CN102204862B - 一种截瘫患者康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种截瘫患者康复训练机器人，包括机械连杆、伺服驱动系统、运动控制模块，其中机械连杆包括小腿机构、大腿机构和胸部机构；所述小腿机构、大腿机构和胸部机构通过关节连接，使用时穿戴在患者身上，伺服驱动系统在运动控制模块的控制下驱动连杆小腿机构、大腿机构和胸部机构，完成训练运动，其中所述运动控制模块包括康复训练单元和助行单元；康复训练单元包括坐起子单元、坐下子单元、站立子单元、原地踏步子单元、单步步行子单元；所述助行单元包括行走子单元、上下台阶子单元。对促进患者功能障碍早日康复、提高其自身生活质量、最大限度地实现人生价值，减轻社会负担具有重要的社会意义。

Description

一种截瘫患者康复训练机器人

技术领域

本发明涉及一种截瘫患者康复训练机器人，属于康复医疗器械技术领域。

背景技术

康复工程(rehabilitation engineering)是工程学在康复医学临床中的应用，是利用工程学的原理和手段，在对人体所丧失的功能进行全面的评定后，通过代偿或补偿的方法来矫治畸形、弥补功能缺陷和预防功能进一步退化，使患者能最大限度地实现生活自理和回归社会。康复医疗的服务对象并不局限于残疾人，因为有些功能障碍经过康复治疗能够得到恢复，及时的康复治疗可以大大降低残疾人的数量，是残疾预防的重要途径^[1]。

据统计，目前我国截瘫患者有数百万人，每年有大约12万人罹患因脊髓完全或者部分截断造成的截瘫(美国每年约有2万人)。随着工业与交通日益发达，尽管采取了各种安全防护措施，虽能降低工伤和车祸的发生率，但工伤和车祸导致截瘫的绝对人数肯定比以往增多。这部分残疾人迫切需要积极的康复治疗。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。目前对神经系统伤病所致肢体功能障碍的康复治疗主要依赖于治疗师一对一的徒手训练，难以实现高强度、有针对性和重复性的康复训练要求，特别是在国外，人工训练的成本很高^[3]。因此，寻求高效低成本的康复手段，缩短病程，提高疗效，对促进患者功能障碍早日康复、提高其自身生活质量、减轻社会负担具有重要的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种截瘫患者康复训练机器人，采用如下技术方案：

一种截瘫患者康复训练机器人，包括机械连杆、伺服驱动系统、运动控制模块，其中机械连杆包括小腿机构、大腿机构和胸部机构；所述小腿机构、大腿机构和胸部机构通过关节连接，使用时穿戴在患者身上，伺服驱动系统在运动控制模块的控制下驱动连杆小腿机构、大腿机构和胸部机构，完成训练运动，其中所述运动控制模块包括康复训练单元和助行单元；康复训练单元包括坐起子单元、坐下子单元、站立子单元、原地踏步子单元、单步步行子单元；所述助行单元包括行走子单元、上下台阶子单元。

所述的截瘫患者康复训练机器人，所述坐起子单元控制流程为：首先胸部机构前倾α₁-α₂度，小腿机构后倾90-α₃度；接着大腿机构前倾α₇-α₅度，胸部机构后倾α₆-α₂度；最后胸部机构后倾α₈-α₆度，小腿机构前倾90-α₃度完成坐起动作。

所述的截瘫患者康复训练机器人，所述坐下子单元控制流程为：首先胸部机构前倾(β₁-β₂)度，然后胸部机构前倾(β₂-β₆)度，同时大腿机构后倾(β₃-β₇)度，胸部机构后倾(β₈-β₆)度，完成坐下动作。

所述的截瘫患者康复训练机器人，所述单步步行运动子单元的控制流程为：1)、右大腿机构前倾λ1度，右小腿机构后倾λ2度；2)、接着左大腿机构前倾λ3度，右大腿机构后倾(λ1-λ4)度，右小腿机构前倾λ2度；3)、左大腿机构前倾(λ1+λ3)度，左小腿机构前倾λ2度；4)、左大腿机构前倾λ1度，右大腿机构后倾λ1-λ4)度，右小腿机构后倾λ2度。

