CN109718053A - 一种单关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单关节康复机器人，包括：扭矩检测部件，用于检测用户施加在运动配件上的扭矩；与扭矩检测部件连接的运动控制单元，用于根据获取的扭矩检测部件检测出的扭矩，确定出电机的输出扭矩，并发送至电机驱动器；与运动控制单元以及电机均连接的电机驱动器，用于控制电机的输出扭矩符合运动控制单元确定出的输出扭矩；电机；与电机以及运动配件均连接的传动部件，用于将电机的输出扭矩放大预设倍数后施加在运动配件上，以使传动部件施加在运动配件上的扭矩与用户施加在运动配件上的扭矩叠加后，使运动配件按照规划的运动轨迹进行运动。应用本申请的方案，可以有效地帮助单关节功能障碍的患者进行康复训练。

Description

一种单关节康复机器人

技术领域

本发明涉及关节康复技术领域，特别是涉及一种单关节康复机器人。

背景技术

神经***损伤以及骨骼肌肉***损伤都可导致人的关节功能障碍，影响人的功能能力以及日常生活质量。据统计，30％的运动损伤发生在踝关节，仅在中国每年就有超过200万踝关节骨折的患者，在美国，每天有85万踝扭伤患者就诊。桡骨远端骨折是常见的骨科损伤，占所有骨折的10％-25％，在所有年龄段的人群中均容易发生。此外，全国有超过1200万脑卒中患者伴有不同程度的单关节运动功能障碍，脑卒中高发病率、高死亡率、高致残率的特点给中国造成的经济负担。

对于这些神经***损伤和骨骼肌肉损伤引起的单关节功能障碍的患者，现有技术中，是通过康复治疗师为患者提供进行专业的康复训练，这个过程非常消耗人力。在美国10万人中有5个治疗师，在中国10万人中仅有0.4个治疗师，康复治疗师资源匮乏。

综上所述，如何有效地帮助单关节功能障碍的患者进行康复训练，降低人力成本，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供单关节康复机器人，以有效地帮助单关节功能障碍的患者进行康复训练。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种单关节康复机器人，包括：

扭矩检测部件，用于检测用户施加在运动配件上的扭矩；

与所述扭矩检测部件连接的运动控制单元，用于根据获取的所述扭矩检测部件检测出的扭矩，确定出电机的输出扭矩，并发送至电机驱动器；

与所述运动控制单元以及所述电机均连接的所述电机驱动器，用于控制所述电机的输出扭矩符合所述运动控制单元确定出的输出扭矩；

所述电机；

与所述电机以及所述运动配件均连接的传动部件，用于将电机的输出扭矩放大预设倍数后施加在所述运动配件上，以使所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩叠加后，使所述运动配件按照规划的运动轨迹进行运动；

用于与用户的关节进行配合使所述关节完成康复运动的所述运动配件。

优选的，所述运动控制单元具体用于：

当确定模式选择为被动模式时，将计算出的第一扭矩作为电机的输出扭矩；其中，当所述电机的输出扭矩为所述第一扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第一目标扭矩，所述第一目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相同，且所述第一目标扭矩的大小等于预设的目标扭矩的大小；

当确定模式选择为助力模式时，将计算出的第二扭矩作为电机的输出扭矩；其中，当所述电机的输出扭矩为所述第二扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第二目标扭矩，所述第二目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相同，且所述第二目标扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩矢量叠加后的大小等于所述目标扭矩的大小；

当确定模式选择为主动模式时，判断用户施加在所述运动配件上的扭矩的大小是否符合预设范围，若符合，则确定出电机的输出扭矩为0，若不符合，则将计算出的第三扭矩作为电机的输出扭矩；其中，当所述电机的输出扭矩为所述第三扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第三目标扭矩，所述第三目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相同，且所述第三目标扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩矢量叠加后的大小等于所述目标扭矩的大小；

当确定模式选择为抗阻模式时，将计算出的第四扭矩作为电机的输出扭矩，其中，当所述电机的输出扭矩为所述第四扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第四目标扭矩，所述第四目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相反，且所述第四目标扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩矢量叠加后的大小等于所述目标扭矩的大小；

确定出电机的输出扭矩之后，将确定出的电机的输出扭矩发送至电机驱动器。

优选的，还包括：

急停控制开关，用于当受到用户的触发时使得电机暂停扭矩的输出。

优选的，还包括：

设置在单关节康复机器人的供电线路上的空气开关。

优选的，还包括：

与所述运动控制单元连接的显示装置，用于通过所述运动控制单元获取所述电机的输出扭矩并实时显示。

优选的，还包括：

与所述运动控制单元连接的记录装置，用于通过所述运动控制单元获取所述电机的输出扭矩并进行记录。

优选的，还包括：

与所述记录装置连接的通信装置，用于将所述记录装置中的数据向远端的服务器进行发送。

优选的，所述传动部件包括：

输入端与所述电机的输出端连接，用于将所述电机的输出扭矩放大预设倍数的减速机；

包括主动轮以及与所述主动轮啮合的从动轮的同步轮装置，所述主动轮与所述减速机的输出端同轴连接，所述从动轮与第一传动联结器同轴连接；

所述第一传动联结器；

通过所述扭矩检测部件与所述第一传动联结器连接的第二传动联结器；

与所述第二传动联结器以及所述运动配件连接，以使所述电机的输出扭矩传递至所述运动配件，使所述运动配件进行单自由度的转动的第三传动联结器。

优选的，还包括：

用于放置第二基座以及第三基座的第一基座；

固定在所述第一基座上并具有两个通孔的所述第二基座，所述第二基座的第一通孔与所述减速机同轴，并与所述减速机连接；所述第二基座的第二通孔与所述第一传动联结器同轴，并通过第一轴承与所述第一传动联结器连接；

