CN110051501B - 一种桌面式的上肢康复机器人及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桌面式的上肢康复机器人，包括两个平行延伸的第一滚轴丝杠、横跨在两个第一滚轴丝杠上方的第二滚轴丝杠；安装在第二滚轴丝杠上的回转关节、安装在回转关节上的手托，其中回转关节中采用了扭簧式柔弹性关节，具备有柔弹性，能够跟随机器人一起运动，结构更加紧凑。手托滑台连接部位也增加了弹簧，更能增加机构的柔顺性，保证训练过程的舒适性与安全性。本发明还提供上述上肢康复机器人的使用方法，通过设置被动训练模式、协同训练模式和主动训练模式以适应不同需要的患者上肢康复需求。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域，尤其是一种桌面式的上肢康复机器人。
本发明同时涉及上肢康复机器人的使用方法。
背景技术
当代社会，我国正面临着社会人口老龄化、中风发病年轻化、交通事故频繁化等日益严重的社会问题，造成的结果是老年人与肢体残疾病人的运动功能障碍，因此上肢康复机器人成为了医疗康复领域的研究重点和热点。上肢康复机器人可以辅助老年人和运动功能障碍患者进行康复训练，防止肌肉萎缩，恢复患者手臂运动能力。桌面式康复机器人是一种可以通过手托并联在人的上肢上，为人的肢体运动提供额外的动力，辅助患者完成上肢在水平面内的移动、回转等康复训练任务，运动机能恢复的智能机械***。
传统的上肢康复机器人尚存在诸多的不足，如机械***缺乏柔顺性，容易对患者造成伤害；患者在训练过程中缺乏自主性，训练过程比较枯燥，使用不便，体感不舒适，通用性差等。
在中国专利公告号CN102499857B的发明专利中，公开了一种外骨骼可穿戴式上肢康复机器人，主要包括肩关节外骨骼，肘关节外骨骼，腕关节外骨骼，与手部外骨骼。需要外骨骼的各个自由度和人体的各个关节自由度高度匹配，否则容易引发安全事故，且穿戴过程繁琐，使用不便。
在中国专利公开号CN109009880A的发明专利中，公开了一种末端牵引式上肢康复机器人装置，装置包括机械架构、主控模块、电机模块、信息采集模块、信息处理模块、通信模块、检测模块，但是这个机构是带动患者进行被动训练，患者缺乏自主性和积极性，治疗效果难以保证。
在中国专利公告号CN103263338B的发明专利中，公开了一种上肢康复机器人，它由支架，若干个牵引装置，供患者前臂放置的托板，若干个绳子，控制装置组成。此装置通过控制装置控制牵引装置牵引绳子的角度和力度，可以帮助患者的肩关节肘关节在三维空间内实现较复杂的训练动作；但是整个机构较为笨重，只能在固定的位置进行恢复性训练。同时，***缺乏柔顺性，安全问题难以保证。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种桌面式上肢康复机器人，以达到穿戴使用简便、康复过程主动被动相结合、交互性强的效果，可对患者的上肢进行模式多样、安全有效的康复训练，促进患者手臂运动功能的恢复。
技术方案：为达到上述目的，本发明桌面式上肢康复机器人可采用如下技术方案：
一种桌面式的上肢康复机器人，包括两个平行延伸的第一滚轴丝杠、横跨在两个第一滚轴丝杠上方的第二滚轴丝杠；安装在第二滚轴丝杠上的回转关节、安装在回转关节上的手托；
所述回转关节包括安装在第二滚轴丝杠的滑块上的大连接件、承载于大连接件上的小连接件、固定在小连接件上的环状的支撑架、位于支撑架内部的回转轴、连接上板；所述回转轴内部是中空的空腔，连接上板设有覆盖在回转轴上的盖板及自盖板延伸至空腔内并与支撑架底部固定连接的延伸部；所述回转轴与支撑架之间通过滚动轴承连接，回转轴相对支撑架及连接上板转动；所述手托底部与回转轴顶部固定，且手托底部为具有内凹的凹槽，所述连接上板的盖板位于该凹槽中；回转轴内部还设有扭簧，扭簧放在连接上板的外径上，扭簧的两端分别卡进连接上板和回转轴的孔内而限制回转轴的旋转范围；