所述的截瘫患者康复训练机器人，所述原地踏步运动子单元的控制流程为：1)、右大腿机构前倾ε₁度，右小腿机构后倾ε₂度；2)、右大腿机构后倾ε₁度，右小腿机构前倾ε₂度；3)、左大腿机构前倾ε₁度，左小腿机构后倾ε₂度；4)、左大腿机构后倾ε₁度，左小腿机构前倾ε₂度。

所述的截瘫患者康复训练机器人，所述行走子单元的控制流程为：1)、右大腿机构前倾θ₁度，右小腿机构后倾θ₂度；2)、右大腿机构后倾θ₁-θ₄度，右小腿机构前倾θ₂度，左大腿机构后倾θ₃度；3)、左大腿机构前倾θ₃+θ₁度，左小腿机构后倾θ₂度，右大腿机构后倾θ₄；4)、左大腿机构后倾θ₁度，左小腿机构前倾θ₂。

所述的截瘫患者康复训练机器人，所述上台阶控制流程为：1)、胸部机构前倾γ₁度；2)、右大腿机构前倾γ₂度，右小腿机构后倾γ₃度；3)、右大腿机构后倾(γ₂-γ₄)度，右小腿机构前倾(γ₃-γ₄)度；4)、左大腿机构后倾γ₅度，右大腿机构前倾(γ₆-γ₄)度，右小腿机构前倾(γ₇-γ₄)度；5)、左大腿机构前倾(γ₅+γ₈)度，有大腿机构后倾γ₆度，左小腿机构后倾γ₉度，右小腿机构前倾γ₇度；6)、左大腿机构后倾γ₈度，左小腿机构前倾γ₉度，胸部机构前倾γ₁度。

所述的截瘫患者康复训练机器人，所述下台阶子单元的控制流程为：1)、胸部前倾δ₁度；2)、右大腿机构前倾δ₂度，右小腿机构后倾δ₃度；3)、右小腿机构前倾δ₃度；4)、左大腿机构前倾δ₄度，左小腿机构后倾δ₅度；5)、左大腿机构后倾(δ₄-δ₇)度，右大腿机构前倾δ₂度，左小腿机构前倾(δ₅-δ₆)度；6)、左大腿机构前倾(δ₂-δ₇)度，左小腿机构后倾(δ₆-δ₃)度；7)胸部机构前倾δ₁度，左大腿机构后倾δ₂度，左小腿机构前倾δ₃度。

康复事业在我国开展的20年以来，得到康复者约为需要者的1/10。为此，国家提出到2015年要实现使所有残疾人，人人享有康复服务的目标。要实现这个目标，必须加强康复医学的建设与康复工程技术的发展。本发明是一种高效低成本的康复设备，使用它可以缩短病程，提高疗效，对促进患者功能障碍早日康复、提高其自身生活质量、最大限度地实现人生价值，减轻社会负担具有重要的社会意义。

1.减轻了治疗师一对一的徒手训练的强度。

2.降低了患者的治疗费用。目前患者在医院借助其他康复治疗设备进行康复训练时一般收费是每20-30分钟40-70元，每天做两次，最节约的一年下来连住院费大概到10万元。如用治疗师进行康复费用会更高。一般的患者大约需要3-5年的康复训练，这样大约需60多万。而本设备的基本型大约8万就可以买上，患者在家里就可以进行康复训练。

3.增强患者的自信心，缩短了疗程。在治疗的过程中，康复机器人带动患者做肢体运动，克服了患者的惰性，加快了康复进程。

附图说明

图1为坐起运动规划；

图2坐起运动控制流程图；

图3为坐下控制流程图；

图4为坐下规划图，图中的(xi，yi)αi，βi是各关节在运动空间中的直角坐标和关节坐标；

图5为单步步行控制流程图；

图6为单步步行运动规划图，图中的(xi，yi)λi是各关节在运动空间中的直角坐标和关节坐标；

图7为原地踏步运动规划，图中的(xi，yi)εi是各关节在运动空间中的直角坐标和关节坐标；

图8为原地踏步控制流程；

图9为连续步行控制流程图；

图10为连续步行运动规划图，图中的(xi，yi)、θi、l是各关节在运动空间中的直角坐标、关节坐标和步距；

图11为上台阶运动规划图；

图12为下台阶运动规划图，图中的(xi，yi)、γ、δ是各关节在运动空间中的直角坐标、关节坐标和步距；

图13为上台阶控制流程图；

图14为下台阶控制流程图；

注：1)各机构的前倾、后倾动作是由伺服系统中的电机正反转完成的；

2)流程图中每一个功能框的动作是同时进行的；

3)流程图中的角度α₁般为105度，α₂一般为15度，因人坐的习惯而异，其它角度都是电机运动过程中的控制过程角度，最终使大腿和小腿与水平面垂直，α₈为180度。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

