本发明涉及一种本发明提出一种平行连杆式下肢康复机器人，属于康复机器人的技术领域。它括脚部支撑、平行连杆、三角构件小腿部件、谐波减速机、大腿部件、同步带、大腿关节伺服电机、小腿关节伺服电机、机械及电气箱体、滑台伺服电机、大腿套筒、小腿套筒（15）、编码器、伺服滑台、小齿轮、大齿轮、同步带轮、气囊、气压传感器。本康复机器人采用主动及被动模式，可用于膝关节病患的中前期治疗。
1.一种平行连杆式下肢康复机器人，包括脚部支撑（1）、第一平行连杆（3）、第二平行连杆（2）、三角构件（4）、小腿部件（5）、第一谐波减速机（7）、第二谐波减速机（6）、大腿部件（8）、同步带（9）、大腿关节伺服电机（10）、小腿关节伺服电机（11）、机械及电气箱体（12）、滑台伺服电机（13）、大腿套筒（14）、小腿套筒（15）、编码器（16）、伺服滑台（17）、小齿轮（18）、大齿轮（19）、第一同步带轮（21）、第二同步带轮（20）、气囊（22）、气压传感器（23）；
所述大腿关节伺服电机（10）与第一谐波减速机（7）总成，安装在机械及电气箱体（12）上；
所述小腿关节伺服电机（11）安装在机械及电气箱体（12）上，输出轴联接所述小齿轮（18），所述大齿轮（19）安装于第一谐波减速机（7）输出轴上，可以绕轴旋转，小齿轮（18）与大齿轮（19）啮合构成齿轮副，所述同步带（9）一端与大齿轮（19）上安装的第一同步带轮（21）啮合，另一端与第二谐波减速机（6）输入轴上安装的第二同步带轮（20）啮合；
所述大腿部件（8）第一端固连于所述第一谐波减速机（7）输出轴，第二端与所述小腿部件（5）第一端铰接，小腿部件（5）的第一端同时还固连于第二谐波减速机（6）的输出轴上，小腿部件（5）第二端与脚部支撑（1）上的关节铰接；所述小腿套筒（15）安装于小腿部件（5）上，大腿套筒（14）安装于大腿部件（8）上；
所述第一平行连杆（3）的第一端与所述机械及电气控制箱体（12）上的外伸轴铰接，第二端与所述三角构件（4）第一侧关节铰接，所述第二平行连杆（2）第一端与三角构件（4）第二侧关节铰接，第二端与脚部支撑（1）上的关节铰接；所述三角构件（4）位于第二谐波减速机（6）与小腿部件（5）之间，安装于第二谐波减速机（6）的输出轴可绕其转动；三角构件（4）第一侧关节、第二侧关节距第二谐波减速机（6）的输出轴的距离相等；
上述第二平行连杆（2）、三角构件（4）、小腿部件（5）和脚部支撑（1）组成的第一个平行四边形机构；上述第一平行连杆（3）、三角构件（4）、大腿部件（8）和机械及电气箱体（12）组成第二个平行四边形机构；上述第一个平行四边形机构和第二个平行四边形机构构成双平行四边形机构，可以使脚部支撑（1）保持平动；
所述滑台伺服电机（13）安装在机械及电气箱体（12）上，输出轴与伺服滑台（17）的输入轴上； 所述腿部支撑（1）安装在伺服滑台（17）的滑块上，脚部支撑（1）与病患足部接触一侧安装力传感器；
所述编码器（16）分别安装于第二谐波减速机（6）的输入轴及小腿部件（5）与脚部支撑（1）铰接关节处；
所述气囊（22）贴于大腿套筒（14）与小腿套筒（15）内侧，由气压传感器（23）检测气囊压力变化。
平行连杆式下肢康复机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种平行连杆式下肢康复机器人，具体来说，是一种用于膝关节病患中前期治疗的伺服驱动康复机器人。
背景技术
[0002] 康复机器人的研究是机器人领域的一个新兴的热点，日益受到工业界和学术界的关注。目前，对于人体下肢康复机器人的研究，欧美和日本起步较早，处于世界领先地位，且逐步实现商业化，成为一种新兴产业。而研究人体下肢康复机器人的国内机构较少，且大多处于初级阶段。
[0003] 可穿戴式下肢康复机器人作为一个崭新的机器人研究领域，目前仍处于探索研究阶段，由于国内对下肢康复机器人的研究较少，国际同类研究未完全成熟，诸如机械结构、肌肉信号特征提取、人机协调、工作延续性等关键技术需要突破。
[0004] 康复机器人常见的驱动方式有三种：液压驱动、气压驱动和伺服电机驱动。液压驱动污染较大且结构复杂；气压驱动无污染、机构简单以及重量轻，但位置控制精度差；伺服电机驱动控制精度好，易于复杂控制策略的实现。
