠花键副，固定在滚珠花键副外筒的卷筒，在卷筒两端缠绳位置分别固定两片压力应变片。与滚珠花键轴通过联轴器相连的减速器，与减速器相连的直流伺服电机。在卷筒正下方是绳索防乱装置，包括绳索缠绕导向套筒，气缸，滑动螺母，丝杠，以及丝杠轴支撑座和、伺服电机。在平台支架顶端的横梁上有绳索的导向装置，在梁架上安装绳索的导向滑轮，滑轮支撑架和菱形轴承。

上述的卷筒缠绕机构实现柔性绳索缠绕功能，卷筒上带有与所用绳索相匹配的螺旋凹槽，绳索有序缠绕在卷筒上。支撑座固定在底板上，卷轴通过键和紧固螺钉固定在滚珠花键副的外筒上，滚珠花键副的轴通过轴承安装在两支撑座之间，滚珠花键副的轴的伸出端通过联轴器与电机相连。

上述卷筒机构中卷筒安装在滚珠花键副的外筒上，在绳索带动卷筒转动时，滚珠花键副的外筒由于轴向受力沿花键轴轴向方向做直线运动，使绳索始终在竖直的平面内，防止由于绳索的摆动而滑出导向装置。上述卷筒机构卷筒两端分别安置电阻式应变片，应变片分别放置在绳索缠绕在卷筒的两端的极限位置。当卷轴机构正常工作时，绳索在卷筒两应变片之间的范围缠绕。当绳索绕卷筒缠绕到两端极限位置时，应变片受到压力作用，应变片的电阻发生变化，从而改变电路中的电流、电压，在工控机上发现异常，停止电机转动。

上述卷筒机构在卷筒一端安装位移传感器，当卷筒沿花键轴做轴向运动时，位移传感器将卷筒的移动位移转换成电信号传输给工控机，工控机控制夹绳机构的电机转动，使夹绳装置的夹块沿丝杠轴做同方向的直线运动。

上述夹绳装置包括带螺槽的夹绳夹块、液压缸、活塞、丝杠轴、滑动螺母滑块、支撑架、减速器、一对相配合的直齿锥齿轮、直流伺服电机。活塞与液压缸相配合的，液压缸安装在夹块底部，活塞安装在螺母滑块顶端，丝杠与螺母滑块相配合使丝杠转动的时候螺母滑块可以在丝杠上做直线运动，丝杠轴通过一对滚珠轴承安装在支撑架上，支撑架通过螺丝固定在试验台底板上。

上述夹绳装置与卷绳机构相配合，夹绳装置通往传感器和工控机控制，可以随卷筒的移动而沿轴向运动。

当需要夹绳机构夹住绳索时，工控机发出信号驱动液压缸运动，从而使夹绳夹块向上运动夹紧绳索。

上述所述的导向装置包括滑轮、滑轮支撑架、菱形轴承。导向装置安装在平台支架顶端横梁上端，滑轮通过销轴安装在滑轮支撑架中，滑轮支撑架下端的轴与菱形轴承通过紧定螺钉相连，菱形轴承由螺钉固定在横梁上。导向装置与卷筒缠绕机构相配合，从而保证在绳索在滑轮轴向方向上受力的作用时可以带动导向滑轮绕滑轮支撑轴转动，防止由于绳索在滑轮轴向方向上的偏移，甚至是滑出滑轮。除此之外还可以减少绳索和滑轮的摩擦，增加绳索的使用寿命。

针对本发明的优选检测方法是：

步骤一：通电启动，系统初始化，检测各模块之间的通讯是否正常。

步骤二：在准备就绪后，需对绳索添加预紧力。启动各卷轴的电机，使电机转动，使绳索在初始状态绷紧，各绳索上的拉力传感器感知各绳索受到的拉力，并将所受的拉力值传送到工控机，达到所需的预紧力时，工控机像电机驱动器发送信号，电机停止转动，此时，各柔性绳索处于绷紧状态。

步骤三：一康复机器人开始工作，四个电机分别驱动卷绳装置运动。当卷绳机构的卷筒沿花键轴做轴向运动使，卷筒一端的位移传感器将位移信号转化成电信号，并将其传送到工控机中，工控机控制夹绳装置的电机转动，使得夹绳装置的夹紧块可以在丝杠轴上做相同的轴向运动，保持始终在卷筒的下放。当需要夹紧绳索时，工控机发出信号，使液压缸向上运动，带动夹紧块同时向上运动，从而实现对卷筒上绳索的夹紧，防止突然停车时由于惯性等原因导致的乱绳。

