CN101978940A - 一种虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统，包括计算机上位机、控制卡、驱动器、手指关节运动功能康复机器人：计算机上位机包括交互式图形用户界面和康复训练任务仿真视口，通过网口与控制卡进行实时通信；控制卡将上位机发出的命令转发到驱动器上，并将外部传感器采集的信号传送到上位机中；控制卡包括：一DA接口、一AD接口、一IO接口以及一网络通信接口；驱动器按照控制器发送的命令信息对机器人的电机进行转矩控制或者位置控制，至少具有以下功能：具有力矩模式、具有速度模式以及两种不同模式能够通过控制其数字量开关的方式进行切换；手指关节康复机器人具有能够实现主被动双向驱动的机械结构，具体包括执行机构和驱动单元。

Description

一种虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统

技术领域

本发明涉及一种虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统。该系统采用“虚实结合”的方式来实现对人手指关节进行康复训练。康复训练所需的位置控制和力矩控制采用对驱动器上的一个可编程的数字开关输入高低电平的方式来进行模式切换。

背景技术

手是人体最重要的结构之一，在生产生活中发挥着重要的作用。其良好的运动能力是人们完成日常生活和工作的重要保障。然而，手每天要完成数千次的屈伸、对指和抓握等运动也使得手指关节在日常生活中很容易受到损伤。此类损伤在治疗的时候都需要对手指长时间的制动，但长时间的制动会由于关节肌腱淤血形成纤维变性，造成手指关节及肌腱的粘连和肌肉的萎缩。另外，由于关节疾病、中风等心血管疾病造成的偏瘫也会导致手指关节肌腱纤维化和肌肉、韧带的痉挛萎缩。以上的情况都会使得患者手部丧失一部分运动功能，导致运动功能障碍。

康复科学表明，尽早的对受损手指提供运动康复训练，有助于受损部位建立新的神经通道，重获已丧失的运动功能。目前针对手指功能的运动康复训练主要采用被动运动、主动运动、主动助力运动和抗阻运动等四种康复运动模式。传统的医师与患者一对一的训练方式存在着很多的问题，比如治疗费用昂贵，效率低，过程单调枯燥等。这些问题导致患者缺乏参加康复训练的主动性和积极性，不利于康复训练的进行。随着机器人技术的不断发展，针对这些问题，将机器人技术、虚拟现实技术和康复医学结合在一起，从而形成的机器人辅助康复系统来辅助医师进行康复训练的思想，吸引了越来越多研究人员的兴趣。机器人辅助康复系统可以辅助康复治疗师同时对多个患者进行高效的治疗，同时其具有图像、声音和力反馈的治疗游戏，使康复训练充满趣味性，提高患者对康复训练的主动性，从而进一步提高治疗效果。最近几年国内外出现了不同类型的手功能康复训练机器人，例如：

中国专利200420019014.X公开了一种智能手部康复训练器，用于手指运动功能康复训练，其组成包括控制系统、电器驱动装置、五根柔索、五对传动软轴和五套手指运动机构。该装置结构简单，成本低廉，通过对电机进行位置控制，能够实现人手被动康复训练模式。

中国专利200520020314.4公开了一种脑血管病人使用的气压式康复手套，主要组成包括气囊、阀门、充气装置，通过对气囊进行有规律的充气和放气，达到辅助人手进行多关节被动的屈伸运动，实现被动康复模式的训练的目的。

然而以上两种系统的缺点是，运动形式单一，只能实现一种康复训练模式。没有采用虚实结合技术，康复过程简单枯燥。

这里的“虚实结合”是指根据康复模式的不同，患者在康复机器人的辅助下进行真实的康复运动，同时某些康复训练任务在虚拟环境中完成。中国专利200410009465.X公开了一种手腕及手指关节运动康复机器人，包括上位机、机器人固定卡具、手托、调速驱动装置、角度检测机构和各种用途的训练手柄。该机器人通过控制一个磁粉离合器实现主动康复模式，通过控制电机的转动实现被动康复模式。通过两种控制方式的结合，实现主被动康复模式。

该装置的缺点是没有应用虚实结合的技术增强患者主动参与康复训练的积极性。同时只实现了三种康复模式，并且，对主动康复模式和被动康复模式采用了两种不同的控制系统，增加了系统复杂性。

中国专利200710168725.1公开了一种穿戴式手功能康复机器人及其控制系统，其组成包括气动肌肉、控制系统、肌电信号系统、上位机等。通过控制气动肌肉的收缩，能够实现对手指主动康复模式的训练。并通过引入了增强现实技术，一定程度上增加了康复训练的趣味性。

该系统的缺点是只能实现主动康复模式，康复训练模式不够全面。虽然引入了增强现实技术，使系统的趣味性得以增加，该技术仅仅是完成了针对虚拟环境设定的任务。而虚实结合的技术不仅应具备采用虚拟环境的康复训练系统所拥有的优点，还应具备在很多不需要虚拟环境进行康复训练的模式下，设定康复参数，起到对手指进行实际康复和对其运动状态进行图形显示的作用。

