CN101623547A - 截瘫患者用下肢康复医疗机器人 - Google Patents

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本发明涉及一种截瘫患者用下肢康复医疗机器人，属于康复医疗器械领域。它包括底座、康复下肢训练装置、计算机控制系统。该机器人结合康复学理论和人机合作机器人原理，集主动、被动、助力、主从训练为一体，可用于心脑血管疾病致瘫或因意外事故及自然灾害等所造成的截瘫患者进行下肢及相关关节康复训练。本下肢康复医疗机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，康复训练在设定的程序下自动进行，具有智能化、定量化、个性化特点，不同的病人在不同康复阶段机器人能够设计最优运动牵引轨迹和规划智能路径，并可以自动评价康复训练效果，根据病人的实际情况调节运动参数，从而实现最佳康复训练。

Description

截瘫患者用下肢康复医疗机器人
技术领域
本发明涉及一种截瘫患者用下肢康复医疗机器人，属于康复医疗器械领域。
背景技术
据相关调查显示，我国每年有近十万新增肢体残疾脊髓损伤患者，对肢体残障者的康复训练是我国康复医疗的一项艰巨任务。针对这些患者除了进行手术治疗或者药物治疗外，科学合理的康复训练对于患者肢体运动功能的改善起着至关重要的作用。目前，在中国和全世界对肢体康复设备都有巨大的需求，特别是高技术含量的机电一体化康复设备严重短缺。随着科技发展，越来越多的研究者开始利用其它领域研究成果，结合康复医学设计新的医疗训练方法。这些学科包括机械学、力学、电磁学、计算机学、机器人学以及材料学等多种学科。目前对这方面的研究统称为康复工程，康复机器人作为一种自动化康复医疗设备，它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而又有效的康复训练，可以使患者的运动机能得到更好的恢复，其研究成果包括先进的假肢或矫形器、踏车、功能性电刺激踏车、步态康复机器人、智能康复机器人等。但是这些康复机器人，一般训练模态单一，只能对单独体位的病人进行训练，不能同时满足不同康复阶段病人的康复训练要求。中国专利CN101019800是一种气动式多体位外骨骼下肢康复训练机器人，其可以通过调节气体的流量来调节活塞杆的速度，气缸的力矩和机械主体的姿态。中国专利CN2815338是一种仰卧式下肢康复训练机器人，它由带传感器的直流力矩电机、齿轮组减速机构、齿形带轮副、光杆导轨组成的往复机构，由曲柄连杆机构组成的大小腿屈伸机构以及独立电机和齿轮副驱动的脚姿态调整机构。中国发明专利CN1973806提出了一种多位体外骨骼下肢康复训练机器人，采用了螺母旋转式滚珠丝杠驱动方式。与专利CN1973806相比，本发明在机构设计上有如下优点：(1)专利CN1973806中，电机和丝杠螺母的重量作用在丝杠上，会使丝杠产生径向力和弯矩。本发明采用电机和丝杠螺母一体化结构设计，电机和丝杠螺母绕一点转动，丝杠一端与拉压力传感器连接并绕一点转动，另一端不固定，避免了径向力的产生，从而可选用小尺寸丝杠，结构紧凑。(2)专利CN1973806设计中将电机和丝杠与构件平行布置，整个构件结构尺寸大，不便于将驱动部分封装。本发明电机和螺母旋转式滚珠丝杠布置在构件夹板中间，驱动部分集中于关节处，易于将其完全封装，具有较高的安全性。(3)专利CN1973806中的两个驱动部分不能互换，本发明采用模块化机构设计，三个关节的驱动型式完全相同。(4)本发明在滚珠丝杠的一端安装有拉压力传感器，并在转动关节安装有绝对位置编码器。
发明内容