固定在所述第一基座上并具有一个通孔的所述第三基座，所述第三基座的通孔与所述第二传动联结器同轴，并通过该通孔上的第二轴承与所述第二传动联结器连接。

优选的，还包括：

固定在所述第三基座上，用于将所述运动配件的转动角度限定在预设范围内的角度限位装置。

优选的，还包括：

由十二根型材构成的长方体托架，所述第一基座固定在所述长方体托架的顶面。

优选的，所述运动配件与所述传动部件可拆卸连接。

优选的，所述运动配件为用于与用户的腕关节配合的腕关节运动配件，或者为用于与用户的踝关节配合的踝关节运动配件。

优选的，所述腕关节运动配件为：用于与用户的腕关节配合，使所述腕关节完成屈伸运动的第一腕关节运动配件；或者为：用于与用户的腕关节配合，使所述腕关节完成尺偏和桡偏运动的第二腕关节运动配件；或者为：用于与用户的腕关节配合，使用户的前臂和所述腕关节完成旋转运动的第三腕关节运动配件。

优选的，所述第一腕关节运动配件包括：

与所述传动部件同轴连接的第一圆盘，固定在所述第一圆盘外周的预设位置，并垂直于所述第一圆盘的连接杆；

所述第二腕关节运动配件包括：

与所述传动部件同轴连接的第二圆盘；

第一端与所述第二圆盘的第一端连接，第二端与所述第二圆盘的第二端连接，并垂直于所述第二圆盘的C字型连接杆；

所述第三腕关节运动配件包括：

与所述传动部件同轴连接的第三圆盘，沿所述第三圆盘的外周设置有预设数量的开孔。

优选的，所述踝关节运动配件包括：

用于放置用户足部的底板；

设置在所述底板的侧面并与所述底面垂直，第一端与所述底板固定连接，第二端与所述传动部件连接的连接杆；

与所述底板可拆卸连接，用于将用户足部固定，以使用户足部与所述底板贴合的足部绑带。

应用本发明实施例所提供的技术方案，包括：扭矩检测部件，用于检测用户施加在运动配件上的扭矩；与扭矩检测部件连接的运动控制单元，用于根据获取的扭矩检测部件检测出的扭矩，确定出电机的输出扭矩，并发送至电机驱动器；与运动控制单元以及电机均连接的电机驱动器，用于控制电机的输出扭矩符合运动控制单元确定出的输出扭矩；电机；与电机以及运动配件均连接的传动部件，用于将电机的输出扭矩放大预设倍数后施加在运动配件上，以使传动部件施加在运动配件上的扭矩与用户施加在运动配件上的扭矩叠加后，使运动配件按照规划的运动轨迹进行运动。

本申请的方案中，采用单关节康复机器人自动为用户提供康复训练。具体的，扭矩检测部件可以检测用户施加在运动配件上的扭矩并发送至运动控制单元，运动控制单元接收之后，可以确定出电机的输出扭矩，进而电机驱动器可以控制电机的输出扭矩符合运动控制单元确定出的输出扭矩；传动部件会将电机的输出扭矩放大预设倍数后施加在运动配件上。也就是说，扭矩检测部件检测到用户施加在运动配件上的扭矩之后，传动部件会为运动配件提供相适应的扭矩，以使得传动部件施加在运动配件上的扭矩与用户施加在运动配件上的扭矩叠加后，可以使运动配件按照规划的运动轨迹进行运动。由于运动配件与用户的关节相配合，便可以使用户的关节完成康复运动。因此，本申请的方案通过单关节康复机器人使得用户的关节完成康复运动，降低了人力成本。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明中单关节康复机器人的一种结构示意图；

图2为本发明中单关节康复机器人的另一种结构示意图；

图3为本发明一种具体实施方式中的传动部件的结构示意图；

图4a为本发明一种具体实施方式中的第一腕关节运动配件的结构示意图；

图4b为本发明一种具体实施方式中的第二腕关节运动配件的结构示意图；

图4c为本发明一种具体实施方式中的第三腕关节运动配件的结构示意图；

图5为本发明中单关节康复机器人外壳装置的一种结构示意图；

图6本发明一种具体实施方式中带托架的单关节康复机器人的内部结构示意图；

图7为本发明中单关节康复机器人外壳装置的另一种结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种单关节康复机器人，可以有效地帮助单关节功能障碍的患者进行康复训练。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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做出创造性劳动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。