步骤四：当机构在正常工作时，电机带动卷筒转动，卷筒上的绳索在卷筒上缠绕或者脱离，在卷筒两段处分别粘贴一个应变片，从而控制绳索缠绕的范围，当绳索超出卷筒工作范围时，通过工控机向控制该卷筒的电机发出停车信号。

步骤五：当该发明的卷筒处于抱死状态，重新进行工作时，工控机发出信号使电机转动的同时液压缸带动抱紧块相下运动，放开卷轴，使其正常运动，抱紧装置进行跟随运动。

与已有技术相比本发明的优点在于：

1．本发明提供了一种应用于腰部康复机器人平台的智能化卷绳机构及其控制方法，本发明应用了多种传感原件，包括拉力传感器，位移传感器和应变片，实现对柔性绳索的状态的实时检测，实现装置智能化。

2．与现有技术相比，本发明设计了防乱绳和防止绳索松动的拉紧装置，可以有效地防止绳索在卷轴上出现乱绳的情况，同时也解决了绳索在工作过程中出现绳索松动的问题，大大提高了工作效率，从而保证机构工作安全可靠。

．本发明采用里滚珠花键副和菱形轴承相配合，可使卷筒在轴向方向上做往复运动，从而使保证绳索在纵向方向上不会发生来回摆动，避免了由于电机带动卷筒转动从而导致绳索从导向滑轮内脱离的状况，有效改善了机构的工作性能，增长了绳索的工作寿命。菱形轴承与滑轮下端轴相配合，减少由于绳索扭动导致的影响。从而保证装置整体的稳定性。

附图说明

图1为本发明所说的康复机器人的示意图。

图2为图1中卷绳机构的结构示意图。

图3为图1中导向装置的结构示意图。

图4为图3的另一个角度示意图结构示意图。

图5为本发明机械结构与电控模块的结构框图。

图6为本发明的控制流程图。

在图1中：1-支架，2-气动人工肌肉，3-底板，4-卷绳机构，5-导向机构，6-绳索，7-顶梁。在图2中：501-菱形轴承，502-滑轮支撑架，503-滑轮，6-绳索，7-顶梁。在图3中：401-直流电机，402-减速器，403-直齿伞齿轮，404-直齿伞齿轮，405-支架，407-丝杠轴，408-滑动螺母，409-活塞，410液压缸，411-支撑架，412-支撑架，413-支撑架端盖，414-卷筒，415-滚珠花键副，416-夹块,417-联轴器，418-第二电机。

具体实施方式

现结合附图详细说明本发明的具体结构与优点。

参见图1，适用于腰部康复机器人的传动机构，所适用的腰部康复机器人包括支架1、气动人工肌肉2、底板3、绳索6、顶梁7、腰部运动组件和腿部运动组件，其中，在底板3的四角分别设有一根支架1。在相邻的支架1顶部之间设有顶梁7。底板3、支架1和顶梁7共同构成本腰部康复机器人的框架。在框架上配有气动人工肌肉2，气动人工肌肉2与腰部运动组件相连接。

参见图2和图3，本传动机构由卷绳机构4和导向机构5两部分构成。在底板3上配有卷绳机构4，在顶梁7上配有导向机构5。绳索6的一端与卷绳机构4相连接，绳索6的另一端穿过导向机构5后与腿部运动组件相连接。导向机构5能够旋转，通过导向机构5对绳索6的运动方向进行限定，从而实现绳索6在运动时不偏移的效果。换言之，导向机构5具有可绕其轴多向旋转，使绳索保持在导向槽内不偏移的功能。卷绳机构4能在一个以上的维度方向移动，对绳索6的偏移进行补偿。

参见图3和4，卷绳机构4具有夹紧和/或夹绳的功能，能够夹紧或松开绳索6。换言之，卷绳机构4具有可沿轴向左右移动的功能，可消除由于卷轴宽度使绳索产生偏移的影响，使绳索绕出或绕入卷轴时始终保持在同一平面上。

参见图2，进一步说，导向机构5包括菱形轴承501、滑轮支撑架502和滑轮503。其中，在菱形轴承501的顶部设有滑轮支撑架502，在滑轮支撑架502上配有滑轮503。

优选的方案是：菱形轴承501和滑轮503均采购标准件，以达到降低采购与加工成本的目的。滑轮支撑架502上端呈u形，其下端有一竖直向下伸出的轴。绳索6的力带动滑轮503和滑轮支撑架502绕轴偏转，使滑轮503和滑轮支撑架502保持和绳索在同一平面内。