截瘫患者康复训练机器人，主要有四大部分构成：即机械连杆、伺服驱动系统、运动控制模块和电源，其中机械连杆包括小腿机构、大腿机构、胸部机构(如图中运动规划图中，自下而上依次为小腿机构、大腿机构、胸部机构)；所述小腿机构、大腿机构和胸部机构通过关节连接，使用时穿戴在患者身上，伺服驱动系统在运动控制模块的控制下驱动小腿机构、大腿机构和胸部机构，完成训练运动。

所述运动控制模块包括康复训练单元和助行单元。

康复训练单元包括坐起子单元、坐下子单元、站立子单元、原地踏步子单元、单步步行子单元；

所述助行单元包括行走子单元、上下台阶子单元。

实施例2

康复训练单元主要适用高位、低位患者初期的训练，包括坐起子单元、坐下子单元、站立子单元、原地踏步子单元、单步步行子单元；

如图1和图2所示，坐起子单元、坐下子单元，站立子单元，患者可以进行起、坐和站立训练，以增强下肢肌力和身体的平衡性，同时也可使上肢的臂力得到锻炼，此外，还可以增强患者对训练器的适应性，为进一步的训练打好基础。

具体为：(1)坐起子单元，共包括5个控制步骤：弯腰步骤、重心前移步骤、两腿和腰逐渐伸直步骤、直腰步骤、直腿步骤，重心移到两腿上；图2是由坐态到站立的一个运动过程，在这个过程中，首先胸部机构前倾α₁-α₂度(注：运动过程中的角度要根据患者的情况来确定，如患者希望的步伐大小、病情等。然后运用运动学模型(坐标变换)反解求得，下同)，小腿机构后倾90-α₃度完成弯腰步骤，收腿重心前移步骤；接着大腿机构前倾α₇-α₅度，胸部机构后倾α₆-α₂度，完成两腿和腰逐渐伸直步骤；第三，胸部机构后倾α₈-α₆度，小腿机构前倾90-α₃度完成直腰、直腿步骤。

(2)坐下子单元：包括以下步骤，弯腰步骤、重心前移步骤、两腿和腰逐渐弯曲步骤、直腰步骤、重心移到椅子上步骤，如图3和图4所示，图3为坐下子单元控制流程图，首先胸部机构前倾(β₁-β₂)即(180°-β₂)，大约10°度左右，然后胸部机构前倾(β₂-β₆)度，即大约40°度，同时大腿机构后倾(β₃-β₇)度，即(180°-90°)胸部机构后倾(β₈-β₆)度，即50°左右。

2.单步步行运动子单元

参考图6，图6为单步步行时的运动规划图(其中粗实线表示右腿，粗虚线表示左腿，下同)，包括以下步骤：重心左移(以右腿单步步行为例)、右腿抬起、右腿放下、重心移到两腿之间、重心移到两条腿上。

患者在行走前需要对重心移动进行训练，为此，设计了单步步行运动子单元，该规划中，患者每按一次开关，腿向前迈一步，可以迈左腿，也可以迈右腿，具体为：在步行过程中，当摆动腿向前摆动时，身体重心从双腿中心移到支撑腿上，因此身体先要向支撑腿一侧扭动来移动重心，这要靠患者通过上半身和手臂的协调动作来完成，为了防止在侧扭的同时摆动腿抬起，而造成身体向摆动腿一侧倾倒，步态设计中将侧扭和摆动腿的抬腿动作分步设计，即先侧扭，侧扭到位后保持，然后再抬腿。

参考图5，为单步步行运动子单元的控制流程图，1)、右大腿机构前倾λ1(35°-50°)度，右小腿机构后倾λ2度(30°-45°)；2)、接着左大腿机构前倾λ3(10°)度，右大腿机构后倾(λ1-λ4)(约10°)度，右小腿机构前倾λ2(30°-45°)度；3)、左大腿机构前倾(λ1+λ3)(约40°)度，左小腿机构后倾λ2(30°)度；4)、左大腿机构前倾λ1(35°-50°)度，右大腿机构后倾λ1-λ4(约10°)度，右小腿机构后倾λ2(30°)度。

