CN111067760A - 一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人 - Google Patents

一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人，其特征在于，包括训练座椅及训练桌机构，患者坐在训练座椅上后，患者的上肢在训练桌机构上进行腕关节康复训练、上肢大关节康复训练和上肢各关节复合康复训练，其中，训练桌机构进一步包括力感知机构、六自由度平台、全向移动机构及训练桌。本发明相对于现有技术取得了以下效果：本发明可提供给患侧空间各个方向上的运动，识别患者运动意图，并能针对上肢各个关节实施康复训练。本发明可操作度强，可依据患者不同康复阶段制定相应任务，依托本发明进行康复训练。

Description

一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，具体涉及一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人。
背景技术
在康复医学领域，以“脑可塑性”为基础的康复锻炼，是早已被临床医学实践应用所证明的有效的治疗方法。
目前传统的上肢医疗康复训练主要以康复医师的手动操作为主，此类方法对于患者和医师均是一种费时费力的操作，效率较低。我国上肢功能障碍患者众多，很多患者不能得到及时的康复治疗。因此，将机器人技术引入到康复治疗领域是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是：利用机器人对患者上肢进行针对性的运动训练，逐步恢复患者的上肢运动能力，使丧失的功能重新恢复。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人，其特征在于，包括训练座椅及训练桌机构，患者坐在训练座椅上后，患者的上肢在训练桌机构上进行腕关节康复训练、上肢大关节康复训练和上肢各关节复合康复训练，其中，训练桌机构进一步包括力感知机构、六自由度平台、全向移动机构及训练桌：
患者的上肢固定在力感知机构上，进行腕关节康复训练时，由力感知机构检测患者的上肢施加在力感知机构上的X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty、Z轴方向上的力值Fz及转矩Tz，从而感知患者腕关节的运动意图；进行上肢大关节康复训练时，除通过力感知机构感知患者腕关节的运动意图外，通过X轴方向上的力值Fx及Y轴方向上的力值Fy计算得到平面上的合力F的大小和方向结合Z轴方向上的转矩Tz，从而感知患者肩、肘关节的运动意图；进行上肢各关节复合康复训练时，由力感知机构检测患者的上肢施加在力感知机构上的X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty以及Z轴方向上的力值Fz及转矩Tz，通过X轴方向上的力值Fx、Y轴方向上的力值Fy及Z轴方向上的力值Fz计算得到空间上的合力F的大小和方向结合X轴、Y轴和Z轴方向上的合转矩T，从而感知患者上肢各关节复合的运动意图；
进行腕关节康复训练时，全向移动机构位置固定，通过力感知机构感知到的患者腕关节的运动意图控制六自由度平台动作，实现患者的腕关节运动意图；进行上肢各关节复合康复训练时，通过力感知机构感知到的患者腕关节的运动意图控制六自由度平台动作，实现患者的腕关节运动意图的同时，通过力感知机构感知到的患者肩、肘关节的运动意图控制全向移动机构在训练桌上移动、旋转，实现患者的肩、肘关节运动意图；进行上肢大关节康复训练时，六自由度平台位置固定，通过力感知机构感知到的患者上肢大关节的运动意图控制全向移动机构在训练桌上移动、旋转，实现患者的上肢大关节运动意图。
优选地，还包括运动轨迹检测单元，进行所述上肢大关节康复训练和所述上肢各关节复合康复训练时，在训练桌的桌面上显示预设的运动轨迹，患者以控制全向移动机构沿运动轨迹运动为目标向力感知机构施力，力感知机构检测患者的运动意图后控制全向移动机构在桌面上移动，移动过程中由运动轨迹检测单元检测全向移动机构是否沿桌面上显示的运动轨迹运动，若不是，则主动控制全向移动机构沿桌面上显示的运动轨迹运动。
优选地，所述力感知机构包括手握杆及六维力传感器，所述六自由度平台的底部固定在所述全向移动机构上，手握杆通过六维力传感器设于所述六自由度平台的顶部，患者的上肢绑定在手握杆上，通过六维力传感器检测患者的上肢施加在手握杆上的所述X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty、Y轴方向上的力值Fz及转矩Tz。
优选地，所述全向移动机构包括支撑平台，所述六自由度平台的底部固定在支撑平台的上表面，所述运动轨迹检测单元固定在支撑平台的下表面，支撑平台的下方设有两对麦克纳姆轮，每对麦克纳姆轮包括左、右布置的两个麦克纳姆轮，每个麦克纳姆轮都由独立的电机驱动，每个麦克纳姆轮通过一个支撑杆及一个弹簧支撑杆与支撑平台连接固定，根据患者的上肢手臂的重量调整弹簧支撑杆的高度和姿态，让患者手臂以更好的姿态进行康复训练。
本发明相对于现有技术取得了以下效果：
(1)本发明可提供给患侧空间各个方向上的运动，识别患者运动意图，并能针对上肢各个关节实施康复训练。
