CN109350446A - 基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人*** - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***，包括上肢训练机械臂和上位机；上肢训练机械臂，包括大臂组件、小臂组件、腕关节组件和肌电信号采集模块；其中，肌电信号采集模块配置在大臂组件和小臂组件之间，用于采集肌肉电信号并输出至上位机；腕关节组件包括固定壳体、运动壳体、L型转动件、握力传感器固定座和握力传感器，固定壳体与运动壳体连接，L型转动件与运动壳体连接并能够围绕运动壳体做圆周运动，L型转动件和握力传感器固定座通过第一转轴相连；上位机用于接收肌肉电信号，以及输出训练控制***至上肢训练机械臂，控制上肢训练机械臂的运动。

Description

基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***

技术领域

本公开涉及一种基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***。

背景技术

脑卒中是指脑血管意外发生的破裂出血或急性闭塞对大脑造成的严重损害，其结果可能是死亡、昏迷、偏瘫、失语及其它运动功能障碍等，有着高致死率和致残率，是中国人口死亡原因第一位。目前我国每年新发脑卒中的人数超250万，每年死于脑卒中的人数超过150万。据估计，全国40岁以上人群中将近有1200万人曾经患过脑卒中，直接医疗费用高达375亿元人民币。我国脑卒中的发病率正呈现不断上升的趋势，随着医学水平的提高，脑卒中死亡率明显下降，但其致残率仍高达80％以上，大部分患者留有严重后遗症，偏瘫则是其中最为常见的表现之一，严重影响了人们的生活水平及质量。对于脑卒中导致的偏瘫，康复治疗介入的时间越晚，患者患肢功能恢复的希望就越小，这就使得患者家属及社会需要花费极大的代价来治疗和护理患者，给家庭和社会带来了巨大的经济及精神压力。因此，寻求快速而有效地康复治疗手段，改善病人的预后状况，提高病人的生活质量是目前人们关注的重点问题。随着医疗康复技术的快速发展，上肢康复机器人逐渐被引入到患者的康复训练过程中，其融合了医学、生物学、机械学、信息与计算机科学等诸多学科，可满足不同患者的训练强度要求，适合于患者独立进行康复训练，实现上肢功能的恢复。

经过对现有专利检索发现，现有技术中某些康复训练机器人，例如一种上肢外骨骼康复机器人，由底座、两个机械臂组件以及六个电机驱动组件组成，可以同时实现左右手的康复训练。但局部负荷大，整体机构复杂度与重量偏大，手臂长度通过螺钉调节也比较困难，操作较为繁琐。

还有一种上肢康复训练机器人由底座、升降柱以及机械臂串联而成，通过机械臂带动人体手臂实现被动训练。但实践发现该机械臂的固定方式会造成穿戴者不适，操作不流畅，不能满足较长时间的康复训练。

另有一种上肢康复训练机器人，采用底座、立柱、机械臂三部分整体结构，可以实现左右切换，从而适应不同的康复训练需求。但该机械臂只有六个自由度，从一定程度上降低了患者康复训练的效果，大小臂长度采用手动调节，也增加了操作的繁琐性。此外，患者的运动意图很难在康复过程中得到体现，这就使得整个康复训练过程中患者参与的积极性与主动性有所欠缺。

发明内容

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***。

根据本公开的一个方面，基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***包括上肢训练机械臂和上位机；

上肢训练机械臂，包括大臂组件、小臂组件、腕关节组件和肌电信号采集模块，大臂组件、小臂组件和腕关节组件依次连接；

其中，肌电信号采集模块，配置在大臂组件和小臂组件之间，用于采集肌肉电信号并输出至上位机；

腕关节组件包括固定壳体、运动壳体、L型转动件、握力传感器固定座和握力传感器，固定壳体与运动壳体连接，L型转动件与运动壳体连接，L型转动件能够围绕运动壳体做圆周运动，L型转动件和握力传感器固定座通过第一转轴相连，握力传感器固定在握力传感器固定座上；

