CN110801366A - 一种摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置与方法。其中，摇杆式康复机构包括可三维运动的摇杆；该装置包括夹具、压缩弹簧、绘图笔、绘图板、固定块与支架，夹具包括夹持部与连接部；工作状态时，夹持部夹持摇杆，绘图板的板面与摇杆平行，绘图笔的笔尖可随摇杆运动而在绘图板上画出运动轨迹；首先采用主动训练模式在绘图板上画出目标运动轨迹，然后采用被动训练模式在绘图板上画出跟踪运动轨迹；观察跟踪运动轨迹与目标运动轨迹的方位获知摇杆偏离标准轴的方向，测量跟踪运动轨迹与目标运动轨迹之间的距离偏差值获知摇杆偏离标准轴的角度大小。

Description

一种摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置及方法

技术领域

本发明属于运动器械技术领域，尤其涉及一种摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置及方法。

背景技术

轨迹误差是指机构末端执行器跟踪特定的轨迹运动，实际运动曲线与该特定的运动轨迹之间的误差。

随着社会的发展，在现有康复治疗领域中，利用康复装置代替治疗师进行辅助训练已非常普遍，并且康复装置的智能化程度已达到了新的高度。摇杆式康复装置是一种能够实现三维空间运动的康复装置，主要包括可伸缩的摇杆，以及使摇杆发生绕动的驱动单元，例如，CN102631277A专利文献公开的摇杆式上肢康复装置，以及CN106176135A专利文献公开的伸缩摇杆式肢体运动机构等，能够实现患者肢体三维运动的康复训练。

利用伸缩摇杆式康复机器人进行康复训练时，训练模式包括主动训练模式、被动训练模式和助动训练模式。主动训练模式中，患者通过把手向摇杆施加力，使摇杆沿一定轨迹运动至目标位置；被动训练模式中，首先设置目标轨迹与目标位置，康复机器人启动，使摇杆沿着目标轨迹运动至目标位置，带动患者肢体运动。

在实际应用中，针对运动能力丧失或者较弱的患者，康复治疗师一般根据患者的实际情况示教出适合患者的训练轨迹，即，康复治疗师利用主动训练模式示教，使摇杆沿一定轨迹运动至一定位置，康复机器人的控制单元采集该轨迹作为目标运动轨迹，采集该位置作为目标位置，然后在患者进行康复训练时，利用被动训练模式进行康复训练。

但是，在被动训练中实际运动轨迹与目标轨迹之间存在误差，称为被动轨迹误差，对康复训练产生影响，尤其是当误差较大时影响康复训练效果，因此需要检测该误差，进而进行修正。常用的检测方法是利用激光跟踪仪进行检测，但是激光跟踪仪价格昂贵，因此无法普遍推广。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，利用该装置能够检测摇杆式康复机构的被动轨迹误差。

本发明提供的技术方案为：一种摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，所述摇杆式康复机构包括可伸缩的摇杆，并且所述摇杆可在二维平面进行摆动，从而实现三维运动；

其特征是：所述被动误差检测装置包括夹具、压缩弹簧、绘图笔、绘图板、固定块与支架；

所述夹具包括夹持部与连接部，夹持部与连接部固定连接；

所述夹持部用于夹持摇杆；所述连接部呈一端开口的中空结构；

所述支架用于支撑绘图板；所述固定块用于固定绘图笔；

所述固定块位于连接部的中空结构中，并可沿中空结构内壁滑动；

所述压缩弹簧的一端固定连接在中空结构的底部；

工作状态时，夹持部夹持摇杆，使夹具与摇杆固定连接；绘图板板面与摇杆平行；绘图笔通过固定块固定，绘图笔的笔尖通过连接部的开口端与绘图板的板面接触并且垂直于绘图板的板面；固定块与压缩弹簧的另一端接触并且压缩所述压缩弹簧。

作为一种实现方式，所述固定块设置槽结构，所述绘图笔的尾部插入槽内可进行固定。

作为优选，所述中空结构内壁呈管状，进一步优选为圆管状。

作为优选，所述连接部的开口端设置限位块，防止压缩弹簧与固定块滑出连接部。

作为优选，所述绘图笔的笔尖具有可伸缩性。

利用本发明的装置检测康复机构的被动轨迹误差时，假设摇杆方向平行Z轴，测试XZ平面或者YZ平面的轨迹误差，测试方法如下：

(1)所述夹持部夹持摇杆，使夹具与摇杆固定连接；绘图板板面与摇杆平行，并且与X轴平行或者Y轴平行，即平行于XZ平面或者YZ平面；绘图笔通过固定块固定，绘图笔的笔尖通过连接部的开口端与绘图板的板面接触并且垂直于绘图板的板面；固定块与压缩弹簧的另一端接触并且压缩该压缩弹簧；

(2)采用主动训练模式，操作者推动摇杆，使其在XZ平面或者YZ平面摆动，示教出一条目标运动轨迹，绘图笔随之摆动，在绘图板上画出该目标运动轨迹，控制单元采集该目标运动轨迹；

