專利名稱：外骨骼式上肢康復機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領域，特別涉及一種上肢康復機器人。
背景技術：
腦卒中患者偏癱后，身體部分運動功能喪失。臨床試驗證明，偏癱后盡早進行康復訓練可促進大腦皮層運動功能神經(jīng)細胞的可塑性發(fā)展，促進患病部位神經(jīng)組織的重組與代償，提高相關神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性與對外界刺激的快速性，從而有利于恢復喪失運動功能的部位，并具有保持關節(jié)的活動度、防止患者肌肉萎縮的作用，最大限度的提高患者運動功能的恢復程度。傳統(tǒng)的上肢康復訓練方法是醫(yī)生對患者一對一進行的康復訓練。這種訓練方式存在諸多問題。第一，康復效率低下醫(yī)患之間一對一的訓練方式以及醫(yī)生體力的限制使一位醫(yī)生每天只能接待為數(shù)不多的病人；第二，無法保證訓練效果由于醫(yī)師自身的原因，訓練的力度和強度的一致性無法得到充分的保證，訓練的效果取決于醫(yī)師的水平和經(jīng)驗，醫(yī)生忙于康復訓練，分身乏術，缺少足夠的精力治療效果進行改進；最后，康復過程枯燥乏味，患者被動接受訓練，不利于增強患者參與治療的主動性。使用康復機器人對患者進行康復訓練，可解決傳統(tǒng)康復訓練中存在的諸多問題。 首先，機器人可以全天工作，滿足康復訓練過程中對訓練強度的要求；其次，治療的數(shù)據(jù)方便采集、分析與整理，方便醫(yī)師對康復效果進行量化評價，對康復過程進行改進和創(chuàng)新；再進一步而言，康復技術與多媒體技術的融合將為患者提供更加豐富的訓練內(nèi)容，模擬更真實的訓練環(huán)境，使患者更加積極的參與治療，從而提高治療效果?，F(xiàn)有的上肢康復機器人，人機交互方式單一，并沒有將對日常生活常用動作與虛擬現(xiàn)實技術進行有效的融合，不利于最大限度地調(diào)動患者的康復積極性。另外，相對人體肩關節(jié)三個自由度數(shù)量而言，現(xiàn)有上肢康復機器人只有兩個自由度，限制了訓練的范圍，如中國專利CN101357097A中所述的五自由度外骨骼式上肢康復機器人，其肩關節(jié)自由度數(shù)小于人體肩關節(jié)的自由度數(shù)目，故康復功能比較局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠幫助腦卒中患者進行上肢康復訓練的外骨骼式上肢康復機器人。本發(fā)明的外骨骼式上肢康復機器人包括外骨骼式康復機械臂、輔助機構(gòu)及控制系統(tǒng)。機械臂采用模塊化結(jié)構(gòu)，康復醫(yī)師可根據(jù)患者的病情和不同訓練階段的要求快速將機械臂裝配為五自由度機械臂或三自由度機械臂。五自由度機械臂由橫臂、大臂和小臂組成。伺服立柱、橫臂、大臂、小臂依次串聯(lián)， 構(gòu)成了肩關節(jié)的外展/內(nèi)收自由度，肩關節(jié)的屈/伸自由度，肘關節(jié)屈/伸自由度。大臂與小臂分別被弧形滾珠滑軌截斷，其旋轉(zhuǎn)中心線分別穿過患者的肩關節(jié)運動中心點和肘關節(jié)運動中心點，并分別構(gòu)成肩關節(jié)內(nèi)旋/外旋，腕關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度。橫臂安裝于位于伺服立柱上的渦輪蝸桿減速電機減速器輸出軸上，此電機控制肩關節(jié)的外展/內(nèi)收自由度。此運動自由度與渦輪蝸桿減速器輸出軸同軸，并且，軸線穿過康復對象肩關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心。位于渦輪蝸桿減速器上方并安裝于橫臂上的行星輪減速器伺服電機通過同步齒形帶驅(qū)動位于橫臂另一端的肩關節(jié)屈伸自由度連接軸，構(gòu)成肩關節(jié)的屈/伸自由度。上述連接軸的另一端與大臂相連，大臂為鋁鎂合金套筒式結(jié)構(gòu)，套筒上有標尺，記錄大臂針對不同患者的調(diào)節(jié)長度。