本發(fā)明屬于人體康復工程領域，特別地，涉及一種具有柔性傳動環(huán)節(jié)的坐位平衡康復訓練機器人，同時還設計該訓練機器人的控制方法。
背景技術：
腦卒中偏癱患者因多種影響因素導致不同的神經功能障礙，從而失去軀干控制的可變性和適應性，進而出現(xiàn)僵硬甚至異常的軀體運動模式，其中有80％的患者會出現(xiàn)平衡功能障礙，25％的患者存在向偏癱側傾倒并抵抗身體向中線的矯正的癥狀，即傾倒綜合征(pushersyndrome)。
已經有研究表明傾倒綜合征與患者本體感覺、肌肉控制能力等密切相關。目前臨床上多采用患者與治療師一對一進行重心移動及動態(tài)平衡訓練，以增強患者軀干肌肉的力量及控制能力，即讓患者坐穩(wěn)后再讓其向兩側傾斜，或先將患者被動地移動到接近失衡點后讓再返回中立位置上，這些治療方法多用于發(fā)病早期階段的康復。
上述治療方法也存在幾方面的問題：
1、這一過程需要治療師時刻保護患者，但進行康復的動作手法重復性較高，易產生疲勞；
2、將患者扶向正中位時，需要依靠治療師肉眼輔助找正，并不能保證每次均找準豎直位置。
目前研究傾倒綜合征患者的熱點是評價、恢復豎直方向的本體感覺(豎直感)，通常分析豎直感的有效方法是測量患者的位置重定向誤差及豎直感誤差。但是市場上并沒有專門針對早期腦卒中患者，尤其是傾斜綜合征患者進行動態(tài)平衡評估訓練的設備。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了代替治療師對患者的手法治療，逐漸修正傾倒綜合征患者在豎直方向的本體感覺誤差，幫助其恢復軀干平衡能力；對患者豎直方向的本體感覺進行定量、準確地記錄、評價，為之后的臨床康復治療提供參考。
本發(fā)明公開了一種坐位平衡康復訓練機器人，包括座椅結構、滑槽四連桿傳動結構和主軸傳動結構，所述座椅結構包括支撐扶手架2、靠枕3、靠背6、帶卡扣綁帶9、胸部綁縛帶11、支撐桿12、支撐坐墊14、底座支架15和輪子；所述滑槽四連桿傳動結構包括搖桿25、減速機支架26、曲柄27、滑槽連桿29、步進減速機30和步進電機31；所述主軸傳動結構包括傳動主軸17、主軸支座18、擋圈19、扭簧20、主軸定位塊23；所述訓練機器人還包括主軸傾斜角度傳感器24，實時反映所述主軸定位塊23的旋轉角度，即所述支撐桿12的偏轉角度；所述訓練機器人還包括曲柄轉角傳感器28，實時反映所述曲柄27的旋轉角度。
優(yōu)選地，所述座椅結構中，支撐扶手架2左右對稱設置，分別通過緊定螺栓與支撐扶手架連接件10的一端固接，支撐扶手架2的末端分別通過彈簧扣與支撐扶手架把手1連接，支撐扶手架連接件10穿入支撐桿12，通過銷軸與支撐桿12固接；靠枕3通過銷軸與靠枕連接件4連接，靠枕連接件4通過銷軸與支撐桿12固接；靠背6通過配合孔與萬向十字節(jié)7的一端連接，靠背連接件8通過配合孔與萬向十字節(jié)7的另一端連接。
優(yōu)選地，所述滑槽四連桿傳動結構中，步進電機31與步進減速機30通過螺栓進行固接，步進減速機30通過螺栓固接在步進減速機支架26上，步進減速機支架26通過螺栓固接在支撐坐墊14上；曲柄27的一端與步進減速機30的輸出軸通過鍵連接，另一端通過置于滑槽連桿29一端滑槽中的銷軸形成滑動副，輸出扭矩；滑槽連桿29的另一端通過銷軸與搖桿25的一端連接，形成轉動副；搖桿25另一端設置有套環(huán)，通過緊定螺釘固接在傳動主軸17上。
優(yōu)選地，所述主軸傳動結構中，主軸支座18左右對稱設置，通過螺栓與支撐坐墊14固接；傳動主軸17置于主軸支座18上，一端通過螺栓與支撐桿12進行固接；擋圈19對稱設置在兩個主軸支座18的外側，其上設置有緊定螺釘32，防止傳動主軸17發(fā)生軸向竄動；扭簧20對稱設置在兩個主軸支座18的內側，之間設置有主軸定位塊23，扭簧20的一端簧絲穿過主軸支座18的配合小孔，另一端簧絲纏繞在主軸定位塊23上，以形成對傳動主軸17轉動的阻尼環(huán)節(jié)。
