阅读说明：本技术 太极康复训练仪 (Taiji rehabilitation training instrument ) 是由 曹建树 白星宇 张摇 邓子奇 王淼 于 2020-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种太极康复训练仪,包括肩部,肩部的两端对称的装有两个机械臂,机械臂包括大臂和小臂；小臂包括小臂伸长机构、小臂伸长滑轨、肘关节B；大臂包括大臂伸长机构、肩部连接件、大臂伸长滑轨、肘关节A、大臂旋转关节A、大臂旋转关节B和肩关节A；肩部包括肩部盖板、肩部伸长支撑、肩部伸长滑轨、肩部旋转关节、肩部旋转关节B和肩关节B。各关节处分别铰接并装有驱动电机。实现了人体肩关节与大小臂的多级运动辅助功能,利用人体工程学、通过减速电机可调节多级速度完成不同程度的康复训练。可调节性和智能化程度更高,可拆分的结构为运输提供了便利条件,工作效率高。(The invention discloses a Tai Chi rehabilitation training instrument which comprises a shoulder, wherein two mechanical arms are symmetrically arranged at two ends of the shoulder, and each mechanical arm comprises a large arm and a small arm; the small arm comprises a small arm extending mechanism, a small arm extending slide rail and an elbow joint B; the big arm comprises a big arm extending mechanism, a shoulder connecting piece, a big arm extending slide rail, an elbow joint A, a big arm rotary joint B and a shoulder joint A; the shoulder comprises a shoulder cover plate, a shoulder extension support, a shoulder extension slide rail, a shoulder rotary joint B and a shoulder joint B. Each joint is hinged and provided with a driving motor. The multi-stage motion auxiliary function of the human shoulder joint and the big and small arms is realized, and the rehabilitation training with different degrees is completed by utilizing human engineering and adjusting multi-stage speed through the speed reducing motor. The degree of adjustability and intellectuality is higher, but the structure of split provides convenient condition for the transportation, and work efficiency is high.)

太极康复训练仪

技术领域

本发明涉及一种外骨骼式康复训练机器人，尤其涉及一种太极康复训练仪，主要用于上肢康复及太极拳学习。

背景技术

随着科学技术的不断发展和医疗卫生水平的不断提高，人民生活水平大大提高，人们的预期寿命也有显著提高。但是，与之匹配的养老产品未能跟上人口老龄化的步伐。当前的优先事项是加速发展养老助老设备，以满足老年人日益增长的日常需求并改善生活质量。同时，不同年龄段的人们越来越关注身体健康，越来越多的年轻人通过瑜伽，体育馆，太极拳等方法参与锻炼。太极拳是中老年人日常锻炼身体的主要方式，同时也被广泛的应用于上肢康复训练。

太极拳的运动是柔和而缓慢的，而且运动幅度的大小﹑运动量的剧烈程度都可以根据不同的体质而有所改变，适合不同年龄﹑体质的人群，特别是上肢康复训练。但是，现在太极拳种类很多，而且出招套路繁琐，难以学习和推广，尤其是对于老年人而言接受新事物的能力越来越弱，同时对于没有专业指导的初学者来说也很困难，基础学习不够扎实，难以进行后续步骤，也不能起到很好的上肢康复作用。

目前人们学习太极拳的方式主要是通过视频教学以及面授学习，通过前种方式学习，无法掌握自身学习的不足，甚至是动作不规范时学习者也无法察觉。面授学习受时间、空间的影响较大，不具有灵活的学习时间。针对这些情况，市面上也有不少的太极辅助训练设备，但这些设备基本只有简单的机械性辅助功能，均不同时具备教学与智能反馈功能，不具备人机交互性或人机交互性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种太极康复训练仪，可以居家训练，是一种具有动作诊断反馈的智能太极拳训练系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的太极康复训练仪，包括肩部，所述肩部的两端对称的装有两个机械臂，所述机械臂包括大臂和小臂；

