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CN112957691A - 融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台 - Google Patents

融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台 Download PDF

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Abstract

一种融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，属于康复训练机器人技术领域。本发明针对现有康复装备结构复杂，并且运动形式单一的问题。包括两个运动单元，两个运动单元呈镜像对称设置；三个直线副在L型基座竖直段的内表面上沿竖直方向水平等间隔设置，每个直线副上设置两个滑块，滑块通过电机驱动；每个滑块通过一号球铰对应连接一个连杆的一端；动平台的驱动连接段的两侧侧面分别由上至下设置三个连接点，每个连接点通过二号球铰对应连接一个连杆的另一端；动平台的水平段作为脚部支撑面；滑块在电机的驱动下沿直线副移动，通过连杆带动动平台实现六自由度的运动。本发明可带动人体实现对多种多样运动的模拟。

Description

融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台
技术领域
本发明涉及融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，属于康复训练机器人技术领域。
背景技术
联合国提供的统计数据显示，预计到2050年，全球范围内60岁以上的人口将增加两倍左右，从当前的11％上升到22％。其绝对数值将从2009年的7.43亿增至2050年的20亿。当前世界范围内很多国家已逐渐步入老年型社会。随着老年人口的增长，头晕、眩晕及平衡障碍等的发病率随之增加。平衡障碍问题已经引起社会各界人士的广泛关注，成为医学界亟待解决的问题。
平衡障碍的成因是复杂多面的,例如运动不当造成肌肉拉伤与神经损伤，交通意外导致肢体损伤，脑中风等急性病导致神经与肌体不协调，以及关节炎等累积性疾病导致肌体运动障碍等，都会给人们的日常工作和生活带来诸多不便和麻烦。
目前，残疾人康复机构的数量很难满足众多患者的基本康复服务需求。而随着老龄化社会的加速到来，脑血管病患者群体有继续扩大的趋势。肢体残疾的庞大基数以及老龄化趋势，使康复设备供给和康复临床训练的需求存在巨大缺口。一方面，医院康复医学科数量不足，康复科室供给和康复装备供给不足；另一方面，肢体残疾患者接受康复服务供给不足，服务供给和残疾者需求存在巨大缺口。
而目前的康复装备由于结构复杂，使用专业性强，通常需要在专业人士指导下才能达到训练效果，患者无法自行使用设备进行康复训练，因此无法满足大部分患者的康复训练需求。另外，现有康复装备运动形式单一，只能完成一种感觉的运动模拟。
发明内容
针对现有康复装备结构复杂，并且运动形式单一的问题，本发明提供一种融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台。
本发明的一种融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，包括两个运动单元，两个运动单元呈镜像对称设置；
每个运动单元包括L型基座1、三个直线副2、六个连杆3、一号球铰4、二号球铰5和动平台6，
三个直线副2在L型基座1竖直段的内表面上沿竖直方向水平等间隔设置，每个直线副2上设置两个滑块，滑块通过电机驱动；每个滑块通过一号球铰4对应连接一个连杆3的一端；
动平台6呈与L型基座1方向相对应的L型，动平台6的竖直段包括驱动连接段，驱动连接段的两侧侧面分别由上至下设置三个连接点，两侧的连接点沿竖直中心线呈镜像对称，每个连接点通过二号球铰5对应连接一个连杆3的另一端；
动平台6的水平段作为脚部支撑面，所述动平台6的水平段在L型基座1水平段的上方，并有间隙；两个运动单元的动平台6水平段相对应作为双脚的支撑面；
所述滑块在电机的驱动下沿直线副2移动，通过连杆3带动动平台6实现六自由度的运动。
