CN102309393A - 外骨骼式上肢康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种外骨骼式上肢康复机器人。它包括五自由度或三自由度机械臂，辅助机构、及控制***。五自由度机械臂由横臂、大臂、小臂依次串联，构成了肩关节的外展/内收自由度，肩关节的屈/伸自由度，肘关节屈/伸自由度；大臂与小臂分别被弧形滑轨截断，分别构成肩关节内旋/外旋，腕关节内旋/外旋自由度；三自由度机械臂包含肩关节三个自由度。辅助机构包含移动底座，伺服立柱，及马鞍形座椅。机械臂和座椅相对移动底座的高度分别由两根立柱调整。通过机械限位与电子限位的配合使用，保障患者康复安全。放置于患者座椅前的显示装置可模拟不同场景下的训练状态，训练状态作为输入信号操控虚拟训练游戏，从而提高患者的康复效果。

Description

外骨骼式上肢康复机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种上肢康复机器人。
背景技术
脑卒中患者偏瘫后，身体部分运动功能丧失。临床试验证明，偏瘫后尽早进行康复训练可促进大脑皮层运动功能神经细胞的可塑性发展，促进患病部位神经组织的重组与代偿，提高相关神经***的兴奋性与对外界刺激的快速性，从而有利于恢复丧失运动功能的部位，并具有保持关节的活动度、防止患者肌肉萎缩的作用，最大限度的提高患者运动功能的恢复程度。
传统的上肢康复训练方法是医生对患者一对一进行的康复训练。这种训练方式存在诸多问题。第一，康复效率低下：医患之间一对一的训练方式以及医生体力的限制使一位医生每天只能接待为数不多的病人；第二，无法保证训练效果：由于医师自身的原因，训练的力度和强度的一致性无法得到充分的保证，训练的效果取决于医师的水平和经验，医生忙于康复训练，分身乏术，缺少足够的精力治疗效果进行改进；最后，康复过程枯燥乏味，患者被动接受训练，不利于增强患者参与治疗的主动性。
使用康复机器人对患者进行康复训练，可解决传统康复训练中存在的诸多问题。首先，机器人可以全天工作，满足康复训练过程中对训练强度的要求；其次，治疗的数据方便采集、分析与整理，方便医师对康复效果进行量化评价，对康复过程进行改进和创新；再进一步而言，康复技术与多媒体技术的融合将为患者提供更加丰富的训练内容，模拟更真实的训练环境，使患者更加积极的参与治疗，从而提高治疗效果。
现有的上肢康复机器人，人机交互方式单一，并没有将对日常生活常用动作与虚拟现实技术进行有效的融合，不利于最大限度地调动患者的康复积极性。另外，相对人体肩关节三个自由度数量而言，现有上肢康复机器人只有两个自由度，限制了训练的范围，如中国专利CN101357097A中所述的五自由度外骨骼式上肢康复机器人，其肩关节自由度数小于人体肩关节的自由度数目，故康复功能比较局限。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够帮助脑卒中患者进行上肢康复训练的外骨骼式上肢康复机器人。
本发明的外骨骼式上肢康复机器人包括外骨骼式康复机械臂、辅助机构及控制***。
机械臂采用模块化结构，康复医师可根据患者的病情和不同训练阶段的要求快速将机械臂装配为五自由度机械臂或三自由度机械臂。
五自由度机械臂由横臂、大臂和小臂组成。伺服立柱、横臂、大臂、小臂依次串联，构成了肩关节的外展/内收自由度，肩关节的屈/伸自由度，肘关节屈/伸自由度。大臂与小臂分别被弧形滚珠滑轨截断，其旋转中心线分别穿过患者的肩关节运动中心点和肘关节运动中心点，并分别构成肩关节内旋/外旋，腕关节内旋/外旋自由度。