套筒一端與弧形導軌滑塊固定，由此構(gòu)成的封閉空間中安裝有一個伺服電機，此伺服電機行星輪減速器輸出軸通過齒輪機構(gòu)驅(qū)動弧形導軌運動， 構(gòu)成肩關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度。弧形導軌下方通過肘關節(jié)伺服電機與小臂相連，小臂上有類似于大臂的弧形導軌與齒輪機構(gòu)，構(gòu)成腕關節(jié)的內(nèi)旋/外旋自由度。當采用五自由度機械臂進行康復時，患者的肩關節(jié)具有三個自由度，肘關節(jié)有一個自由度，腕關節(jié)有一個自由度。這種自由度安排的主要依據(jù)是臨床試驗證明，患者的癱軟期主要以單關節(jié)肌力訓練為主，痙攣期主要以單關節(jié)分離運動為主，恢復期主要以肩、肘關節(jié)復合運動為主，其中，肩關節(jié)是最復雜并且是最容易引起并發(fā)癥的部位。故本外骨骼式康復機械臂將肩關節(jié)設計成具有肩部外展/內(nèi)收、肩部屈/伸、肩部內(nèi)旋/外旋三個自由度，這三個自由度的旋轉(zhuǎn)中心線相交于一點，并重合于患者肩關節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。這種設計方式完全模擬人體肩關節(jié)的所有自由度，可帶動患者完成健康人完成的所有肩關節(jié)動作。機械臂肘關節(jié)具有肘部屈/伸自由度。機械臂腕關節(jié)只具有一個內(nèi)旋/外旋自由度，而無腕關節(jié)的其余兩個自由度。這種設計方式一方面可以完成大多數(shù)肩、肘、腕三關節(jié)復合運動； 另一方面也避免由于設計腕關節(jié)其余兩個自由度導致的小臂過長，轉(zhuǎn)動慣量過大，造成的安全問題。三自由度機械臂在結(jié)構(gòu)上是五自由度機械臂的子集，僅包含肩關節(jié)的三個自由度，這種結(jié)構(gòu)主要面向癱軟期和痙攣期對肩關節(jié)的康復訓練。肩關節(jié)是臨床上較常見的發(fā)病部位，肩關節(jié)的康復對整個上肢康復過程具有重要的意義，康復訓練時將肘關節(jié)和腕關節(jié)去掉，可最大限度的避免機械臂與人體干涉所造成的安全問題。機械臂關節(jié)上均裝有機械限位機構(gòu)和霍爾開關電子限位系統(tǒng)，限位系統(tǒng)保證機械臂的運動范圍不超過所對應的人體關節(jié)的極限運動范圍。由于人體手臂自身的工作空間與軀干和頭部干涉，故在主動康復訓練過程中或系統(tǒng)開環(huán)失效等情況下，康復機械臂有理由與患者軀干與頭部碰撞并發(fā)生事故。伺服系統(tǒng)通過位于機械臂末端的加速度傳感器檢測伺服電機開環(huán)失控事故，并及時關閉電機電源。在主動康復訓練過程中，設定患者皮膚外5厘米之內(nèi)為限速區(qū)域，一旦機械臂與此區(qū)域干涉，伺服控制系統(tǒng)限定干涉點處運動速度，從而保證在主動康復訓練過程中的安全性。輔助機構(gòu)包含升降機構(gòu)與移動底座。升降機構(gòu)包含兩根伺服立柱和一個馬鞍形座椅。伺服立柱提供患者和康復機械臂豎直方向運動的自由度。伺服立柱可根據(jù)控制系統(tǒng)的指令調(diào)節(jié)高度。伺服立柱共有兩根，一根連接底座與機械臂，用于調(diào)節(jié)機械臂的高度，以適應患者不同的軀干高度；另一根連接底座與馬鞍形座椅，用于調(diào)節(jié)患者的站立或蹲坐等不同的康復姿態(tài)。端坐狀態(tài)為患者提供較為舒適的康復姿勢，站立狀態(tài)避免了端坐狀態(tài)下腿部與小臂運動軌跡發(fā)生干涉的情況發(fā)生。移動底座下方安裝有四個帶有自鎖機構(gòu)的萬向輪，底座四周放置有超聲波測距傳感器，在系統(tǒng)復位過程中，一旦有人進入危險區(qū)域，復位過程自動停止?？刂葡到y(tǒng)由綜合訓練計算機，伺服控制計算機組成。伺服控制計算機與電機驅(qū)動器，力傳感器，加速度傳感器相連，運行逆運動學解算、機械臂軌跡生成、阻抗控制等任務。 綜合訓練計算機運行虛擬現(xiàn)實程序，模擬患者在真實場景下的肢體運動狀態(tài)。