CN102274106B

CN102274106B - 康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置

Info

Publication number: CN102274106B
Application number: CN 201110224865
Authority: CN
Inventors: 宋爱国; 茅晨; 柯欣; 崔建伟; 李会军; 吴常铖; 王楠
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: CN102274106A

Abstract

一种康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置，包括左活动臂、右活动臂、半月形支架、力矩测量机构以及左压力测量机构和右压力测量机构，左、右活动臂分别与半月形支架两端转动连接，半月形支架包括弯曲梁和直梁，弯曲梁上设有左活动臂定位孔和右活动臂定位孔，左、右活动臂上分别设有左、右活动臂固定孔，力矩测量机构包括同心圆环和左、右中心梁，左中心梁的左端与半月形支架连接，右端与同心圆环连接，在左中心梁的两侧设有左前、左后应变片，右中心梁的左端与同心圆环连接，右端与半月形支架连接，在右中心梁的两侧设有右前、右后应变片，左、右压力测量机构采用一维压力测量装置，所述一维压力测量装置由一维压力传感器和托盘组成。

Description

康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置

技术领域

本发明属于康复医疗器械领域，是一种帮助病人实现康复训练的手臂康复装置，主要用于安装在具有一个旋转轴输出的康复训练机器人的输出轴末端，实现手臂功能力衰退病人的手臂训练。

背景技术

中风，是中老年人的常见病和多发病。一般来说，中风病人的下肢较容易康复，上肢不容易康复，尤其是以手部、肘关节、腕关节的功能最难恢复。康复医学专家指出，越早进行康复训练，可以降低致残率、提高功能恢复的几率和效果。临床上对中风患者的康复方法大多数依赖于治疗医师对患者一对一的物理治疗，效果不明显且缺乏量化和客观的评价。因此，研制一种满足患者手臂康复训练要求的康复装置具有极大的实用价值和社会意义。

手臂康复装置在国外得到医疗机构和研究者的普遍重视，许多机构进行了相关的研究并取得了成效。国内对于手臂康复装置的研究起步较晚，康复训练主要在医护人员的指导下完成，康复装置的训练部位单一，而且训练的力度多凭经验完成，对康复训练效果的评估不利，远不能满足康复病人的需求。

鉴于此，本发明提出了一种具有力矩感知、平衡力感知的多功能手臂康复装置，主要安装在具有旋转轴输出的康复训练机器人上，用于帮助病人进行肘关节、腕关节及手部的康复训练。

发明内容

本发明的目的在于为康复病人提供一种能够实现其手臂主动训练（康复病人自己带动手臂康复装置）、被动训练（康复病人由其他康复机器人通过手臂康复装置带动训练）两种训练方式的康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置。

本发明采用以下技术方案：

一种康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置，其特征在于：包括左活动臂、右活动臂、半月形支架、力矩测量机构以及左压力测量机构和右压力测量机构，左活动臂的末端装有左手柄，右活动臂的末端装有右手柄，左活动臂、右活动臂分别与半月形支架的两端转动连接，半月形支架由弯曲梁和直梁两部分组成，在弯曲梁上分别设有左活动臂定位孔和右活动臂定位孔，在左活动臂上设有与左活动臂定位孔相对应的左活动臂固定孔，在右活动臂上设有与右活动臂定位孔相对应的右活动臂固定孔，在直梁的中央设有圆孔，所述力矩测量机构包括同心圆环、左中心梁和右中心梁，左中心梁的左端与半月形支架连接，左中心梁的右端与同心圆环连接，在左中心梁的两侧分别设有左前应变片和左后应变片，右中心梁的左端与同心圆环连接，右中心梁的右端与半月形支架连接，在右中心梁的两侧分别设有右前应变片和右后应变片，左压力测量机构和右压力测量机构采用一维压力测量装置，所述的一维压力测量装置由一维压力传感器和托盘组成，一维压力传感器的受力轴通过销与托盘固定。