優(yōu)選地，所述主軸傾斜角度傳感器24設置在主軸定位塊23的遠離軸心處，為陀螺儀傳感器；所述曲柄轉角傳感器28設置在曲柄27上，為陀螺儀傳感器。
優(yōu)選地，所述座椅結構還包括帶卡扣綁帶9和胸部綁縛帶11，帶卡扣綁帶9與胸部綁縛帶11設置成縫接固定，帶卡扣綁帶9的卡扣置于靠背6后側，拉緊帶卡扣綁帶9，胸部綁縛帶11即位于靠背6正中位置。
優(yōu)選地，尼龍?zhí)?套在所述萬向十字節(jié)7上，其內徑與萬向十字節(jié)7的外徑相同，用于固定萬向十字節(jié)7，從而實現(xiàn)靠背6相對于支撐桿12的完全固定。
優(yōu)選地，所述主軸傾斜角度傳感器24輸出的角度信號通過控制板的串口a輸入控制板卡，所述曲柄轉角傳感器28輸出的角度信號通過控制板的串口b輸入控制板卡；所述控制板卡設置一個脈沖信號用于控制步進電機31的運動速度，設置一個數(shù)字信號控制步進電機31的運動方向。
本發(fā)明還公開所述坐位平衡康復訓練機器人的控制方法，流程如下，
運動開始后，設定步進電機31的控制脈沖頻率調制及方向控制電位，讓步進電機31進入待機狀態(tài)，控制脈沖的幅值為低電平，電機不動，此時控制板的串口a打開，記錄主軸傾斜角度傳感器24采集的支撐桿12的傾斜角度，串口b關閉；
患者進行左右方向的自由傾斜，偏離豎直位置越遠，越受到阻尼環(huán)節(jié)的阻抗越大，當患者靠向一側時，搖桿25會抵住滑槽連桿29的滑槽一端，主軸傾斜角度傳感器24記錄的傾角達到設定的門限n°，等待k1秒，再次監(jiān)測出傾角達到設定的門限n°時，控制脈沖置高電平，步進電機31正轉，步進電機31通過帶動滑槽連桿29推或拉搖桿25，使支撐桿12反向轉動，逐漸復位到豎直位置；
電機在運動過程中，控制板卡會根據支撐桿12的傾斜角度與豎直方向的角度誤差，用pid控制中的誤差比例控制器p進行pfm計算，實現(xiàn)支撐桿12在復位過程中逐漸減速；
當支撐桿12的傾斜角度小于誤差門限t°時，步進電機31的控制脈沖的幅值置為低電平，步進電機31停轉，等待k2秒，步進電機31反轉，搖桿25與滑槽連桿29脫開接觸，串口a關閉，串口b打開；
將曲柄轉角傳感器28采集到的角度信號發(fā)送至控制板卡，同樣根據角度信號與曲柄27初始置零位置的誤差，用pid控制中的誤差比例控制器p進行pfm計算，實現(xiàn)曲柄27在復位過程中逐漸減速；
當曲柄27的傾角與零位置的誤差小于誤差門限t°時，步進電機31的控制脈沖的幅值置為低電平，步進電機31停轉，關閉串口b，再次打開串口a，完成整個控制周期。
本發(fā)明能夠實現(xiàn)以下的有益效果：
(1)布局合理，結構簡練易行，控制可靠，使用方便，充分考慮早期患者的安全性。
(2)可根據患者具體身材調整輔助設備的安裝，更有利于患者使用，在使用過程中讓患者逐漸恢復軀干控制能力，增強軀干的本體感覺。
(3)可根據患者情況調節(jié)患者傾斜角度極限，從而實現(xiàn)訓練難度的調整。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的一種坐位平衡康復訓練機器人的左前向立體圖；
圖2是本發(fā)明的訓練機器人的右后向立體圖；
圖3是本發(fā)明的訓練機器人的四連桿傳動結構示意圖；
圖4是本發(fā)明的訓練機器人的主軸傳動結構示意圖；
圖5是本發(fā)明的訓練機器人的機電閉環(huán)系統(tǒng)控制流程圖；
附圖標記說明如下：