本发明集主动、被动、助力、主从训练为一体，结合康复学理论和人机合作机器人原理，提供一种用于心脑血管疾病致瘫或因意外事故及自然灾害等所造成的截瘫患者进行下肢及相关关节康复训练的截瘫患者用下肢康复医疗机器人。
本发明的下肢康复医疗机器人基于机构学、人体运动学的机器人机构综合与机械设计，具有多种训练模态(主动、被动、助力、主从训练)的机器人控制系统以及智能控制方法。本下肢康复医疗机器人由计算机控制，并配有相应的传感器和安全系统，康复训练在设定的程序下自动进行，具有智能化、定量化、个性化等特点，不同的病人在不同康复阶段机器人能够设计最优运动牵引轨迹和规划智能路径，并可以自动评价康复训练效果，根据病人的实际情况调节运动参数，实现最佳训练。同时，本下肢康复医疗机器人针对截瘫患者的特点，设计了运动副连接传感器的形式，传感器既当作运动副的一部分，又作为测量受力部件。整个康复机器人末端分别安装在座椅的两侧，患者坐在座椅上进行康复训练，设计时充分考虑了人体下肢数据，连杆长度可以在规定的范围内进行调节，符合人性化设计要求。
本发明的截瘫患者用下肢康复医疗机器人包括底座、康复下肢训练装置、计算机控制系统。
底座：系统最底部，用于支撑整个系统。包括座椅、承载整个机器的底盘以及在底盘后端固定的支架。座椅是整个训练过程的载体，能够进行上下、前后调节，靠背可进行前倾、后仰调节，以适用于不同的患者。
康复下肢训练装置：包括髋部件、大腿杆、小腿杆和脚踏板。髋部件的末端与座椅固联，
髋关节、膝关节、踝关节分别由髋部件与大腿杆、大腿杆与小腿杆、小腿杆与脚踏板铰接构成。这三个旋转关节由三个相同模块的曲柄摇块机构组成，曲柄摇块机构由螺母旋转式滚珠丝杠作为直线副驱动曲柄运动，带动人体下肢进行康复训练。电机通过同步带与滚珠丝杠的螺母相连传递运动，螺母的旋转带动丝杠传动，有利于减小执行机构的复杂程度，便于实现计算机控制。本下肢康复医疗机器人的转动关节装有绝对位置编码器，在每次启动电源后不必进行原点复归就可获得当前的绝对位置。采用电机和丝杠螺母一体化结构设计，电机和丝杠螺母绕一点转动，三个滚珠丝杠的一端是装有拉压型压电式力传感器的转动副，另一端不固定，避免了滚珠丝杠径向力和弯矩的产生。拉压型压电式力传感器用于测量机器人关节的受力，实现动力反馈康复训练。力矩控制器根据压电式力传感器测量的信息，经过相关控制算法产生力矩控制信号，并将此信号传递给电机控制模块；电机控制模块根据速度、力矩控制信号，经过相关处理产生电机控制信号控制康复医疗机器人各个执行部件，从而得到需要的训练模式对患者进行下肢康复训练。通过检测压电式力传感器的受力状态来判断人体下肢的运动趋势，为控制系统提供参数，从而控制电机产生相应的运动，实现主动、被动、助力、主从训练模式。
计算机控制系统：包括高性能计算机、控制器、传感器、人机操作界面等部分构成。高性能计算机用于康复训练过程中图像处理、数据储存等，对整个系统统一控制，通过人机操作界面的屏幕显示实时训练状态及结果。医务人员可以通过训练过程显示分析训练效果，给出进一步训练意见，患者通过屏幕可以看到自己的训练成绩，增强训练的信心。人机操作界面分两部分：医生操作界面和患者操作界面。医生操作界面设有密码保护，由专业医务人员操作，可以控制康复运动的主要技术参数。患者操作界面可以在医生允许的范围内调节运动参量，并通过患者操作可以显示训练过程中的对比效果。