康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置通过旋转输出轴与其他康复训练机器人相固连，实现多种康复训练。在进行肘关节和腕关节康复训练时，康复病人双手手部握住左、右活动臂上的手柄，绕着转动轴转动，沿半月形支架的导槽调节位置。在联合其他康复机器人进行主、被动训练时，先将左、右活动臂上的固定孔和半月形支架的弯曲梁上相对应的定位孔由插销配合固定，康复病人将左右手肘放在左右压力测量机构的托盘上，手部握住半月形支架，主动带动康复装置绕旋转输出轴转动或者由其他康复训练机器人输出扭矩力被动带动转动，力矩测量机构的左、右中心梁侧面对称贴有的四片应变片组成一个全桥电路，经放大电路放大后输出一个电压值，这个电压值与主、被动训练时手臂康复装置受到的力矩大小成正比，根据这个电压值的大小感知力矩力的大小，判断康复病人手臂的恢复情况。同时托盘将康复病人左右手肘的支撑力大小传递给左、右压力测量机构的一维压力传感器，感知托盘所受的康复病人手肘的垂直轴向力的情况。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明可安装在具有一个旋转输出轴的康复训练机器人输出轴末端，通过简单可靠的训练帮助康复病人提高甚至恢复手臂运动的能力。

（2）本发明可由康复病人握住左、右活动手臂的手柄绕着转动轴转动，沿半月形支架的导槽自由调节左右活动手臂的位置，实现手肘关节和腕关节的康复训练。

（3）左、右活动臂上的固定孔可以和半月形支架弯曲梁上的定位孔通过插销配合固定，实现不同形式的组合，方便康复病人进行主、被动训练，防止训练过程中左右活动臂松动对康复病人造成伤害。

（4）由力矩测量机构的左、右中心梁侧面四片应变片组成的全桥电路可以测量病人在康复训练中主、被动扭矩的大小，实现了力矩的感知。

（5）左、右压力测量机构能够测量康复病人在训练时左右手肘的支撑力大小，判断重心是否平衡，以便让病人及时调整训练姿态。

附图说明

图1是本发明的康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置的结构示意图。

图2是本发明的康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置的剖视图。

图3是本发明的半月形支架及力矩测量机构的结构示意图。

图4是本发明的康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置的一种组合示意图。

图5是本发明的压力测量机构的连接结构示意图。

图6是本发明与其他康复训练机器人的连接结构示意图。

图7是本发明的力矩测量机构的信号测量电路原理图。

具体实施方案

一种康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置，其特征在于：包括左活动臂6、右活动臂2、半月形支架4、力矩测量机构8以及左压力测量机构5和右压力测量机构3，左活动臂6的末端装有左手柄7，右活动臂2的末端装有右手柄1，左活动臂6、右活动臂2分别通过转动轴22、23与半月形支架4的两端转动连接，半月形支架由弯曲梁10和直梁9两部分组成，在弯曲梁10上分别设有左活动臂定位孔和右活动臂定位孔，在左活动臂6上设有与左活动臂定位孔相对应的左活动臂固定孔，在右活动臂2上设有与右活动臂定位孔相对应的右活动臂固定孔，在直梁9的中央设有圆孔14，所述力矩测量机构8包括同心圆环11、左中心梁13和右中心梁12，左中心梁13的左端与半月形支架4连接，左中心梁13的右端与同心圆环11连接，在左中心梁13的两侧分别设有左前应变片R₄和左后应变片R₃，右中心梁12的左端与同心圆环11连接，右中心梁12的右端与半月形支架4连接，在右中心梁12的两侧分别设有右前应变片R₁和右后应变片R₂，左压力测量机构5和右压力测量机构3采用一维压力测量装置，所述的一维压力测量装置由一维压力传感器16和托盘19组成，一维压力传感器16的受力轴17通过销18与托盘19固定。

下面结合附图及具体实施例对本发明的康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置的结构进行详细叙述说明。

参照图1、图2，一种康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置，左活动臂6通过转动轴22与半月形支架4的左端转动连接，右活动臂2通过转动轴23与半月形支架4的右端转动连接。康复病人可以双手握住左右活动臂6、2末端的手柄7、1，分别绕转动轴22、23进行平面半圆周转动，沿半月形支架4上的导槽调节位置，以实现手肘关节和腕关节的康复训练。左活动臂6上设有三个固定孔611、612、613，右活动臂2上设有三个固定孔201、202、203，半月形支架4的弯曲梁10上设有六个定位孔401、402、403、411、412、413，可以通过插销将相对应的固定孔和定位孔相配合固定，实现不同位置的固定组合，方便康复病人进行主被动扭矩训练，防止训练过程中左、右活动臂6、2松动对康复病人造成伤害。图4为康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置的一种组合方式。