综合以上已经出现的手指康复系统，从其执行功能上分析，大部分都只实现了主动运动和被动运动、主动助力运动和抗阻运动中的一种或几种，却没有能够同时满足实现四种训练模式的系统出现。其一部分的原因在于这些康复系统并不具备同时提供四种康复模式涉及的位置控制和转矩控制的功能，即便有些康复系统可以实现三种康复训练模式，然而其控制系统的复杂性也有所增加。系统的上位机没有能够采用“虚实结合”技术使得康复训练更具趣味性。因此，搭建一套满足“虚实结合”康复训练的康复系统，实现不同模式的自由切换，是实现现代辅助康复治疗系统的一个重要问题。

本申请人曾申请了两种不同结构的手指运动功能康复机器人，申请号为200910081170.6，200910238175.5，这两款手部康复机器人都具有支持实现四种康复模式的机械结构。然而，这两件专利申请公开的康复机器人，仅仅是具备了能够实现虚实结合技术要求的手指运动功能康复机器人系统的机构部分所具有的功能，并没有将“虚实结合”技术引入搭建一套虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统。因此，在其中第二套康复机器人的基础上，设计了一套能够满足四种康复模式的虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统。该系统能够提供四种基本的康复训练模式，四种模式能够方便自如地进行切换。系统能够采用“虚实结合”的技术实现人手指关节运动功能的康复训练。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为，该机器人辅助手指运动功能康复训练系统包括计算机上位机、控制卡、驱动器、手指关节运动功能康复机器人四个部分组成：

(一)计算机上位机

计算机上位机可以是普通的家用计算机，其功能是提供虚拟康复训练环境，包括交互式图形用户界面和康复训练任务仿真视口，交互式图形用户界面用于选择康复运动模式、设置训练参数、及康复机器人标定等。仿真视口用于显示仿真训练任务及完成过程。为保证所述的上位机与控制卡的通信频率(1000HZ)，本发明所述计算机通过网口与控制卡进行实时通信。本发明所述的交互式图形用户界面和康复训练任务仿真视口均采用VC++语言集合OpenGl进行编写。

(二)控制卡

控制卡的作用是将上位机发出的命令转发到驱动器上，同时也担任着将外部传感器采集的信号传送到上位机中。可以是商用的控制卡，也可以是开发的控制卡。所述的控制卡至少包括：一DA接口、一AD接口、一IO接口以及一通信接口(网口)；其中，上位机对手指关节机器人的命令信息，将通过DA接口发送给驱动器；机器人的角度传感器和力传感器采集的信息通过AD接口被发送到上位机中；上位机通过IO通道发送出高低电平，以此作为其发送命令的一个开关；AD接口或DA接口的信息都是通过控制卡的通信接口(网口)与上位机进行通信；

(三)驱动器

驱动器的作用是按照控制器发送的命令信息对机器人的电机进行转矩控制或者位置控制。驱动器可以是商用的，也可以是自主研发的。驱动器为了实现我们要求的四种康复训练模式，必须能够具有以下三点功能：具有力矩模式、具有速度模式和两种不同模式的方便切换。这里的方便切换是指不需要通过手动的改变其物理连接，比如人为地改接线路或者拨动其特有的开关等。本专利选择一个商用驱动器(Accelnet，Copley Inc，USA)。该驱动器通过对驱动器的一个可编程的数字开关输入高低电压进行控制，其输入高电平为转矩模式，低电平为速度模式。该专利的速度模式要求电机的增量式编码器接入到驱动器中来实现对电机的速度反馈。

(四)手指关节康复机器人

手指关节康复机器人用来具体实施常用的四种基本康复模式。该机器人必须具有能够实现主被动双向驱动的机械结构。该机器人的驱动部分必须能够提供转矩和位置两种输出方式。为了使控制系统更加简单，该机器人运用直流电机作为其驱动装置。本专利的手指功能康复机器人采用背景中本申请人递交的申请号为200910238175.5所公布的外骨骼式手指运动功能康复机器人，其是由执行部分、远近端关节驱动和掌骨关节驱动三部分组成；其中远近端关节驱动和掌骨关节驱动以下统称为驱动单元。其驱动单元采用直流电机进行驱动。执行机构和驱动单元采用钢丝绳外套的方式进行传动。驱动单元的电机码盘接入驱动器中提供电机位置控制时需要的速度反馈(如图3所示)。机器人执行机构手指末端集成有压力传感器，每个手指关节集成有角度传感器。传感器通过AD通道与控制卡进行连接。

系统对主动模式、被动模式、主动助力模式和抗阻模式实现过程中所需的对力矩模式和速度模式进行切换，是通过驱动器的一个可编程的数字开关输入高低电压进行控制，即通过高低电平的切换实现对转矩模式和速度模式的控制切换；其输入高电平为转矩模式，低电平为速度模式；该速度模式要求电机的增量式编码器接入到驱动器中来实现对电机的速度反馈。