所述小臂包括小臂伸长机构1，所述小臂伸长机构1装于小臂伸长滑轨2上，所述小臂伸长滑轨2的后端设有肘关节B3；

所述大臂包括大臂伸长机构8和肩部连接件11，所述大臂伸长机构8装于大臂伸长滑轨6上，所述大臂伸长滑轨6的前端设有肘关节A5，所述肘关节A与肘关节B铰接并在铰轴上装有小臂驱动电机4；

所述大臂伸长机构8的后端通过大臂旋转关节A9和大臂旋转关节B10与所述肩部连接件11铰接，并在铰轴上装有大臂旋转电机12，所述肩部连接件11的后端设有肩关节A13；

所述肩部包括肩部盖板17，所述肩部盖板17的一端固定有肩部伸长支撑16、另一端装有肩部伸长滑轨18，所述肩部伸长支撑16的外端和所述肩部伸长滑轨18的外端分别通过肩部旋转关节A21和肩部旋转关节B22与肩关节B14铰接，并在铰轴上装有肩部旋转电机19；

两端的肩关节B14分别与两个大臂后端的肩关节A13铰接，并在铰轴上装有大臂驱动电机15。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的太极康复训练仪，由于，能够针对老年人的“手把手”式太极训练，使不论是日常锻炼还是对于需要进行康复训练的老年人都能够没有障碍利用太极训练来达到强身健体，恢复身体机能的作用。主要用于上肢康复及太极拳学习。

附图说明

图1为本发明实施例提供的太极康复训练仪总装配结构示意图。

图2为本发明实施例的单侧机械臂装配图。

图3为本发明实施例的肩部装配图。

图4为本发明实施例的小臂拆分图。

图5为本发明实施例的大臂拆分图。

图6为本发明实施例的肩部拆分图。

图中：

1、小臂伸长机构；2、小臂伸长滑轨；3、肘关节B；4、小臂驱动电机；5、肘关节A；6、大臂伸长滑轨；7、大臂固定机构，8、大臂伸长机构；9、大臂旋转关节A；10、大臂旋转关节B；11、肩部连接件；12、大臂旋转电机；13、肩关节A；14、肩关节B；15、大臂驱动电机；16、肩部伸长支撑；17、肩部盖板；18、肩部伸长滑轨；19，肩部旋转电机；20、XBD单级谐波传动减速器组件A型[XBD-A-32-100]；21、肩部旋转关节A；22、肩部旋转关节B。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的太极康复训练仪，其较佳的具体实施方式是：

包括肩部，所述肩部的两端对称的装有两个机械臂，所述机械臂包括大臂和小臂；

所述小臂包括小臂伸长机构1，所述小臂伸长机构1装于小臂伸长滑轨2上，所述小臂伸长滑轨2的后端设有肘关节B3；

所述大臂包括大臂伸长机构8和肩部连接件11，所述大臂伸长机构8装于大臂伸长滑轨6上，所述大臂伸长滑轨6的前端设有肘关节A5，所述肘关节A与肘关节B铰接并在铰轴上装有小臂驱动电机4；

所述大臂伸长机构8的后端通过大臂旋转关节A9和大臂旋转关节B10与所述肩部连接件11铰接，并在铰轴上装有大臂旋转电机12，所述肩部连接件11的后端设有肩关节A13；

所述肩部包括肩部盖板17，所述肩部盖板17的一端固定有肩部伸长支撑16、另一端装有肩部伸长滑轨18，所述肩部伸长支撑16的外端和所述肩部伸长滑轨18的外端分别通过肩部旋转关节A21和肩部旋转关节B22与肩关节B14铰接，并在铰轴上装有肩部旋转电机19；