计算机控制系统用于控制所有的驱动系统，为了适应主动、被动、助力、主从等多种训练模态，采用位置、速度、电流随时可变的伺服控制模式。它不同于传统的固定控制模式，能够使机器人根据不同的外部环境采取不同的控制模式。主动训练时，采用电流控制方法，根据关节的力矩和肌电信号进行反馈控制，以实现关节的主动训练；被动训练时，采用速度和位置控制的方法，根据脚部运动轨迹规划实现髋、膝、踝等关节的运动；助力训练时，采用脚部力反馈、髋、膝、踝关节力反馈和下肢肌电信号反馈的电流控制方法；主从训练时，由一条“好腿”带动一条“坏腿”，“好腿”采用主动训练，“坏腿”根据“好腿”的运动产生与“好腿”相同的运动轨迹训练。另外，也可以单独对每个关节进行主动、助力、被动和主从康复训练。
本发明的截瘫患者用下肢康复医疗机器人可用于因心脑血管疾病致瘫或因意外事故及自然灾害等造成的截瘫患者进行下肢及相关关节康复训练。
附图说明
1、截瘫患者用下肢康复医疗机器人结构示意图；
2、截瘫患者用下肢康复医疗机器人腿部机构示意图；
3、截瘫患者用下肢康复医疗机器人膝关节结构示意图。
具体实施方式
下面给出本发明实施的优选方案，并结合附图加以说明。
本发明的截瘫患者用下肢康复医疗机器人结构示意图如图1所示，主要包括底座20、计算机控制系统、康复下肢训练装置等。整个康复机器人末端通过固定连接件19分别安装在座椅18的两侧，并且以座椅18的纵向轴线为对称轴，对称布置，患者可坐在座椅上进行主动、被动、助力、主从训练多训练模态下肢康复训练，座椅18能够根据不同患者的特点进行上下、前后调节，靠背可进行前倾和后仰调节，符合人性化设计要求。计算机系统控制箱21安装在底座20上，安装于箱内的控制器用于控制实现主动、被动、助力、主从多种训练模态所需的所有驱动系统。本康复医疗机器人可进行腿屈伸运动和单关节运动。在腿屈曲过程中，腿部各关节均可得到锻炼；单关节运动可针对某个关节的损伤程度，有效地对某个关节进行重点训练。
本下肢康复医疗机器人腿部机构示意图如图2所示，康复下肢训练装置主要包括髋部件2、大腿杆5、小腿杆10和脚踏板15。髋部件2的末端通过固定连接件19与座椅18固联，髋部件2与大腿杆5铰接构成髋关节，膝关节由大腿杆5与小腿杆10铰接构成，踝关节由小腿杆10与脚踏板15铰接构成，这三个旋转关节由三个相同模块的曲柄摇块机构组成。曲柄摇块机构由螺母旋转式第一滚珠丝杠1作为直线副驱动第一曲柄4运动，第二滚珠丝杠7作为直线副驱动第二曲柄9运动，第三滚珠丝杠11作为直线副驱动第三曲柄13运动，带动人体下肢进行康复训练。第一直流伺服电机3通过同步带与第一滚珠丝杠1的旋转螺母相连，第二直流伺服电机6通过同步带与第二滚珠丝杠7的旋转螺母相连，第三直流伺服电机12通过同步带与第三滚珠丝杠11的旋转螺母相连传递运动。为了避免滚珠丝杠径向力和弯矩的产生，采用电机和丝杠螺母一体化结构设计，电机和丝杠螺母绕一点转动，三个滚珠丝杠的一端是装有拉压型压电式力传感器的转动副，另一端不固定。螺母的旋转带动丝杠传动，有利于减小执行机构的复杂程度，便于实现计算机控制。本下肢康复医疗机器人针对截瘫患者的特点，设计了运动副连接传感器的形式，传感器既当作运动副的一部分，又作为测量受力部件。三个拉压型压电式力传感器8分别安装在第一滚珠丝杠1、第二滚珠丝杠7和第三滚珠丝杠11的一端，用于测量机器人关节的受力，实现动力反馈康复训练，第一滚珠丝杠1、第二滚珠丝杠7和第三滚珠丝杠11的另一端不固定，不承受径向力。三个绝对位置编码器14分别安装在髋关节、膝关节和踝关节上，在每次启动电源后不必进行原点复归就可获得当前的绝对位置。
使用时，患者可仰卧在座椅18上，两脚踏在脚踏板15上，大腿、小腿分别放在大腿杆5和小腿杆10上。本康复医疗机器人在设计时充分考虑了人体下肢数据，大腿杆5和小腿杆10的长度可以在规定的范围内进行调节，符合人性化设计要求。患者在人机操作界面22上自主设定控制指令，启动第一直流伺服电机3和第二直流伺服电机6，计算机接受来自压电式力传感器8的信号，并控制第一直流伺服电机3和第二直流伺服电机6的转动，进而实现患者的腿部屈伸运动，与此同时，脚姿态调整机构中的第三直流伺服电机12也协同动作，并带动踝关节运动。如果单独启动脚姿态调整机构中的第三直流伺服电机12，也可以单独进行踝关节的康复训练。