上位机用于接收肌肉电信号，以及输出训练控制***至上肢训练机械臂，控制上肢训练机械臂的运动。

根据本公开的至少一个实施方式，上述机器人***还包括底座和悬臂梁；底座包括电动升降柱，电动升降柱的一端与悬臂梁固定连接，悬臂梁通过第二转轴与上肢训练机械臂连接，电动升降柱通过悬臂梁带动上肢训练机械臂的上升和下降运动。

根据本公开的至少一个实施方式，上肢训练机械臂还包括L型固定梁、悬臂纵梁和悬臂横梁；

悬臂横梁与大臂组件连接；

悬臂纵梁通过丝杠和导向轴与悬臂横梁连接；

L型固定梁的一端通过第二转轴与悬臂梁连接，L型固定梁的另一端通过第三转轴与悬臂纵梁连接。

根据本公开的至少一个实施方式，大臂组件还包括光电编码器，光电编码器用于监测并输出肘关节的运动角度信息至上位机。

根据本公开的至少一个实施方式，腕关节组件还包括绝对值编码器，绝对值编码器与L型转动件相连，绝对值编码器用于监测并输出L型转动件的位置信息至上位机。

根据本公开的至少一个实施方式，大臂组件包括大臂连接固定座、大臂右连接板、大臂绑带、大臂左连接板、大臂圆弧导轨、大臂压板、大臂导向轮和动力装置；

大臂连接固定座固定在悬臂横梁上，大臂连接固定座和大臂圆弧导轨通过大臂导向轮连接，大臂压板与大臂圆弧导轨固定连接，大臂右连接板与大臂圆弧导轨相连，大臂绑带与大臂圆弧导轨相连，动力装置通过第四转轴与大臂右连接板相连，光电传感器通过第五转轴与大臂左连接板连接，大臂左连接板与大臂圆弧导轨相连。

根据本公开的至少一个实施方式，小臂组件包括小臂右连接板、小臂压板、小臂圆弧导轨、小臂绑带、小臂连接固定座、小臂导向轮和小臂左连接板；

小臂右连接板通过第四转轴与大臂右连接板相连，小臂圆弧导轨与小臂右连接板固定连接，小臂连接固定座和小臂圆弧导轨通过小臂导向轮连接，小臂压板与小臂圆弧导轨固定连接，小臂左连接板的一端与小臂圆弧导轨相连，小臂左连接板的另一端与大臂左连接板相连。

根据本公开的至少一个实施方式，上肢训练机械臂还包括：

限位销，与L型固定梁连接，用于限制L型固定梁与悬臂纵梁的相对运动范围；

第一定位销，固定在小臂右连接板上，用于限制小臂右连接板与大臂右连接板的相对运动范围；以及

第二定位销，与L型转动件相连，用于限制L型转动件和握力传感器固定座的相对位置。

根据本公开的至少一个实施方式，肌电信号采集模块通过人体手臂直接佩戴后放置于大臂组件和小臂组件之间。

根据本公开的至少一个实施方式，

L型固定梁绕第二转轴转动，带动肩部做外旋和内旋运动；

悬臂纵梁绕第三转轴转动，带动肩部做前屈和后伸运动；

上肢训练机械臂随着电动升降柱上升和下降，带动肩部做外展和内收运动；

小臂组件绕第四转轴转动，带动肘部做前屈和后伸运动；

握力传感器及握力传感器固定座绕第一转轴转动，带动小臂做外旋和内旋运动；

调整L型转动件和握力传感器固定座的相对位置，L型转动件随着运动壳体内部的电机转轴转动，带动腕部做掌屈和背伸运动，以及桡屈和尺屈运动。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个实施方式的基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***的结构示意图。