本发明的手指运动功能康复系统优点在于：(1)与现有的手部康复系统相比，本发明能够实现“虚实结合”的康复训练模式，有助于病人提高参与治疗的主动性与趣味性(2)本发明能够实现四种基本的康复模式操作，并能够完成四种康复模式的自由切换，使患者更加全面地进行康复训练。

附图说明

图1为手指关节运动功能康复系统结构图

图2为手指关节运动功能康复系统康复算法流程图

图3为计算机提供康复治疗虚拟环境的康复机器人控制系统结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实例来进一步对发明做进一步详细说明

如图1、3所示，本发明由计算机上位机1提供虚拟环境，用来提供康复模式的选择、切换，参数设置以及，康复任务的图像、声音等反馈。所述控制卡2，通过网口与计算机1进行通信，并通过IO通道以及DA通道与驱动器3进行通信，IO通道发送模式选择所需的高低电平，DA通道发送驱动器3对手指关节机器人驱动单元4进行控制的控制信号。驱动器3根据接收到的IO以及DA信息，对驱动单元4的电机进行控制。驱动单元4与执行机构5通过钢丝绳外套6的方式进行传动。执行机构5上面加装的角度传感器和力传感器，通过AD通道与控制卡2进行通信，充当执行机构的位置和压力信息的反馈。

不同模式对应的系统结构如下：如图2所示，操作者可以通过上位机操作界面选择四种康复模式中的一种进行康复训练。被动康复时，在交互式图形用户界面选择被动模式，控制卡通过IO通道向驱动器发送一个5V的电压，驱动器工作在速度模式，患者手部放松，康复设备带动手指关节按照从交互界面中输入的轨迹、速度参数，重复进行弯曲和伸直、外展和内敛等运动，康复训练任务仿真视口显示人手部的运动状态；主动康复时，在交互式图形用户界面选择主动模式，控制卡通过IO通道向驱动器发送一个0V的电压，驱动器工作在转矩模式，患者可以用手指带动执行机构自由运动，虚拟环境通过康复设备给人手指一个力反馈，同时虚拟环境通过动画、声音等，给患者视觉、听觉反馈；主动助力模式，在交互式图形用户界面选择主动助力模式，在本套系统中，主动助力模式为主动模式和被动模式的集成。控制卡通过IO通道向驱动器发送一个0V的电压，系统首先工作在主动运动模式下，当手指关节达到自己的运动极限后，控制卡通过IO通道向驱动器发送一个5V的电压，系统工作在被动模式下，手指关节接受被动模式的训练，来扩展手指关节运动范围。当被动训练完成后，系统再次恢复工作在主动模式下。在康复过程中，康复训练任务仿真视口显示人手部的运动状态；抗阻康复运动时，在交互式图形用户界面选择抗阻模式并输入每个关节所需的抗阻力，控制卡通过IO通道向驱动器发送一个0V的电压，驱动器工作在转矩模式下，驱动单元通过钢丝绳外套的方式驱动执行机构给手指关节一个从交互界面中输入的抗阻力。

Claims (2)

1.一种虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统，其特征在于：该系统包括计算机上位机、控制卡、驱动器、手指关节运动功能康复机器人四个部分组成：

(1)计算机上位机

计算机上位机为整个系统提供虚拟康复训练环境，包括交互式图形用户界面和康复训练任务仿真视口，交互式图形用户界面用于选择康复运动模式、设置训练参数、及康复机器人标定；仿真视口用于显示仿真训练任务及完成过程；所述计算机上位机通过通信接口与控制卡进行实时通信；

(2)控制卡

控制卡是将上位机发出的命令转发到驱动器上，同时将外部传感器采集的信号传送到上位机中；所述的控制卡至少包括：一DA接口、一AD接口、一IO接口以及一通信接口；其中，上位机对手指关节机器人的命令信息，将通过DA接口发送给驱动器；机器人的角度传感器和力传感器采集的信息通过AD接口被发送到上位机中；上位机通过IO通道发送出高低电平，以此作为其发送切换命令的一个开关；AD接口或DA接口的信息都是通过控制卡的通信接口与上位机进行通信；

(3)驱动器

驱动器是按照控制器发送的命令信息对机器人的电机进行转矩控制或者位置控制；所述的驱动器至少具有以下三点功能：具有力矩模式、具有速度模式以及两种不同模式能够通过控制其数字量开关的方式进行切换；

(4)手指关节康复机器人

手指关节康复机器人具有能够实现主被动双向驱动的机械结构，具体包括执行机构和驱动单元；执行机构和驱动单元采用钢丝绳外套的方式进行传动；驱动单元的电机码盘接入驱动器中提供电机位置控制时需要的速度反馈；机器人执行机构末端集成有压力传感器和关节角度传感器，通过AD通道与控制卡进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种虚实结合的机器人辅助手指运动功能康复训练系统，其特征在于：系统对主动模式、被动模式、主动助力模式和抗阻模式实现过程中所需的对力矩模式和速度模式进行切换，是通过驱动器的一个可编程的数字开关输入高低电压进行控制，即通过高低电平的切换实现对转矩模式和速度模式的控制切换。

Images