CN109568082B - 一种上肢康复训练机器人及上肢康复训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种上肢康复训练机器人，包括训练桌，训练桌上设有显示器和至少一个末端执行器，末端执行器用于夹持患者的上肢，末端执行器连接有协作机械臂，协作机械臂能够带动末端执行器运动和/或上肢通过末端执行器能够拖动协作机械臂运动。本发明还公开了一种利用上述机器人进行的上肢康复训练方法，可选择进行主动训练或被动训练，当进行主动训练时，协作机械臂处于柔顺状态，显示器将患者上肢在显示器的游戏界面中显示出来，患者具有部分肌力的上肢通过末端执行器拖动协作机械臂在游戏界面中运动，完成游戏的同时进行主动训练；当进行被动训练时，协作机械臂通过末端执行器带动患者的上肢按照设定的轨迹运动，以促进脑功能和神经重塑。
Description
技术领域
本发明涉及康复训练机器人技术领域，特别是涉及一种上肢康复训练机器人及上肢康复训练方法。
背景技术
我国正迅速步入老龄化社会，人口老龄化大幅加了康复需求。传统的上肢康复治疗方式以理疗师的徒手治疗为主，存在理疗师劳动强度大、难以保证训练的持续性及康复治疗稳定性、可控性以及难以获取和分析训练数据等问题。将上肢康复训练与机器人结合已然成为新的趋势。针对上述问题，国内有研究者从外骨骼角度提出了改进和创新，如哈尔滨工业大学的公开号为CN105597280A，公开日为2016年5月25日的中国发明专利公开了一种主被动混合上肢康复训练外骨骼，该专利公开的上肢康复训练设备通过同步带轮和电机实现康复训练，但其训练模式较单一，且不同人手臂并不相同，其可调节范围也比较有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种上肢康复训练机器人及上肢康复训练方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过多样化的康复训练，促进患者脑功能和神经重塑，最后使患者重获部分日常生活自理能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种上肢康复训练机器人，包括训练桌，所述训练桌上设有显示器和至少一个末端执行器，所述末端执行器用于夹持患者的患侧上肢，所述末端执行器连接有协作机械臂，所述协作机械臂能够带动所述末端执行器运动和/或所述患侧上肢通过所述末端执行器能够拖动所述协作机械臂运动。
进一步地，所述训练桌上还设有marker点装置，所述marker点装置用于佩戴在患者的健侧上肢上，所述训练桌的上侧设有动作捕捉装置，所述动作捕捉装置用于采集佩戴有所述marker点装置的健侧上肢的运动。
进一步地，所述动作捕捉装置包括三目相机、相机固定架和相机支架，所述三目相机通过所述相机固定架与所述相机支架的顶端连接，所述相机支架的底端固定设置在控制柜机构上，所述控制柜机构位于所述训练桌的前侧。
进一步地，所述协作机械臂的一端与所述末端执行器固定连接，所述协作机械臂的另一端与所述控制柜机构固定连接。
进一步地，所述控制柜机构包括控制柜框架、控制柜外壳、机械臂控制箱和计算机***，所述控制柜外壳通过螺钉固定在所述控制柜框架上，所述控制柜框架的四角处设有万向轮，所述机械臂控制箱和所述计算机***均设置在所述控制柜外壳内侧，所述计算机***能够接收所述动作捕捉装置的信号并通过所述机械臂控制箱控制所述协作机械臂的运动，并将患者健侧上肢和患侧上肢的运动通过所述显示器显示出来。
进一步地，所述显示器通过旋转机构与所述训练桌连接，所述显示器的背面设有镜子，所述镜子与所述显示器通过显示器框架固定连接；所述末端执行器包括护手和摄像头，所述护手上设有用于与所述协作机械臂末端的法兰连接的固定孔；所述摄像头固定在所述护手的前端，所述摄像头用于拍摄所述镜子中的患者的上肢运动。
进一步地，所述训练桌包括桌架、开关按钮和外壳，所述开关按钮在所述桌架两侧边角处各设置一个，所述外壳通过螺钉与所述桌架固定连接；所述桌架的四角处设有万向轮。
进一步地，还包括训练座椅，所述训练座椅位于所述训练桌的后侧。
本发明还提供了一种利用上述的上肢康复训练机器人进行的上肢康复训练方法，可选择进行主动训练或被动训练，
当进行主动训练时，协作机械臂处于柔顺状态，显示器将患者上肢在显示器的游戏界面中显示出来，患者具有部分肌力的上肢通过末端执行器拖动协作机械臂在游戏界面中运动，完成游戏的同时进行主动训练；
当进行被动训练时，协作机械臂通过末端执行器带动患者的上肢按照设定的轨迹运动；以促进脑功能和神经重塑。
进一步地，还可选择进行协调训练或镜像训练，
当进行协调训练时，患者健侧上肢佩戴marker点装置，动作捕捉装置采集患者健侧上肢的运动参数并传送给计算机***，计算机***根据健侧上肢的运动参数计算出患侧上肢应进行的协调运动，并将计算出的协调运动的控制参数传送给机械臂控制箱，机械臂控制箱控制协作机械臂通过末端执行器带动患侧上肢进行协调运动；