图2是根据本公开的至少一个实施方式的底座结构示意图。

图3是根据本公开的至少一个实施方式的上肢训练机械臂结构示意图。

图4是根据本公开的至少一个实施方式的大臂圆弧导轨组件结构示意图。

图5是根据本公开的至少一个实施方式的小臂圆弧导轨组件结构示意图。

图6是根据本公开的至少一个实施方式的腕关节组件结构示意图。

图7是根据本公开的至少一个实施方式的工作站结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

本公开技术方案根据现有上肢康复训练机器人***中存在的不足，例如运动空间耦合度低，穿戴舒适性差，适应性差、结构设计不紧凑以及运动意图缺乏等问题，提供了一种新型的基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***。

在本公开的一个可选实施方式中，如图1所示，基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***，包括底座101、上肢训练机械臂102以及工作站103三大部分。其中底座101与上肢训练机械臂102相连，工作站103与底座101和上肢训练机械臂102结构上相对独立，工作站103通过线缆与底座101相连。

如图2所示，底座101包括把手201、电控柜202、电动升降柱203、底板204以及滚轮205。把手201固定在底板204上，电控柜202与电动升降柱203相连，电动升降柱203的一端固定在底板204上，滚轮205安装在底板204底部。

如图3所示，上肢训练机械臂102包括悬臂梁301、L型固定梁302、限位销303、悬臂纵梁304、丝杠305、导向轴306、悬臂横梁307、大臂组件308、肌肉电信号采集模块309、小臂组件310以及腕关节组件311。在本公开的一个可选实施方式中，大臂组件308为大臂圆弧导轨组件308，小臂组件310为小臂圆弧导轨组件310。悬臂梁301一端通过螺钉紧固在电动升降柱203的顶端，悬臂梁301另一端通过第二转轴与L型固定梁302的一端相连。L型固定梁302的另一端通过第三转轴与悬臂纵梁304相连。限位销303通过螺纹连接到L型固定梁302上，限制L型固定梁302与悬臂纵梁304的相对运动范围，即限制悬臂纵梁304绕第三转轴转动的转动角度。悬臂纵梁304通过丝杠305和导向轴306与悬臂横梁307连接，通过调节丝杠305和导向轴306可以实现大臂长度的自动调节。大臂圆弧导轨组件308与悬臂横梁307相连。肌电信号采集模块309通过人体手臂直接佩戴放置于大臂圆弧导轨组件308和小臂圆弧导轨组件310之间，灵活的佩戴方式，可以增加穿戴者的舒适性。大臂圆弧导轨组件308和小臂圆弧导轨组件310通过两侧连接法兰实现连接，腕关节组件311与小臂圆弧导轨组件310相连。

如图4所示，大臂圆弧导轨组件308包括大臂连接固定座401、大臂右连接板402、大臂绑带405、光电编码器406、大臂左连接板407、大臂圆弧导轨408、大臂压板409、大臂导向轮410和动力装置，动力装置可以由变速箱403(例如行星齿轮变速箱)和电机404(例如直流无刷电机)组成。其中，大臂连接固定座401通过螺钉紧固在悬臂横梁307上，大臂连接固定座401和大臂圆弧导轨408通过大臂导向轮410连接，从而实现大臂圆弧导轨408的相对圆周运动。大臂压板409与大臂圆弧导轨408紧固连接，限定了大臂圆弧导轨408圆周运动的运动角度范围。大臂右连接板402与大臂圆弧导轨408相连。变速箱403与大臂右连接板402通过第四转轴相连。电机404与变速箱403相连，为肘关节运动提供动力。大臂绑带405与大臂圆弧导轨408相连，用于固定患者手臂，从而进行康复训练。光电传感器406与大臂左连接板407通过第五转轴连接，用于实时监测并反馈肘关节的运动角度。大臂左连接板407与大臂圆弧导轨408相连，以增加结构的安全可靠性。