綜合訓練計算機根據(jù)伺服控制計算機采集的機械臂與患者的運動狀態(tài)，構(gòu)成訓練游戲的輸入信息，完成虛擬訓練游戲，提高患者康復的積極性。綜合訓練計算機的另一個重要做用是對患者的所有訓練信息進行記錄，并根據(jù)每次記錄并分析得到的康復訓練評價結(jié)果指導醫(yī)師進行下一階段康復訓練方法與目標的制定。該機器人為患者提供單關節(jié)與多關節(jié)混合運動，實現(xiàn)了對患者在三維空間內(nèi)的主動康復與被動康復訓練。通過虛擬現(xiàn)實技術，模擬了患者在康復過程中的典型動作，如提褲、穿衣、進食等，促進大腦皮質(zhì)相關運動功能的塑性發(fā)展，促使病灶周圍細胞的重組與代償，實現(xiàn)喪失功能的恢復。該機器人減輕了醫(yī)師的工作負擔，通過準確全面的數(shù)據(jù)記錄，客觀地評價了康復訓練水平，提高了訓練的準確性與科學性，并使訓練過程中醫(yī)生的對康復手段的創(chuàng)新更加有據(jù)可循。在滿足訓練功能的同時，該機器人通過機械限位，電子限位，開環(huán)監(jiān)控等安全防護手段，保障了患者在康復訓練過程中的安全。


圖1是傳統(tǒng)臨床康復方法示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是五自由度機械臂結(jié)構(gòu)圖；圖4是三自由度機械臂結(jié)構(gòu)圖；圖5是橫臂結(jié)構(gòu)圖；圖6是大臂與小臂結(jié)構(gòu)圖；圖7是肘關節(jié)伺服驅(qū)動模塊爆炸圖；圖8是機器人控制系統(tǒng)框圖。圖中1機械臂，2輔助機構(gòu)，3控制系統(tǒng)，11橫臂，12大臂，13小臂，14機械臂底座， 21伺服立柱A，22柱伺服立B，23馬鞍形座椅，24移動底座，25萬向輪，31顯示裝置，32綜合訓練系統(tǒng)，33伺服控制系統(tǒng)，111渦輪蝸桿減速電機，112行星輪減速電機A，113同步齒形帶，121行星輪減速電機B，122內(nèi)套筒，123外套筒，124長度標尺，125大臂弧形滑軌，126 大臂托架，127自由度變換支架，128肘關節(jié)伺服驅(qū)動模塊，131行星輪減速電機C，132小臂弧形導軌，133小臂托架，281諧波減速伺服電機，282限位機構(gòu)。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。包括機械臂(1)，輔助機構(gòu)O)，控制系統(tǒng)(3)。輔助機構(gòu)包含升降機構(gòu)與移動底座(M)，四個具有自鎖功能的萬向輪05)均勻分布在移動底座的四周。升降機構(gòu)包含伺服立柱A(21)，伺服立柱B (22)，和馬鞍形座椅03)。馬鞍形座椅固接在伺服立柱B上，座椅的高度可以通過控制系統(tǒng)的指令調(diào)節(jié)，使患者可在不同起坐狀態(tài)下進行康復訓練。機械臂安裝在伺服立柱A上。兩伺服立柱均安裝在移動底座上，此結(jié)構(gòu)使患者與機械臂相對于移動底座的距離，機械臂與患者的相對距離通過控制系統(tǒng)可調(diào)整，方便不同身高的人進行康復訓練?？刂葡到y(tǒng)包含伺服控制系統(tǒng)與綜合訓練系統(tǒng)，綜合訓練系統(tǒng)可根據(jù)患者的訓練狀態(tài)通過位于患者前方的顯示裝置(31)模擬訓練場景，增強訓練的真實感，提高訓練效果。本發(fā)明的機械臂可根據(jù)患者的不同康復需求裝配為五自由度機械臂或三自由度機械臂。圖3為本發(fā)明機械臂為五自由度機械臂時的結(jié)構(gòu)圖。五自由度機械臂包括橫臂 (11)、大臂(12)、小臂(13)、機械臂底座(14)。機械臂底座、橫臂、大臂、小臂依次串聯(lián)，構(gòu)成了肩關節(jié)的外展/內(nèi)收自由度，肩關節(jié)的屈/伸自由度，肘關節(jié)屈/伸自由度。圖4為本發(fā)明機械臂為三自由度機械臂時的結(jié)構(gòu)圖，它只包含橫臂與大臂，結(jié)構(gòu)上是五自由度機械臂的子集。