所述大连接件包括底座及自底座两侧向上延伸的两个侧壁，所述两个侧壁之间连接有至少一个光轴，所述小连接件套设在该光轴上，且小连接件与两个侧壁之间均设有弹簧，该弹簧套设在光轴上且弹簧的一端抵靠在小连接件侧面而另一端抵靠在侧壁上。
进一步的，所述回转轴内部空腔中设有三维力传感器，该三维力传感器位于连接上板与小连接件之间且均与连接上板与小连接件固定，三维力传感器检测连接上板与小连接件之间产生的交互力。
进一步的，所述回转轴上表面设置有旋转角度传感器，且旋转角度传感器与连接上板连接以测量回转轴的转动角度。
进一步的，所述两个第一滚轴丝杆之间通过同步装置连接，该同步装置包括分别安装在两个第一滚轴丝杆端部的同步轮，位于两个同步轮上的同步带及行程开关。
进一步的，所述手托为握杆式手托，且手托上还设有用以固定手臂的绑带。
进一步的，所述第一滚轴丝杠、第二滚轴丝杠均通过电机驱动。
进一步的，还包括支撑两个第一滚轴丝杆的支架及位于支架上的显示器，所述显示器面对手托。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：传统的康复机器人都有一个共同点：缺乏柔弹性单元。较大的冲击不仅使得康复机器人关节容易受到外部冲击而损坏，直接影响了机器人的正常运行，甚至可能对患者造成二次伤害。本发明中的扭簧式柔弹性关节改善了这个问题，具备有柔弹性，能够跟随机器人一起运动结构更加紧凑，设计更加灵活，改变了传统康复机器人关节的设计模式。此外，在滑台连接部位也增加了弹簧，更能增加机构的柔顺性，保证训练过程的舒适性与安全性。
而进步的有益效果包括：通过三维力传感器，能够精确测量上肢与机构之间的交互力，调整机器人提供的力矩，适应患者手臂的康复训练状态，提高康复机器人的适应能力；通过旋转角度传感器测量手部的旋转角度。以上两点可以为虚拟现实环节提供交互力和手部的旋转角度，方便设计训练的模式。由此可以提高训练的效果和趣味性。
而本发明提供的上述桌面式的上肢康复机器人的使用方法采用以下技术方案，包括：
被动训练模式：患者手臂通过绑带与手托固定连接，康复机器人通过第一滚轴丝杠、第二滚轴丝杠的结合运动牵引患者手臂，按照预设的训练轨迹和运动速度进行水平面内的往复被动训练；
协同训练模式：训练过程中，若患者手臂运动偏差较小并处于人体支配区域，则***判断患者有能力主动完成预期的训练动作，第一滚轴丝杆、第二滚轴丝杆不主动给患者手臂施加额外的辅助力；若患者手臂运动偏差增大并处于机器人支配区域，则***判断患者无法独立完成期望训练动作，此时通过第一滚轴丝杆、第二滚轴丝杆结合运动来施加并调整辅助力的大小，帮助患者手臂回到预期的运动轨迹中继续进行康复训练；若患者手臂的运动偏差进一步增大并处于安全支配区域，则***判断患者手臂已经处于不正常的训练状态，康复机器人通过第一滚轴丝杆、第二滚轴丝杆结合运动产生阻尼力来降低患者手臂的运动速度；
主动训练模式：通过三维力传感器检测得到的患者手部与机器人工字滑台之间的交互力，判断患者的主动训练意图，并根据预设的期望人机交互阻抗模型参数，控制工字滑台按照患者的运动意图运动到对应训练位置，使患者可以完全依靠自己的运动能力进行康复训练，由患者主动支配整个康复训练过程。
而相对于现有技术，上述使用方法的有益效果为，根据患者康复的不同阶段提供所需的各种训练模式，满足不同个体及不同阶段患者的针对性需求。***操作简单，使用方便，可以供左右手切换使用，通用性较强。
附图说明
图1是本发明桌面式的上肢康复机器人整体结构组装示意图。
图2是本发明桌面式的上肢康复机器人中第一、第二滚轴丝杠、回转关节及手托部分的组装立体图。
图3是回转关节主视图。
图4是回转关节俯视图。
图5是图3中沿A-A方向的剖视图。