请参考图1，图1为本发明中一种单关节康复机器人的结构示意图，包括：

扭矩检测部件10，用于检测用户施加在运动配件60上的扭矩。

通常，可以基于扭矩传感器11进行用户施加在运动配件60上的扭矩的检测，例如图2的实施方式中采用的便是扭矩传感器11。图2中，扭矩检测部件10由扭矩传感器11以及与扭矩传感器11连接的模拟量传感器单元12构成，扭矩传感器11会将读取到的力学信号转化为模拟量电信号，通过信号线传递到模拟量传感器单元12之后，模拟量传感器单元12将模拟量电信号转换成数字电信号，由运动控制单元20接收之后，运动控制单元20便可以获取用户施加在运动配件60上的扭矩。需要说明的是，传动部件50以及运动配件60在图2中未示出。

扭矩传感器11以及模拟量传感器单元12的具体安装位置可以根据实际需要进行设定和调整，通常，扭矩传感器11会与传动部件50相配合，例如图3的实施方式中，扭矩传感器11便设置在两个传动联结器之间。当然，在其他实施方式中，可以采用其他形式的扭矩检测部件10，只要能够进行用户施加在运动配件60上的扭矩的获取即可，并不影响本发明的实施。

由于用户施加在运动配件60上的扭矩会不断变化，因此，扭矩检测部件10通常会实时检测扭矩，或者是按照较短的检测周期进行检测。

与扭矩检测部件10连接的运动控制单元20，用于根据获取的所述扭矩检测部件10检测出的扭矩，确定出电机40的输出扭矩，并发送至电机驱动器30。

运动控制单元20通过信号线与扭矩检测部件10连接，具体的通信协议可以根据需要进行设定和调整，例如通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线进行连接。

运动控制单元20获取了扭矩检测部件10检测出的扭矩之后，可以确定出电机40的输出扭矩。具体的计算方式可以根据实际需要进行设定，即可以选取较为简便的计算方式，也可以选取为复杂的方式。例如，获取了扭矩检测部件10检测出的扭矩之后，可以根据预设的对照表，确定出电机40对应的输出扭矩的大小，并且根据运动配件60的当前位置，确定出电机40的输出扭矩的方向，也即电机40的正反转。通常，在检测出运动配件60的位置达到预定的换向点时，会改变电机40的转向。

又如，在一种具体实施方式中，为了使得运动配件60的运动轨迹更为理想，可以根据扭矩检测部件10检测出的扭矩，并结合模式选择等参数进行电机40的输出扭矩的确定。例如，当扭矩检测部件10检测出的扭矩在预设范围时，可以控制电机40的输出扭矩为0，而当扭矩检测部件10检测出的扭矩低于预设范围的下限时，控制电机40进行扭矩的输出，并使得传动部件50施加在运动配件60上的扭矩，与用户施加在运动配件60上的扭矩矢量叠加后的大小符合预设范围。

由于不同的用户有各自不同的恢复情况，因此本申请的方案在实施时，通常会结合预设的模式选择，预设的目标扭矩，运动配件60的当前位置等参数确定出电机40的输出扭矩，并发送至电机驱动器30。也就是说，运动控制单元20确定出的电机40的输出扭矩，会受到用户施加的扭矩，模式选择以及预设的目标扭矩等因素的影响而改变，通过确定出的电机40的输出扭矩，能够使得运动配件60按照规划的运动轨迹进行运动。

为了便于理解，以一具体实施方式进行说明，该种实施方式中，设置有被动模式，助力模式，主动模式以及抗阻模式。

当确定模式选择为被动模式时，将计算出的第一扭矩作为电机40的输出扭矩；其中，当电机40的输出扭矩为第一扭矩时，传动部件50施加在运动配件60上的扭矩为第一目标扭矩，第一目标扭矩的转向与运动配件60的转动方向相同，且第一目标扭矩的大小等于预设的目标扭矩的大小。

被动模式尤其适用于完全瘫痪的肌无力用户，用户通常不会对运动配件60施加力，或者施加的力特别小。当确定模式选择为被动模式时，运动控制单元20会将计算出的第一扭矩作为电机40的输出扭矩，而传动部件50会将电机40的输出扭矩放大预设倍数后施加在运动配件60上，传动部件50施加在运动配件60上的扭矩为第一目标扭矩，即第一扭矩放大预设倍数后便为第一目标扭矩。

第一目标扭矩的转向与运动配件60的转动方向相同，第一目标扭矩的大小等于预设的目标扭矩的大小，即第一目标扭矩为运动配件60的转动提供了助力。第一目标扭矩的方向决定了运动配件60的转动方向，运动配件60的转动方向需要符合规划的运动轨迹，通常，规划的运动轨迹为运动配件60在预设的角度范围内进行的单自由度的往复运动。运动配件60的转动角度可以实时检测并发送至运动控制单元20，当转动到预设的换向点时，运动控制单元20便改变电机40的转向，使得电机40的输出扭矩的方向改变，进而使得第一目标扭矩的方向改变，从而改变运动配件60的转向。

还需要指出的是，该种实施方式中，预设的目标扭矩为预先制定的一个大小不变的数值，而在其他实施方式中，运动配件60的当前位置不同时，可以对应不同大小的目标扭矩，并不影响本发明的实施。该种实施方式中，采用固定的数值作为目标扭矩，可以便于电机40的输出扭矩的计算。当然，该固定的数值也可以根据实际需要进行设定和调整，例如根据不用用户的关节康复情况的不同，设置符合需求的目标扭矩值。