圖5為本發(fā)明橫臂結(jié)構(gòu)示意圖，渦輪蝸桿減速電機A(Ill)安裝于機械臂底座上， 減速器輸出軸延長線穿過患者肩關節(jié)并構(gòu)成肩關節(jié)外展/內(nèi)收自由度，減速器輸出軸安裝于橫臂根部。在渦輪蝸桿減速電機A上方的橫臂上，安裝有行星輪減速電機B (112)，并通過同步齒形帶(113)將動力傳遞到橫臂的另一端，構(gòu)成肩關節(jié)關節(jié)屈/伸自由度。這種電機的布置方式有利于減小機械臂的慣量，同時提高可控性與安全性。圖6為大臂與小臂結(jié)構(gòu)示意圖，大臂與小臂由肘關節(jié)伺服驅(qū)動模塊(128)相連。大臂由內(nèi)套筒(122)與外套筒(123) 構(gòu)成，內(nèi)套筒插入外套筒中并通過管螺紋結(jié)構(gòu)相互夾緊。內(nèi)套筒外側(cè)有長度標尺(124)用于觀測大臂臂長。鑲嵌于內(nèi)套筒中的行星輪減速電機B(121)通過齒輪機構(gòu)驅(qū)動滑塊在大臂弧形滑軌(125)上運動，其運動中心線構(gòu)成肩關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度。肩關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度、肩關節(jié)外展/內(nèi)收自由度、肩關節(jié)關節(jié)屈/伸自由度旋轉(zhuǎn)軸延長線正交并且相交于一點，此點與患者肩關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心重合。大臂與肘關節(jié)伺服驅(qū)動模塊通過自由度變換支架(127)相連，該支架內(nèi)部有控制及驅(qū)動線纜插槽。當松開兩根固定螺栓后，去掉肘關節(jié)伺服驅(qū)動模塊，則構(gòu)成三自由度機械臂。當機械臂為五自由度時，肘關節(jié)伺服驅(qū)動模塊旋轉(zhuǎn)軸延長線穿過患者肘關節(jié)。行星輪減速電機C(131)驅(qū)動滑塊在小臂弧形導軌(13 上運動， 構(gòu)成腕關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度。大臂托架(126)與小臂托架(133)安裝于導軌側(cè)面，用于支撐患者的大臂與小臂。圖7為本發(fā)明肘關節(jié)伺服驅(qū)動模塊爆炸圖，由諧波減速伺服電機 (281)驅(qū)動機械臂肘關節(jié)轉(zhuǎn)動，其旋轉(zhuǎn)軸中心線穿過患者的肘關節(jié)。限位機構(gòu)(觀2)安裝于肘關節(jié)處的機械限位機構(gòu)，其限定的極限轉(zhuǎn)動角度可由康復醫(yī)師進行調(diào)節(jié)。機器人控制系統(tǒng)由綜合訓練系統(tǒng)(32)和伺服控制系統(tǒng)(33)組成。伺服控制系統(tǒng)中的傳感器包含光電編碼器、力傳感器、加速度傳感器等。光電編碼器、伺服控制計算機、功率放大器、伺服電機構(gòu)成典型的位置閉環(huán)系統(tǒng)。力傳感器連接減速器與執(zhí)行機構(gòu)，采集的信號可放置于位置環(huán)外，構(gòu)成阻力控制與助力控制系統(tǒng)。在大臂和小臂的末端放置有加速度傳感器，它用于監(jiān)測機械臂末端運行狀況，防止光電編碼器失效時系統(tǒng)開環(huán)導致的傷人情況發(fā)生。圖像采集攝像機A與B放置于患者對面，用于重構(gòu)患者身體的三維模型，防止機械臂與患者肢體發(fā)生碰撞，當機械臂邊緣與患者表皮距離小于五厘米時，伺服控制系統(tǒng)自動執(zhí)行限速程序。綜合訓練系統(tǒng)中運行虛擬現(xiàn)實程序，模擬患者在進餐狀態(tài)下如起坐、進餐、穿衣、喝水等日常生活常用動作。增強訓練的真實感，提高訓練效果。綜合訓練計算機根據(jù)伺服控制計算機采集的機械臂與患者的運動狀態(tài)，構(gòu)成訓練游戲的輸入信息，完成虛擬訓練游戲， 并對所有訓練信息進行記錄，根據(jù)每次記錄分析得到的康復訓練結(jié)果指導醫(yī)師進行下一階段康復訓練方法與目標的制定。
權利要求