根据本发明的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，所述驱动连接段单侧面的三个连接点依次连线构成钝角三角形，并且由上至下中间的连接点对应钝角，同时下方连接点处于上方连接点的外侧。
根据本发明的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，并联运动平台在初始状态下，所述驱动连接段的重心与处于中间位置的直线副2的高度相同，此时所述上方连接点的高度处于最上方直线副2与中间直线副2之间。
根据本发明的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，在并联运动平台在初始状态下，中间连接点和下方连接点的高度处于中间直线副2与最下方直线副2之间。
根据本发明的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，还包括肌电脑电采集系统，用于采集患者肌电和脑电信号。
本发明的有益效果：本发明通过滑块运动的带动，动平台可实现前庭觉模拟和深感觉模拟，既可以各自独立实现，又可以融合实现，从而可实现人体对多种多样的运动平衡状态的感知，是医疗领域平衡障碍康复训练机器人的一大进步。
平衡障碍患者康复机器人需要模拟平衡调节过程的体感输入，引导大脑整合，形成平衡调节运动类型和运动指令，控制人体的运动单元完成平衡调节，从而完成平衡障碍的主动康复训练。本发明提供的运动平台，利用并联机器人的大负载高刚度特征，模拟人体的前庭觉输入和运动体感的仿真输入。由两套并联机器人即两个运动单元构成，L型基座实现了整体结构的支撑和直线副的安装，考虑到平衡障碍患者的使用需求，通过直线副的并行布置形式，可在保证稳定性的基础上降低动平台的高度。直线副作为主动副，可完成水平方向的一维滑动，其驱动力与运动通过连杆与连接球铰传递到末端动平台，使动平台的运动具有六自由度。人脚踩在动平台上，每个动平台作为人一只脚的支撑点，两个动平台完成对患者的支撑，患者可在悬吊装置等辅助装置的帮助下实现站立。本发明由两个动平台相互配合，主动带动人体运动，可帮助患者实现对多种多样运动的模拟。
本发明作为医疗行业康复训练机器人领域一种新构型的运动模拟平台，采用6-ssp并联机器人构型，可不断模拟人体失稳等运动过程，使平衡障碍患者产生前庭觉与深感觉感受，反复刺激受损部位神经，建立新的正常的神经通路，辅助平衡障碍患者完成康复训练。
附图说明
图1是本发明所述融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台的结构示意图；
图2是每个运动单元中三个直线副与动平台的对应关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，包括两个运动单元，两个运动单元呈镜像对称设置；
每个运动单元包括L型基座1、三个直线副2、六个连杆3、一号球铰4、二号球铰5和动平台6，
三个直线副2在L型基座1竖直段的内表面上沿竖直方向水平等间隔设置，每个直线副2上设置两个滑块，滑块通过电机驱动；每个滑块通过一号球铰4对应连接一个连杆3的一端；
动平台6呈与L型基座1方向相对应的L型，动平台6的竖直段包括驱动连接段，驱动连接段的两侧侧面分别由上至下设置三个连接点，两侧的连接点沿竖直中心线呈镜像对称，每个连接点通过二号球铰5对应连接一个连杆3的另一端；
动平台6的水平段作为脚部支撑面，所述动平台6的水平段在L型基座1水平段的上方，并有间隙；两个运动单元的动平台6水平段相对应作为双脚的支撑面；
所述滑块在电机的驱动下沿直线副2移动，通过连杆3带动动平台6实现六自由度的运动。
所述驱动连接段的外轮廓可类似为等腰梯形，等腰梯形的上边为短边，短边的两端点作为两个连接点；再使等腰梯形长边的两个端点处形成导角，每个导角对应的两个端点作为两个连接点，从而得到六个连接点。
所述L型基座1作为静平台，作为整体结构的支撑和直线副的安置。
本实施方式中共包括六个直线副2，每个运动单元中的三个直线副2布置在同一竖直面内，两个运动单元中的六个直线副2两两一组共分为三组，每一组处于同一高度，三组之间相互平行，通过这种方式可使连接的动平台高度降低，从而满足平衡障碍患者的需求，同时实现动平台的快速性。