预设的模式选择以及预设的目标扭矩，通常可以由医生为用户进行制定，并可以根据用户的情况变化进行调整。在具体实施时，可以通过上位机与运动控制单元20的通信接口连接，将模式选择等相关参数输入至运动控制单元20中。

当确定模式选择为助力模式时，将计算出的第二扭矩作为电机40的输出扭矩；其中，当电机40的输出扭矩为第二扭矩时，传动部件50施加在运动配件60上的扭矩为第二目标扭矩，第二目标扭矩的转向与运动配件60的转动方向相同，且第二目标扭矩与用户施加在运动配件60上的扭矩矢量叠加后的大小等于目标扭矩的大小。

助力模式通常适用于关节恢复了部分知觉的用户，用户可以对运动配件60施加一定的力，但该力不足以使得运动配件60按照规划的运动轨迹进行运动。运动控制单元20获取了用户施加的扭矩之后，会将计算出的第二扭矩作为电机40的输出扭矩。当电机40的输出扭矩为第二扭矩时，传动部件50施加在运动配件60上的扭矩为第二目标扭矩，而第二目标扭矩的转向与运动配件60的转动方向相同，即第二目标扭矩也是为运动配件60的转动提供助力。第二目标扭矩与用户施加在运动配件60上的扭矩矢量叠加后的大小等于目标扭矩的大小。和第一目标扭矩类似，运动配件60的位置不同，用户施加的扭矩不同，第二目标扭矩的大小以及方向均会相适应地改变，使运动配件60按照规划的运动轨迹进行运动。

当确定模式选择为主动模式时，判断用户施加在运动配件60上的扭矩的大小是否符合预设范围，若符合，则确定出电机40的输出扭矩为0，若不符合，则将计算出的第三扭矩作为电机40的输出扭矩；其中，当电机40的输出扭矩为第三扭矩时，传动部件50施加在运动配件60上的扭矩为第三目标扭矩，第三目标扭矩的转向与运动配件60的转动方向相同，且第三目标扭矩与用户施加在运动配件60上的扭矩矢量叠加后的大小等于目标扭矩的大小。

在主动模式时，用户施加在运动配件60上的扭矩的大小，通常能够使得运动配件60按照预设轨迹转动，即通常用户施加在运动配件60上的扭矩的大小会在预设范围内，此时电机40的输出扭矩为0，即本申请的单关节康复机器人不提供运动配件60转动的动力。而当用户由于劳累等原因力量不足时，运动控制单元20会控制电机40的输出扭矩为第三扭矩，此时传动部件50施加在运动配件60上的扭矩为第三目标扭矩，与用户施加的扭矩矢量叠加后，大小等于预设的目标扭矩的大小。

当确定模式选择为抗阻模式时，将计算出的第四扭矩作为电机40的输出扭矩，其中，当电机40的输出扭矩为第四扭矩时，传动部件50施加在运动配件60上的扭矩为第四目标扭矩，第四目标扭矩的转向与运动配件60的转动方向相反，且第四目标扭矩与用户施加在运动配件60上的扭矩矢量叠加后的大小等于目标扭矩的大小。

抗阻模式适用于关节恢复程度较高的用户，抗阻模式时，第四目标扭矩的转向与运动配件60的转动方向相反，即与前三种运动模式不同，该种模式时，第四目标扭矩对运动配件60的转动提供阻力，以对用户施加的扭矩进行对抗。也就是说，用户在运动配件60上施加的扭矩，要克服第四目标扭矩，使得扭矩矢量叠加后的大小等于目标扭矩的大小，从而使得运动配件60按照规划的运动轨迹进行转动。

与运动控制单元20以及电机40均连接的电机驱动器30，用于控制电机40的输出扭矩符合运动控制单元20确定出的输出扭矩。

电机40。

电机驱动器30也可以通过CAN总线与运动控制单元20连接，将运动控制单元20发送的相关指令信息转换为电机40的控制参数，进而对电机40进行转动的控制。

与电机40以及运动配件60均连接的传动部件50，用于将电机40的输出扭矩放大预设倍数后施加在运动配件60上，以使传动部件50施加在运动配件60上的扭矩与用户施加在运动配件60上的扭矩叠加后，使运动配件60按照规划的运动轨迹进行运动。

传动部件50包括的具体器件以及具体连接结构，可以根据需要进行设定和调整，例如图3示出的一种C字型的传动部件50，由减速机51，同步轮装置52，第一传动联结器53，第二传动联结器54以及第三传动联结器55构成。

