CN103845184B - 一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，包括支撑座椅，支撑座椅上固定有调节定位于人体肩关节上方肩部索架，上臂环和前臂环分别固定于人体上臂和前臂，前臂索穿过肩部索架的出索孔并连接前臂环，上臂索穿过肩部索架的出索孔并连接上臂环，在上臂索和前臂索内串联有用于实时测量绳索拉力的拉压力传感器，还包括和拉压力传感器连接的控制系统，和控制系统连接的驱动装置，驱动装置同时与上臂索和前臂索连接，拉压力传感器将拉力信号反馈给控制系统，控制系统根据驱动装置的位置反馈和力传感器的反馈，控制驱动装置带动上臂索和前臂索伸缩，实现人体手臂的康复运动；本发明能够实现人体上臂和前臂的单关节运动，以及上肢整体的复合运动，实现康复训练功能。

Description

一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统

技术领域

本发明涉及一种医学辅助治疗装置，具体涉及一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统。

背景技术

随着社会生活水平的提高和现代医疗技术的进步，我国人均寿命不断提高，正在快速的步入老龄化社会。截止2010年，我国60岁以上的老年人口已超过1.78亿，达到总人口的13.26％。同时，65岁以上的老年人口约为1.19亿，占总人口的8.87％。另一方面，随着生活节奏的加快和生活压力的增大，心脑血管疾病以及神经系统疾病造成的中风偏瘫患者逐年增加。我国中风(脑卒中)发病率世界第一，其中约3/4的患者有不同程度的神经损伤和运动障碍。不断增长的老年人口和脑卒中遗症患者对康复治疗工作提出严峻挑战。

中枢神经系统具有高度的可塑性。通过对患者展开及时有效的康复训练，可以显著减少神经功能损伤，降低合并症的发生，同时可以重建运动功能，提高患者的生活自理能力。传统的康复治疗主要依靠康复医师对患者实施徒手康复训练，存在诸多局限：(1)不能精确的控制训练参数，治疗效果主要取决于医师的经验和水平；(2)无法对康复训练进行客观评价，不便于治疗方案的调整和评估；(3)医师一对一治疗，康复训练效率低，医师劳动强度大。相反，在康复机器人的辅助下，康复训练的时间和强度可根据患者的个性化需求及时调整，同时精确记录训练时的运动轨迹、速度和强度等参数，实时定量地评价患者的康复训练效果。

根据康复机器人对上肢的支撑和牵引方式不同，可将康复机器人分为两大类，一类是末端执行器式(或牵引式)，另一类是外骨骼式。牵引式上肢康复机器人一般只有2-3个自由度，直接作用于人体上肢的远端，而人体上肢具有5个自由度(不包括手腕)，因此牵引式康复机器人无法独立的控制或辅助单个关节的运动。刚性杆件组成的外骨骼式上肢康复机器人虽然能够实现对人体关节的独立控制和辅助功能，但是存在以下问题：(1)杆件的长度必须针对不同受训人员进行精确地调整，这点在实际应用中难以实现；(2)人体的肩部关节非常复杂，转动中心随位姿变化，外骨骼式康复机器人肩关节的结构设计困难；(3)机构较笨重，增大了人体的运动惯量，改变了手臂的动力学特性。

本专利针对上述问题，基于空间索并联机构，提出一种新型的绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人结构和驱动控制装置。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其控制系统根据康复运动要求和反馈信号，通过驱动装置控制绳索的长度和张紧力，实现人体上臂和前臂的单关节运动，以及上肢整体的复合运动，实现康复训练功能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，包括支撑座椅，所述支撑座椅上固定有调节定位于人体肩关节上方肩部索架1，上臂环5和前臂环4分别固定于人体上臂和前臂，前臂索3穿过肩部索架1的出索孔并连接前臂环4，上臂索2穿过肩部索架1的出索孔并连接上臂环5，在所述上臂索2和前臂索3内串联有用于实时测量绳索的拉力的拉压力传感器6，还包括和拉压力传感器6连接的控制系统，和控制系统连接的驱动装置，驱动装置同时与上臂索2和前臂索3连接，所述拉压力传感器6将拉力信号反馈给控制系统，控制系统根据驱动装置的位置反馈和力传感器的反馈，控制驱动装置带动上臂索2和前臂索3伸缩，实现人体手臂的康复运动。