图6是小连接件、大连接件的结构图。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示，本发明公开一种桌面式的上肢康复机器人，包括两个平行延伸的第一滚轴丝杠10、横跨在两个第一滚轴丝杠10上方的第二滚轴丝杠9；安装在第二滚轴丝杠9上的回转关节50、安装在回转关节50上的手托2。第一滚轴丝杠10通过电机111驱动；第二滚轴丝杠9通过电机11驱动。该两个第一滚轴丝杠10可以安装在桌面式平台上，本实施方式中还包括支撑两个第一滚轴丝杆的支架4及位于支架上的显示器3，所述显示器3面对手托2。支架4底部装有滑轮5。而所述手托2为握杆式手托，且手托上还设有用以固定手臂的绑带0。所述第二滚轴丝杠9的两端分别固定在两个第一滚轴丝杠10自带的滑块15上且两个第一滚轴丝杠10的滑块15同步运动。而实现该同步运动采用的结构为，所述两个第一滚轴丝杆10之间通过同步装置连接，该同步装置包括分别安装在两个第一滚轴丝杆端部的同步轮7，位于两个同步轮7上的同步带6及行程开关12。
所述回转关节50包括安装在第二滚轴丝杠9的滑块51上的大连接件17、承载于大连接件17上的小连接件16、固定在小连接件16上的环状的支撑架29、位于支撑架29内部的回转轴23、连接上板20。所述回转轴23内部是中空的空腔231。连接上板20设有覆盖在回转轴23上的盖板201及自盖板201延伸至空腔231内并与支撑架29底部固定连接的延伸部202。而在本实施方式中，所述回转轴内部空腔中还设有三维力传感器31，该三维力传感器31位于连接上板20与小连接件16之间且均与连接上板20与小连接件16固定。三维力传感器31检测连接上板20与小连接件16之间产生的交互力。同时，由于三维力传感器31的存在，延伸部202通过三维力传感器31作为中介连接而与支撑架29底部固定。所述回转轴23与支撑架29之间通过滚动轴承27连接，回转轴23相对支撑架29及连接上板20转动。所述手托2底部通过手托板18与回转轴23顶部固定，且手托2底部为具有内凹的凹槽22，所述连接上板的盖板201位于该凹槽22中。回转轴23内部还设有扭簧28。扭簧28放在连接上板20的外径上，扭簧28的两端分别卡进连接上板20和回转轴23的孔内而限制回转轴23的旋转范围。所述回转轴23上表面设置有旋转角度传感器21，且旋转角度传感器21与连接上板20连接以测量回转轴23的转动角度。上述的扭簧式柔弹性关节具备有柔弹性，能够跟随机器人一起运动结构更加紧凑，设计更加灵活，改变了传统康复机器人关节的设计模式。
而本实施方式中，为了进一步增加机构的柔顺性，所述大连接件17包括底座171及自底座171两侧向上延伸的两个侧壁172。所述两个侧壁172之间连接有至少一个光轴32，所述小连接件16套设在该光轴32上，且小连接件16与两个侧壁172之间均设有弹簧14。该弹簧14套设在光轴32上且弹簧14的一端抵靠在小连接件16侧面而另一端抵靠在侧壁172上。
采用上述上肢康复机器人进行康复训练。在患者具体的训练中，可分为被动训练模式、协同训练模式和主动训练模式。
被动训练模式：在患者康复过程的急性期阶段，患者手臂处于完全松弛状态，没有肌肉收缩以及协同反应现象，患者手臂无法主动进行任何运动。这个阶段的康复训练往往采用患者完全被动的训练模式，患者手臂通过绑带0与手托2固定连接，康复机器人通过第一滚轴丝杠10、第二滚轴丝杠9的动作牵引患者手臂，准确按照预设的训练轨迹和运动速度进行水平面内的往复被动训练。被动训练模式能促进患者手臂肌肉收缩与关节活动度，避免出现肌肉萎缩与关节痉挛变形，训练轨迹可以根据医师的临床经验与治疗方案进行合理规划。
协同训练模式：在偏瘫患者康复过程的恢复期阶段，患者手臂某些肌肉关节已经恢复了部分的运动功能，肌张力逐渐增高。这个阶段的康复训练的主要目标在于诱发患者手臂的主动运动，增强患者进行康复治疗的信心，进一步恢复神经功能，并尽可能训练肌肉关节的独立运动，抑制肌痉挛以及协同运动模式，提高协调性，逐步恢复患者对日常运动的支配能力。在这个阶段，患者往往还无法独立完成康复训练运动，康复机器人需要根据患者的实际运动能力以及运动意图来辅助其完成康复训练，同时要保证患者能最大限度地发挥已经恢复的运动能力，以尽可能提高康复训练效果。
