基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统
技术领域
本发明涉及康复训练设备技术领域，尤其涉及一种基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统。
背景技术
随着年龄增长，人类存在骨骼肌退行性变化，具体表现为老人骨骼肌质量、力量、协调能力降低，严重影响老年人的日常活动能力和生活质量。医学上针对这类问题，提出离心抗阻训练(ERT)和肌肉效果训练方法，适用于半失能老人肌力增强训练。
现有的肌力增强训练机器适应性差，训练模式比较单一、体积庞大、结构不紧凑，影响使用者的积极主动性。同时，绝大多数的主动设备仅靠驱动器电流环进行交互力控制，精度较差且系统刚性高，人机交互的安全性存在隐患。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统，该绳驱动式智能肌力训练系统的精度较高，系统柔顺性能较好，人机交互的安全性较高。
为实现上述技术效果，本实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的技术方案如下：
本发明公开了一种基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统,包括：壳体；驱动组件，所述驱动组件包括驱动件和活动件，所述活动件与所述驱动件相连，所述驱动件能够驱动所述活动件沿所述壳体的长度方向运动；滑动框架，所述滑动框架设在所述壳体内部，所述滑动框架具有沿所述壳体的长度方向间隔设置的两个侧板；弹性件，所述弹性件设在所述侧板和所述活动件上之间，所述弹性件被配置为所述侧板相对活动件运动时发生形变；手柄，所述手柄位于所述壳体的外侧，所述手柄上设有连接绳，所述连接绳的一端连接在一个所述侧板上；位置测量件，所述位置测量件设在所述壳体内，所述位置测量件用于检测所述弹性件的形变量。
在一些实施例中，所述的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统,还包括：滑轨，所述滑轨设在所述壳体内壁上，且所述滑轨沿所述壳体的长度方向延伸设置；滑块，所述滑块可滑动地配合在所述滑轨上，且所述滑块连接在所述滑动框架上。
在一些实施例中，所述位置测量件包括：线性编码器，所述线性编码器连接在所述活动件上；读数磁条，所述读数磁条连接在所述滑动框架上，且对应所述线性编码器设置；其中：所述线性编码器被配置为检测所述滑动框架滑动过程中带动所述读数磁条运动的距离。
在一些可选的实施例中，所述的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统,还包括：第一固定座，所述第一固定座的两端分别与两个所述侧板相连，所述读数磁条连接在所述第一固定座上；第二固定座，所述第二固定座连接在所述活动件上，所述线性编码器设在所述第二固定座上。
在一些实施例中，所述弹性件为两个，每个所述弹性件的两端分别止抵在所述侧板和所述活动件上；所述手柄为两个，每个所述手柄的所述连接绳连接在一个所述侧板上。
在一些实施例中，所述的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统,还包括：滚轮支座，所述滚轮支座为两个，两个所述滚轮支座分别设在所述壳体的沿长度方向相对设置的两个侧壁上；内部滚轮，所述内部滚轮为两个，所述内部滚轮可转动地设在所述滚轮支座上，所述内部滚轮上设有与所述连接绳配合的凹槽。
在一些实施例中，所述的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统,还包括外部滚轮，所述外部滚轮为多个，多个所述外部滚轮设在所述壳体外侧，两个所述手柄中的至少一个所述连接绳与所述外部滚轮配合以使两个所述手柄相对设置。
在一些实施例中，所述驱动件包括电机和滚珠丝杠，所述滚珠丝杠与所述电机相连，所述活动件包括滑动块，所述滑动块配合在所述滚珠丝杠上，所述电机驱动所述滚珠丝杠转动时，所述滑动块能够沿所述滚珠丝杠的长度方向滑动。
在一些可选的实施例中，所述驱动组件还包括：驱动固定座，所述驱动固定座设在所述壳体内部，所述驱动固定座具有沿所述壳体的长度方向间隔设置的两个固定板，所述滚珠丝杠的一端可转动地连接在一个所述固定板上；联轴器，所述联轴器穿设在另一个所述固定板上，所述联轴器的两端分别与所述滚珠丝杠的另一端及所述电机相连。
在一些可选的实施例中,所述滑动框架的所述侧板上具有避让所述滚珠丝杠的缺口，所述缺口上配合在套设在所述滚珠丝杠上的自润滑套筒。
