專利名稱：多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種康復(fù)機械裝置。
背景技術(shù)：
目前，航天事業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的新態(tài)勢，載人航天事業(yè)在國家整體發(fā)展戰(zhàn)略中的作用日益突出。人類進入太空要面對諸如失重、真空、輻射等嚴酷太空環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，對人體產(chǎn)生不良的影響，但失重對人體的影響是無法避免的。航天醫(yī)學(xué)研究的結(jié)果表明失重對宇航員的生理系統(tǒng)和工作能力都有不利的影響，它可能導(dǎo)致宇航員心血管疾病、肌肉萎縮、骨質(zhì)疏松、太空運動病和心理功能障礙等一系列生理和心理方面的問題，嚴重的甚至可能威脅到宇航員的生命。失重對宇航員的影響已成為影響載人航天發(fā)展的主要因素之一。在空間站中，宇航員用于對抗失重引起的生理和心理失調(diào)的主要方法是加強體育鍛煉。已被采用體育鍛煉方法有穿企鵝服、自行車功量計鍛煉、抗阻力訓(xùn)練器鍛煉及太空炮臺鍛煉等。這些方法只能對宇航員某一機能進行訓(xùn)練，設(shè)備功能單一，耗時且效果不明顯。目前，國內(nèi)外相關(guān)專利主要有以下幾種宇航員訓(xùn)練器(專利號為200710072348. 1)提供了一種通過柔索牽引驅(qū)動機構(gòu)在微重力環(huán)境下模擬重力場的訓(xùn)練器，但是該訓(xùn)練器只能提供跑步訓(xùn)練，設(shè)備龐大，功能單一，訓(xùn)練器將載荷施加在人體腰部，對全身訓(xùn)練效果有限； 自行下體負壓訓(xùn)練器(專利號為01240457. 8)利用氣體膨脹產(chǎn)生負壓的原理對人體進行訓(xùn)練，但該發(fā)明對改善人體心肺功能和提高上肢力量作用有限；人工動力下體負壓訓(xùn)練艙 (專利號為02114423. 0)利用排出氣體產(chǎn)生負壓的原理，通過自行車踏動裝置對人體鍛煉， 該發(fā)明對提供人體立位能力和上肢能力效果有限。航天器里寸土如金，宇航員訓(xùn)練器應(yīng)該滿足質(zhì)量輕、體積小、安全、低耗、無污染等基本要求。并聯(lián)柔索驅(qū)動機器人具有占用空間小、柔順性好、可實現(xiàn)復(fù)雜的力/位控制等特點，因此適合于宇航員在狹小空間實現(xiàn)多模式的康復(fù)訓(xùn)練。通過控制繩索驅(qū)動力模擬重力環(huán)境的負載特征，把相應(yīng)的載荷施加到人體上，實現(xiàn)負重條件下的運動訓(xùn)練，使航天員的肌肉、骨骼、心肺等功能得到全面合理地訓(xùn)練。通過康復(fù)訓(xùn)練，提高宇航員的心理及生理的穩(wěn)定性，保證宇航員的工作效率，這對于我國載人航天事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供能為身處失重環(huán)境的宇航員提供符合重力環(huán)境特性的載荷，能提供跑步、臥推和負重深蹲三種訓(xùn)練模式的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是包括機架、柔索、柔索驅(qū)動單元、拉力傳感器，所述的柔索驅(qū)動單元固定在機架上，柔索連接柔索驅(qū)動單元，拉力傳感器安裝在柔索上。本實用新型還可以包括1、所述的柔索驅(qū)動單元包括驅(qū)動單元支架、柔索導(dǎo)向裝置、永磁直流力矩電機、柔索牽引輪、光電編碼器，永磁直流力矩電機安裝在驅(qū)動單元支架外，柔索牽引輪安裝在驅(qū)動單元支架里，永磁直流力矩電機的輸出軸連接柔索牽引輪，柔索導(dǎo)向裝置安裝在驅(qū)動單元支架外，柔索纏繞在柔索牽引輪上并穿過柔索導(dǎo)向裝置，光電編碼器安裝在永磁直流力矩電機上。2、所述的柔索驅(qū)動單元還包括固定柔索導(dǎo)向裝置，柔索導(dǎo)向裝置連接固定柔索導(dǎo)向裝置，固定柔索導(dǎo)向裝置固定在驅(qū)動單元支架里，柔索導(dǎo)向裝置安裝在驅(qū)動單元支架外， 柔索纏繞在柔索牽引輪上并穿過固定柔索導(dǎo)向裝置、柔索導(dǎo)向裝置。3、所述的機架為環(huán)形且?guī)в谢邸?、所述的柔索驅(qū)動單元有六個、柔索有六根、拉力傳感器有六個，第一 第六柔索驅(qū)動單元分別對應(yīng)第一 第六柔索，第一 第六柔索分別對應(yīng)第一 第六拉力傳感器。5、還包括跑臺和肩鎧，肩鎧與六根柔索相連，跑臺置于機架中。6、還包括橫杠，橫杠與六根柔索相連。