所述驱动装置由伺服电机8和滚筒7组成，上臂索2和前臂索3一端缠绕于滚筒7上，通过控制伺服电机8带动滚筒7的转动，来控制上臂索2和前臂索3的伸缩长度。

所述驱动装置的安装位置根据所选用驱动元件的体积布局，当驱动装置体积较小时，驱动装置直接安装于肩部索架1上；当驱动装置体积较大时，安装于支撑座椅下方，通过导向轮将上臂索2和前臂索3从驱动装置导引入肩部索架1的出索孔。

所述上臂环5和前臂环4通过充气张紧装置与人体手臂固定，或制作专用的塑料固定装置与人体手臂固定。

所述上臂环5安装于肘关节附近，前臂环4安装于腕关节附近。

在上臂环5内加工导向索孔，将前臂索3穿过上臂环5导向索孔，以避免前臂索3和上臂索2之间的干涉。

不安装前臂环4和前臂索3，此时该康复机器人系统仅进行肩关节的康复治疗。

所述前臂索3和上臂索2的数目依据康复运动要求确定。

所述上臂索2由4根绳索组成，以实现肩关节的伸展/屈曲、内敛/外摆、旋内/旋外三个运动自由度，前臂索3由2根绳索组成，以实现肘关节的伸展/屈曲一个运动自由度。

所述前臂索3和上臂索2采用钢索或尼龙绳索。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

(1)可以实现单个关节的康复训练和多关节的复合康复训练；(2)采用轻质绳索代替刚性杆件，有效降低人体上肢的附加质量和惯量，且结构简单；(3)无需调整刚性杆件的长度，便于安装和调整；(4)具有一定的柔顺性，更加符合人体生理结构。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的控制系统框图。

图3是驱动装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1和图2所示，本发明一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，包括支撑座椅，所述支撑座椅上固定有调节定位于人体肩关节上方肩部索架1，上臂环5和前臂环4分别固定于人体上臂和前臂，前臂索3穿过肩部索架1的出索孔并连接前臂环4，上臂索2同样穿过肩部索架1的出索孔并连接上臂环5，在所述上臂索2和前臂索3内串联有用于实时测量绳索的拉力的拉压力传感器6，还包括和拉压力传感器6连接的控制系统，和控制系统连接的驱动装置，驱动装置同时与上臂索2和前臂索3连接，所述拉压力传感器6将拉力信号反馈给控制系统，控制系统根据驱动装置的位置反馈和力传感器的反馈，控制驱动装置带动上臂索2和前臂索3伸缩，实现人体手臂的康复运动。本发明可以不安装前臂环4和前臂索3，此时该康复机器人系统仅进行肩关节的康复治疗。

如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述驱动装置由伺服电机8和滚筒7组成，上臂索2和前臂索3一端缠绕于滚筒7上，通过控制伺服电机8带动滚筒7的转动，来控制上臂索2和前臂索3的伸缩长度。所述驱动装置的安装位置根据所选用驱动元件的体积布局，当驱动装置体积较小时，驱动装置直接安装于肩部索架1上；当驱动装置体积较大时，安装于支撑座椅下方，通过导向轮将上臂索2和前臂索3从驱动装置导引入肩部索架1的出索孔。

作为本发明的优选实施方式，所述上臂环5和前臂环4通过充气张紧装置与人体手臂固定，或制作专用的塑料固定装置与人体手臂固定。

作为本发明的优选实施方式，考虑到安装方便和增大工作空间，所述上臂环5安装于肘关节附近，前臂环4安装于腕关节附近。

作为本发明的优选实施方式，在上臂环5内加工导向索孔，将前臂索3穿过上臂环5导向索孔，以避免前臂索3和上臂索2之间的干涉。

作为本发明的优选实施方式，所述前臂索3和上臂索2的数目依据康复运动要求确定。进一步地，所述上臂索2由4根绳索组成，以实现肩关节的伸展/屈曲、内敛/外摆、旋内/旋外三个运动自由度，前臂索3由2根绳索组成，以实现肘关节的伸展/屈曲一个运动自由度。

作为本发明的优选实施方式，所述前臂索3和上臂索2采用钢索或尼龙绳索。

本发明的实用方法为：先让康复训练对象坐在支撑座椅上，并将康复训练对象的躯干固定于支撑座椅的靠背处，调节肩部索架1的位置，将其稳固于康复训练对象肩关节上方；然后将上臂环5和前臂环4分别固定于人体手臂的相应位置。将驱动装置的滚筒7中引出的上臂索2连接于上臂环5，将驱动装置的滚筒7中引出的前臂索3连接于前臂环4(可以在上臂环5内设计导向索孔，此时，前臂索3穿过导向索孔后再连接前臂环4，以避免绳索的干涉)。上述安装就绪后，保持人体手臂竖直放置，处于初始状态。启动控制系统，控制系统采集力传感器6和伺服电机7的反馈信号，根据康复训练功能要求，控制驱动装置逐步收紧绳索，并使绳索的张紧力达到最小值，避免索的虚牵。