如图5所示，小臂圆弧导轨组件310包括小臂右连接板501、第一定位销502、小臂压板503、小臂圆弧导轨504、小臂绑带505、小臂连接固定座506、小臂导向轮507以及小臂左连接板508。其中，小臂右连接板501通过第四转轴与大臂右连接板402相连。第一定位销502通过螺纹固定在小臂右连接板501上，用于限制肘部的前屈/后伸的活动范围。小臂圆弧导轨504与小臂右连接板501固连。小臂连接固定座506和小臂圆弧导轨504通过小臂导向轮507连接，从而实现小臂圆弧导轨504的相对圆周运动。小臂压板503与小臂圆弧导轨504紧固连接，以限定小臂圆弧导轨504圆周运动的运动角度范围。小臂左连接板508一端与小臂圆弧导轨504相连，小臂左连接板508另一端与大臂左连接板407相连，形成一个封闭的结构形式，更加安全可靠。

如图6所示，腕关节组件311包括固定壳体601、运动壳体602、L型转动件603、第二定位销604、绝对值编码器605、握力传感器固定座606以及握力传感器607。其中，固定壳体601与小臂连接固定座506相连。固定壳体601与运动壳体602通过微型导轨连接，通过齿轮齿条来传递相对运动的动力。固定壳体601与运动壳体602的相对运动可以实现机械臂的小臂长度的调节。L型转动件603与运动壳体602内部的电机转轴相连。L型转动件603可以随着电机转轴的转动围绕运动壳体602做一定角度范围内的圆周运动。L型转动件603和握力传感器固定座606通过第一转轴相连，握力传感器607固定在握力传感器固定座606上。第二定位销604与L型转动件603相连，用于限制L型转动件603和握力传感器固定座606的相对位置，即限制L型转动件603和握力传感器固定座606的相对转动角度。通过改变L型转动件603和握力传感器固定座606的相对位置，结合L型转动件603绕运动壳体602内部的电机转轴转动，可以实现腕部掌屈/背伸、桡屈/尺屈两个自由度的切换。绝对值编码器605与L型转动件603相连，实时监测并反馈L型转动件603的位置信息。

如图7所示，工作站103包括上位机、立柱704、底座705、滚轮706。其中，上位机可以是一台计算机。上位机可以由显示器701、显示器支架702和操作面板703组成。显示器701与显示器支架702相连，显示器支架702固定安装在操作面板703上，立柱704顶端与操作面板703相连，底端固定在底座705上，滚轮706配置在底座705底部。

上述机器人***还包括用于驱动电机的电机驱动器(图中未示出)。电机驱动器可以通过总线和串口与上位机进行通讯，上位机发送预设的手臂运动姿态轨迹给电机驱动器，通过电机实时地驱动使用者特定关节的运动。光电编码器406和绝对值编码器605可以分别采集肘关节和腕关节转动的角度并发送给上位机，用于与预设的手臂运动姿态轨迹进行比较分析。电机驱动器可以接收来自于肌电信号采集模块309的肌电信号、血压等生理信号或者急停开关信号，以便当使用者出现异常生理状况或者上肢康复训练机器人***出现异常关节位置时可及时停止电机来提供保护。

上肢康复训练机器人***工作时，首先测量使用者的小臂和大臂的尺寸，然后通过调节悬臂纵梁304和悬臂横梁307之间的丝杠305和导向轴306，以及固定壳体601与运动壳体602之间的微型导轨，来调节***大臂和小臂的长度到合适的尺寸。将肌电信号采集模块309佩戴在使用者的肘部位置。再通过绑带将使用者的大小臂与机器人***的大小臂相连。使用者手握握力传感器607。