(3)采用被动训练模式，摇杆跟踪该目标轨迹运动，绘图笔随之摆动，在绘图板上画出跟踪运动轨迹；

在此过程中，如果摇杆沿着顺时针方向偏离Z轴θ角度，绘图笔的笔尖上移，压缩弹簧伸长，推动固定块滑动，使绘图笔的笔尖保持与绘图板的板面接触，此时在绘图板的板面上产生的跟踪运动轨迹偏离目标运动轨迹，引起轨迹误差，几何学分析如图2所示。从图2中可看出，引起轨迹误差的是角θ的变化，需要检测的是运动过程中角θ的变化误差。根据几何学原理，θ＝θ2+θ3-90°，

根据实际情况并结合以上公式，可以看出，L1、H、L、L2是不受轨迹运动影响的固定值，并且是可测量的尺寸，因此通过得出ΔL的值就可以得出角θ的值，所以只需测量出ΔL的值就可以完成被动轨迹误差的检测。

同理，在此过程中，如果摇杆沿着逆时针方向偏离Z轴θ角度，绘图笔的笔尖下移，压缩弹簧被固定块进一步压缩，使绘图笔的笔尖保持与绘图板的板面接触，此时在绘图板的板面上产生的跟踪运动轨迹偏离目标运动轨迹，引起轨迹误差。与上述分析相同，只需测量出ΔL的值就可以完成被动轨迹误差的检测。

因此，观察跟踪运动轨迹与目标运动轨迹的方位即可获知摇杆偏离Z轴的方向，若跟踪运动轨迹在目标运动轨迹的上方，则摇杆沿逆时针方向偏离Z轴，反之则摇杆沿顺时针方向偏离Z轴；并且，测量跟踪运动轨迹与目标运动轨迹的之间的距离偏差值ΔL的值即可获知摇杆偏离Z轴的角度大小，ΔL的值越大则偏离角度越大。

与现有技术相比，本发明通过简单的结构构成摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，使用时安装方便，操作方便，并且可直观地获知摇杆式康复机构中摇杆偏离标准位置的方位与大小，是一种低成本，可视化的误差检测装置，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中轨迹误差检测装置的结构示意图。

图2是图1中夹具的切面结构示意图。

图3是本发明被动轨迹误差检测装置的检测原理图。

图4是实施例1中利用轨迹误差检测装置检测康复机构在YZ平面的被动轨迹误差的示意图。

图5是实施例1中利用轨迹误差检测装置检测康复机构在XZ平面的被动轨迹误差的示意图。

图1至5中的附图标记为：1-夹具；2-绘图笔；3-绘图板；4-支架；5-压缩弹簧；6-固定块；7-限位盖板；8-摇杆；9-目标运动轨迹；10-跟踪运动轨迹；11-跟踪运动轨迹；12-夹持部；13-连接部。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1、2所示，轨迹误差检测装置包括夹具1、压缩弹簧5、绘图笔2、绘图板3、固定块6与支架4。

支架4用于支撑绘图板3。夹具1包括夹持部12与连接部13，夹持部12与连接部13固定连接。

连接部13呈一端开口的中空结构，压缩弹簧5的一端固定连接在中空结构的底部。固定块6位于中空结构中，用于固定绘图笔2。

本实施例中，中空结构的内壁呈圆管状，固定块呈带槽的圆柱结构，可沿中空结构内壁滑动。绘图笔2的尾部可插入槽内进行固定。

本实施例中，连接部13的开口端设置限位盖板7，用于防止压缩弹簧5与固定块6滑出连接部13。

摇杆式康复机构如图4、5所示，包括可沿Z轴伸缩的摇杆8，并且该摇杆8可在二维平面XZ、YZ进行摆动，从而实现三维运动。

利用上述轨迹误差检测装置检测该摇杆式康复机构的被动轨迹误差的方法如下：

(一)测试YZ平面的轨迹误差

(1)如图4所示，夹持部12夹持摇杆，使夹具1与摇杆8固定连接；绘图板3的板面与YZ平面平行；绘图笔2通过固定块6固定，绘图笔2的笔尖通过连接部13的开口端与绘图板3的板面接触并且垂直于绘图板3的板面；固定块6与压缩弹簧5的另一端接触并且压缩该压缩弹簧5。

(2)采用主动训练模式，操作者推动摇杆8，使其在YZ平面摆动，示教出一条目标运动轨迹，绘图笔2随之摆动，在绘图板上画出该目标运动轨迹9，控制单元采集该目标运动轨迹。

(3)采用被动训练模式，摇杆8跟踪该目标轨迹运动，绘图笔2随之摆动，在绘图板3上画出跟踪运动轨迹；观察跟踪运动轨迹与目标运动轨迹9，如图4所示，若跟踪运动轨迹为曲线10所示，在目标运动轨迹9的上方，则摇杆8沿逆时针方向偏离Z轴，并且，测量曲线10与目标运动轨迹9的之间的距离偏差值ΔL的大小即可获知摇杆8偏离Z轴的角度大小信息，ΔL值越大则偏离角度越大；反之，若跟踪运动轨迹为曲线11所示，则摇杆8沿顺时针方向偏离Z轴，并且，测量曲线11与目标运动轨迹9的之间的距离偏差值ΔL的大小即可获知摇杆8偏离Z轴的角度大小信息，ΔL值越大则偏离角度越大。