(2)本发明可操作度强，可依据患者不同康复阶段制定相应任务，依托本发明进行康复训练。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人的力感知机构全向移动移动平台正视图；
图3为本发明提供的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人全向移动机构轴视图。
图中：1-力感知机构、2-全向移动机构、3-训练桌、4-训练座椅，11-手握杆、12-六维力传感器、13-六自由度平台、14-检测传感器、21-麦克纳姆轮、22-支撑杆、23-弹簧支撑杆、24-支撑平台、25-电机、31-透明玻璃桌板、32-显示器、33-启动按妞、34-桌架、35-万向轮、36-急停开关。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人包括力感知机构1、全向移动机构2、训练桌3及训练座椅4。
结合图2及图3，力感知机构1包括手握杆11、六维力传感器12、六自由度平台13及检测传感器14。手握杆11固定在六维力传感器12上，用于绑定患者患侧手。六维力传感器12固定在六自由度平台13上面，六维力传感器12实时检测患者施加在手握杆11上的X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty、Z轴方向上的力值Fz及转矩Tz，从而感知患者的运动意图。六自由度平台13提供空间各方向的自由度，通过安装在底部的伺服电机控制六自由度平台13各杆的伸缩量，控制六自由度平台13的平移及旋转，以实现患者末端六自由的运动，即可实现患者腕关节各个方向上的运动，完成患者手腕的康复训练。检测传感器14固定在支撑平台24下方，用以检测全向移动机构2在患者的控制下的运动轨迹与训练桌3上显示的预定轨迹的偏差，将偏差值发送到全向移动机构2，以主动纠正运动轨迹，使得全向移动机构2沿着预定轨迹运动，以辅助患者进行康复训练。
全向移动机构2按照力感知机构1检测到的患者实际意图进行运动，实现患者的运动意图，带动患者上肢按照训练计划在训练桌3上进行主动/被动的腕关节康复训练、上肢大关节康复训练、上肢关节复合运动康复训练。全向移动机构2包括：麦克纳姆轮21、支撑杆22、弹簧支撑杆23、支撑平台24、电机25。弹簧支撑杆23与支撑杆22用于连接支撑平台24与麦克纳姆轮21。电机25与麦克纳姆轮21连接在一起。四个电机25分别安装在支撑平台24底层位置，用于驱动全向移动机构2运动。四个麦克纳姆轮21分别安装在四个电机25的输出轴上，四个麦克纳姆轮21分别由单个电机25控制，因此全向移动平台2可以实现任意方向运动。全向移动机构2上的弹簧支撑杆23可以根据患者的上肢手臂的重量调整高度和姿态，让患者手臂以更好的姿态进行康复训练。
训练桌机构3包括：透明玻璃桌板31、显示器32、启动按钮33、桌架34、万向轮35和急停开关36。显示器32嵌在透明玻璃桌板31里，透明玻璃桌板31安装在桌架34上。两个急停开关36安装在透明玻璃桌板31的左、右两侧。启动按钮33安装在透明玻璃桌板31的右侧位置处。四个万向轮35安装在所述桌架34下方。
训练座椅4放置在训练桌3后端，可依据患者高度调节其高度。
采用本发明提供的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人可以进行腕关节康复训练、上肢大关节康复训练、上肢关节复合康复训练。训练包括主动训练和被动训练。
训练时，首先由医护人员将患者的上肢固定在力感知机构1上的手握杆11上，并根据患者的患侧情况，分别选择腕关节训练、上肢大关节训练和上肢各关节复合训练。选择进行腕关节训练时，固定全向移动机构2，由六维力传感器12检测患者施加在手握杆11上的X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty、Z轴方向上的力值Fz及转矩Tz，从而感知患者腕关节的运动意图。根据患者腕关节的运动意图，驱动六自由度平台13完成各个方向的运动。选择进行上肢大关节康复训练时，六自由度平台13处于固定状态，全向移动机构2处于自由状态。由六维力传感器12检测患者施加在手握杆11上的X轴方向上的力值Fx、Y轴方向上的力值Fy及Z轴方向上的转矩Tz，通过X轴方向上的力值Fx及Y轴方向上的力值Fy计算得到平面上的合力F的大小和方向结合Z轴方向上的转矩Tz，从而感知患者上肢大关节的运动意图。根据患者上肢大关节的运动意图控制全向移动机构2的移动、旋转，其中，Z轴方向上的转矩Tz用于控制全向移动机构2的旋转。选择进行上肢各关节复合训练时，六自由度平台13与全向移动平台2均处于自由状态。由六维力传感器12感知患者腕关节的运动意图的同时，通过X轴方向上的力值Fx、Y轴方向上的力值Fy及Z轴方向上的力值Fz计算得到空间上的合力F的大小和方向结合X轴、Y轴和Z轴方向上的合转矩T，从而感知患者各关节复合的运动意图。通过六维力传感器12感知到的患者腕关节的运动意图控制六自由度平台13动作，实现患者的腕关节运动意图的同时，通过六维力传感器12感知到的患者肩、肘关节的运动意图控制全向移动平台2在训练桌3上移动、旋转，实现患者的肩、肘关节运动意图.