1—支撐扶手架把手，2—支撐扶手架，3—靠枕，4—靠枕連接件，5—尼龍?zhí)祝?—靠背，7—萬向十字節(jié)，8—靠背連接件，9—帶卡扣綁帶，10—支撐架連接件，11—胸部綁縛帶，12—支撐桿，13—后側轉向輪，14—支撐坐墊，15—底座支架，16—前側定向輪，17—傳動主軸，18—主軸支座，19—擋圈，20—扭簧，21—直流電源，22—步進電機驅動器，23—主軸定位塊，24—主軸傾斜角度傳感器，25—搖桿，26—步進減速機支架，27—曲柄，28—曲柄轉角傳感器，29—滑槽連桿，30—步進減速機，31—步進電機。
具體實施方式
本發(fā)明的坐位平衡康復訓練機器人，針對早期腦卒中患者軀干本體感覺系統(tǒng)受損嚴重，無法保持坐姿平衡穩(wěn)定等癥狀，創(chuàng)造性的進行坐位平衡訓練，其工作原理如下：
扭簧阻尼系統(tǒng)可以防止患者倒向一側時過于迅速，避免造成損傷；通過三軸空間陀螺儀傳感器記錄患者傾斜角度，測量其相對豎直位置的傾角誤差，在患者倒向一側后，這一信號實時反饋控制電機轉速轉向，滑槽連桿與電機曲柄形成單向傳動的四桿機構，通過靠背、扶手等輔助系統(tǒng)推動患者，實現(xiàn)將患者扶正；之后利用曲柄上的角度傳感器，反饋控制電機反轉復位，傳動主軸上的搖桿與滑槽連桿脫開，將步進電機曲柄復歸零點位置，完成一個運動周期?；颊哂帜苤鲃踊顒樱韵拗圃谠瓉碓O定傾斜角度范圍內，患者可再次向兩方向傾倒。還包括可調節(jié)高度的扶手、靠背，從肩部固定患者的綁縛帶?；圻B桿的尺寸設計有多種，可針對患者需求選用，增大或減小患者所能傾斜的角度極限。
為使本發(fā)明實施的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
在對全部附圖的描述中，相同的附圖標記表示相同的元件。同時應該理解，如在此所用的術語“和/或”包括一個或多個相關的列出項的任意和所有組合。
另外應該理解，當部件或單元被稱為“連接”或“耦接”到另一部件或單元時，它可以直接連接或耦接到其他部件或單元，或者也可以存在中間部件或單元。此外，用來描述部件或單元之間關系的其他詞語應該按照相同的方式理解。
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。
本發(fā)明的坐位平衡康復訓練機器人包括機械部分和控制部分。其中，機械部分包括座椅結構、滑槽四連桿傳動結構和主軸傳動結構；控制部分為閉環(huán)控制系統(tǒng)。
如圖1和2所示，座椅結構主要包括支撐扶手架2、靠枕3、靠背6、帶卡扣綁帶9、胸部綁縛帶11、支撐桿12、支撐坐墊14、底座支架15和輪子。其中，支撐扶手架2呈左右對稱設置，分別通過緊定螺栓與支撐扶手架連接件10的一端固接，支撐扶手架2的末端分別通過彈簧扣與支撐扶手架把手1連接，支撐扶手架連接件10穿入支撐桿12，通過銷軸與支撐桿12固接；靠枕3通過銷軸與靠枕連接件4連接，以保證靠枕3轉動，靠枕連接件4通過銷軸與支撐桿12固接；靠背6通過配合孔與萬向十字節(jié)7的一端連接，靠背連接件8通過配合孔與萬向十字節(jié)7的另一端連接，尼龍?zhí)?套在萬向十字節(jié)7上，其內徑與萬向十字節(jié)7的外徑相同，因此萬向十字節(jié)7被完全固定，從而實現(xiàn)靠背6相對于支撐桿12的完全固定；帶卡扣綁帶9與胸部綁縛帶11設置成縫接固定，帶卡扣綁帶9的卡扣置于靠背6后側，拉緊帶卡扣綁帶9，胸部綁縛帶11即位于靠背6正中位置；支撐桿12設置有均布的定位孔，可調整支撐扶手架2、靠枕3、靠背6等裝置的高度；輪子分為前后兩側，前側為定向輪16，后側為轉向輪13，方便訓練機器人移動。靠背6和坐墊14底部為鋼板，頂部為皮革包裹彈性塑料泡沫。