(二)测试XZ平面的轨迹误差

(1)如图5所示，夹持部12夹持摇杆，使夹具1与摇杆8固定连接；绘图板3的板面与XZ平面平行；绘图笔2通过固定块6固定，绘图笔2的笔尖通过连接部13的开口端与绘图板3的板面接触并且垂直于绘图板3的板面；固定块6与压缩弹簧5的另一端接触并且压缩该压缩弹簧5。

(2)采用主动训练模式，操作者推动摇杆8，使其在XZ平面摆动，示教出一条目标运动轨迹，绘图笔2随之摆动，在绘图板上画出该目标运动轨迹9，控制单元采集该目标运动轨迹。

(3)采用被动训练模式，摇杆8跟踪该目标轨迹运动，绘图笔2随之摆动，在绘图板3上画出跟踪运动轨迹；观察跟踪运动轨迹与目标运动轨迹9，如图5所示，若跟踪运动轨迹为曲线10所示，在目标运动轨迹9的上方，则摇杆8沿逆时针方向偏离Z轴，并且，测量曲线10与目标运动轨迹9的之间的距离偏差值ΔL的大小即可获知摇杆8偏离Z轴的角度大小信息，ΔL值越大则偏离角度越大；反之，若跟踪运动轨迹为曲线11所示，则摇杆8沿顺时针方向偏离Z轴，并且，测量曲线11与目标运动轨迹9的之间的距离偏差值ΔL的大小即可获知摇杆8偏离Z轴的角度大小信息，ΔL值越大则偏离角度越大。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，所述摇杆式康复机构包括可伸缩的摇杆，并且所述摇杆可在二维平面进行摆动，从而实现三维运动；

其特征是：所述被动误差检测装置包括夹具、压缩弹簧、绘图笔、绘图板、固定块与支架；

所述夹具包括夹持部与连接部，夹持部与连接部固定连接；

所述夹持部用于夹持摇杆；所述连接部呈一端开口的中空结构；

所述支架用于支撑绘图板；所述固定块用于固定绘图笔；

所述固定块位于连接部的中空结构中，并可沿中空结构内壁滑动；

所述压缩弹簧的一端固定连接在中空结构的底部；

工作状态时，夹持部夹持摇杆，使夹具与摇杆固定连接；绘图板板面与摇杆平行；绘图笔通过固定块固定，绘图笔的笔尖通过连接部的开口端与绘图板的板面接触并且垂直于绘图板的板面；固定块与压缩弹簧的另一端接触并且压缩所述压缩弹簧。

2.如权利要求1所述摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，其特征是：所述固定块设置槽结构，所述绘图笔的尾部插入槽内可进行固定。

3.如权利要求1所述摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，其特征是：所述中空结构内壁呈管状。

4.如权利要求1所述摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，其特征是：所述中空结构内壁呈圆管状。

5.如权利要求1所述摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，其特征是：所述连接部的开口端设置限位块。

6.如权利要求1所述摇杆式康复机构的被动轨迹误差检测装置，其特征是：所述绘图笔的笔尖具有可伸缩性。

7.利用如权利要求1至6中任一权利要求所述的轨迹误差检测装置检测康复机构的被动轨迹误差的方法，其特征是：假设摇杆方向平行Z轴，测试XZ平面或者YZ平面的轨迹误差，测试方法如下：

(1)所述夹持部夹持摇杆，使夹具与摇杆固定连接；绘图板板面与XZ平面或者YZ平面平行；绘图笔通过固定块固定，绘图笔的笔尖通过连接部的开口端与绘图板的板面接触并且垂直于绘图板的板面；固定块与压缩弹簧的另一端接触并且压缩该压缩弹簧；

(2)采用主动训练模式，操作者推动摇杆，使其在XZ平面或者YZ平面摆动，示教出一条目标运动轨迹，绘图笔随之摆动，在绘图板上画出该目标运动轨迹，控制单元采集该目标运动轨迹；

(3)采用被动训练模式，摇杆跟踪该目标轨迹运动，绘图笔随之摆动，在绘图板上画出跟踪运动轨迹；

通过观察跟踪运动轨迹与目标运动轨迹的方位获知摇杆偏离Z轴的方向，通过测量跟踪运动轨迹与目标运动轨迹之间的距离偏差值获知摇杆偏离Z轴的角度。

8.如权利要求7所述的检测摇杆式康复机构的被动轨迹误差的方法，其特征是：跟踪运动轨迹在目标运动轨迹的上方，则摇杆沿逆时针方向偏离Z轴，反之则摇杆沿顺时针方向偏离Z轴。

9.如权利要求7所述的检测摇杆式康复机构的被动轨迹误差的方法，其特征是：跟踪运动轨迹与目标运动轨迹的之间的距离偏差值越大则摇杆偏离Z轴的角度越大。

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