进一步说，腿部运动组件包含踏板。绳索6的另一端绕过滑轮503后与腿部运动组件中的踏板相连接。

参见图2，更进一步说，菱形轴承501由螺钉固定在横梁7上。滑轮503通过销轴安装在滑轮支撑架502中。滑轮支撑架502下端连接轴在竖直方向与菱形轴承501相配合。通过本结构，实现将由于绳索6的运动而带动的滑轮503轴向偏移转化成滑轮座502的绕轴转动，从而实现令绳索6始终保持在滑轮503中，不会偏移。

参见图3和4，进一步说，卷绳机构4包括直流电机401、减速器402、第一直齿伞齿轮403、第二直齿伞齿轮404、第一支架405、第二支架412、支撑架端盖413、卷筒414、滚珠花键副415和夹绳装置。其中，

通过联轴器将直流电机401与减速器402的一个伸出轴相连，通过键将减速器402的另一伸出轴与第一直齿伞齿轮403相连。第一直齿伞齿轮403与第二直齿伞齿轮404相啮合。优选的方案是，第一直齿伞齿轮403的齿轮轴线与第二直齿伞齿轮404的齿轮轴线成90度夹角。

第一支架405和第二支架412均含有轴承。滚珠花键副415的轴的两端分别与第一支架405内的轴承、第二支架412内的轴承配合。在靠近第二支架412一侧的滚珠花键副415的轴的端部设有端盖413。即在滚珠花键副415的支出端设有端盖413。卷筒414固定在滚珠花键副415的外筒上。在滚珠花键副415下方有夹绳装置。通过夹绳装置锁住或放开卷筒414。

参见图3和4，更进一步说，夹绳装置包括丝杠轴407、滑动螺母408、活塞409、液压缸410、第一支撑架411、夹块416、联轴器417和第二电机418，其中：所述夹块416凹槽朝上，位于卷筒414的底端。夹块416底端和液压缸410的顶部固定连接。液压缸410与活塞409相配合，活塞409与滑块螺母408相连接，并且活塞409的轴线与滑块螺母408的轴线相互垂直。滑块螺母408与丝杠轴407相配合。丝杠轴407的两端分别与一个支撑架411相连接。丝杠轴407的一端穿过支撑架411后，经联轴器417与第二电机418相连接。换言之，丝杠轴407通过轴承固定在支架411中，且在与联轴器417相连的第二电机418的驱动下旋转，进而带动丝杠轴407上的滑块螺母408做往复的直线运动，从而达到夹块416跟随卷筒414的目的。使用时，由液压缸410带动夹块416沿竖直方向上下运动。当需要夹住绳索时，活塞409推动液压缸410向上运动，从而使夹块416向上运动夹住卷筒414上的绳索6。

更进一步说，导向机构5包括菱形轴承501、滑轮支撑架502和滑轮503。其中，在菱形轴承501的顶部设有滑轮支撑架502，在滑轮支撑架502上配有滑轮503。

优选的技术方案是，在本腰部康复机器人上，还设置有传感器。具体为：在每根绳索6上均设有拉力传感器。在每个夹块416上均设有红外位移传感器。在每个卷筒414的两端均设有应变片。拉力传感器、红外位移传感器、应变片均与工控机相连接。直流电机401和第二电机418均经电机驱动器与工控机相连接，如图5所示。

参见图1，更进一步说，底板3为矩形。在底板3的四边分别设有一个卷绳机构4。

顶梁7共同围成一个矩形结构件。在由顶梁7所围成的矩形结构件的四角分别设有一个导向机构5。

在框架的四面分别配有一个气动人工肌肉2。

参见图5，本发明所述的一种腰部康复机器人的控制方法，按如下步骤进行：

步骤一：通电启动，工控机进行系统初始化。同时，由工控机自检其与拉力传感器、红外位移传感器、应变片、直流电机401、第二电机418之间的通讯是否正常。

步骤二：在准备就绪后，由工控机控制直流电机401对绳索6添加预紧力。启动直流电机401，使直流电机401转动，使绳索6处于绷紧状态，各绳索6上的拉力传感器感知各绳索6受到的拉力，并将所受的拉力值传送到工控机，达到所需的预紧力时，工控机经电机驱动器向直流电机401发送信号，直流电机401停止转动，此时，各绳索6处于绷紧状态。

步骤三：当本康复机器人开始工作时，直流电机401驱动卷绳装置4运动。当卷绳机构4中的卷筒414沿滚珠花键副415的花键轴做轴向运动时，卷筒414端部的应变片，即位移传感器，将位移信号转化成电信号，并将其传送到工控机中，工控机控制第二电机418转动，使得夹绳装置中的夹块416可以在丝杠轴407上做相同的轴向运动，保持始终在卷筒414的下方。