直线副作为驱动副，直线副上的运动与驱动力，可通过球铰与连杆传递到末端的动平台。当动平台水平一维运动时，可以视为直驱，因此传动效率高。动力源可选择伺服电机，充分利用伺服电机高转速的特性，使本发明装置具有高速性能。
作为示例，结合图2所示，所述驱动连接段单侧面的三个连接点依次连线构成钝角三角形，并且由上至下中间的连接点对应钝角，同时下方连接点处于上方连接点的外侧。
所述三个连接点的位置选择，可经过优化确定；优化的目标是使直线副上驱动力最小，便于电机的选型设计，并确保平台运动稳定。
对驱动连接段单侧面的三个连接点进行补充说明：如图1所示，单侧面的三个连接点是指位于驱动连接段同一侧面的连接点，例如图1中显示的驱动连接段侧面的三个二号球铰5对应的点。驱动连接段镜像的另一侧对应另外三个连接点。
进一步，结合图2所示，并联运动平台在初始状态下，所述驱动连接段的重心与处于中间位置的直线副2的高度相同，此时所述上方连接点的高度处于最上方直线副2与中间直线副2之间。
再进一步，结合图2所示，在并联运动平台在初始状态下，中间连接点和下方连接点的高度处于中间直线副2与最下方直线副2之间。
作为示例，所述动平台6在电机的驱动下可实现的运动形式具体包括：沿直线副2方向的水平运动、沿直线副2方向向其两端的倾斜运动以及沿垂直于直线副2方向的倾斜运动。
人体前庭器官通过感受人体头部的角度、加速度的变化量，向人体中枢系统输入人体平衡状态特征，触发前庭觉。本发明装置，可驱动机器人末端的人体运动，使头部产生一个特定的加速度变化，让人感受一种运动的平衡状态变化，模拟前庭觉。
再进一步，还包括肌电脑电采集系统，用于采集患者肌电和脑电信号。
人体分布有多种本体感受器，感知人体肢体的空间位置、运动、力量、以及肢体移动方向、速度等信息，并将信息传回中枢系统，刺激神经控制功能，进而激活相应的运动单位参与运动。本发明装置中配合人体肌电，脑电采集系统，采集平路/台阶/山路/沙滩/雪地行走等典型康复环境运动的生物/运动信息，描述本体感受器的深感觉，再驱动机器人末端的人体运动，让机器人主动带动人体运动，即可模拟深感觉。本发明装置可实现人体前庭觉与深感觉的体感仿真，精准模拟运动环境施加给运动对象的前庭觉和深感觉，为实现平衡障碍康复训练提供了方法和工具。
前庭觉与深感觉是人在进行不同运动时大脑对运动的感觉，人体在进行加减速或者旋转运动时大脑中的前庭器官会产生前庭觉，登山攀岩时，人体的本体感觉器官会产生深感觉。对于丧失运动能力的平衡障碍患者，本发明所述并联运动平台可带着患者运动，引导患者产生前庭觉与深感觉，对于患者中枢神经的恢复或者实现运动的肌肉的强化都是有帮助的。
由于本发明装置中动平台运动的行程与工作空间有限，实际运动(例如，病人的行走，病人的跌倒过程等)往往进行的都是单方向的持续运动。为使本发明运动平台能够逼真的复现实际运动，可通过模拟器的控制算法-洗出算法进行计算，获得电机的控制指令，来实现动平台相应运动的模拟，实现前庭仿真与深感觉仿真的解耦与独立运动。人体的运动感知系统存在着缺陷，当线加速度和旋转角速度小于人体感知阈值的时候，人便感受不到相应的刺激，洗出算法中根据人体感知系统的缺陷，在人体未察觉的情况下可将平台洗出控制至初始位置。
洗出算法的主要的功能是将平台要实现的运动折算到六个直线副(滑块)上面，其中涉及到并联机器人运动学反解，滤波器设计，多个滤波算法与滤波通道等问题。前庭仿真与深感觉仿真的解耦与独立通过本发明所述并联运动平台的结构实现，平台的结构镜像对称布置，两个动平台6用于支撑使用者双脚，借助动平台6进行加减速或者旋转运动以实现前庭觉，借助动平台6进行攀岩爬山等运动实现深感觉。
本发明装置可以配合信号采集装置，采集加速度、步态、足底压力、脑/肌电等信息为前庭觉/深感觉表征参数，引导机器人模拟运动环境对运动对象施加前庭觉/深感觉输入，同时利用人体无法分辨加速度变化产生原因、存在感觉阈值等特点，设计高阶滤波器，将机器人的体感仿真运动距离洗出，回到原始位置，实现机器人在有限工作空间，无限仿真运动环境施加的深感觉和前庭觉，解决平衡调节运动需要的体感输入。
下面对人体前庭觉和深感觉系统进行说明：
前庭是人体感受平衡状态变化的重要器官，通过感受人体头部的角度、加速度的变化量，向人体中枢系统输入人体平衡状态特征，触发前庭觉。人体分布有多种本体感受器，感知人体肢体的空间位置、运动、力量、以及肢体移动方向、速度等信息，并将信息传回中枢系统，刺激神经控制功能，进而激活相应的运动单位参与运动。
