CN105030480A - 一种新型六自由度手腕康复机器人治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型六自由度手腕康复机器人治疗器，包括前端运动平台及训练手柄、六维力传感器、球铰联接、连杆、缸和活塞杆、后端固定支撑平台及控制系统等。本发明用于手腕关节疾病、运动损伤和手腕部术后的康复治疗，可以实现腕关节的屈伸运动、收展运动和环转运动。本发明具有被动和主动两种工作模式，可以实现腕关节的运动功能恢复和手腕力量训练。

Description

一种新型六自由度手腕康复机器人治疗仪

技术领域

本发明涉及一种新型可穿戴手腕康复机器人治疗器，属于医疗器械技术领域。

背景技术

腕关节是连接手部与小臂的重要关节,由于手部经常频繁的抓取物体，从事各类作业，当突然背伸、跌倒时手掌着地等，经常会引起腕关节骨折损伤。手腕骨折治疗方法有保守治疗和手术治疗两种。保守治疗主要采取手法复位、小夹板或石膏托外固定。手术治疗主要是采取手术切开复位，并行钢板等内固定。手术切开复位可以做坚强的内固定。当骨折基本愈合，可以开始进行腕关节屈、伸主动练习，腕关节屈曲抗阻练习。在恢复期，患者应增加一些手部应用性活动训练，如搭积木、编织等。目前，手腕康复训练主要靠医师指导患者进行手腕伸展、弯曲等功能恢复训练。对于患者手腕力量的康复训练大多采用柔性棒，让患者练习使用，但是柔性棒的弹性不可变，普适性不好。随着医疗机械的不断发展，很多研究者利用机械学、力学、电磁学、机器人学等学科的研究成果，结合医学理论设计出新的康复训练方法。康复医疗机器人作为一种自动化康复医疗设备可以帮助患者进行科学而有效的康复训练来恢复其损伤部位的运动机能。手腕康复治疗机器人主要用于手腕或脚腕关节损伤的康复治疗。目前，人体腕关节康复治疗器，多是功能单一，仅能实现病人腕关节部分功能的恢复和锻炼，并且驱动控制系统简单，使得腕关节康复器的柔顺性不好，实用性不强。

发明内容

本发明的目的在于设计一种用于人体手腕关节骨折(或损伤)愈合后，为恢复腕关节功能而进行康复训练用的多自由度手腕康复机器人治疗器。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：该六自由度手腕康复机器人治疗器是主要由前端运动平台及训练手柄、六维力传感器、球铰联接、连杆、缸和活塞杆、后端固定支撑平台及控制系统等组成。后端固定支撑平台可以固定在人体前臂上，缸和活塞杆固定部分与支撑平台固连，活塞杆与连杆用球铰连接，活塞上安装有位移传感器以检测伸缩量，连杆与前端运动平台通过球铰连接，训练手柄连接在前端运动平台上，并在两端与平台接触处装有六维力传感器。

该手腕康复机器人治疗器以并联机构为主要结构形式，结构紧凑，缸的驱动系统可以为气压、液压或电动，具有六个自由度，可以实现腕关节的屈伸运动、收展运动和环转运动。

本发明的有益效果是：1.结构小巧，便于携带。本发明采用LSS并联机构结构布置方式，由3套缸和活塞杆作为驱动，较小的行程即可以实现前端运动平台的大范围运动，使得该装置结构小，便于随身携带。2.可以实现被动和主动柔顺控制运动。本发明工作在被动柔顺控制方式时，可以用于病人初期康复治疗；工作在主动柔顺控制时，可以用于病人运动功能得到一定康复程度后的力量训练。3.柔顺性能好。本发明缸和活塞杆内置高精度位移传感器，可以实现前端运动平台的精确位置控制。