当进行镜像训练时，显示器相对于训练桌成一定角度，患者健侧上肢放置在显示器与训练桌之间做运动，摄像头拍摄镜子中健侧上肢的运动视频，并将视频传送给计算机***，计算机***提取健侧上肢的运动轨迹，然后将镜像后的运动轨迹传送给机械臂控制箱，患者患侧上肢放置在显示器和训练桌之间，机械臂控制箱控制协作机械臂通过末端执行器带动患侧上肢按照镜像后的运动轨迹运动，并且显示器中同步播放摄像头拍摄的健侧上肢的运动视频。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明可使患者进行主动训练、被动训练、协调训练或镜像训练，丰富了患者的康复训练方式，更具有趣味性和真实感，使患者更易于接受并可根据自身情况选择效果较好的训练方法，并可在早、中、晚全周期进行上肢康复训练，促进脑功能和神经重塑，最后使患者重获部分日常生活自理能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明上肢康复训练机器人的整体结构示意图；
图2为本发明中显示器和镜子的结构示意图；
图3为本发明中训练桌的结构示意图；
图4为本发明中末端执行器的结构示意图；
图5为本发明中控制柜机构的结构示意图；
其中：1-训练桌，2-显示器，3-旋转机构，4-动作捕捉装置，5-协作机械臂，6-末端执行器，7-控制柜机构，11-桌架，12-marker点装置，13-开关按钮，14-外壳，21-显示器框架，22-镜子，41-三目相机，42-相机固定架，43-相机支架，61-护手，62-摄像头，71-控制柜框架，72-控制柜外壳，73-机械臂控制箱，74-计算机***。
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付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种上肢康复训练机器人及上肢康复训练方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过多样化的康复训练，促进患者脑功能和神经重塑，最后使患者重获部分日常生活自理能力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图5所示：本实施例提供了一种上肢康复训练机器人，包括训练桌1，训练桌1的前侧设有控制柜机构7，后侧设有训练座椅。训练桌1包括桌架11、开关按钮13和外壳14，开关按钮13在桌架11两侧边角处各设置一个，单开双控设置，作为整个康复训练机器人的总电源开关，外壳14通过螺钉与桌架11固定连接；桌架11的四角处设有可锁死的万向轮，便于训练桌1的移动和固定。
训练桌1上设有显示器2、marker点装置12和一个末端执行器6，末端执行器6用于夹持患者的患侧上肢，末端执行器6连接有协作机械臂5，协作机械臂5能够带动末端执行器6运动，并且患者的患侧上肢通过末端执行器6也能够拖动协作机械臂5运动。当然，末端执行器6和协作机械臂5也可设置二组，以适用于双上肢均患病的患者。marker点装置12用于佩戴在患者的健侧上肢上，训练桌1的上侧设有动作捕捉装置4，动作捕捉装置4用于采集佩戴有marker点装置12的上肢的运动。协作机械臂5和动作捕捉装置4可以固定在训练桌1上也可以固定在控制柜机构7上。
优选地，动作捕捉装置4包括三目相机41、相机固定架42和相机支架43，三目相机41通过相机固定架42与相机支架43的顶端连接，相机支架43的底端固定设置在控制柜机构7上，三目相机41的位姿可通过相机固定架42和相机支架43进行调节，以便于更好地捕捉患者健侧上肢的运动参数。
协作机械臂5的末端与末端执行器6固定连接，协作机械臂5的固定端可与控制柜机构7固定连接，以便于走线。
控制柜机构7具体包括控制柜框架71、控制柜外壳72、机械臂控制箱73和计算机***74，协作机械臂5和相机支架43均与控制柜框架71固定连接，控制柜外壳72通过螺钉固定在控制柜框架71上，控制柜框架71的四角处设有可锁死的万向轮，以方便控制柜机构7的移动和固定，机械臂控制箱73和计算机***74均设置在控制柜外壳72内侧，且均从开关按钮13处取电，以便于患者通过健侧的开关按钮13控制整个康复训练机器人，计算机***74能够接收动作捕捉装置4的信号并通过机械臂控制箱73控制协作机械臂5的运动，并将患者上肢的运动通过显示器2显示出来，计算机***74中预装有康复训练的游戏软件和控制软件。
进一步地，显示器2可通过旋转机构3与训练桌1连接，以使得显示器2相对于训练桌1角度可调，显示器2的背面设有镜子22，镜子22与显示器2通过显示器框架21固定连接；末端执行器6包括护手61和摄像头62，护手61上设有用于与协作机械臂5末端的法兰连接的固定孔；摄像头62固定在护手61的前端，摄像头62用于拍摄镜子22中的患者健侧上肢的运动。