两端的肩关节B14分别与两个大臂后端的肩关节A13铰接，并在铰轴上装有大臂驱动电机15。

所述电机为减速电机，由博美德JSF 57-15-30-BF-1000型直流伺服电机、AM-22PD-362-01的谐波减速器组成。

还包括嵌入式控制系统，所述嵌入式控制系统与所述小臂驱动电机、大臂旋转电机、大臂驱动电机、肩部旋转电机的控制单元有线或无线连接。

所述嵌入式控制系统集成了ADT652采集板和主控制板，其主控芯片采用的是AFC-3038T-97-18F嵌入式计算机，其数据采集模块包含压力检测模块和关节活动检测模块。

所述嵌入式控制系统对执行元件采用三种控制方法：位置控制、速度控制以及力矩控制。

本发明的太极康复训练仪，是一种新型基于太极拳的外骨骼式康复训练机器人，主要用于上肢康复及太极拳学习。能够针对老年人的“手把手”式太极训练，使不论是日常锻炼还是对于需要进行康复训练的老年人都能够没有障碍利用太极训练来达到强身健体，恢复身体机能的作用。

本发明要解决的技术问题：

1、结合太极拳建立人体上肢结构模型并进行康复需求分析；

2、太极拳法分解及其与太极拳训练器的适配问题；

3、设计满足太极康复训练，具有足够自由度的机械臂，并确定驱动结构及形式；

4、针对设计需求，完成机械臂的控制流程，及主要硬件构成；

5、对于下位机数据反馈及上位机监控机制的交互及反馈。

采用的技术方案：

针对技术问题1，本发明根据太极拳招式、人体运动学及康复医学研究理论，建立人体上肢结构模型，并转化为相应机械结构模型，确定太极拳训练器机械臂结构设计要求。

针对技术问题2，通过对太极拳招式进行拆解，将不同招式的关节信息以坐标的形式所呈现出来，再通过伺服驱动器控制太极训练器的伺服电机，使太极训练器训练过程中动作更为自然化。

针对技术问题3，本发明根据人体上肢运动分析，设计自由度为4的外骨骼仿真上肢，其中肩关节3自由度，肘关节1自由度，并且大小臂的长度均可调节。综合比较，采用功能较为齐全的外骨骼式结构，驱动形式采用目前已经较为成熟的伺服电机驱动。

针对技术问题4，本发明所设计太极康复训练仪系统结构采用分级控制，分别为训练器端的嵌入式主控计算机系统和上位机安全监控系统。嵌入式计算机系统能够收集传感器、无线模块驱动模块的数据采集和汇总。

针对技术问题5，本发明所设计太极康复训练仪在训练的同时，主控计算机内置的数据采集模块可以收集用户的训练参数及指标。通过无线模块数据上传至上位机***端，安全监控系统可直接对收到的数据和用户参数指标进行分析。可供医疗监护人员制定更合适的训练方案

本发明的有益效果：

本发明的太极康复训练仪，是太极拳的外骨骼式智能辅助训练设备。它可以通过动作诊断、智能反馈等功能时刻监测使用者的姿态，能够提供“太极拳引导训练”及“太极拳对抗训练”帮助初学者快速掌握太极拳。对用于上肢康复的使用者，针对使用者的康复程度提供“被动辅助康复训练”及“主动康复训练”，可实时监测患者的康复程度并同步给患者家人及康复中心。