3.原地踏步运动子单元

当患者经过一段时间的起坐训练后，在穿戴下肢康复训练器后能够依靠拐杖很稳定的独自站立时，就可以开始原地踏步训练了。

原地踏步运动子单元的目的是对患者下肢各关节和肌体进行康复训练。将原地踏步运动规划为：重心移到左腿、右腿抬起、右腿放下、重心移到右腿、左腿抬起、左腿放下等六个阶段，然后按此规律做周期性重复训练。原地踏步的运动规划如图7和图8所示。

图8为原地踏步运动子单元的控制流程图，1)、右大腿机构前倾ε₁(35°-50°)度，右小腿机构后倾ε₂(30°-45°)度；2)、右大腿机构后倾ε₁度，右小腿机构前倾ε₂度；3)、左大腿机构前倾ε₁度，左小腿机构后倾ε₂度；4)、左大腿机构后倾ε₁度，左小腿机构前倾ε₂度，重复以上动作，即可完成原地踏步运动训练。

实施例3

在患者经过一段时间康复训练后，其肌体，关节得到了一定的锻炼和恢复，掌握了运动过程中自身的平衡，患者就可以依靠拐棍像正常人一样进行行走和活动，通过活动一方面继续进行康复训练，同时也实现生活自理，增强患者的生活自信心，促进康复训练的进程。即可进入助行规划单元，进入助行规划单元包括行走子单元，上下台阶运动子单元。

1.行走子单元

当患者穿戴下肢康复训练器进行单步步行比较熟练后，就可以开始连续步行训练了。将连续步行分为为：重心右移(先是右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到两腿之间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到两腿之间八个阶段。连续步行的运动规划如图10所示，图9为行走子单元的控制流程图，1)、右大腿机构前倾θ₁(35°-50°)度，右小腿机构后倾θ₂(30°-45°)度；2)、右大腿机构后倾θ₁-θ₄(10°)度，右小腿机构前倾θ₂度，左大腿机构后倾θ₃(10°)度；3)、左大腿机构前倾θ₃+θ₁(10°)度，左小腿机构后倾θ₂(30°-45°)度，右大腿机构后倾θ₄(约10°)；4)、左大腿机构后倾θ₁度，左小腿机构前倾θ₂，如此往复，完成病人行走训练。

2.上台阶运动子单元、下台阶运动子单元

当患者对前期的起坐训练、原地踏步训练和行走训练已经相当的熟练时，就可以适当的进行上、下台阶训练了，即可进入上台阶运动子单元、下台阶运动子单元。图11、图12为上台阶运动子单元、下台阶运动子单元的运动规划图。其中每级台阶高度和宽度都相同，分别为h，w。按图11的运动规划使康复训练器连续上台阶，则应满足两个约束条件：

l₁sinγ₄＝w

l₁cosγ₄+h＝l₁

图13中上台阶控制流程图，1)、胸部机构前倾γ₁(10°)度；2)、右大腿机构前倾γ₂(60°-80°)度，右小腿机构后倾γ₃(90°-120°)度；3)、右大腿机构后倾(γ₂-γ₄)度(注：实际运行时由脚底的传感器来测定)，右小腿机构前倾(γ₃-γ₄)度(实际运行时由脚底的传感器来测定)；4)、左大腿机构后倾γ₅(约10°-15°)度，右大腿机构前倾(γ₆-γ₄)(约10°-15°)度，右小腿机构前倾(γ₇-γ₄)(约10°-15°)度；5)、左大腿机构前倾(γ₅+γ₈)(约35°-40°)度，右大腿机构后倾γ₆(约20°-30°)度，左小腿机构后倾γ₉(约60°-90°)度，右小腿机构前倾γ₇(30°-40°)度；6)、左大腿机构后倾γ₈(30°-35°)度，左小腿机构前倾γ₉(约60°-90°)度，胸部机构前倾γ₁(10°)度；如此往复，完成上台阶训练。

