一种下肢康复训练机器人模块化膝关节的制作方法

本发明属于智能服务型机器人领域，具体涉及一种结构简单、稳定可靠的下肢康复训练机器人模块化膝关节。

背景技术：

国内针对康复机器人的研究起步较晚，许多关键技术亟待突破。巧妙的机构设计、合理的驱动方式、科学的自由度配置等因素严重影响康复机器人的人机相容性和控制难易程度，是当前康复机器人研究需要解决的重点问题之一。

近几年来，康复机器人机电系统的设计向着一体化、模块化、普适化的趋势发展。公开号cn205007219u的专利公开了一种康复机器人用髋关节宽度可调机械腿，主要包括底座、髋关节宽度调节机构、两个机械腿固定台和两个机械腿，通过宽度调节机构可调整两个机械腿之间的宽度，由于大腿机构、小腿机构和踝关节都设有驱动机构，故可实现单关节运动训练。公开号cn205094936u的专利公开了一种康复助力机械腿，包括小腿连杆、一体化电机组件模块和脚踝轴承，一体化电机组件模块受控制模块控制，带动小腿连杆左右摆动。公开号cn105882339a的专利公开了一种变胞式机械腿，包括基座和与基座连接的弹性腿体，可自动快速地实现机械腿在直行形态和弧形形态间的自由切换。公开号cn105411813a的专利公开了一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置，主要包括躯干支架、大腿支架、小腿支架、髋部电机、膝部电机、躯干倾角传感器和控制模块，此装置可支撑用户整个身体，使下肢重度瘫痪的用户重新站起来进行简单步态训练。

综上所述，现有技术中的下肢康复机器人机电系统设计至少存在以下缺陷：

1.结构复杂，集成度低，布线凌乱；

2.集中式设计不利于部件的快速更换和维护。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明主要的目的在于提供一种应用下肢康复训练机器人的模块化膝关节机电设计方案，以克服现有技术中的上述缺陷。本发明提供了一种下肢康复训练机器人模块化膝关节，充分体现了装置的可操作性、可扩展性、通用性、使用安全性和系统功能性。

一种下肢康复训练机器人模块化膝关节包括模块化机构单元和模块化控制单元，其中：模块化机构单元包括上连杆001、旋转机构002、下连杆003、卡扣101、卡扣附件102和限位保护机构；模块化控制单元包括控制电路201、驱动电路202和电源电路203，用于控制机构单元完成规划运动。

旋转机构002包括盘式电机004、光电编码器005、谐波减速器006、盘式限位块007、扭矩传感器008和机械凸台009，其中：机械凸台009用于连接上连杆001和下连杆003，上连杆001固定在机械凸台009上，下连杆003与机械凸台009凸面连接且与旋转机构002同中心轴020，盘式电机004和光电编码器005同轴，谐波减速器006的刚轮014通过机械凸台009凸面的第一定位012孔固定，谐波减速器006的柔轮015和波发生器016安装在机械凸台009凸面的空仓内，盘式电机004和谐波减速器006通过转接法兰011连接，盘式限位块007通过连接法兰010和谐波减速器006的柔轮015连接，扭矩传感器008一侧与盘式限位块007连接，另一侧通过第二定位孔013与下连杆003固连。模块化机构单元将执行器、传感器、保护机构通过紧凑结构的连接形成模块化膝关节，集成度较高。

上连杆001和下连杆003上有多个等间距的第三定位孔105，卡扣101通过插销与第三定位孔105连接可以调节卡扣101的位置，卡扣附件102安装在卡扣101上，用于实现上连杆001和下连杆003与人体下肢的连接。上连杆001和下连杆003都由固定杆103和伸缩杆104组成，固定杆103为实心结构，伸缩杆104为中空结构，固定杆103和伸缩杆104侧面都设有定位销孔，定位销和定位孔选择间隙配合可实现连杆长度的调节。连杆与人体下肢柔顺化紧密连接，连杆的可伸缩设计可灵活调整，适应不同人群下肢的肢体尺寸，普适程度高。