使用者可以选择主动康复训练模式和被动康复训练模式。

在被动康复训练模式中，上位机将预设的正常手臂运动姿态轨迹作为训练控制***输出至底座101以及上肢训练机械臂102，控制机器人***的运动输出，带动使用者上肢进行反复性康复训练，同时采集人体生理数据观测康复训练效果。具体的，当L型固定梁302绕第二转轴转动时，可以带动使用者肩部做外旋和内旋的动作；当悬臂纵梁304绕第三转轴转动，可以带动使用者肩部做前屈和后伸运动，同时限位销303还可以限制悬臂纵梁304的转动角度，防止运动范围过大对使用者关节造成损伤；当上肢训练机械臂随着电动升降柱203上升和下降时，可以带动使用者肩部做外展和内收运动；当小臂圆弧导轨组件310绕第四转轴转动，即小臂右连接板501绕第四转轴转动时，小臂左连接板508也相应的绕第五转轴转动，此时小臂右连接板501与大臂右连接板402的相对角度，以及小臂左连接板508与大臂左连接板407的相对角度的改变，可以带动使用者肘部做前屈和后伸运动，同时小臂右连接板501上的第一定位销502，可以限制肘部的前屈/后伸的活动范围；当握力传感器固定座606及其连接的握力传感器607绕第一转轴转动时，可以带动使用者小臂做外旋和内旋运动；调整L型转动件603和握力传感器固定座606的相对位置，即相对角度，并通过第二定位销604控制角度调整范围，然后使L型转动件603随着运动壳体602内部的电机转轴转动，可以带动使用者腕部做掌屈和背伸运动，以及桡屈和尺屈运动。同时，使用者可以根据需要做手指屈曲的运动。

在主动康复训练模式中，通过使用者上肢的主动运动带动机器人***各模块的动作。在这一过程中，以及在上述的被动康复训练过程中，肌电信号采集模块309、光电编码器406和绝对值编码器605将实时采集人体表面肌电信号、人机间的相互作用力信息以及机器人关节实际位置与预期位置信息，并将其输出至上位机，通过比较使用者上肢运动步态与标准预设姿态间的差异，来控制上肢康复训练机器人的运动输出，辅助使用者修正运动姿态。

在本公开的一个可选实施方式中，为了减少康复训练过程的枯燥性，还可以在工作站103配置虚拟训练平台，以竞技娱乐的方式增强病人的参与感，全程语音反馈，提高病人主动使用该康复训练机器人的兴趣。

本公开的基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***，整体结构紧凑、驱动装置与关节旋转匹配度高，回转误差小。运动关节限位通过软限位和机械限位相结合的方式，满足使用者关节自由度运动范围的同时，可有效地进行约束，极大的提高了产品的可靠性和安全性。此外，根据不同使用者的身体特征，本***小臂和大臂均采用长度可调设计，同时根据关节生理特征以及人体身形特征，对关节布局与手臂骨骼支撑部分采用仿生设计，使得各部件的运动能良好吻合使用者关节旋转，令使用者顺利进行单关节或多关节的主被动康复运动，同时减轻了上肢康复训练机器人***的重量，减低了使用者负担。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种基于肌电信号的主被动结合上肢康复训练机器人***，其特征在于，包括上肢训练机械臂和上位机；

所述上肢训练机械臂，包括大臂组件、小臂组件、腕关节组件和肌电信号采集模块，所述大臂组件、小臂组件和腕关节组件依次连接；

其中，所述肌电信号采集模块，配置在所述大臂组件和小臂组件之间，用于采集肌肉电信号并输出至所述上位机；

所述腕关节组件包括固定壳体、运动壳体、L型转动件、握力传感器固定座和握力传感器，所述固定壳体与所述运动壳体连接，所述L型转动件与所述运动壳体连接，所述L型转动件能够围绕所述运动壳体做圆周运动，所述L型转动件和所述握力传感器固定座通过第一转轴相连，所述握力传感器固定在所述握力传感器固定座上；