维持人体平衡机制：
维持人体平衡的机制包括感觉输入，中枢整合和运动控制。
感觉输入：维持人体平衡的三大系统有前庭系统，视觉系统和本体感觉系统。其维持身体在静态和动态的空间定向，是身体在空间保持适宜的位置。前庭系统感知加速度信息，视觉系统感知环境方向信息，本体感觉系统感知触压觉和本体感觉。
中枢整合：当体位姿势变化时，中枢神经系统将三种感觉信息整合，迅速判断，选择准确的定位信息。
运动控制：中枢神经系统整合分析多种感觉信息后下达运动指令，运动系统以不同的协同模式控制姿势变化，将身体质心调整到原来的范围内或者重新建立新的平衡。
平衡障碍患者康复训练原理：
平衡障碍患者，其失稳的原因可能有视觉系统，中枢神经系统，或者足底深感觉系统存在异常。对于中枢受损这种状况，在一定的条件下，神经细胞的轴突末端可以形成新的突起，产生新的突触，如果反复刺激中枢，就会建立起新的接近正常的神经通路，改善平衡障碍状况。患者在不同环境下、有针对性地重复不同形式的行走训练，可以不断向大脑中枢输入正常平衡感知信号，促进大脑可塑性康复，提高下肢/骨盆等核心区肌力和肌肉控制能力，改善不同类型的平衡障碍。本发明正是在这种康复需求下产生的，本发明可有效对多种平衡障碍进行训练康复。
本发明的两个运动单元共同配合，协同工作，既可以用于康复训练前期，配合穿戴式脑电/肌电信号采集装置，采集平衡障碍患者常见跌倒行为的过程信息，提取跌倒运动的空间、时间参数，分析跌倒轨迹的特征，建立跌倒运动特征模型；也为后期平衡障碍患者康复机器人产品化研发提供平台支持，可在核心部件上进一步集成研发，最终得到集评估、检测、训练等一体的平衡障碍患者康复机器人系统。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (5)

1.一种融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，其特征在于包括两个运动单元，两个运动单元呈镜像对称设置；
每个运动单元包括L型基座(1)、三个直线副(2)、六个连杆(3)、一号球铰(4)、二号球铰(5)和动平台(6)，
三个直线副(2)在L型基座(1)竖直段的内表面上沿竖直方向水平等间隔设置，每个直线副(2)上设置两个滑块，滑块通过电机驱动；每个滑块通过一号球铰(4)对应连接一个连杆(3)的一端；
动平台(6)呈与L型基座(1)方向相对应的L型，动平台(6)的竖直段包括驱动连接段，驱动连接段的两侧侧面分别由上至下设置三个连接点，两侧的连接点沿竖直中心线呈镜像对称，每个连接点通过二号球铰(5)对应连接一个连杆(3)的另一端；
动平台(6)的水平段作为脚部支撑面，所述动平台(6)的水平段在L型基座(1)水平段的上方，并有间隙；两个运动单元的动平台(6)水平段相对应作为双脚的支撑面；
所述滑块在电机的驱动下沿直线副(2)移动，通过连杆(3)带动动平台(6)实现六自由度的运动。
2.根据权利要求1所述的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，其特征在于，所述驱动连接段单侧面的三个连接点依次连线构成钝角三角形，并且由上至下中间的连接点对应钝角，同时下方连接点处于上方连接点的外侧。
3.根据权利要求2所述的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，其特征在于，并联运动平台在初始状态下，所述驱动连接段的重心与处于中间位置的直线副(2)的高度相同，此时所述上方连接点的高度处于最上方直线副(2)与中间直线副(2)之间。
4.根据权利要求3所述的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，其特征在于，在并联运动平台在初始状态下，中间连接点和下方连接点的高度处于中间直线副(2)与最下方直线副(2)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的融合人体深感觉与前庭觉的体感模拟并联运动平台，其特征在于，还包括肌电脑电采集系统，用于采集患者肌电和脑电信号。
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