图3所示为膝关节结构示意图，这个旋转关节由曲柄摇块机构构成，曲柄摇块机构由螺母旋转式第二滚珠丝杠7作为直线副驱动第二曲柄9运动，带动人体小腿进行康复训练，通过计算机自主设定控制指令后，启动第二直流伺服电机6，第二电机6通过同步带17与第二滚珠丝杠7的螺母16相连传递运动，螺母16的旋转带动第二滚珠丝杠7传动。拉压型压电式力传感器8既当作运动副的一部分，又作为测量受力部件。压电式力传感器8安装在第二滚珠丝杠7的末端，用于测量机器人膝关节的受力，实现动力反馈康复训练。第二直流伺服电机6、第二滚珠丝杠7、旋转式螺母16和同步带17布置在大腿杆5的夹板中间并集中于关节处，易于将其完全封装，具有较高的安全性。

Claims (7)

1、一种截瘫患者用下肢康复医疗机器人，其特征在于：它包括底座装置和位于底座两侧相同的康复下肢训练装置，所述底座装置和康复下肢训练装置均与计算机控制系统相连。
2、根据权利要求1所述的截瘫患者用下肢康复医疗机器人，其特征在于：所述底座装置包括座椅(18)、计算机系统控制箱(21)、承载整个机器的底盘以及在底盘后端固定的支架，控制箱(21)安装在底座(20)上，康复下肢训练装置通过固定连接件(19)分别安装在座椅(18)的两侧，并且以座椅(18)的纵向轴线为对称轴，对称布置，座椅(18)可进行上下、前后、前倾和后仰调节。
3、根据权利要求1或2所述的截瘫患者用下肢康复医疗机器人，其特征在于：康复下肢训练装置包括髋关节、膝关节和踝关节，所述髋关节由髋部件(2)与大腿杆(5)铰接构成，膝关节由大腿杆(5)与小腿杆(10)铰接构成，踝关节由小腿杆(10)与脚踏板(15)铰接构成，所述髋部件(2)的末端与座椅(18)固联，大腿杆(5)和小腿杆(10)的长度可以在规定的范围内进行调节，符合人性化设计要求，所述髋关节、膝关节和踝关节由三个相同模块的曲柄摇块机构组成，曲柄摇块机构由螺母旋转式第一滚珠丝杠(1)作为直线副驱动第一曲柄(4)运动，第二滚珠丝杠(7)作为直线副驱动第二曲柄(9)运动，第三滚珠丝杠(11)作为直线副驱动第三曲柄(13)运动，带动人体下肢进行康复训练。
4、根据权利要求3所述的截瘫患者用下肢康复医疗机器人，其特征在于：所述第一滚珠丝杠(1)的旋转螺母通过同步带与第一直流伺服电机(3)相连，所述第二滚珠丝杠(7)的旋转螺母通过同步带与第二直流伺服电机(6)相连，所述第三滚珠丝杠(11)的旋转螺母通过同步带与第三直流伺服电机(12)相连。
5、根据权利要求3或4所述的截瘫患者用下肢康复医疗机器人，其特征在于：所述第一滚珠丝杠(1)、第二滚珠丝杠(7)和第三滚珠丝杠(11)的一端均安装拉压型压电式力传感器(8)，既当作运动副的一部分，又作为测量受力部件，第一滚珠丝杠(1)、第二滚珠丝杠(7)和第三滚珠丝杠(11)的另一端不固定，不承受径向力。
6、根据权利要求3或4所述的截瘫患者用下肢康复医疗机器人，其特征在于：所述髋关节、膝关节和踝关节均安装绝对位置编码器(14)，在每次启动电源后不必进行原点复归就可获得当前的绝对位置。
7、根据权利要求1或3所述的截瘫患者用下肢康复医疗机器人，其特征在于：所述计算机控制系统包括高性能计算机、控制器、传感器、人机操作界面(22)等部分，人机操作界面(22)固定在座椅(18)左侧的连接板上。
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