所述上位机用于接收所述肌肉电信号，以及输出训练控制***至所述上肢训练机械臂，控制所述上肢训练机械臂的运动。

2.根据权利要求1所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，还包括底座和悬臂梁；

所述底座包括电动升降柱，所述电动升降柱的一端与所述悬臂梁固定连接，所述悬臂梁通过第二转轴与所述上肢训练机械臂连接，所述电动升降柱通过所述悬臂梁带动所述上肢训练机械臂的上升和下降运动。

3.根据权利要求2所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，所述上肢训练机械臂还包括L型固定梁、悬臂纵梁和悬臂横梁；

所述悬臂横梁与所述大臂组件连接；

所述悬臂纵梁通过丝杠和导向轴与所述悬臂横梁连接；

所述L型固定梁的一端通过所述第二转轴与所述悬臂梁连接，所述L型固定梁的另一端通过第三转轴与所述悬臂纵梁连接。

4.根据权利要求3所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，所述大臂组件还包括光电编码器，所述光电编码器用于监测并输出肘关节的运动角度信息至所述上位机。

5.根据权利要求4所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，所述腕关节组件还包括绝对值编码器，所述绝对值编码器与所述L型转动件相连，所述绝对值编码器用于监测并输出所述L型转动件的位置信息至所述上位机。

6.根据权利要求4或5所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，所述大臂组件包括大臂连接固定座、大臂右连接板、大臂绑带、大臂左连接板、大臂圆弧导轨、大臂压板、大臂导向轮和动力装置；

所述大臂连接固定座固定在所述悬臂横梁上，所述大臂连接固定座和所述大臂圆弧导轨通过所述大臂导向轮连接，所述大臂压板与所述大臂圆弧导轨固定连接，所述大臂右连接板与所述大臂圆弧导轨相连，所述大臂绑带与所述大臂圆弧导轨相连，所述动力装置通过第四转轴与所述大臂右连接板相连，所述光电传感器通过第五转轴与所述大臂左连接板连接，所述大臂左连接板与所述大臂圆弧导轨相连。

7.根据权利要求6所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，所述小臂组件包括小臂右连接板、小臂压板、小臂圆弧导轨、小臂绑带、小臂连接固定座、小臂导向轮和小臂左连接板；

所述小臂右连接板通过所述第四转轴与所述大臂右连接板相连，所述小臂圆弧导轨与所述小臂右连接板固定连接，所述小臂连接固定座和所述小臂圆弧导轨通过所述小臂导向轮连接，所述小臂压板与所述小臂圆弧导轨固定连接，所述小臂左连接板的一端与所述小臂圆弧导轨相连，所述小臂左连接板的另一端与所述大臂左连接板相连。

8.根据权利要求7所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，所述上肢训练机械臂还包括：

限位销，与所述L型固定梁连接，用于限制所述L型固定梁与所述悬臂纵梁的相对运动范围；

第一定位销，固定在所述小臂右连接板上，用于限制所述小臂右连接板与所述大臂右连接板的相对运动范围；以及

第二定位销，与所述L型转动件相连，用于限制所述L型转动件和所述握力传感器固定座的相对位置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，所述肌电信号采集模块通过人体手臂直接佩戴后放置于所述大臂组件和所述小臂组件之间。

10.根据权利要求8所述的上肢康复训练机器人***，其特征在于，

所述L型固定梁绕所述第二转轴转动，带动肩部做外旋和内旋运动；

所述悬臂纵梁绕所述第三转轴转动，带动肩部做前屈和后伸运动；

所述上肢训练机械臂随着所述电动升降柱上升和下降，带动肩部做外展和内收运动；

所述小臂组件绕所述第四转轴转动，带动肘部做前屈和后伸运动；

所述握力传感器及所述握力传感器固定座绕所述第一转轴转动，带动小臂做外旋和内旋运动；

调整所述L型转动件和所述握力传感器固定座的相对位置，所述L型转动件随着所述运动壳体内部的电机转轴转动，带动腕部做掌屈和背伸运动，以及桡屈和尺屈运动。