附图说明

图1：本发明原理图。

图2：本发明实用图。

具体实施方式

如附图所示，本发明包括环状前端运动平台1、训练手柄2、六维力传感器3、上球铰联接4、连杆5、下球铰连接6、活塞杆7、缸8、环状后端固定支撑平台9、控制系统(图中未示出)等组成。后端固定支撑平台套在病人的前臂上，手握住训练手柄。每根所述活塞杆套接于一个缸，缸和活塞杆固定部分与支撑平台固连，活塞杆与连杆用球铰连接，活塞杆可在缸中伸缩运动，活塞上安装有位移传感器以检测伸缩量，连杆与前端运动平台通过球铰连接，训练手柄连接在前端运动平台上，并在两端与平台接触处装有六维力传感器。通过各连接件之间的连接副不同，自由度数可以为3～6个自由度。控制系统可以获取六维力传感器和位移传感器所检测到的力和位移，并且能够控制活塞杆的伸缩位移。

本发明工作原理如下：

本发明工作在被动柔顺控制模式时，病人手握住训练手柄2，控制系统根据预先设定的康复方案，控制和驱动缸8和活塞杆7伸缩，通过球铰6带动连杆5运动，进而实现前端运动平台1的位姿变化，实现手柄2的运动，帮助病人恢复腕关节的运动功能，其中由位移传感器检测活塞杆7的伸缩位移，反馈给控制系统实现位姿的监控。工作在主动控制模式时，病人手握住训练手柄2，用力旋转手柄2，安装在手柄两端的六维力传感器3检测到力信号，反馈给控制系统，然后控制系统产生驱动信号，驱动系统缸8和活塞杆7伸缩，通过球铰6带动连杆5运动，进而使前端运动平台1的位姿发生变化，实现对训练手柄2的跟随，使病人的手腕得到力量训练。可以通过调节力反馈参数以达到改变控制力输出的目的，实现不同力的输出调节。

Claims (7)

1.一种六自由度的手腕康复机器人治疗器，其特征在于：该治疗器包括前端运动平台、训练手柄、三个六维力传感器、三根连杆、三根活塞杆、三个缸、后端固定支撑平台和控制系统，其中

前端运动平台呈环状，训练手柄两端连接到前端运动平台，并在两端与前端运动平台接触处装有六维力传感器；

每根所述连杆的一端分别通过球铰连接到前端运动平台，另一端也分别通过球铰连接到一根所述活塞杆；

每根所述活塞杆套接于一个缸，每个缸都固定于后端固定支撑平台上，活塞杆可在缸中伸缩运动，活塞上安装有位移传感器，所述位移传感器可检测活塞杆的伸缩量。

后端固定支撑平台呈环状，可套在病人的前臂上，病人的手穿过后端固定支撑平台，握住训练手柄，进行手腕康复训练；

控制系统可以获取六维力传感器和位移传感器所检测到的力和位移，并且能够控制活塞杆的伸缩位移。

2.根据权利要求1所述的六自由度的手腕康复机器人治疗器，其特征在于：所述缸的驱动系统为液压系统、气压系统或者电动系统。

3.根据权利要求1-2所述的六自由度的手腕康复机器人治疗器，其特征在于：通过各连接件之间的连接副不同，自由度数可以为3～6个自由度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的六自由度的手腕康复机器人治疗器，其特征在于：该治疗器具有被动控制模式和主动控制模式两种模式。

5.根据权利要求1-4任一项所述的六自由度的手腕康复机器人治疗器，其特征在于：在所述被动控制模式下，病人手握住训练手柄，控制系统根据预先设定的康复方案，控制活塞杆伸缩，通过球铰带动连杆运动，进而实现前端运动平台的位姿变化，带动训练手柄和病人手的运动，其中由位移传感器检测活塞杆的伸缩位移，反馈给控制系统实现位姿的监控。

6.根据权利要求4任一项所述的六自由度的手腕康复机器人治疗器，其特征在于：在所述主动控制模式下，病人手握住训练手柄，主动用力旋转训练手柄，安装在手柄两端的六维力传感器检测到力信号，反馈给控制系统，然后控制系统产生驱动信号，控制活塞杆伸缩，进而使前端运动平台的位姿发生变化，实现对训练手柄的跟随，使病人的手腕得到力量训练。

7.根据权利要求6所述的六自由度的手腕康复机器人治疗器，其中控制系统可以调节力反馈参数，使得病人手腕得到不同力量的训练。