横臂安装于位于伺服立柱上的涡轮蜗杆减速电机减速器输出轴上，此电机控制肩关节的外展/内收自由度。此运动自由度与涡轮蜗杆减速器输出轴同轴，并且，轴线穿过康复对象肩关节旋转中心。位于涡轮蜗杆减速器上方并安装于横臂上的行星轮减速器伺服电机通过同步齿形带驱动位于横臂另一端的肩关节屈伸自由度连接轴，构成肩关节的屈/伸自由度。上述连接轴的另一端与大臂相连，大臂为铝镁合金套筒式结构，套筒上有标尺，记录大臂针对不同患者的调节长度。套筒一端与弧形导轨滑块固定，由此构成的封闭空间中安装有一个伺服电机，此伺服电机行星轮减速器输出轴通过齿轮机构驱动弧形导轨运动，构成肩关节内旋/外旋自由度。弧形导轨下方通过肘关节伺服电机与小臂相连，小臂上有类似于大臂的弧形导轨与齿轮机构，构成腕关节的内旋/外旋自由度。
当采用五自由度机械臂进行康复时，患者的肩关节具有三个自由度，肘关节有一个自由度，腕关节有一个自由度。这种自由度安排的主要依据是：临床试验证明，患者的瘫软期主要以单关节肌力训练为主，痉挛期主要以单关节分离运动为主，恢复期主要以肩、肘关节复合运动为主，其中，肩关节是最复杂并且是最容易引起并发症的部位。故本外骨骼式康复机械臂将肩关节设计成具有肩部外展/内收、肩部屈/伸、肩部内旋/外旋三个自由度，这三个自由度的旋转中心线相交于一点，并重合于患者肩关节的旋转中心。这种设计方式完全模拟人体肩关节的所有自由度，可带动患者完成健康人完成的所有肩关节动作。机械臂肘关节具有肘部屈/伸自由度。机械臂腕关节只具有一个内旋/外旋自由度，而无腕关节的其余两个自由度。这种设计方式一方面可以完成大多数肩、肘、腕三关节复合运动；另一方面也避免由于设计腕关节其余两个自由度导致的小臂过长，转动惯量过大，造成的安全问题。
三自由度机械臂在结构上是五自由度机械臂的子集，仅包含肩关节的三个自由度，这种结构主要面向瘫软期和痉挛期对肩关节的康复训练。肩关节是临床上较常见的发病部位，肩关节的康复对整个上肢康复过程具有重要的意义，康复训练时将肘关节和腕关节去掉，可最大限度的避免机械臂与人体干涉所造成的安全问题。
机械臂关节上均装有机械限位机构和霍尔开关电子限位***，限位***保证机械臂的运动范围不超过所对应的人体关节的极限运动范围。由于人体手臂自身的工作空间与躯干和头部干涉，故在主动康复训练过程中或***开环失效等情况下，康复机械臂有理由与患者躯干与头部碰撞并发生事故。伺服***通过位于机械臂末端的加速度传感器检测伺服电机开环失控事故，并及时关闭电机电源。在主动康复训练过程中，设定患者皮肤外5厘米之内为限速区域，一旦机械臂与此区域干涉，伺服控制***限定干涉点处运动速度，从而保证在主动康复训练过程中的安全性。
辅助机构包含升降机构与移动底座。升降机构包含两根伺服立柱和一个马鞍形座椅。伺服立柱提供患者和康复机械臂竖直方向运动的自由度。
伺服立柱可根据控制***的指令调节高度。伺服立柱共有两根，一根连接底座与机械臂，用于调节机械臂的高度，以适应患者不同的躯干高度；另一根连接底座与马鞍形座椅，用于调节患者的站立或蹲坐等不同的康复姿态。端坐状态为患者提供较为舒适的康复姿势，站立状态避免了端坐状态下腿部与小臂运动轨迹发生干涉的情况发生。
移动底座下方安装有四个带有自锁机构的万向轮，底座四周放置有超声波测距传感器，在***复位过程中，一旦有人进入危险区域，复位过程自动停止。
控制***由综合训练计算机，伺服控制计算机组成。伺服控制计算机与电机驱动器，力传感器，加速度传感器相连，运行逆运动学解算、机械臂轨迹生成、阻抗控制等任务。综合训练计算机运行虚拟现实程序，模拟患者在真实场景下的肢体运动状态。综合训练计算机根据伺服控制计算机采集的机械臂与患者的运动状态，构成训练游戏的输入信息，完成虚拟训练游戏，提高患者康复的积极性。综合训练计算机的另一个重要做用是对患者的所有训练信息进行记录，并根据每次记录并分析得到的康复训练评价结果指导医师进行下一阶段康复训练方法与目标的制定。