具体的，传动部件50包括：

输入端与电机40的输出端连接，用于将电机40的输出扭矩放大预设倍数的减速机51；

包括主动轮以及与主动轮啮合的从动轮的同步轮装置52，主动轮与减速机51的输出端同轴连接，从动轮与第一传动联结器53同轴连接；

第一传动联结器53；

通过扭矩检测部件10与第一传动联结器53连接的第二传动联结器54；

与第二传动联结器54以及运动配件60连接，以使电机40的输出扭矩传递至运动配件60，使运动配件60进行单自由度的转动的第三传动联结器55。

该种实施方式中，电机40与减速机51以及同步轮装置52的主动轮同轴，同步轮装置52的从动轮与第一传动联结器53，第二传动联结器54以及第三传动联结器55均同轴。通过传动部件50，电机40的输出扭矩被放大预设倍数后施加在运动配件60上。当然，在其他实施方式中，传动部件50可以为其他结构，例如可以呈一条直线，即不设置同步轮装置52，而是直接将减速机51与第一传动联结器53连接，又如可以呈L型等，可以根据实际情况进行设定和选取。并且，传动部件50的具体器件构成也可以进行调整，例如上述具体实施方式中的减速机51，可以由多个同步轮、多个齿轮等组合形式替代，能够实现传动减速，获得需要的扭矩和转速即可。

用于与用户的关节进行配合使关节完成康复运动的运动配件60。

运动配件60的结构取决于待康复的关节的位置，以及关节所需恢复的运动方式。当然，针对同一种关节的相同的运动方式，运动配件60也可以有多种形式，能够配合用户的关节进行关节的康复运动即可。例如图3的实施方式中，便示出了用于与用户的踝关节配合的踝关节运动配件60。

在本发明的一种具体实施方式中，运动配件60与传动部件50可拆卸连接。

考虑到部分用户会有多个关节需要康复，或者是一个关节需要采用多种运动方式进行恢复，因此该种实施方式中将运动配件60与传动部件50可拆卸连接，使得只需要进行运动配件60的更换，便可以让用户进行康复关节的切换，或者是进行关节的运动方式的切换，提高了用户的使用体验，避免用户需要购买多个单关节康复机器人而带来的过高的成本。

考虑到踝关节以及腕关节是常见的运动受损关节，因此，本申请的运动配件60可以为用于与用户的腕关节配合的腕关节运动配件60，或者为用于与用户的踝关节配合的踝关节运动配件60。

当然，在其他实施方式中，可以根据用户的需要，设置针对其他关节的运动配件60，只要该运动配件60通过传动部件50的输出扭矩进行转动后，能够与用户的关节配合，协助用户的关节康复即可，并不影响本发明的实施。

在具体实施时，考虑到屈伸运动，尺/桡偏运动以及旋转运动是腕关节基本的三种运动方式，因此该种实施方式中，腕关节运动配件60可以为：用于与用户的腕关节配合，使腕关节完成屈伸运动的第一腕关节运动配件；或者为：用于与用户的腕关节配合，使腕关节完成尺偏和桡偏运动的第二腕关节运动配件；或者为：用于与用户的腕关节配合，使用户的前臂和腕关节完成旋转运动的第三腕关节运动配件。

进一步的，第一腕关节运动配件可以包括：

与传动部件同轴连接的第一圆盘61，固定在第一圆盘61外周的预设位置，并垂直于第一圆盘61的连接杆62；

第二腕关节运动配件包括：

与传动部件同轴连接的第二圆盘63；

第一端与第二圆盘63的第一端连接，第二端与第二圆盘63的第二端连接，并垂直于第二圆盘63的C字型连接杆64；

第三腕关节运动配件包括：

与传动部件同轴连接的第三圆盘65，沿第三圆盘65的外周设置有预设数量的开孔。

第一圆盘61与传动部件50的具体连接方式可以根据实际需要进行设定，通常，第一圆盘61可以通过一个转轴与传动部件50连接，第二圆盘63以及第三圆盘65亦是如此。图4a为一种具体实施方式中第一腕关节运动配件的结构示意图，在使用时，用户将手掌放置在第一腕关节运动配件的连接杆62上，或者是手背放置在连接杆62下，随着第一腕关节运动配件的往复运动，完成腕关节的屈伸运动。

第二圆盘63的第一端以及第二圆盘63的第二端均可以为第二圆盘63上的预设位置。该种实施方式中，C字型连接杆64与第二圆盘63连接后，二者之间会形成一通口，用户将手伸入该通口，便可以随着第二腕关节运动配件的往复运动，完成腕关节的尺偏和桡偏运动。当然，实际应用中，也可以将C字型连接杆64与第二圆盘63设计成一个整件。

并且需要指出的是，该种实施方式中的C字型连接杆64与第二圆盘63垂直，在其他实施方式中，C字型连接杆64所在的平面可以与第二圆盘63所在的平面具有其他角度的夹角，即产生通口允许用户将手伸入，从而完成腕关节的尺偏和桡偏运动即可，例如图4b的实施方式中，与第二圆盘63连接的C字型连接杆64便具有一定的弧度。并且第二圆盘63并不需要是个规则的整圆，例如图4b中的第二圆盘63并不是一个整圆而是半月形。

沿第三圆盘65的外周设置有预设数量的开孔，用户将手指伸入各个开孔中，便可以随着第三腕关节运动配件的往复运动，完成前臂和腕关节的旋转运动。

当运动配件60为踝关节运动配件60时，其具体结构也可以根据实际情况进行设定和调整，能够与用户的踝关节配合，使踝关节完成康复运动即可。例如图3的实施方式中，踝关节运动配件60包括：用于放置用户足部的底板66；设置在底板66的侧面并与底板66垂直，第一端与底板66固定连接，第二端与传动部件50连接的连接杆67；与底板66可拆卸连接，用于将用户足部固定，以使用户足部与底板66贴合的足部绑带68。