当需要本康复机器人停车时，即需要夹紧绳索6时，由人工操作工控机发出信号，使液压缸410向上运动，带动夹块416同时向上运动，从而实现对卷筒414上绳索6的夹紧，防止突然停车时由于惯性而导致的乱绳。

步骤四：当本康复机器人的卷筒414处于抱死状态，需要重新进行工作时，工控机发出信号使直流电机401转动的同时，令液压缸410带动夹块416相下运动，放开卷筒414，使其正常运动，抱紧装置进行跟随运动。

参见图6，本发明所述的控制方法，当康复机器人工作时，直流电机401带动卷筒414转动，与该卷筒414相对应的绳索6在卷筒414上缠绕或者脱离。工控机通过设置在卷筒414两端的应变片所反馈的信号，判断绳索6缠绕的范围：当绳索6达到卷筒6工作范围的边界时，由工控机向控制该卷筒414的直流电机401发出停车信号。

当本康复机器人的卷筒414处于抱死状态，人工向工控机下达重新进行工作的指令，工控机发出信号使直流电机401转动的同时，令液压缸410带动抱紧块416相下运动，放开卷筒414，使卷筒414正常运动，抱紧装置进行跟随运动。

实施例1：

图1是一台腰部康复机器人的整体示意图，在图1中卷绳缠绕机构4安装在底板3上，绳索导向装置5安装在平台架子的顶端横梁7上。绳索6一端通过架子顶梁7上的导向装置5与踏板相连，另一端缠绕在卷轴机构的卷筒414上，在卷筒414一端由螺丝固定。图3是图1中的卷轴机构和夹紧机构的示意图。在图2中电机401与减速器402通过联轴器相连，减速器402的另一伸出轴通过键与一直齿伞齿轮403相连，直齿伞齿轮403与另一直齿伞齿轮404相啮合，两齿轮轴线成90度夹角。滚珠花键副415的轴与安装在支架405和支架413里的轴承配合，支出端安装端盖413。卷筒414固定在滚珠花键副415的外筒上，在卷筒414正下方有夹紧块416，夹紧块416底端和液压缸410固接，当需要夹死绳索时，活塞409推动液压缸410向上运动，从而使夹死块416向上运动抱死卷筒414上的绳索6。丝杠轴407通过轴承固定在支架411中，滑块螺母408在丝杠轴407上做往复的直线运动，从而达到跟随的目的。在图2中菱形轴承501由螺钉固定在横梁7上。滑轮503通过销轴安装在滑轮支撑架502之间。滑轮支撑架502下端连接轴在竖直方向与菱形轴承501相配合，从而实现由于绳索6带动滑轮503轴向偏移转化成滑轮座502的绕轴转动，从而始终保持绳索6在滑轮503中，不会偏移。

参见图6，本实施例中的检测与控制方法：

步骤一：通电启动，系统初始化，检测各模块之间的通讯是否正常。

步骤二：在准备就绪后，需对绳索添加预紧力。启动各卷轴的电机，使电机转动，使绳索在初始状态绷紧，各绳索上的拉力传感器感知各绳索受到的拉力，并将所受的拉力值传送到工控机，达到所需的预紧力时，工控机像电机驱动器发送信号，电机停止转动，此时，各柔性绳索处于绷紧状态。

步骤三：一切就绪，康复机构开始工作，四个电机根据运动轨迹要求的位置状态驱动四个卷筒转动，各个卷筒在滚珠花键副的轴上做轴向运动。夹绳装置的夹紧夹块上的红外线传感器发出红外线，并向抱紧装置的电机驱动器发送信号，使抱紧滑块能够实现对卷筒的跟随。当需要抱紧卷筒上的绳索时，工控机控制位于抱紧装置上的液压缸向上运动，抬起夹紧块，并同时控制卷筒的电机停止转动，从而实现对卷筒上的绳索进行夹紧。

步骤四：当机构在正常工作时，电机带动卷筒转动，卷筒上的绳索在卷筒上缠绕或者脱离，在卷筒两段处分别粘贴一个应变片，从而控制绳索缠绕的范围，当绳索超出卷筒工作范围时，通过工控机向控制该卷筒的电机发出停车信号。

步骤五：当该发明的卷筒处于抱死状态，重新进行工作时，工控机发出信号使电机转动的同时液压缸带动抱紧块相下运动，放开卷轴，使其正常运动，抱紧装置进行跟随运动。