本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统，由于采用了位置测量件测量弹性件的形变量来实现对用户与系统交互力大小的测量，且驱动件根据位置测量件的结果调整活动件位置以实现用户与系统交互力大小的控制，提升了交互力控制的精度。此外，弹性件的引入提升了系统结构的柔性，提升了系统柔顺性能及人机交互的安全性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的结构示意图。
图2是本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的一种使用状态示意图。
图3是本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的另一种使用状态示意图。
图4是本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的局部结构示意图。
图5是本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的另一个局部结构示意图。
附图标记：
1、壳体；
21、驱动件；211、电机；212、滚珠丝杠；22、活动件；23、驱动固定座；231、滑轨；24、联轴器；25、护板；
3、滑动框架；31、侧板；311、缺口；32、滑块；
4、弹性件；
5、手柄；51、连接绳；
6、位置测量件；61、线性编码器；62、读数磁条；
7、第一固定座；8、第二固定座；9、滚轮支座；10、内部滚轮；
101、外部滚轮；102、自润滑套筒。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参考图1-图5描述本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的具体结构。
本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统包括壳体1、驱动组件、滑动框架3、弹性件4、手柄5和位置测量件6，驱动组件包括驱动件21和活动件22，活动件22与驱动件21相连，驱动件21能够驱动活动件22沿壳体1的长度方向运动，滑动框架3设在壳体1内部，滑动框架3具有沿壳体1的长度方向间隔设置的两个侧板31，弹性件4设在侧板31和活动件22上，弹性件4被配置为侧板31相对活动件22运动时发生形变，手柄5位于壳体1的外侧，每个手柄5上设有连接绳51，连接绳51的一端连接在一个侧板31上，位置测量件6设在壳体1内，位置测量件6用于检测弹性件4的形变量。
可以理解的是，当滑动框架3通过连接绳51与外界产生交互力时，即用户拉动手柄5，滑动框架3在连接绳51的作用下沿壳体1的长度方向平移，该平移运动使得弹性件4在驱动组件的活动件22与滑动框架3的侧板31之间压缩，压缩量可以由位置测量件6测量，通过胡克定律便可求得交互力的大小。在实际过程中，用户拉动手柄5的过程中，弹性件4的压缩量应该是逐渐增大的，此外，如果驱动组件的驱动件21驱动活动件22运动，就能够确保弹性件4的压缩量不再变化，这样根驱动组件根据弹性件4的压缩量进行活动件22的调整，就能够实现交互力的大小的调整。
具体来说，在本实施例中，将交互力控制由电机211的电流环控制转变为位置控制，位置测量件6的精度决定了交互力控制的精度，而位置测量件6的精度通常较高，因此可以大幅提升交互力控制的精度，这在力控精度要求较高的场合是非常有意义的。同时，弹性件4的引入提升了系统结构的柔性，提升了系统的安全性，允许一定的控制误差带来的输出力矩误差，减少由控制误差、震荡等引起的不安全因素。
此外，本实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统不直接控制系统与用户之间的作用力，而是建立系统所受到的外界作用力与其弹性件4的形变量的关系，通过控制位置进而达到控制力的目的，从而保证整个系统在受限空间内运动平稳，并与患者手臂间保持适当的接触力，实现训练系统的智能控制，确保使用者肌力训练的安全性。
本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统，由于采用了位置测量件6测量弹性件4的形变量来实现对用户与系统交互力大小的测量，且驱动件21根据位置测量件6的结果调整活动件22位置以实现用户与系统交互力大小的控制，提升了交互力控制的精度。此外，弹性件4的引入提升了系统结构的柔性，提升了系统柔顺性能及人机交互的安全性。