发明内容
[0005] 基于上述背景，本发明提出一种平行连杆式下肢康复机器人。目的在于使用一种新的机械结构及控制方式来完善和改进可穿戴式下肢康复机器人的设计。
[0006] 一种平行连杆式下肢康复机器人，包括脚部支撑、第一平行连杆、第二平行连杆、三角构件、小腿部件、第一谐波减速机、第二谐波减速机、大腿部件、同步带、大腿关节伺服电机、小腿关节伺服电机、机械及电气箱体、滑台伺服电机、大腿套筒、小腿套筒、编码器、伺服滑台、小齿轮、大齿轮、第一同步带轮、第二同步带轮、气囊、气压传感器；所述大腿关节伺服电机与第一谐波减速机总成，安装在机械及电气箱体上；所述小腿关节伺服电机安装在机械及电气箱体上，输出轴联接所述小齿轮，所述大齿轮安装于谐波减速机输出轴上，可以绕轴旋转，小齿轮与大齿轮啮合构成齿轮副，所述同步带一端与大齿轮上安装的第一同步带轮啮合，另一端与第二谐波减速机输入轴上安装的第二同步带轮啮合；所述大腿部件第一端固连于所述第一谐波减速机输出轴，第二端与所述小腿部件第一端铰接，小腿部件的第一端同时还固连于第二谐波减速机的输出轴上，小腿部件第二端与脚部支撑上的关节铰接；所述小腿套筒安装于小腿部件上，大腿套筒安装于大腿部件上；所述第一平行连杆的第一端与所述机械及电气控制箱体上的外伸轴铰接，第二端与所述三角构件第一侧关节铰接，所述第二平行连杆第一端与三角构件第二侧关节铰接，第二端与脚部支撑上的关节铰接；所述三角构件位于第二谐波减速机与小腿部件之间，安装于第二谐波减速机的输出轴可绕其转动；三角构件第一侧关节、第二侧关节距第二谐波减速机的输出轴的距离相等；上述第二平行连杆、三角构件、小腿部件和脚部支撑组成的第一个平行四边形机构；上述第一平行连杆、三角构件、大腿部件和机械及电气箱体组成第二个平行四边形机构；上述第一个平行四边形机构和第二个平行四边形机构构成双平行四边形机构，可以使脚部支撑保持平动；所述滑台伺服电机安装在机械及电气箱体上，输出轴与伺服滑台的输入轴上； 所述腿部支撑安装在伺服滑台的滑块上，脚部支撑与病患足部接触一侧安装力传感器；所述编码器分别安装于谐波减速机的输入轴及小腿部件与脚部支撑铰接关节处；所述气囊贴于大腿套筒与小腿套筒内侧，由气压传感器检测气囊压力变化。
[0007] 所述的平行连杆式下肢康复机器人的工作方法，其特征在于包括以下过程：康复过程分为前期及中期康复；系统采用动态预编程，使用前由调试人员进行腿部的伸屈运动，采集相应传感器、编码器及伺服电机的参数信息并进行微调；前期康复过程：使用伺服滑台，脚部支撑安装于伺服滑台的滑块上，在滑台伺服电机带动下前后运动，使患者腿部屈伸，进行膝关节患处的被动治疗；安装于机械及电气箱体内的电控部分采样力传感器数据均值及编码器信号，调节滑台伺服电机速度，保持过程中对于患者肢体的作用力的恒定；中期被动康复过程：脚部支撑从伺服滑台上脱离开来，由大腿关节伺服电机、小腿关节伺服电机协同动作，带动相连的小腿部件、大腿部件、脚部支撑动作，使患者腿部屈伸运动；大腿关节伺服电机、小腿关节伺服电机的转速不同，患者腿部运动的轨迹不同，从而得到不同方式的锻炼；设置在机械及电气箱体内的运动控制器决定运动过程中的轨迹规划，避免造成过大的冲击，同样根据力传感器数据及编码器信号，调节每个轨迹区间伺服电机的速度，保持过程中对于患者肢体的作用力的恒定；中期主动康复过程：主动康复阶段，患者根据自身情况，自主进行腿部屈伸运动，运动控制器采集力传感器数据及编码器信号，控制相连的小腿部件、大腿部件、脚部支撑进行跟随动作，并实时调节运动速度的大小。
[0008] 本发明可以安装在卧姿或坐姿器材上，避免腿部机构的过于臃肿。
[0009] 本发明针对不同的康复阶段的训练要求，采取不同的控制方式。发明采用主-被动综合训练，相比只进行被动训练，可明显减轻患者疼痛，加快关节功能恢复。康复过程中运动的轨迹及速度可以实时调节，运动精度高，能最大限度的锻炼患处的肌肉，有很好的应用前景。
附图说明
[0010] 图1本发明机械结构示意图一；
[0011] 图2本发明机械结构示意图二；
[0012] 图3本发明腿部压力传感器安装示意图；