该机器人为患者提供单关节与多关节混合运动，实现了对患者在三维空间内的主动康复与被动康复训练。通过虚拟现实技术，模拟了患者在康复过程中的典型动作，如提裤、穿衣、进食等，促进大脑皮质相关运动功能的塑性发展，促使病灶周围细胞的重组与代偿，实现丧失功能的恢复。该机器人减轻了医师的工作负担，通过准确全面的数据记录，客观地评价了康复训练水平，提高了训练的准确性与科学性，并使训练过程中医生的对康复手段的创新更加有据可循。在满足训练功能的同时，该机器人通过机械限位，电子限位，开环监控等安全防护手段，保障了患者在康复训练过程中的安全。
附图说明
图1是传统临床康复方法示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是五自由度机械臂结构图；
图4是三自由度机械臂结构图；
图5是横臂结构图；
图6是大臂与小臂结构图；
图7是肘关节伺服驱动模块***图；
图8是机器人控制***框图。
图中1机械臂，2辅助机构，3控制***，11横臂，12大臂，13小臂，14机械臂底座，21伺服立柱A，22柱伺服立B，23马鞍形座椅，24移动底座，25万向轮，31显示装置，32综合训练***，33伺服控制***，111涡轮蜗杆减速电机，112行星轮减速电机A，113同步齿形带，121行星轮减速电机B，122内套筒，123外套筒，124长度标尺，125大臂弧形滑轨，126大臂托架，127自由度变换支架，128肘关节伺服驱动模块，131行星轮减速电机C，132小臂弧形导轨，133小臂托架，281谐波减速伺服电机，282限位机构。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图2为本发明的结构示意图。包括机械臂(1)，辅助机构(2)，控制***(3)。辅助机构包含升降机构与移动底座(24)，四个具有自锁功能的万向轮(25)均匀分布在移动底座的四周。升降机构包含伺服立柱A(21)，伺服立柱B(22)，和马鞍形座椅(23)。马鞍形座椅固接在伺服立柱B上，座椅的高度可以通过控制***的指令调节，使患者可在不同起坐状态下进行康复训练。机械臂安装在伺服立柱A上。两伺服立柱均安装在移动底座上，此结构使患者与机械臂相对于移动底座的距离，机械臂与患者的相对距离通过控制***可调整，方便不同身高的人进行康复训练。控制***包含伺服控制***与综合训练***，综合训练***可根据患者的训练状态通过位于患者前方的显示装置(31)模拟训练场景，增强训练的真实感，提高训练效果。
本发明的机械臂可根据患者的不同康复需求装配为五自由度机械臂或三自由度机械臂。
图3为本发明机械臂为五自由度机械臂时的结构图。五自由度机械臂包括横臂(11)、大臂(12)、小臂(13)、机械臂底座(14)。机械臂底座、横臂、大臂、小臂依次串联，构成了肩关节的外展/内收自由度，肩关节的屈/伸自由度，肘关节屈/伸自由度。图4为本发明机械臂为三自由度机械臂时的结构图，它只包含横臂与大臂，结构上是五自由度机械臂的子集。
图5为本发明横臂结构示意图，涡轮蜗杆减速电机A(111)安装于机械臂底座上，减速器输出轴延长线穿过患者肩关节并构成肩关节外展/内收自由度，减速器输出轴安装于横臂根部。在涡轮蜗杆减速电机A上方的横臂上，安装有行星轮减速电机B(112)，并通过同步齿形带(113)将动力传递到横臂的另一端，构成肩关节关节屈/伸自由度。这种电机的布置方式有利于减小机械臂的惯量，同时提高可控性与安全性。图6为大臂与小臂结构示意图，大臂与小臂由肘关节伺服驱动模块(128)相连。大臂由内套筒(122)与外套筒(123)构成，内套筒***外套筒中并通过管螺纹结构相互夹紧。内套筒外侧有长度标尺(124)用于观测大臂臂长。镶嵌于内套筒中的行星轮减速电机B(121)通过齿轮机构驱动滑块在大臂弧形滑轨(125)上运动，其运动中心线构成肩关节内旋/外旋自由度。肩关节内旋/外旋自由度、肩关节外展/内收自由度、肩关节关节屈/伸自由度旋转轴延长线正交并且相交于一点，此点与患者肩关节旋转中心重合。大臂与肘关节伺服驱动模块通过自由度变换支架(127)相连，该支架内部有控制及驱动线缆插槽。