康复医师可根据患者的训练情况实时调整训练内容，提高康复效率。
本发明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核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，一句本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人，其特征在于，包括训练座椅及训练桌机构，患者坐在训练座椅上后，患者的上肢在训练桌机构上进行腕关节康复训练、上肢大关节康复训练和上肢各关节复合康复训练，其中，训练桌机构进一步包括力感知机构、六自由度平台、全向移动机构及训练桌：
患者的上肢固定在力感知机构上，进行腕关节康复训练时，由力感知机构检测患者的上肢施加在力感知机构上的X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty、Z轴方向上的力值Fz及转矩Tz，从而感知患者腕关节的运动意图；进行上肢大关节康复训练时，除通过力感知机构感知患者腕关节的运动意图外，通过X轴方向上的力值Fx及Y轴方向上的力值Fy计算得到平面上的合力F的大小和方向结合Z轴方向上的转矩Tz，从而感知患者肩、肘关节的运动意图；进行上肢各关节复合康复训练时，由力感知机构检测患者的上肢施加在力感知机构上的X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty以及Z轴方向上的力值Fz及转矩Tz，通过X轴方向上的力值Fx、Y轴方向上的力值Fy及Z轴方向上的力值Fz计算得到空间上的合力F的大小和方向结合X轴、Y轴和Z轴方向上的合转矩T，从而感知患者上肢各关节复合的运动意图；
进行腕关节康复训练时，全向移动机构位置固定，通过力感知机构感知到的患者腕关节的运动意图控制六自由度平台动作，实现患者的腕关节运动意图；进行上肢各关节复合康复训练时，通过力感知机构感知到的患者腕关节的运动意图控制六自由度平台动作，实现患者的腕关节运动意图的同时，通过力感知机构感知到的患者肩、肘关节的运动意图控制全向移动机构在训练桌上移动、旋转，实现患者的肩、肘关节运动意图；进行上肢大关节康复训练时，六自由度平台位置固定，通过力感知机构感知到的患者上肢大关节的运动意图控制全向移动机构在训练桌上移动、旋转，实现患者的上肢大关节运动意图。
2.如权利要求1所述的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人，其特征在于，还包括运动轨迹检测单元，进行所述上肢大关节康复训练和所述上肢各关节复合康复训练时，在训练桌的桌面上显示预设的运动轨迹，患者以控制全向移动机构沿运动轨迹运动为目标向力感知机构施力，力感知机构检测患者的运动意图后控制全向移动机构在桌面上移动，移动过程中由运动轨迹检测单元检测全向移动机构是否沿桌面上显示的运动轨迹运动，若不是，则主动控制全向移动机构沿桌面上显示的运动轨迹运动。
3.如权利要求2所述的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人，其特征在于，所述力感知机构包括手握杆及六维力传感器，所述六自由度平台的底部固定在所述全向移动机构上，手握杆通过六维力传感器设于所述六自由度平台的顶部，患者的上肢绑定在手握杆上，通过六维力传感器检测患者的上肢施加在手握杆上的所述X轴方向上的力值Fx及转矩Tx、Y轴方向上的力值Fy及转矩Ty、Y轴方向上的力值Fz及转矩Tz。
4.如权利要求3所述的一种基于全向移动平台的上肢康复训练机器人，其特征在于，所述全向移动机构包括支撑平台，所述六自由度平台的底部固定在支撑平台的上表面，所述运动轨迹检测单元固定在支撑平台的下表面，支撑平台的下方设有两对麦克纳姆轮，每对麦克纳姆轮包括左、右布置的两个麦克纳姆轮，每个麦克纳姆轮都由独立的电机驱动，每个麦克纳姆轮通过一个支撑杆及一个弹簧支撑杆与支撑平台连接固定，根据患者的上肢手臂的重量调整弹簧支撑杆的高度和姿态，让患者手臂以更好的姿态进行康复训练。
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