本发明的工作原理和控制方式如下：本发明可以提供被动训练、辅助训练和主动训练三种上肢康复运动方式。

1)被动训练模式下，绳索驱动外骨骼式上肢康复机器人基于位置闭环控制，控制系统利用伺服电机的旋转量反馈来实现位置闭环。拉压力传感器用于实时检测绳索张紧力的大小，避免绳索张紧力过小引起的虚牵问题和绳索张紧力过大引起的不舒适感。此时，给定手臂的康复运动轨迹后，控制系统完成对轨迹的插补和逆解求解，根据逆解求解结果控制每根绳索的伸缩(即伺服电机的转动)，最终实现人体手臂沿给定训练轨迹运动。

2)辅助训练模式下，绳索驱动外骨骼式上肢康复机器人基于力闭环控制，伺服电机工作于力矩模式下，控制装置利用拉压力传感器的反馈实现力闭环控制。此时，首先给定手臂一系列连续姿态下的运动辅助力，控制系统利用电机的位置反馈实时计算手臂的位姿状态，确定所需要提供的辅助力大小，并利用静力学逆解方程实时求解绳索的张紧力，控制电机牵拉绳索输出相应的辅助力。

3)主动训练模式下，绳索驱动外骨骼式上肢康复机器人的控制原理同辅助训练模式相同。此时，康复机器人不再提供辅助力，而是提供一定的阻尼力，用于康复训练的最后阶段，锻炼增强手臂肌肉力量。

Claims (10)

1.一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，包括支撑座椅，其特征在于：所述支撑座椅上固定有调节定位于人体肩关节上方肩部索架(1)，上臂环(5)和前臂环(4)分别固定于人体上臂和前臂，前臂索(3)穿过肩部索架(1)的出索孔并连接前臂环(4)，上臂索(2)穿过肩部索架(1)的出索孔并连接上臂环(5)，在所述上臂索(2)和前臂索(3)内串联有用于实时测量绳索的拉力的拉压力传感器(6)，还包括和拉压力传感器(6)连接的控制系统，和控制系统连接的驱动装置，驱动装置同时与上臂索(2)和前臂索(3)连接，所述拉压力传感器(6)将拉力信号反馈给控制系统，控制系统根据驱动装置的位置反馈和力传感器的反馈，控制驱动装置带动上臂索(2)和前臂索(3)伸缩，实现人体手臂的康复运动。

2.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：所述驱动装置由伺服电机（8)和滚筒(7)组成，上臂索(2)和前臂索(3)一端缠绕于滚筒（7)上，通过控制伺服电机(8)带动滚筒(7)的转动，来控制上臂索（2)和前臂索(3)的伸缩长度。

3.根据权利要求2所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：所述驱动装置的安装位置根据所选用驱动元件的体积布局，当驱动装置体积较小时，驱动装置直接安装于肩部索架(1)上；当驱动装置体积较大时，安装于支撑座椅下方，通过导向轮将上臂索(2)和前臂索(3)从驱动装置导引入肩部索架(1)的出索孔。

4.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：所述上臂环(5)和前臂环(4)通过充气张紧装置与人体手臂固定，或制作专用的塑料固定装置与人体手臂固定。

5.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：所述上臂环(5)安装于肘关节附近，前臂环(4)安装于腕关节附近。

6.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：在上臂环(5)内加工导向索孔，将前臂索(3)穿过上臂环(5)导向索孔，以避免前臂索(3)和上臂索(2)之间的干涉。

7.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：不安装前臂环(4)和前臂索(3)，此时该康复机器人系统仅进行肩关节的康复治疗。

8.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：所述前臂索(3)和上臂索（2)的数目依据康复运动要求确定。

9.根据权利要求8所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：所述上臂索(2)由4根绳索组成，以实现肩关节的伸展/屈曲、内敛/外摆、旋内/旋外三个运动自由度，前臂索(3)由2根绳索组成，以实现肘关节的伸展/屈曲一个运动自由度。

10.根据权利要求1所述的一种绳索驱动的外骨骼式上肢康复机器人系统，其特征在于：所述前臂索(3)和上臂索(2)采用钢索或尼龙绳索。