本发明的太极康复训练仪，属于外骨骼式上肢康复机器人，其主要的组成部分为对称的双机械臂，该上肢康复机器人采用可外骨骼式结构，很好的解决了使用者的支撑问题。作为居家使用的太极拳训练器，使用的材料应该具有轻便的特点，同时也必须兼顾强度需求。考虑到材料成本，拟采用2014系列的铝合金，该系列铝合金含有多量铜，强度较高，被广泛应用于构造用材，其拉压强度达到350-480MPa，扭转强度取0.7倍的拉压强度约为245-336MPa。外骨骼机械臂的4个自由度均采用直流电机驱动，利用谐波减速器减速。由电机、减速器、力矩传感器、执行机构、编码器串联组成。机器人的上臂和小臂部分长度可调节，使机械臂可用于不同身高的人群。上臂伸缩机构可使臂长可达378mm，基本覆盖不同人群的使用，满足了不同人群的需求。同时为减轻整理设计重量，伸缩机构设计为手动调节，利用两颗调节螺母固定。上述结构通过紧固件安装在主平台上，通过机架梁与其余结构相连。肩部采用三个独立的电机，以实现肩部的外展/内收、伸展/屈曲、旋内/旋外三个自由度。通过3个简单的转动副即可使机械臂实现类似人体手机的灵活运动。肘关节采用一个电机构成的转动副，即可达到人体肘关节的运动指标。

训练器对于使用者的训练运动方式主要包括主动运动、被动运动和辅助运动。主动运动过程中使用者依靠自身肌肉实现上肢各个关节的运动，机器人在限制运动的过程中实现对人体上肢运动参数的测量。被动运动模式融合了各关节的单关节运动和一些多关节复合运动。辅助运动中，帮助正在恢复的患者，解决了患肢运动中的各种不方便。

太极康复训练仪目的不仅是帮助用户能够在家进行太极训练，还可以针对需要进行上肢康复性训练。上肢康复是一个缓慢的恢复过程，在肌肉恢复过程中，施加一定外力进行协助进行上肢锻炼，能起到更好的恢复效果。主控计算机内置的数据采集模块可以收集用户的训练参数及指标。通过无线模块数据上传至上位机***端。

1、系统可以在使用的过程中检测用户的肌肉收缩状态。

2、系统指导用户进行标准的太极拳训练，并指导和纠正用户的错误和不规则的动作。

3、该系统可以为用户提供多种训练模式，包括对太极拳初学者进行被动太极拳训练，对上肢康复患者进行主动康复训练等。

4、根据用户的身体指标，可以选择适合用户自己的训练方案，进行有针对性的训练，起到更好效果。

5、系统在使用过程中可以在人机界面上实时显示运动参数和用户的身体指标，康复人员可以监督和评估训练过程。以上的便利可供医疗监护人员制定更合适的训练方案。

具体实施例

如图1～6所示，是一款太极拳康复训练仪，硬件部分由对称的两个机械臂(图2)和连接两机械臂的肩部(图3)组成。

图2所示部分由图4、图5组成，图4中小臂伸长机构1与小臂伸长滑轨2相连接，小臂伸长滑轨2可***支撑盖板中并水平滑动，肘关节A5和肘关节B3固定连接，可做角度为180°的旋转运动，模拟人体肘关节的运动。图5中肘关节A5将大臂与小臂相连接起来，同时可做180°的旋转运动，肘关节A5与大臂伸长滑轨6相连接，与小臂相同，伸长滑轨插在大臂伸长机构8中可做往复运动，大臂旋转关节B10可在连接点上旋转，方便用户使用时做动作更加舒适，其与大臂旋转关节A9相连，肩部伸长支撑16上安装有XBD单级谐波传动减速器组件A型20与减速器连接法兰，同时还有大臂驱动电机15，支撑板又与肩关节B14相连，并与肩关节A13进行装配，肩关节A13和肩关节B14间可在竖直平面内做大范围的旋转运动。

如图3所示部分与图6所示部分相同，主体部分由肩部支撑板、肩部连接板和肩部滑轨组成，图中肩部盖板17、肩部伸长支撑16和肩部伸长滑轨18为主体部位，肩部伸长滑轨18如图所示的方式在肩部伸长支撑16中滑动，以改变长短，减速器连接法兰、肩部旋转电机19组成了驱动部分。肩部伸长滑轨18与减速器连接法兰直接相连，通过肩部旋转电机19带动肩部旋转关节A21、肩部旋转关节B22运动，并与肩关节A13和肩关节B14组成肩关节部分的整体结构。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。