应用本发明实施例所提供的单关节康复机器人，包括：扭矩检测部件，用于检测用户施加在运动配件上的扭矩；与扭矩检测部件连接的运动控制单元，用于根据获取的扭矩检测部件检测出的扭矩，确定出电机的输出扭矩，并发送至电机驱动器；与运动控制单元以及电机均连接的电机驱动器，用于控制电机的输出扭矩符合运动控制单元确定出的输出扭矩；电机；与电机以及运动配件均连接的传动部件，用于将电机的输出扭矩放大预设倍数后施加在运动配件上，以使传动部件施加在运动配件上的扭矩与用户施加在运动配件上的扭矩叠加后，使运动配件按照规划的运动轨迹进行运动。

本申请的方案中，采用单关节康复机器人自动为用户提供康复训练。具体的，扭矩检测部件可以检测用户施加在运动配件上的扭矩并发送至运动控制单元，运动控制单元接收之后，可以确定出电机的输出扭矩，进而电机驱动器可以控制电机的输出扭矩符合运动控制单元确定出的输出扭矩；传动部件会将电机的输出扭矩放大预设倍数后施加在运动配件上。也就是说，扭矩检测部件检测到用户施加在运动配件上的扭矩之后，传动部件会为运动配件提供相适应的扭矩，以使得传动部件施加在运动配件上的扭矩与用户施加在运动配件上的扭矩叠加后，可以使运动配件按照规划的运动轨迹进行运动。由于运动配件与用户的关节相配合，便可以使用户的关节完成康复运动。因此，本申请的方案通过单关节康复机器人使得用户的关节完成康复运动，降低了人力成本。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

急停控制开关，用于当受到用户的触发时使得电机40暂停扭矩的输出。

考虑到用户使用康复机器人进行康复的过程中，可能出现疼痛，心悸等突发情况，或者用户可能想要休息，需要康复机器人暂时停止工作。因此，该种实施方式中设置有急停控制开关。急停控制开关通常可以设置在容易被用户触发的位置，例如在图5中，急停控制开关可以设置在康复机器人的机壳顶部，便于用户能够方便地使用。急停控制开关可以与运动控制单元20连接，当受到用户的触发时，可以向运动控制单元20输入急停信号使电机40暂停扭矩的输出。急停控制开关也可以与电源供电***连接，或者直接作为电源供电***的一部分，当受到用户的触发时，通过切断电源供电***中的交流电或直流电的输入，以使得电机40暂停扭矩的输出。

当然，用户也可以结束急停控制开关的触发，例如急停控制开关为按钮式的开关，默认状态为非触发状态，被按下之后保持触发状态，再次按下则弹起，恢复为非触发状态。急停控制开关不再为触发状态时，康复机器人可以继续工作，即运动配件60从之前停下的位置开始继续进行转动。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

设置在单关节康复机器人的供电线路上的空气开关。

图2中示出了本申请的康复机器人的一种电源供电***。该种实施方式中，单关节康复机器人通过220V交流电源进行供电，再对交流电源进行整流变压，得到48V的直流电源。48V的直流电源可以对运动控制单元20，扭矩检测部件10中的模拟量传感器单元12，电机驱动器30等部件进行供电。当然，在其他实施方式中，可以有其他的供电形式，例如交流电源为110V，直流电源为36V或24V。又如，直接采用蓄电池对康复机器人进行供电，均不影响本发明的实施。

图2的实施方式中，空气开关设置在交流电源的供电线路上，当电路中的电流过大或者发生短路时，空气开关自动切断电路以保护设备，同时也可以降低对用户的风险。当然，通常还会设置有电源开关，通过电源开关，用户可以主动地控制单关节康复机器人的开启以及关闭。此外，还可以设置工作状态指示灯，以直观地展示出单关节康复机器人的供电状态，即当电源开关闭合时，工作状态指示灯亮起，表示单关节康复机器人供电成功。

在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图6，还包括：

用于放置第二基座72以及第三基座73的第一基座71；

固定在第一基座71上并具有两个通孔的第二基座72，第二基座72的第一通孔与减速机51同轴，并与减速机51连接；第二基座72的第二通孔与第一传动联结器53同轴，并通过第一轴承与第一传动联结器53连接；

固定在第一基座71上并具有一个通孔的第三基座73，第三基座73的通孔与第二传动联结器54同轴，并通过该通孔上的第二轴承与第二传动联结器54连接。

第一基座71通常可以为一平板，用于放置第二基座72以及第三基座73。第二基座72以及第三基座73起到了空间定位的作用，即保证了相关器件的同轴度，提高了本申请的康复机器人的运动传递的精度。

进一步地，考虑到运动配件60在转动时，需要一定的空间，因此，在本发明的一种具体实施方式中，还包括由十二根型材构成的长方体托架，第一基座71固定在长方体托架的顶面。具体的，十二根型材可以通过型材角接件垂直拼接而成，当然，可以用其他材料替代型材，型材角接件也可以采用焊接，胶粘等方式替代，拼接方式也可以是垂直拼接之外的其他方式，均不影响本发明的实施。当然，在其他实施方式中，还可以有其他的托架结构。在图6中，空气开关以及直流开关电源的空间位置均位于该长方体托架中。