在一些实施例中，如图5所示，基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统还包括滑轨231和滑块32，滑轨231设在壳体1内壁上，且滑轨231沿壳体1的长度方向延伸设置，滑块32可滑动地配合在滑轨231上，且滑块32连接在滑动框架3上。可以理解的是，根据前文所述，滑动框架3在滑动的过程中压缩弹性件4是本实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的核心原理，如滑动框架3的运动发生歪斜，会导致整个系统的交互力检测精度较差，并且可能会提升整个系统的故障几率。而在本实施例中，通过滑轨231和滑块32的配合能够较好地限定滑动框架3的滑动方向，避免滑动框架3出现歪斜的现象，从而确保整个系统的精度及安全性能。当然，在本发明的其他实施例中，限制滑动框架3的滑动方向的结构并不限于本实施例的滑轨231配合滑块32的结构，在本发明的其他实施例中，滑动框架3上可以设置限位柱而壳体1的上可以设有与限位柱配合的限位滑槽。
在一些实施例中，如图4-图5所示，位置测量件6包括线性编码器61和读数磁条62，线性编码器61连接在活动件22上，读数磁条62连接在滑动框架3上，且对应线性编码器61设置，线性编码器61被配置为检测滑动框架3滑动过程中带动读数磁条62运动的距离。可以理解的是，在实际运动过程中，滑动框架3相对活动件22的相对位移等于弹性件4的形变量，在本实施例中采用线性编码器61和读数磁条62能够较为准确的测量滑动框架3相对活动件22的相对位移，提升了对弹性件4的形变量的检测精度，从而保证了对用户对整个系统的作用力的精准检测。
这里需要补充说明的是，在本实施例中，线性编码器61和读数磁条62均可外购获得，在此无需对线性编码器61和读数磁条62的型号以及测量精度进行限定。此外，在本发明的其他实施例中，可以采用位置传感器、弹性形变检测传感器等其他传感器对弹性件4的形变量进行检测。
在一些可选的实施例中，如图4-图5所示，基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统还包括第一固定座7和第二固定座8，第一固定座7的两端分别与两个侧板31相连，读数磁条62连接在第一固定座7上，第二固定座8连接在活动件22上，线性编码器61设在第二固定座8上。由此，能够较好地保证了读数磁条62与线性编码器61的稳定性，从而避免了线性编码器61器或者读数磁条62晃动导致的测量误差。
在一些实施例中，弹性件4为两个，每个弹性件4的两端分别止抵在侧板31和活动件22上；手柄5为两个，每个手柄5的连接绳51连接在一个侧板31上。可以理解是，手柄5为两个能够实现用户双手同时训练，或者多个用户配合训练的驯良方式，提升了基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的适用范围。
在一些实施例中，如图4所示，基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统还包括滚轮支座9和内部滚轮10，滚轮支座9为两个，两个滚轮支座9分别设在壳体1的沿长度方向相对设置的两个侧壁上，内部滚轮10为两个，内部滚轮10可转动地设在滚轮支座9上，内部滚轮10上设有与连接绳51配合的凹槽。可以理解的是，增设的内部滚轮10能够在一定程度上保证用户拉动连接绳51时连接绳51能够稳定的运动，从而带动滑动框架3运动。此外，内部滚轮10还能够避免连接绳51与壳体1的摩擦，避免了连接绳51的磨损，延长了连接绳51的使用寿命。
在一些实施例中，如图3所示，基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统还包括外部滚轮101，外部滚轮101为多个，多个外部滚轮101设在壳体1的外侧，两个手柄5中的至少一个连接绳51依次与外部滚轮101配合以使两个手柄5相对设置。可以理解的是，由于连接绳51仅能单向施力，因此一条绳索仅能满足一个方向上的肌力训练需求，增设的外部滚轮101能够改变手柄5的位置从而改变用户作用在手柄5上的作用力的相对滑动框架3的方向，从而实现了用户实现右手的弯屈肌力训练、右手的伸展肌力训练、左手的弯屈肌力训练及左手的伸展肌力训练等多个方向训练，提升了基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的适用范围。
在一些实施例中，如图4所示，驱动件21包括电机211和滚珠丝杠212，滚珠丝杠212与电机211相连，活动件22包括滑动块，滑动块配合在滚珠丝杠212上，电机211驱动滚珠丝杠212转动时，滑动块能够沿滚珠丝杠212的长度方向滑动。可以理解的是，根据前文描述，驱动件21驱动活动件22运动从而实现对弹性件4的形变量的控制，在本实施例中，采用滚珠丝杠212配合滑动块的结构实现对弹性件4形变量的控制能够提升控制精度，提升了整个系统的测量精度，从而确保整个系统能够安全运行。