协同训练模式主要是针对恢复期阶段的康复训练需求，其根据患者手臂实际运动轨迹与期望训练轨迹之间的运动偏差的大小来划分运动区域，主要包括人体支配区域、机器人支配区域以及安全支配区域，并判断患者对患者手臂运动的控制和支配能力。然后基于导纳控制理论设计力跟踪控制器，并根据患者手臂的运动状态调整手托与患者手臂之间的相互作用力，尽可能不干涉患者的主动运动。在训练过程中，若患者手臂运动偏差较小并处于人体支配区域，则***判断患者有能力主动完成预期的训练动作，外骨骼不给患者手臂施加额外的辅助力，尽可能发挥患者的主动运动能力；若患者手臂运动偏差增大并处于机器人支配区域，则***判断患者无法独立完成期望训练动作，此时外骨骼会根据患者手臂的运动偏差程度来施加并调整辅助力的大小，帮助患者手臂回到预期的运动轨迹中继续进行康复训练；若患者手臂的运动偏差进一步增大并处于安全支配区域，则***判断患者手臂已经处于不正常的训练状态，康复机器人会通过增大***的阻尼力来降低患者手臂的运动速度，阻碍患者手臂运动，保证患者安全，阻尼力的大小会随着运动偏差的增大而增大。
主动训练模式：在患者康复过程的后遗症期阶段，患者手臂的协同运动现象已经基本消失，运动协调性接近于正常水平，患者可以较大程度使用患侧肢体完成某些日常运动。这个阶段的康复训练的主要目的在于继续训练患者手臂，防止运动功能退化，并最大限度地利用已经恢复的运动功能，争取更加自如地支配患者手臂运动。
主动训练模式主要是针对后遗症期患者的康复训练需求，通过三维力传感器检测得到的患者手部与机器人工字滑台之间的交互力，判断患者的主动训练意图，并根据预设的期望人机交互阻抗模型参数，控制工字滑台按照患者的运动意图运动到对应训练位置，使患者可以完全依靠自己的运动能力进行康复训练，由患者主动支配整个康复训练过程。此外，通过调整阻抗参数可以改变患者手臂运动过程受到的运动阻力，进而合理调整主动模式康复训练过程的训练强度。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种桌面式的上肢康复机器人，其特征在于：包括两个平行延伸的第一滚轴丝杠、横跨在两个第一滚轴丝杠上方的第二滚轴丝杠；安装在第二滚轴丝杠上的回转关节、安装在回转关节上的手托；
所述回转关节包括安装在第二滚轴丝杠的滑块上的大连接件、承载于大连接件上的小连接件、固定在小连接件上的环状的支撑架、位于支撑架内部的回转轴、连接上板；所述回转轴内部是中空的空腔，连接上板设有覆盖在回转轴上的盖板及自盖板延伸至空腔内并与支撑架底部固定连接的延伸部；所述回转轴与支撑架之间通过滚动轴承连接，回转轴相对支撑架及连接上板转动；所述手托底部与回转轴顶部固定，且手托底部为具有内凹的凹槽，所述连接上板的盖板位于该凹槽中；回转轴内部还设有扭簧，扭簧放在连接上板的外径上，扭簧的两端分别卡进连接上板和回转轴的孔内而限制回转轴的旋转范围；
所述大连接件包括底座及自底座两侧向上延伸的两个侧壁，所述两个侧壁之间连接有至少一个光轴，所述小连接件套设在该光轴上，且小连接件与两个侧壁之间均设有弹簧，该弹簧套设在光轴上且弹簧的一端抵靠在小连接件侧面而另一端抵靠在侧壁上。
2.根据权利要求1所述的桌面式的上肢康复机器人，其特征在于：所述回转轴内部空腔中设有三维力传感器，该三维力传感器位于连接上板与小连接件之间且均与连接上板与小连接件固定，三维力传感器检测连接上板与小连接件之间产生的交互力。
3.根据权利要求1或2所述的桌面式的上肢康复机器人，其特征在于：所述回转轴上表面设置有旋转角度传感器，且旋转角度传感器与连接上板连接以测量回转轴的转动角度。
4.根据权利要求3所述的桌面式的上肢康复机器人，其特征在于：所述两个第一滚轴丝杆之间通过同步装置连接，该同步装置包括分别安装在两个第一滚轴丝杆端部的同步轮，位于两个同步轮上的同步带及行程开关。
5.根据权利要求4所述的桌面式的上肢康复机器人，其特征在于：所述手托为握杆式手托，且手托上还设有用以固定手臂的绑带。
6.根据权利要求4所述的桌面式的上肢康复机器人，其特征在于：所述第一滚轴丝杠、第二滚轴丝杠均通过电机驱动。
7.根据权利要求6所述的桌面式的上肢康复机器人，其特征在于：还包括支撑两个第一滚轴丝杆的支架及位于支架上的显示器，所述显示器面对手托。
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