当松开两根固定螺栓后，去掉肘关节伺服驱动模块，则构成三自由度机械臂。当机械臂为五自由度时，肘关节伺服驱动模块旋转轴延长线穿过患者肘关节。行星轮减速电机C(131)驱动滑块在小臂弧形导轨(132)上运动，构成腕关节内旋/外旋自由度。大臂托架(126)与小臂托架(133)安装于导轨侧面，用于支撑患者的大臂与小臂。图7为本发明肘关节伺服驱动模块***图，由谐波减速伺服电机(281)驱动机械臂肘关节转动，其旋转轴中心线穿过患者的肘关节。限位机构(282)安装于肘关节处的机械限位机构，其限定的极限转动角度可由康复医师进行调节。
机器人控制***由综合训练***(32)和伺服控制***(33)组成。伺服控制***中的传感器包含光电编码器、力传感器、加速度传感器等。光电编码器、伺服控制计算机、功率放大器、伺服电机构成典型的位置闭环***。力传感器连接减速器与执行机构，采集的信号可放置于位置环外，构成阻力控制与助力控制***。在大臂和小臂的末端放置有加速度传感器，它用于监测机械臂末端运行状况，防止光电编码器失效时***开环导致的伤人情况发生。图像采集摄像机A与B放置于患者对面，用于重构患者身体的三维模型，防止机械臂与患者肢体发生碰撞，当机械臂边缘与患者表皮距离小于五厘米时，伺服控制***自动执行限速程序。
综合训练***中运行虚拟现实程序，模拟患者在进餐状态下如起坐、进餐、穿衣、喝水等日常生活常用动作。增强训练的真实感，提高训练效果。综合训练计算机根据伺服控制计算机采集的机械臂与患者的运动状态，构成训练游戏的输入信息，完成虚拟训练游戏，并对所有训练信息进行记录，根据每次记录分析得到的康复训练结果指导医师进行下一阶段康复训练方法与目标的制定。

Claims (8)

1.一种外骨骼式上肢康复机器人，包括机械臂、辅助机构、及控制***，其特征在于：所述机械臂采用模块化结构，可快速转换为五自由度或三自由度机械臂；
所述五自由度机械臂，由横臂、大臂和小臂组成；横臂、大臂、小臂依次串联，构成了肩关节的外展/内收自由度，肩关节的屈/伸自由度，肘关节屈/伸自由度；大臂与小臂分别被弧形滚珠滑轨截断，分别构成肩关节内旋/外旋，腕关节内旋/外旋自由度；
所述三自由度机械臂是五自由度机械臂结构上的子集，仅包含肩关节三个自由度；
所述辅助机构包含升降机构与移动底座；
所述控制***包含伺服控制***与综合训练***。
2.根据权利要求书1所述上肢康复机器人，其特征在于：所述肩关节包含三个自由度，其旋转轴线正交于一点并与人体肩关节运动中心点重合。
3.根据权利要求书1所述上肢康复机器人，其特征在于：所述机械臂的肩关节和肘关节间设有臂长调节机构，臂长调节机构上臂有长刻度标尺。
4.根据权利要求书1所述上肢康复机器人，其特征在于：所述升降机构包含两根伺服立柱和一个马鞍形座椅，马鞍形座椅、机械臂与移动底座的距离可通过两根伺服立柱分别调节。
5.根据权利要求书1所述上肢康复机器人，其特征在于：所述各关节中均设有限位***，限制机械臂的运动范围在相应人体关节的最大转动角度和极限转动角度之间。
6.根据权利要求书1所述上肢康复机器人，其特征在于：所述机械臂末端有加速度传感器，保证机械臂在失控状态下可自动关闭电机电源。
7.根据权利要求书1所述上肢康复机器人，其特征在于：所述伺服控制***中包含电子限位功能，设定肢体表面5厘米内为安全干涉区域，当机械臂与此区域干涉时，***自动对电机执行限速程序。
8.根据权利要求书1所述上肢康复机器人，其特征在于：所述综合训练***可根据患者的训练状态模拟训练场景，增强训练的真实感，提高训练效果，患者与机械臂的运动信息作为输入信号操控虚拟训练游戏，从而提高患者的康复效果。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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