在一些可选的实施例中，如图4-图5所示，驱动组件还包括驱动固定座23和联轴器24，驱动固定座23设在壳体1内部，驱动固定座23具有沿壳体1的长度方向间隔设置的两个固定板，滚珠丝杠212的一端可转动地连接在一个固定板上，联轴器24穿设在另一个固定板上，联轴器24的两端分别与滚珠丝杠212的另一端及电机211相连。可以理解的是，驱动固定座23能够对滚珠丝杠212起到支撑的作用，确保了滚珠丝杠212能够在电机211的驱动下实现转动，而联轴器24能够保证滚珠丝杠212与电机211的连接稳定性，从而确保整个系统的可靠性。
在一些可选的实施例中，驱动组件还包括两个护板25，两个护板25间隔设置，且每个护板25的两端分别与两个固定板相连。由此，能够对滚珠丝杠212及滑动块起到较好的保护作用，避免了外部异物影响滚珠丝杠212的正常转动以及滑动块的正常滑动。
当然，在本发明的其他实施例中，驱动组件还可以包括齿轮齿条结构、涡轮蜗杆等结构，并不限于本实施例的滚珠丝杠212配合滑动块的结构。
在一些可选的实施例中,滑动框架3的侧板31上具有避让滚珠丝杠212的缺口311，缺口311上配合在套设在滚珠丝杠212上的自润滑套筒102。可以理解的是，增设的自润滑套筒102能够避免滚珠丝杠212与滑动框架3的摩擦，从而避免了滚珠丝杠212损坏的现象发生
实施例：
下面参考图1-图5描述本实施例的一个具体的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的结构。
本发明实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统包括壳体1、驱动组件、滑动框架3、弹性件4、手柄5、位置测量件6、滚轮支座9、内部滚轮10和自润滑套筒102。
驱动组件包括驱动件21、活动件22、驱动固定座23、联轴器24和护板25，驱动件21包括电机211和滚珠丝杠212，驱动固定座23连接在壳体1的底壁上，驱动固定座23具有沿壳体1的长度方向间隔设置的两个固定板，滚珠丝杠212的一端可转动地连接在一个固定板上，联轴器24穿设在另一个固定板上，联轴器24的两端分别与滚珠丝杠212的另一端及电机211相连。活动件22包括滑动块，滑动块配合在滚珠丝杠212上，壳体1内壁上设有滑轨231。
滑动框架3设在壳体1的内部，滑动框架3上具有沿壳体1的长度方向间隔设置的两个侧板31和与滑轨231配合的滑块32，每个侧板31上具有避让滚珠丝杠212的缺口311，缺口311上配合在套设在滚珠丝杠212上的自润滑套筒102。弹性件4为两个，每个弹性件4的两端分别止抵在侧板31和活动件22上，手柄5为两个，两个手柄5位于壳体1的外侧，每个手柄5上均设有连接绳51，连接绳51的一端连接在一个侧板31上。
位置测量件6包括线性编码器61和读数磁条62，线性编码器61连接通过第二固定座8连接在滑动块上，读数磁条62通过第一固定座7连接在滑动框架3上，且对应线性编码器61设置，线性编码器61被配置为检测滑动框架3滑动过程中带动读数磁条62运动的距离。
滚轮支座9为两个，两个滚轮支座9分别设在壳体1的沿长度方向相对设置的两个侧壁上，内部滚轮10为两个，内部滚轮10可转动地设在滚轮支座9上，内部滚轮10上设有与连接绳51配合的凹槽。
本实施例的基于串联弹性驱动器的绳驱动式智能肌力训练系统的优点如下：
第一；系统结构的柔顺性能提升，大多数设备的驱动器和系统的力传递结构刚性直连，缺乏柔性，造成人机交互过程中的安全隐患，而本实施例的串联弹性驱动器(由驱动组件、弹性件4、滑动框架3和位置测量件6组成)本身自带柔性提升了系统的柔顺性能，从物理结构层面提升了系统人机交互的安全性；
第二；人机交互力控制的精度和柔顺性能提升，传统的肌力训练系统与使用者之间的交互力控制多依赖于驱动器电流环控制，精度较低，而本实施例的串联弹性驱动器将人机交互力的实时控制从依靠驱动器电流环控制转化为驱动器的位置控制，提高了交互力控制的精度。同时，串联弹性驱动器使得该系统可以更加容易实现柔顺控制，实现主被动结合的训练模式；
第三；系统采用了模块化设计，结构紧凑，可根据需求扩展系统串联弹性驱动器的数量，实现了单人单手、单人双手以及多人协同训练的多种训练模式，提升了用户使用满意度，拓展了整个系统的康复训练适用人群及适用环境。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