在发明的一种具体实施方式中，参阅图3，还可以包括：

固定在第三基座73上，用于将运动配件60的转动角度限定在预设范围内的角度限位装置80。

当传动部件50正常运行时，由于运动控制单元20会控制运动配件60按照规划的轨迹进行运动，因此传动部件50以及运动配件60会在一定的角度范围内进行转动。但考虑到故障等极端情况下，运动配件60的转动角度过大时，可能会损害用户的关节，因此，该种实施方式中设置了第二层保护，即固定在第三基座73上的角度限位装置80。角度限位装置80所限定的该预设范围，通常会略大于运动控制单元20规划的运动轨迹的角度范围。

在发明的一种具体实施方式中，还包括：

用于进行器件保护的外壳装置，扭矩检测部件10，运动控制单元20；电机40以及传动部件50均设置在外壳装置内部。

图7中便示出了一种具体实施方式中的外壳装置的结构示意图，其中，外壳装置由绝缘材料制成的上壳，底壳，空气开关门以及带刻度线的挡板组成。上壳与底壳之间可拆卸连接，隔绝内部器件与外界环境，保护关键元器件。空气开关门安装在上壳的侧面，用户可以手动自由开合此门，以重启或断开空气开关。带刻度线的挡板安装在上壳的正面，相应的，运动配件60上会设置有指针，以与带刻度线的挡板配合使用，指示运动配件60当前转动的角度。此外，图7中还示出了踝关节运动平衡辅助，当运动配件60为踝关节运动配件60时，采用踝关节运动平衡辅助的设计可以使得康复机器人更加稳定。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

与运动控制单元20连接的显示装置，用于通过运动控制单元20获取电机40的输出扭矩并实时显示。

显示装置可以为设置在单关节康复机器人上的显示屏，也可以采用外置的上位机实现显示装置的功能，例如用户的电脑，以降低成本。显示装置与运动控制单元20通信连接，可以是有线连接，可也以是无线连接。显示装置可以通过运动控制单元20获取电机40的输出扭矩并实时显示，当然，还可以显示用户施加在运动配件60上的扭矩，使得用户可以直观地看出自身关节的恢复程度。此外，显示装置还可以进行其他信息的显示，例如用户信息，本次康复训练的时间，模式选择，目标扭矩，运动配件60的运动轨迹等等。

当显示装置自带有输入设备，例如采用上位机作为显示装置，或者显示装置外接输入设备时，还可以利用显示装置与运动控制单元20进行通信，从而进行目标扭矩等参数的修改。进一步的，考虑到用户操作的便捷性，还可以为用户配置手控器，手控器与运动控制单元20通信连接，通过手控器可以进行单关节康复机器人的目标扭矩等参数的修改，还可以通过手控器进行急停控制开关的触发等操作。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

与运动控制单元20连接的记录装置，用于通过运动控制单元20获取电机40的输出扭矩并进行记录。

考虑到用户的关节康复是个长期的过程，且关节的恢复程度会不断改变，因此该种实施方式中通过激励装置进行电机40的输出扭矩并进行记录，使得用户或者医生可以查阅到历史记录，有利于患者的康复进程。当然，除了电机40的输出扭矩之外，记录装置还可以记录下用户信息，本次康复训练的时间，模式选择，目标扭矩，运动配件60的运动轨迹等数据。

进一步的，还可以包括：与记录装置连接的通信装置，用于将记录装置中的数据向远端的服务器进行发送。该种实施方式中，通过通信装置将记录装置中的数据向远端的服务器进行发送，使得医生不必见到用户，通过服务器便可以直接方便地获取到用户使用康复机器人时的相关数据，进而得知用户的关节康复情况，有助于用户的康复进程。例如医生可以根据记录装置中的数据，拟定新的康复计划，调整用户的康复方案以适应用户的实际情况。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本文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技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (16)

1.一种单关节康复机器人，其特征在于，包括：

扭矩检测部件，用于检测用户施加在运动配件上的扭矩；

与所述扭矩检测部件连接的运动控制单元，用于根据获取的所述扭矩检测部件检测出的扭矩，确定出电机的输出扭矩，并发送至电机驱动器；

与所述运动控制单元以及所述电机均连接的所述电机驱动器，用于控制所述电机的输出扭矩符合所述运动控制单元确定出的输出扭矩；

所述电机；

与所述电机以及所述运动配件均连接的传动部件，用于将电机的输出扭矩放大预设倍数后施加在所述运动配件上，以使所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩叠加后，使所述运动配件按照规划的运动轨迹进行运动；

用于与用户的关节进行配合使所述关节完成康复运动的所述运动配件。

2.根据权利要求1所述的单关节康复机器人，其特征在于，所述运动控制单元具体用于：

当确定模式选择为被动模式时，将计算出的第一扭矩作为电机的输出扭矩；其中，当所述电机的输出扭矩为所述第一扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第一目标扭矩，所述第一目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相同，且所述第一目标扭矩的大小等于预设的目标扭矩的大小；