限位保护机构包括机械限位和电气限位，其中：机械限位用于限定最大转动角度时的机械保护，机械限位块017一侧安装在机械凸台上009，另一侧嵌合在下连杆003；电气限位用于检测上、下连杆转动达到所设定的极限位置，电气限位传感器018安装在盘式限位块007的凸台上。机械和电气的两重保护环节可确保系统正常运行，安全性能较高。

控制单元201包括控制电路201、驱动电路202和电源电路203，其中：控制电路201用于采集光电编码器005、扭矩传感器008、电气限位传感器018的信号，并进行分析处理后生成盘式电机004驱动指令；驱动电路202用于根据驱动指令驱动盘式电机004转动；电源电路203用于提供控制电路201、光电编码器005、扭矩传感器008、电气限位传感器018、谐波减速器006和盘式电机004所需电源；

控制电路201、驱动电路202和电源电路203通过隔离柱204三级层式放置，将三级层式放置的电路板进行模块化封装后装入定制外壳形成整机控制模块，整机控制模块留有外部接口，包括电源接口、电机接口、编码器接口、人机接口和通讯接口。

模块化分层式控制单元与模块化机构单元有机结合在一起形成模块化膝关节，模块化的益处在于当系统出现故障时，可快速进行模块化分解，便于检测，维修和更换。

整机控制模块安装在机械凸台009的第一定位孔012上，整机控制模块的电气连线通过上连杆001和下连杆003上的布管槽019完成中空管走线方式布线，中空管安装在布管槽019内。布线槽的设计和中空走线的方式避免了过多凌乱线路和信号衰减、干扰的问题。

本发明将模块化思想运用到下肢康复机器人膝关节的机电系统设计上，使系统结构紧凑，集成度高，可扩展，易于更换、修改和添加功能性配置，并且将研究拟人化程度高、人机相容性好、控制精度高、功能强大、性价比高，通用范围广定为设计目标，设计一套具有主、被动两种模式的下肢康复训练机器人模块化膝关节，在实现基本功能的前提下，充分考虑了可操作性、可扩展性、通用性、使用安全性和系统功能性。

本发明提供了一种下肢康复训练机器人模块化膝关节，具有以下优点：

1.结构紧凑，集成度高，便于检测、维护，易于更换；

2.灵活性能高，普适程度广。

附图说明

图1为本发明整体外观图；

图2为本发明机构单元的左视轴测示意图；

图3为本发明机构单元的右视轴测示意图；

图4为本发明机构单元的机械凸台与盘式电机装配示意图；

图5为本发明机构单元的机械凸台与谐波减速器装配示意图；

图6为本发明机构单元的连接法兰与谐波减速器装配示意图；

图7为本发明机构单元的上连杆示意图；

图8为本发明控制单元的整机控制模块示意图；

图9为本发明实施例机电控制单元系统方案图；

图10为本发明实施例机电控制单元系统流程图；

其中，各标号的含义如下：

001.上连杆002.旋转机构003.下连杆004.盘式电机

005.光电编码器006.谐波减速器007.盘式限位块008.扭矩传感器

009.机械凸台010.连接法兰011.转接法兰012.第一定位孔

013.第二定位孔014.刚轮015.柔轮016.波发生器

017.机械限位块018.电气限位传感器019.布管槽020.中心轴

101.卡扣102.卡扣附件103.固定杆104.伸缩杆

105.第三定位孔

201.控制电路202.驱动电路203.电源电路204.隔离柱

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。

参见图1-6所示，一种下肢康复训练机器人模块化膝关节包括模块化机构单元和模块化控制单元，其中：模块化机构单元包括上连杆001、旋转机构002、下连杆003、卡扣101、卡扣附件102和限位保护机构；模块化控制单元包括控制电路板201、驱动电路板202和电源电路板203，用于控制下肢康复机器人模块化膝关节完成康复训练任务。