如圖3所示，滑槽四連桿傳動結構主要包括搖桿25、減速機支架26、曲柄27、滑槽連桿29、步進減速機30和步進電機31。其中，步進電機31與步進減速機30通過螺栓進行固接，步進減速機30通過螺栓固接在步進減速機支架26上，步進減速機支架26通過螺栓固接在支撐坐墊14上；曲柄27的一端與步進減速機30的輸出軸通過鍵連接，另一端通過置于滑槽連桿29一端滑槽中的銷軸形成滑動副，輸出扭矩；滑槽連桿29的另一端通過銷軸與搖桿25的一端連接，形成轉動副；搖桿25另一端設置有套環(huán)，通過緊定螺釘固接在傳動主軸17上。所述傳動結構可將步進電機31的動力傳遞到傳動主軸17上。
如圖4所示，主軸傳動結構主要包括傳動主軸17、主軸支座18、擋圈19、扭簧20、主軸定位塊23。其中，主軸支座18左右對稱設置，通過螺栓與支撐坐墊14固接；傳動主軸17置于主軸支座18上，一端通過螺栓與支撐桿12進行固接；擋圈19對稱設置在兩個主軸支座18的外側，其上設置有緊定螺釘32，以防止傳動主軸17發(fā)生軸向竄動，即緊定螺釘32在傳動主軸17轉動到一定角度后，會頂住主軸支座18，實現(xiàn)機械限位；扭簧20對稱設置在兩個主軸支座18的內側，之間設置有主軸定位塊23，扭簧20的一端簧絲穿過主軸支座18的配合小孔，另一端簧絲纏繞在主軸定位塊23上，以形成對傳動主軸17轉動的阻尼環(huán)節(jié)。
主軸傾斜角度傳感器24設置在主軸定位塊23的遠離軸心處，為陀螺儀傳感器，優(yōu)選地為mpu6050三軸陀螺儀傳感器，實時反映主軸定位塊23的旋轉角度，也就反映了支撐桿12的偏轉角度；曲柄轉角傳感器28設置在曲柄27上，同樣為陀螺儀傳感器，優(yōu)選地同樣為mpu6050三軸陀螺儀傳感器，可實時反映曲柄27的旋轉角度。
主軸傾斜角度傳感器24輸出的角度信號通過控制板的串口a輸入控制板卡，曲柄轉角傳感器28輸出的角度信號通過控制板的串口b輸入控制板卡；控制板卡設置一個脈沖信號用于控制步進電機31的運動速度，設置一個數(shù)字信號控制步進電機31的運動方向。
工作前校準陀螺儀傳感器。當支撐桿12置于豎直位置時，將主軸傾斜角度傳感器24沿傳動主軸17方向的旋轉角置零；控制步進電機31啟動曲柄27，當其轉動到某位置時，可以讓支撐桿12左右擺動相同角度，此時將曲柄27上的曲柄轉角傳感器28沿電機31輸出軸方向的旋轉角度置零。
如圖5所示，本發(fā)明的閉環(huán)控制系統(tǒng)控制流程如下：
運動開始后，設定步進電機31的控制脈沖頻率調制及方向控制電位，讓步進電機31進入待機狀態(tài)，控制脈沖的幅值為低電平，電機不動，此時控制板的串口a打開，記錄主軸傾斜角度傳感器24采集的支撐桿12的傾斜角度，控制板的串口b關閉；
患者進行左右方向的自由傾斜，偏離豎直位置越遠，越受到阻尼環(huán)節(jié)的阻抗越大，當患者靠向一側時，搖桿25會抵住滑槽連桿29的滑槽一端，主軸傾斜角度傳感器24記錄的傾角達到設定的門限n°，等待k1秒，再次監(jiān)測出傾角達到設定的門限n°時，控制脈沖置高電平，步進電機31正轉，步進電機31通過帶動滑槽連桿29推或拉搖桿25，使支撐桿12反向轉動，逐漸復位到豎直位置；
電機在運動過程中，控制板卡會根據支撐桿12的傾斜角度與豎直方向的角度誤差，用pid控制中的誤差比例控制器p進行pfm計算，實現(xiàn)支撐桿12在復位過程中逐漸減速；
當支撐桿12的傾斜角度小于誤差門限t°時，步進電機31的控制脈沖的幅值置為低電平，步進電機31停轉，等待k2秒，步進電機31反轉，搖桿25與滑槽連桿29脫開接觸，串口a關閉，串口b打開；
將曲柄轉角傳感器28采集到的角度信號發(fā)送至控制板卡，同樣根據角度信號與曲柄27初始置零位置的誤差，用pid控制中的誤差比例控制器p進行pfm計算，實現(xiàn)曲柄27在復位過程中逐漸減速；
當曲柄27的傾角與零位置的誤差小于誤差門限t°時，步進電機31的控制脈沖的幅值置為低電平，步進電機31停轉，關閉串口b，再次打開串口a，完成整個控制周期。
最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。