7、還包括橫杠和臥推凳，橫杠與六根柔索相連，臥推凳置于機架中、橫杠下方。本實用新型的優(yōu)勢在于多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人機器人機架為框架結(jié)構(gòu)， 柔索驅(qū)動單元模塊化，機器人整體結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、占用空間小，拆卸和安裝方便，便于太空運輸和宇航員的使用。針對不同的訓(xùn)練模式，通過改變機器人的構(gòu)型和控制策略，更換運動輔助訓(xùn)練設(shè)備，滿足不同訓(xùn)練模式的需要。實現(xiàn)了一機多用，為宇航員提供了更加綜合有效的訓(xùn)練。柔索驅(qū)動單元可以保證在工作過程中柔索傳動平穩(wěn)，能夠準(zhǔn)確的纏繞在牽引輪上。同時，柔索導(dǎo)向輪減小了柔索傳動摩擦，提高了工作效率。

圖1為本實用新型的機架與實施方式1的柔索驅(qū)動單元的裝配圖；圖2為本實用新型實施方式3的跑步訓(xùn)練模式示意圖；圖3為本實用新型實施方式4的臥推訓(xùn)練模式示意圖；圖4為本實用新型實施方式5的負重深蹲訓(xùn)練模式示意圖；圖5為本實用新型實施方式2的柔索驅(qū)動單元總體裝配圖；圖6為本實用新型實施方式2的柔索驅(qū)動單元內(nèi)部裝配圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述實施方式1 結(jié)合圖1，多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人是模塊化的，它的一個模塊單元如圖1所示。多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人的柔索驅(qū)動單元3通過螺栓與機架1相連。柔索驅(qū)動單元3主要是通過控制永磁直流力矩電機2實現(xiàn)柔索4的伸縮。本實施方式包括機架1、柔索4、柔索驅(qū)動單元3、拉力傳感器6，柔索驅(qū)動單元3固定在機架1上，柔索4連接柔索驅(qū)動單元3，拉力傳感器6安裝在柔索4上。柔索驅(qū)動單元3包括驅(qū)動單元支架12、柔索導(dǎo)向裝置13、永磁直流力矩電機2、柔索牽引輪15、光電編碼器11，永磁直流力矩電機2安裝在驅(qū)動單元支架12外，柔索牽引輪 15安裝在驅(qū)動單元支架12里，永磁直流力矩電機2的輸出軸連接柔索牽引輪15，柔索導(dǎo)向裝置13安裝在驅(qū)動單元支架外12，柔索4纏繞在柔索牽引輪15上并穿過柔索導(dǎo)向裝置13， 光電編碼器11安裝在永磁直流力矩電機2上。所述的柔索驅(qū)動單元3有六個、柔索4有六根、拉力傳感器6有六個，第一 第六柔索驅(qū)動單元分別對應(yīng)第一 第六柔索，第一 第六柔索分別對應(yīng)第一 第六拉力傳感
本實施方式有如下特點機架為正方形的框架結(jié)構(gòu)，由帶有滑槽的鋁型材連接而成；通過滑槽完成鋁型材之間的連接，通過滑槽與柔索驅(qū)動單元和地基連接。柔索驅(qū)動單元通過控制永磁直流力矩電機來實現(xiàn)柔索的伸縮。6組柔索驅(qū)動單元對稱地布置在機器人機架上；柔索驅(qū)動單元通過螺栓與機架相連。柔索纏繞在牽引輪上，最后通過導(dǎo)向輪輸出。通過柔索導(dǎo)向輪來約束柔索輸出的方向，并減少柔索與機架的摩擦。由柔索驅(qū)動單元輸出的 6根柔索上分別接有6組拉力傳感器，用于檢測柔索張力。訓(xùn)練時，通過控制電機來控制柔索長度使柔索能夠跟隨人體位姿的變化并給人體施加相應(yīng)的載荷。針對不同的訓(xùn)練模式， 調(diào)整機器人構(gòu)型及其控制策略，更換運動輔助訓(xùn)練設(shè)備，達到訓(xùn)練要求。實施方式2 在實施方式1的基礎(chǔ)上，柔索驅(qū)動單元3還包括固定柔索導(dǎo)向裝置14，柔索導(dǎo)向裝置13連接固定柔索導(dǎo)向裝置14，固定柔索導(dǎo)向裝置14固定在驅(qū)動單元支架12里，柔索導(dǎo)向裝置13安裝在驅(qū)動單元支架12外，柔索4纏繞在柔索牽引輪15上并穿過固定柔索導(dǎo)向裝置14、柔索導(dǎo)向裝置13。實施方式3 在實施方式2的基礎(chǔ)上，增加跑臺5、肩鎧7等部分，六個柔索驅(qū)動單元3對稱地布置在機器人機架3上，通過螺栓與機架3相連。拉力傳感器6連接在宇航員與柔索驅(qū)動單元3之間的柔索上，以檢測柔索的拉力。在跑步訓(xùn)練模式下，將跑臺5置于機架1中間，宇航員穿戴上肩鎧7，將6根繩索4 分成兩組分別連接到宇航員所穿的肩鎧7上。跑步時，機器人在跟隨人體肩部位姿變化的同時給兩肩施加相應(yīng)的負載。