同理，按图12的运动规划使康复训练器连续下台阶，则应满足：

(l₁+l₂)sinδ₂＝w

l₁cosδ₄+l₂(δ₅-δ₄)+h＝(l₁+l₂)cosδ₂

图14为下台阶子单元的控制流程图，1)、胸部前倾δ₁(约30°)度；2)、右大腿机构前倾δ₂(约30°)度，右小腿机构后倾δ₃(约45°)度；3)、右小腿机构前倾δ₃(约45°)度；4)、左大腿机构前倾δ₄(25°)度，左小腿机构后倾δ₅(约70°-85°)度；5)、左大腿机构后倾(δ₄-δ₇)度，右大腿机构前倾δ₂度，左小腿机构前倾(δ₅-δ₆)度(注：实际运行的角度由脚底的传感器来控制)；6)、左大腿机构前倾(δ₂-δ₇)约(25°-40°)度，左小腿机构后倾(δ₆-δ₃)(10°-20°)度；7)胸部机构前倾δ₁度，左大腿机构后倾δ₂度，左小腿机构前倾δ₃度。重复以上动作，完成下台阶训练。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种截瘫患者康复训练机器人，其特征在于，包括机械连杆、伺服驱动系统、运动控制模块，其中机械连杆包括小腿机构、大腿机构和胸部机构；所述小腿机构、大腿机构和胸部机构通过关节连接，使用时穿戴在患者身上，伺服驱动系统在运动控制模块的控制下驱动小腿机构、大腿机构和胸部机构，完成训练运动，其中所述运动控制模块包括康复训练单元和助行单元；康复训练单元包括坐起子单元、坐下子单元、站立子单元、原地踏步子单元、单步步行子单元；所述助行单元包括行走子单元、上台阶子单元和下台阶子单元；所述坐下子单元控制流程为：首先胸部机构前倾10度，然后胸部机构前倾40度，同时大腿机构后倾180-90度，胸部机构后倾50度。

2.根据权利要求1所述的截瘫患者康复训练机器人，其特征在于，所述单步步行子单元的控制流程为：1)、右大腿机构前倾35-50度，右小腿机构后倾30-45度；2)、接着左大腿机构前倾10度，右大腿机构后倾10度，右小腿机构前倾30-45度；3)、左大腿机构前倾40度，左小腿机构后倾30度；4)、左大腿机构前倾35-50度，右大腿机构后倾10度，右小腿机构后倾30度。

3.根据权利要求1所述的截瘫患者康复训练机器人，其特征在于，所述原地踏步子单元的控制流程为：1)、右大腿机构前倾35-50度，右小腿机构后倾30-45度；2)、右大腿机构后倾35-50度，右小腿机构前倾30-45度；3)、左大腿机构前倾35-50度，左小腿机构后倾30-45度；4)、左大腿机构后倾35-50度，左小腿机构前倾30-45度。

4.根据权利要求1所述的截瘫患者康复训练机器人，其特征在于，所述行走子单元的控制流程为：1)、右大腿机构前倾35-50度，右小腿机构后倾30-45度；2)、右大腿机构后倾10度，右小腿机构前倾30-45度，左大腿机构后倾10度；3)、左大腿机构前倾10度，左小腿机构后倾30-45度，右大腿机构后倾10度；4)、左大腿机构后倾35-50度，左小腿机构前倾30-45度。

5.根据权利要求1所述的截瘫患者康复训练机器人，其特征在于，所述上台阶子单元的控制流程为：1)、胸部机构前倾10度；2)、右大腿机构前倾60-80度，右小腿机构后倾90-120度；3)、右大腿机构后倾γ2-γ4度，右小腿机构前倾γ3-γ4度，γ2-γ4和γ3-γ4在实际运行时由脚底的传感器来测定；4)、左大腿机构后倾10-15度，右大腿机构前倾10-15度，右小腿机构前倾10-15度；5)、左大腿机构前倾35-40度，右大腿机构后倾20-30度，左小腿机构后倾60-90度，右小腿机构前倾30-40度；6)、左大腿机构后倾30-35度，左小腿机构前倾60-90度，胸部机构前倾10度。

6.根据权利要求1所述的截瘫患者康复训练机器人，其特征在于，所述下台阶子单元的控制流程为：1)、胸部前倾30度；2)、右大腿机构前倾30度，右小腿机构后倾45度；3)、右小腿机构前倾45度；4)、左大腿机构前倾25度，左小腿机构后倾70-85度；5)、左大腿机构后倾20-35度，右大腿机构前倾30度，左小腿机构前倾δ5-δ6度，实际运行的角度δ5-δ6由脚底的传感器来控制；6)、左大腿机构前倾25-40度，左小腿机构后倾10-20度；7)胸部机构前倾30度，左大腿机构后倾30度，左小腿机构前倾45度。

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