如图3所示，力矩测量机构采用典型的横梁结构，左中心梁13和右中心梁12组成一字横梁，这种结构简化了弹性体的受力模型，通过测量一字横梁弹性体相应的变形即可得到力矩输出。左中心梁13的两侧分别设有左前应变片R₄和左后应变片R₃，右中心梁12的两侧分别设有右前应变片R₁和右后应变片R₂，用于测量康复病人主、被动训练时扭矩力大小。当康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置绕着与同心圆环11配合的旋转输出轴转动时，左、右中心梁13、12受到转动轴向的扭矩，产生弯曲变形，贴于左、右中心梁13、12侧面的四片应变片的零位阻值R₀将发生变化，组成全桥如图7所示，R₁~ R₄为四片应变片6的阻值，E为桥路供电电压，取12V。参考手臂康复装置绕顺时针转动时，可得如下公式：

其中

表示一维压力传感器受力后应变片阻值变化的绝对值。可以得到电压输出表达式：

电桥电路有效地将力矩信号转化为电压输出，此电压输出范围为-14mV～14mV，经后续电路放大后即可得知扭矩的大小。

如图7所示，放大电路包括一个仪用放大器AD620、普通运放TL084CN和电源模块。电桥的输出电压V_f输入一级放大电路AD620，将信号放大27倍左右后进入二级放大电路TL084CN，经两级放大后信号约放大100倍，电压范围为-1.4V～1.4V。这个放大信号与扭矩力的大小成正比，经过试验标定后即可测量康复病人在训练过程中的扭矩力的大小。

本发明的左压力测量机构5和右压力测量机构3采用一维压力测量装置，所述的一维压力测量装置由一维压力传感器16和托盘19组成，一维压力传感器16的受力轴17通过销18与托盘19固定，如图5所示。当康复病人的双手手肘压在左、右压力测量机构5、3的托盘19上，手握半月形支架4进行康复训练时，托盘19将压力传递到一维压力力传感器16上，经桥路作用将力信号转换为电压信号，由这两个电压值判断康复病人左右手的支撑力大小是否均匀，以方便病人及时调整重心，矫正训练姿势，更好地实现康复训练。

下面结合图6具体说明一下手臂康复训练的方式。康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置通过同心圆环11与康复训练机器人21的旋转输出轴20相固连。主动训练时，康复病人左右手肘支撑在压力测量机构5、3的托盘上，握住手臂康复装置的任一部位绕旋转输出轴20进行轴向转动，由康复训练机器人21提供阻尼力，旋转轴20上为阻尼力矩。被动训练时，旋转输出轴20输出力矩，康复病人只需握住手臂康复装置，随着装置转动进行训练。另外，康复病人还可以手掌握住左、右活动臂6、2的手柄7、1，分别绕转动轴22、23进行平面半圆周转动，沿半月形支架的导槽调节位置，进行肘关节及腕关节的康复训练。

Claims

1.一种康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置，其特征在于：包括左活动臂（6）、右活动臂（2）、半月形支架（4）、力矩测量机构（8）以及左压力测量机构（5）和右压力测量机构（3），左活动臂（6）的末端装有左手柄（7），右活动臂（2）的末端装有右手柄（1），左活动臂（6）、右活动臂（2）分别与半月形支架（4）的两端转动连接，半月形支架由弯曲梁（10）和直梁（9）两部分组成，在弯曲梁（10）上分别设有左活动臂定位孔和右活动臂定位孔，在左活动臂（6）上设有与左活动臂定位孔相对应的左活动臂固定孔，在右活动臂（2）上设有与右活动臂定位孔相对应的右活动臂固定孔，在直梁（9）的中央设有圆孔（14），所述力矩测量机构（8）包括同心圆环（11）、左中心梁（13）和右中心梁（12），左中心梁（13）的左端与半月形支架（4）连接，左中心梁（13）的右端与同心圆环（11）连接，在左中心梁（13）的两侧分别设有左前应变片（R₄）和左后应变片（R₃），右中心梁（12）的左端与同心圆环（11）连接，右中心梁（12）的右端与半月形支架（4）连接，在右中心梁（12）的两侧分别设有右前应变片（R₁）和右后应变片（R₂），左压力测量机构（5）和右压力测量机构（3）采用一维压力测量装置，所述的一维压力测量装置由一维压力传感器（16）和托盘（19）组成，一维压力传感器（16）的受力轴（17）通过销（18）与托盘（19）固定，贴于左、右中心梁（13、12）侧面的四片应变片的零位阻值R₀将发生变化，组成电桥，电桥的输出电压V_f输入一级放大电路AD620，将信号放大后进入二级放大电路TL084CN，经两级放大后信号，电压范围为-1.4V～1.4V。