旋转机构002包括盘式电机004、光电编码器005、谐波减速器006、盘式限位块007、扭矩传感器008和机械凸台009，其中：机械凸台009用于连接上连杆001和下连杆003，上连杆001固定在机械凸台009上，下连杆003与机械凸台009凸面连接且与旋转机构002同中心轴020，盘式电机004与光电编码器005为统一集成单元，其信号、电源接线端封装成统一接线单元，盘式电机004和光电编码器005同轴，谐波减速器006的刚轮014通过机械凸台009凸面的第一定位012孔固定，谐波减速器006的柔轮015和波发生器016安装在机械凸台009凸面的空仓内，盘式电机004和谐波减速器006通过转接法兰011连接，盘式电机004输出轴与转接法兰011轴孔嵌合，盘式限位块007通过连接法兰010和谐波减速器006的柔轮015连接，扭矩传感器008一侧与盘式限位块007连接，另一侧通过第二定位孔013与下连杆003固连。

上连杆001和下连杆003上有多个等间距的第三定位孔105，卡扣101通过插销与第三定位孔105连接可以调节卡扣101的位置，卡扣附件102安装在卡扣101上，专用绑腿绷带挂接在卡扣附件用于实现上连杆001和下连杆003与人体下肢的紧密连接。

限位保护机构包括机械限位和电气限位，其中：机械限位用于进行连杆在转动过程中所达到限定最大转动角度时的机械保护，结合人体下肢运动范围和训练装置的实际需求，将机械限位块017一侧安装在机械凸台009上，另一侧与下支架003嵌合；电气限位安装有接近传感器，用于检测连杆转动过程达到所设定的极限位置，接近传感器安装在盘式限位块007的凸台上。

参见图7所示，机构单元中的上连杆001和下连杆003为了适应不同训练人群，设计成了可调节型连杆，根据《中国成年人人体尺寸》(gb10000-88)标准，充分考虑了不同人体尺寸与系统装置的兼容性，确定了连杆的合理调节范围：大腿连杆范围：380-530mm，小腿连杆范围：300-425mm。上连杆001和下连杆003都由固定杆103和伸缩杆104组成，固定杆103为实心结构，伸缩杆104为中空结构，固定杆103和伸缩杆104侧面都设有定位销孔，定位销和定位孔的过盈配合实现连杆长度的调节。

参见图8所示，控制单元包括控制电路板201、驱动电路板202和电源电路板203，其中：控制电路板用于采集光电编码器、扭矩传感器、接近传感器的信号并进行分析处理后生成控制指令控制盘式电机转动；驱动电路板用于根据控制规律驱动盘式电机的输出轴做设定方向、速度和位置的转动；电源电路板用于完成控制电路板、光电编码器005、扭矩传感器008、接近传感器018、谐波减速器006、盘式电机004的电源供给和电源管理。

控制电路201、驱动电路202和电源电路203通过隔离柱204三级层式放置，将三级层式放置的电路板进行模块化封装后装入定制外壳形成整机控制模块，整机控制模块留有外部接口，包括电源接口、电机接口、编码器接口、人机接口和通讯接口。

整机控制模块通过隔离柱204安装在机械凸台009的第一定位孔012上，整机控制模块安装有外部保护罩，外部保护罩表面设有开孔和接线端子。

机构单元中的上支架001和下支架003都设有布管槽019，电气连接部分的走线方式采用中空走线，所述走线方式是将导线利用束线器扎好后放入中空管，所述中空管安装在布管槽019内。

参见图9所示，本发明实施例中开发的一种适用于下肢康复训练机器人模块化膝关节的控制单元，控制电路主要为基于arm微处理器架构的最小系统，机电控制单元须使用定时器tim模块、pwm模块、正交编码模块、ad转换模块、dma模块、i²c模块、串行通信usart模块、flash模块及丰富的i/o口；驱动电路针对pwm信号进行功率放大和隔离；电源电路将锂电池电压进行转换，为系统各环节提供合适的电源；设计多路一体化收发传感器采集电路；开发基于arm微处理器的下肢康复机器人仿生膝关节底层驱动和顶层算法程序，底层驱动包括电机控制模块、传感器采集模块、ad+dma转换采集模块、i²c总线模块、串行通信usart模块、人机接口模块及故障报警模块等；顶层算法包括膝关节随动控制算法、步态轨迹运动规划控制算法、多传感器融合算法、数据滤波算法和康复训练评价算法。