工作時，宇航員康復(fù)機器人需要根據(jù)宇航員的姿態(tài)和運動狀態(tài)把期望負載力施加到人體上，人做主動運動，而機器人處于被動運動狀態(tài)。通過控制繩索驅(qū)動力模擬重力環(huán)境的負載特征，實現(xiàn)負重條件下的運動訓(xùn)練，使航天員的肌肉、骨骼、心肺等功能得到全面合理地訓(xùn)練，提高在失重環(huán)境下宇航員的康復(fù)訓(xùn)練效果。實施方式4 在實施方式2基礎(chǔ)上增加橫杠8，在負重深蹲訓(xùn)練模式下，宇航員站在機架中間， 將6根繩索4分成兩組分別連接在橫杠8兩端。深蹲訓(xùn)練時，機器人在跟隨橫杠8運動的同時在橫杠8上施加相應(yīng)的負載。實施方式5 在實施方式4的基礎(chǔ)上增加臥推凳9，在臥推訓(xùn)練模式下，將臥推凳9置于機架1 中間，宇航員躺在臥推凳9上，將6根繩索4分成兩組分別連接在橫杠8兩端。臥推時，機器人在跟隨橫杠8運動的同時在橫杠8上施加相應(yīng)的負載。
權(quán)利要求1.多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是包括機架、柔索、柔索驅(qū)動單元、拉力傳感器，所述的柔索驅(qū)動單元固定在機架上，柔索連接柔索驅(qū)動單元，拉力傳感器安裝在柔索上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是所述的柔索驅(qū)動單元包括驅(qū)動單元支架、柔索導(dǎo)向裝置、永磁直流力矩電機、柔索牽引輪、光電編碼器，永磁直流力矩電機安裝在驅(qū)動單元支架外，柔索牽引輪安裝在驅(qū)動單元支架里，永磁直流力矩電機的輸出軸連接柔索牽引輪，柔索導(dǎo)向裝置安裝在驅(qū)動單元支架外，柔索纏繞在柔索牽引輪上并穿過柔索導(dǎo)向裝置，光電編碼器安裝在永磁直流力矩電機上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是所述的柔索驅(qū)動單元還包括固定柔索導(dǎo)向裝置，柔索導(dǎo)向裝置連接固定柔索導(dǎo)向裝置，固定柔索導(dǎo)向裝置固定在驅(qū)動單元支架里，柔索導(dǎo)向裝置安裝在驅(qū)動單元支架外，柔索纏繞在柔索牽引輪上并穿過固定柔索導(dǎo)向裝置、柔索導(dǎo)向裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是所述的機架為環(huán)形且?guī)в谢邸?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是所述的柔索驅(qū)動單元有六個、柔索有六根、拉力傳感器有六個，第一 第六柔索驅(qū)動單元分別對應(yīng)第一 第六柔索，第一 第六柔索分別對應(yīng)第一 第六拉力傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是還包括跑臺和肩鎧，肩鎧與六根柔索相連，跑臺置于機架中。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是還包括橫杠，橫杠與六根柔索相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征是還包括橫杠和臥推凳，橫杠與六根柔索相連，臥推凳置于機架中、橫杠下方。
專利摘要本實用新型的目的在于提供多模式宇航員康復(fù)訓(xùn)練機器人，包括機架、柔索、柔索驅(qū)動單元、拉力傳感器，所述的柔索驅(qū)動單元固定在機架上，柔索連接柔索驅(qū)動單元，拉力傳感器安裝在柔索上。本實用新型機架為框架結(jié)構(gòu)，柔索驅(qū)動單元模塊化，機器人整體結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、占用空間小，拆卸和安裝方便，便于太空運輸和宇航員的使用。針對不同的訓(xùn)練模式，通過改變機器人的構(gòu)型和控制策略，更換運動輔助訓(xùn)練設(shè)備，滿足不同訓(xùn)練模式的需要。實現(xiàn)了一機多用，為宇航員提供了更加綜合有效的訓(xùn)練。柔索驅(qū)動單元可以保證在工作過程中柔索傳動平穩(wěn)，能夠準(zhǔn)確的纏繞在牽引輪上。同時，柔索導(dǎo)向輪減小了柔索傳動摩擦，提高了工作效率。
文檔編號A63B21/00GK202128852SQ201120217240
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者張立勛, 王克義, 鄒宇鵬 申請人:哈爾濱工程大學(xué)