[0013] 图中标号名称：1.脚部支撑，2.第二平行连杆，3.第一平行连杆，4.三角构件，5.小腿部件，7.第一谐波减速机，6.第二谐波减速机，8.大腿部件，9.同步带，10.大腿关节伺服电机，11.小腿关节伺服电机，12.机械及电气箱体，13.滑台伺服电机，14.大腿套筒，15.小腿套筒，16.编码器，17.伺服滑台，18.小齿轮，19.大齿轮，21.第一同步带轮，20.第二同步带轮，22.气囊，23.气压传感器，22.气囊，23.气压传感器，24.腿部关节内侧。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。任何应用本发明的结构及方法的设计都在本发明的保护范围内。
[0015] 如图1-2所示，本发明包括脚部支撑1、第一平行连杆3、第二平行连杆2、三角构件4、小腿部件5、第一谐波减速机7、第二谐波减速机6、大腿部件8、同步带9、大腿关节伺服电机10、小腿关节伺服电机11、机械及电气箱体12、滑台伺服电机13、大腿套筒14，小腿套筒
15、编码器16、伺服滑台17、小齿轮18、大齿轮19、第一同步带轮21、第二同步带轮20、气囊
22、气压传感器23。
[0016] 整个机构可设置在卧式或坐姿器材上。大腿部件8与小腿部件5在膝关节处铰接，依靠安装在上面的大腿套筒14及小腿套筒15分别对大腿及小腿侧进行支撑。大腿关节伺服电机10与第一谐波减速机7总成，安装在机械及电气箱体12上，第一谐波减速机7输出轴联接于大腿部件8一端，使其绕轴摆动俯仰。
[0017] 小腿关节伺服电机11安装在机械及电气箱体12上，输出轴联接一个小齿轮18。大齿轮19安装于第一谐波减速机7输出轴上，可以绕轴旋转。小齿轮18与大齿轮19啮合构成齿轮副。同步带9一端与大齿轮19上安装的同步带轮21啮合，另一端与第二谐波减速机6输入轴上安装的同步带轮20啮合。第二谐波减速机6输出轴联接与小腿部件一端。小腿关节伺服电机11动作，带动小腿部件绕轴俯仰摆动。
[0018] 本设计的特征是通过小腿关节伺服电机11与大腿关节伺服电机10联动，使末端即脚部支撑1达到其工作空间的任意范围，并避免腿部机构的过于臃肿。
[0019] 第二平行连杆2分别联接脚部支撑与三角构件4，第一平行连杆3一端与联接机械及电气控制箱体12上的外伸轴铰接、另一端与三角构件4另一侧关节铰接。三角构件4为等腰三角形形状，安装在第二谐波减速机6与小腿部件5之间，可以绕第二谐波减速机6的输出轴转动。
[0020] 脚部支撑1采用一种平动机构，本质是一种双平行四边形结构，包括第二平行连杆2、三角构件4、小腿部件5、脚部支撑1组成的平行四边形机构以及第一平行连杆3、三角构件
4、大腿部件8、机械及电气箱体12组成的平行四边形机构。这种几何结构的设置可以使患者在腿部抬高，膝关节进行屈伸时，脚掌相对于地面保持一个固定的角度。更符合正常人体腿部运动的方式，减小对患处肌肉的过度拉伸。并且使脚部支撑1上设置的力传感器采集的信号相对平稳。
[0021] 编码器16分别安装于第二谐波减速机6的输入轴及小腿部件5与脚部支撑1铰接关节处，产生关节角度变化信号。
[0022] 脚部支撑1放于伺服滑台17上，可以单独由滑块带动前后运动进行腿部的屈伸。力传感器安装在脚部支撑1与患者脚部接触一侧的几个位置。
[0023] 如图3所示，在大腿套筒14及小腿套筒15内安装气囊22并与气压传感器23相连。气囊扁平，贴于套筒内侧。康复动作时挤压气囊产生压力变化，并被气压传感器检测到。
[0024] 控制策略：整个康复机器人包括三个伺服电机，其中大腿关节伺服电机与小腿关节伺服电机需要联动控制。本设计采用运动控制器或ARM芯片控制伺服电机产生动作，进行轨迹插补及路径规划。根据数据采集卡采集到的传感器信号及编码器脉冲信号，调节每个轨迹区间伺服电机的速度，保持康复过程中对于患者肢体的作用力的恒定。采用以太网进行数据通讯。使用数显及调节元件显示电机速度，动作次数，压力等参数，并使用按键进行速度或力矩的实时调节。同时采用伺服电机的软限位及接近传感器或角度传感器的硬限位来保证康复动作的安全。本康复机器人采用主动及被动模式，用于膝关节病患的中前期治疗。