整机控制模块有6组接口，电机接口(mt1，mt2)，编码器接口(cha，chb，+5v，gnd)，电源接口(+24v，gnd，+5v)，信号接口(ctl1，ctl2，+sig，-sig)，can接口(can_h1，can_l1)，232接口(232_tx2，2232_rx2)。所述整机控制单元模块处理速度和位置最小分辨率为1线，pwm频率/周期为14.4khz/69.4us，支持4种运动模式：pwm模式，pwm速度模式，pwm位置模式，pwm速度位置模式；支持2种通信模式：can通信和232通信。配置有调试软件，支持全范围浮点式pid参数调整，支持软件修改电机线序和编码器线序，支持固件升级和支持flash参数存储，所有调试软件上的参数设置都可通过flash存取。

参见图10所示，下面说明本发明所述的下肢康复训练机器人模块化膝关节机电控制的软件流程：

步骤1-系统初始化：对整机控制模块内部资源和外设模块进行初始化操作。包括时钟配置、端口配置、nvic中断优先级配置、usart初始化、flash初始化、pwm初始化、enconder初始化、dma初始化、adc初始化、zlg7289初始化、lcd初始化、i²c初始化和flash读取pid参数；

步骤2-flash读取整定参数：根据电机带载运行情况进行整机控制模块的驱动单元数据读写，整定pid参数使位置、速度双闭环的输出曲线跟随性和响应性较好，通过控制单元读取flash里存储整定优良的pid参数；

步骤3-进入速度、位置模式：控制单元给整机控制单元模块发送指令进入速度、位置模式，电机归为零位，准备运行；

步骤4-调整姿态初位置：发送控制指令使膝关节联动装置转动到设定初位置，调整初始姿态；

步骤5-模式选择：选取训练模式并设定运行参数和训练规则，设置完成后开始训练过程；

步骤6-人机交互：训练过程中实时采集并显示电机的电流、位置和速度信息以及主控温度信息和系统运行状态，训练者可观测参数信息和运行曲线；

步骤7-完成当前训练：当控制指令执行完毕后回到初始位置，表示已完成当前训练，转到步骤3准备下次训练；

参见图1-10所示，下面说明本发明所述的下肢康复训练机器人模块化膝关节机电控制工作原理：

整机控制模块是下肢康复训练机器人仿生膝关节运动的控制核心，arm控制电路负责信息采集、信息处理、伺服控制、信息存储、指令传送的任务进程，驱动电路接收arm控制电路发送的控制指令，产生的pwm对盘式电机进行驱动运转，盘式电机产生的驱动力矩经过波发生器，通过柔轮和刚轮减速后将扭矩送至模块化关节的输出轴，输出轴贯穿盘式限位块、扭矩传感器驱动下连杆做指定方向、速度和位置的转动，光电编码器产生的脉冲返回送至arm控制电路的正交编码接口进行转速的实时计算，通过偏差控制完成期望速度和位置的实时跟随以确保控制精度，扭矩传感器快速、精准地获取电机输出轴的力矩信息，接近传感器和盘式限位块的双限位环节防止轴旋转角度超出安全范围，电源电路负责下肢康复机器人模块化膝关节机电控制单元各环节的电源供给。

此外，根据公开的本发明的说明书，本发明的其他实现对于本领域的技术人员是明显的。所述实施方式和/或实施例的各个方面可以单独或者以任何组合用于本发明的系统和方法中。说明书和其中的示例应该是仅仅看作示例性，本发明的实际范围和精神由所附权利要求书表示。