1.一種外骨骼式上肢康復機器人，包括機械臂、輔助機構(gòu)、及控制系統(tǒng)，其特征在于 所述機械臂采用模塊化結(jié)構(gòu)，可快速轉(zhuǎn)換為五自由度或三自由度機械臂；所述五自由度機械臂，由橫臂、大臂和小臂組成；橫臂、大臂、小臂依次串聯(lián)，構(gòu)成了肩關節(jié)的外展/內(nèi)收自由度，肩關節(jié)的屈/伸自由度，肘關節(jié)屈/伸自由度；大臂與小臂分別被弧形滾珠滑軌截斷，分別構(gòu)成肩關節(jié)內(nèi)旋/外旋，腕關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度；所述三自由度機械臂是五自由度機械臂結(jié)構(gòu)上的子集，僅包含肩關節(jié)三個自由度；所述輔助機構(gòu)包含升降機構(gòu)與移動底座；所述控制系統(tǒng)包含伺服控制系統(tǒng)與綜合訓練系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求書1所述上肢康復機器人，其特征在于所述肩關節(jié)包含三個自由度， 其旋轉(zhuǎn)軸線正交于一點并與人體肩關節(jié)運動中心點重合。
3.根據(jù)權利要求書1所述上肢康復機器人，其特征在于所述機械臂的肩關節(jié)和肘關節(jié)間設有臂長調(diào)節(jié)機構(gòu)，臂長調(diào)節(jié)機構(gòu)上臂有長刻度標尺。
4.根據(jù)權利要求書1所述上肢康復機器人，其特征在于所述升降機構(gòu)包含兩根伺服立柱和一個馬鞍形座椅，馬鞍形座椅、機械臂與移動底座的距離可通過兩根伺服立柱分別調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權利要求書1所述上肢康復機器人，其特征在于所述各關節(jié)中均設有限位系統(tǒng)，限制機械臂的運動范圍在相應人體關節(jié)的最大轉(zhuǎn)動角度和極限轉(zhuǎn)動角度之間。
6.根據(jù)權利要求書1所述上肢康復機器人，其特征在于所述機械臂末端有加速度傳感器，保證機械臂在失控狀態(tài)下可自動關閉電機電源。
7.根據(jù)權利要求書1所述上肢康復機器人，其特征在于所述伺服控制系統(tǒng)中包含電子限位功能，設定肢體表面5厘米內(nèi)為安全干涉區(qū)域，當機械臂與此區(qū)域干涉時，系統(tǒng)自動對電機執(zhí)行限速程序。
8.根據(jù)權利要求書1所述上肢康復機器人，其特征在于所述綜合訓練系統(tǒng)可根據(jù)患者的訓練狀態(tài)模擬訓練場景，增強訓練的真實感，提高訓練效果，患者與機械臂的運動信息作為輸入信號操控虛擬訓練游戲，從而提高患者的康復效果。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種外骨骼式上肢康復機器人。它包括五自由度或三自由度機械臂，輔助機構(gòu)、及控制系統(tǒng)。五自由度機械臂由橫臂、大臂、小臂依次串聯(lián)，構(gòu)成了肩關節(jié)的外展/內(nèi)收自由度，肩關節(jié)的屈/伸自由度，肘關節(jié)屈/伸自由度；大臂與小臂分別被弧形滑軌截斷，分別構(gòu)成肩關節(jié)內(nèi)旋/外旋，腕關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度；三自由度機械臂包含肩關節(jié)三個自由度。輔助機構(gòu)包含移動底座，伺服立柱，及馬鞍形座椅。機械臂和座椅相對移動底座的高度分別由兩根立柱調(diào)整。通過機械限位與電子限位的配合使用，保障患者康復安全。放置于患者座椅前的顯示裝置可模擬不同場景下的訓練狀態(tài)，訓練狀態(tài)作為輸入信號操控虛擬訓練游戲，從而提高患者的康復效果。
文檔編號A61H1/00GK102309393SQ20101021801
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權日2010年7月6日
發(fā)明者趙奇, 趙維凡, 邢珅, 邢琳 申請人:趙奇