本实施例还提供了一种利用上述的上肢康复训练机器人进行的上肢康复训练方法，可选择进行主动训练、被动训练、协调训练或镜像训练。
当进行主动训练时，计算机控制软件设置训练游戏，协作机械臂5处于柔顺状态，显示器2水平放置并显示设置好的游戏，患者患侧上肢(通常为小臂)固定在末端执行器6上，显示器2将患者患侧上肢在显示器2的游戏界面中显示出来，患者具有部分肌力的患侧上肢通过末端执行器6拖动协作机械臂5在游戏界面中运动，完成游戏的同时进行主动训练。主动训练针对有部分肌力手臂可在平面或空间中移动的患者。
当进行被动训练时，计算机***74中的控制软件设置被动训练的轨迹，轨迹下发到机械臂控制箱73中，协作机械臂5通过末端执行器6带动患者的患侧上肢按照设定的轨迹运动，显示器2水平放置并显示被动训练时的画面。被动训练针对手臂无肌力的患者。
当进行协调训练时，计算机***74中的控制软件设置协调训练场景，患者健侧上肢佩戴marker点装置12，动作捕捉装置4采集患者健侧上肢的运动参数并传送给计算机***74，计算机***74根据健侧上肢的运动参数计算出患侧上肢应进行的协调运动，并将计算出的协调运动的控制参数传送给机械臂控制箱73，机械臂控制箱73控制协作机械臂5通过末端执行器6带动患侧上肢进行协调运动，显示器2中实时显示患者双臂做双臂协调动作。协调训练适用于仅单侧手臂无肌力的患者。
当进行镜像训练时，显示器2相对于训练桌1成一定角度，一般为45°，首先，患者健侧上肢放置在显示器2与训练桌1之间做一些运动，摄像头62拍摄镜子22中健侧上肢的运动视频，并将视频传送给计算机***74，计算机***74提取健侧上肢的运动轨迹，然后将镜像后的运动轨迹传送给机械臂控制箱73中，然后患者患侧上肢固定到显示器2和训练桌1之间的末端执行器6上，机械臂控制箱73控制协作机械臂5通过末端执行器6带动患侧上肢按照镜像后的运动轨迹运动，并且显示器2中同步播放摄像头62之前拍摄的健侧上肢的运动视频。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种上肢康复训练机器人，其特征在于：包括训练桌，所述训练桌上设有显示器和至少一个末端执行器，所述末端执行器用于夹持患者的患侧上肢，所述末端执行器连接有协作机械臂，所述协作机械臂能够带动所述末端执行器运动和/或所述患侧上肢通过所述末端执行器能够拖动所述协作机械臂运动，所述显示器通过旋转机构与所述训练桌连接，所述显示器的背面设有镜子，所述末端执行器包括护手和摄像头，所述摄像头固定在所述护手的前端，用于拍摄所述镜子中的患者的健侧上肢运动。
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：所述训练桌上还设有marker点装置，所述marker点装置用于佩戴在患者的健侧上肢上，所述训练桌的上侧设有动作捕捉装置，所述动作捕捉装置用于采集佩戴有所述marker点装置的健侧上肢的运动。
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：所述动作捕捉装置包括三目相机、相机固定架和相机支架，所述三目相机通过所述相机固定架与所述相机支架的顶端连接，所述相机支架的底端固定设置在控制柜机构上，所述控制柜机构位于所述训练桌的前侧。
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：所述协作机械臂的一端与所述末端执行器固定连接，所述协作机械臂的另一端与所述控制柜机构固定连接。
5.根据权利要求3所述的上肢康复训练机器人，其特征在于：所述控制柜机构包括控制柜框架、控制柜外壳、机械臂控制箱和计算机***，所述控制柜外壳通过螺钉固定在所述控制柜框架上，所述控制柜框架的四角处设有万向轮，所述机械臂控制箱和所述计算机***均设置在所述控制柜外壳内侧，所述计算机***能够接收所述动作捕捉装置的信号并通过所述机械臂控制箱控制所述协作机械臂的运动，并将患者健侧上肢和患侧上肢的运动通过所述显示器显示出来。
6.根据权利要求1所述的上肢康复训练机器人，其特征在于：所述镜子与所述显示器通过显示器框架固定连接；所述护手上设有用于与所述协作机械臂末端的法兰连接的固定孔。
7.根据权利要求1所述的上肢康复训练机器人，其特征在于：所述训练桌包括桌架、开关按钮和外壳，所述开关按钮在所述桌架两侧边角处各设置一个，所述外壳通过螺钉与所述桌架固定连接；所述桌架的四角处设有万向轮。
8.根据权利要求1所述的上肢康复训练机器人，其特征在于：还包括训练座椅，所述训练座椅位于所述训练桌的后侧。
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