当确定模式选择为助力模式时，将计算出的第二扭矩作为电机的输出扭矩；其中，当所述电机的输出扭矩为所述第二扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第二目标扭矩，所述第二目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相同，且所述第二目标扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩矢量叠加后的大小等于所述目标扭矩的大小；

当确定模式选择为主动模式时，判断用户施加在所述运动配件上的扭矩的大小是否符合预设范围，若符合，则确定出电机的输出扭矩为0，若不符合，则将计算出的第三扭矩作为电机的输出扭矩；其中，当所述电机的输出扭矩为所述第三扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第三目标扭矩，所述第三目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相同，且所述第三目标扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩矢量叠加后的大小等于所述目标扭矩的大小；

当确定模式选择为抗阻模式时，将计算出的第四扭矩作为电机的输出扭矩，其中，当所述电机的输出扭矩为所述第四扭矩时，所述传动部件施加在所述运动配件上的扭矩为第四目标扭矩，所述第四目标扭矩的转向与所述运动配件的转动方向相反，且所述第四目标扭矩与用户施加在所述运动配件上的扭矩矢量叠加后的大小等于所述目标扭矩的大小；

确定出电机的输出扭矩之后，将确定出的电机的输出扭矩发送至电机驱动器。

3.根据权利要求1所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

急停控制开关，用于当受到用户的触发时使得电机暂停扭矩的输出。

4.根据权利要求3所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

设置在单关节康复机器人的供电线路上的空气开关。

5.根据权利要求1所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

与所述运动控制单元连接的显示装置，用于通过所述运动控制单元获取所述电机的输出扭矩并实时显示。

6.根据权利要求5所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

与所述运动控制单元连接的记录装置，用于通过所述运动控制单元获取所述电机的输出扭矩并进行记录。

7.根据权利要求6所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

与所述记录装置连接的通信装置，用于将所述记录装置中的数据向远端的服务器进行发送。

8.根据权利要求1所述的单关节康复机器人，其特征在于，所述传动部件包括：

输入端与所述电机的输出端连接，用于将所述电机的输出扭矩放大预设倍数的减速机；

包括主动轮以及与所述主动轮啮合的从动轮的同步轮装置，所述主动轮与所述减速机的输出端同轴连接，所述从动轮与第一传动联结器同轴连接；

所述第一传动联结器；

通过所述扭矩检测部件与所述第一传动联结器连接的第二传动联结器；

与所述第二传动联结器以及所述运动配件连接，以使所述电机的输出扭矩传递至所述运动配件，使所述运动配件进行单自由度的转动的第三传动联结器。

9.根据权利要求8所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

用于放置第二基座以及第三基座的第一基座；

固定在所述第一基座上并具有两个通孔的所述第二基座，所述第二基座的第一通孔与所述减速机同轴，并与所述减速机连接；所述第二基座的第二通孔与所述第一传动联结器同轴，并通过第一轴承与所述第一传动联结器连接；

固定在所述第一基座上并具有一个通孔的所述第三基座，所述第三基座的通孔与所述第二传动联结器同轴，并通过该通孔上的第二轴承与所述第二传动联结器连接。

10.根据权利要求9所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

固定在所述第三基座上，用于将所述运动配件的转动角度限定在预设范围内的角度限位装置。

11.根据权利要求10所述的单关节康复机器人，其特征在于，还包括：

由十二根型材构成的长方体托架，所述第一基座固定在所述长方体托架的顶面。

12.根据权利要求1至11任一项所述的单关节康复机器人，其特征在于，所述运动配件与所述传动部件可拆卸连接。

13.根据权利要求12所述的单关节康复机器人，其特征在于，所述运动配件为用于与用户的腕关节配合的腕关节运动配件，或者为用于与用户的踝关节配合的踝关节运动配件。

14.根据权利要求13所述的单关节康复机器人，其特征在于，所述腕关节运动配件为：用于与用户的腕关节配合，使所述腕关节完成屈伸运动的第一腕关节运动配件；或者为：用于与用户的腕关节配合，使所述腕关节完成尺偏和桡偏运动的第二腕关节运动配件；或者为：用于与用户的腕关节配合，使用户的前臂和所述腕关节完成旋转运动的第三腕关节运动配件。

15.根据权利要求14所述的单关节康复机器人，其特征在于，所述第一腕关节运动配件包括：

与所述传动部件同轴连接的第一圆盘，固定在所述第一圆盘外周的预设位置，并垂直于所述第一圆盘的连接杆；

所述第二腕关节运动配件包括：

与所述传动部件同轴连接的第二圆盘；

第一端与所述第二圆盘的第一端连接，第二端与所述第二圆盘的第二端连接，并垂直于所述第二圆盘的C字型连接杆；

所述第三腕关节运动配件包括：

与所述传动部件同轴连接的第三圆盘，沿所述第三圆盘的外周设置有预设数量的开孔。

16.根据权利要求13所述的单关节康复机器人，其特征在于，所述踝关节运动配件包括：

用于放置用户足部的底板；

设置在所述底板的侧面并与所述底面垂直，第一端与所述底板固定连接，第二端与所述传动部件连接的连接杆；

与所述底板可拆卸连接，用于将用户足部固定，以使用户足部与所述底板贴合的足部绑带。