CN105250112A - 一种非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人，该机器人包括上平台、下平台、三条驱动支腿、一个立柱。可以实现空间三个转动自由度的运动。机构的下平台固定在地面或者其他固定平面上，上平台上安装有一个六维力传感器，用于检测医生对病人康复治疗时手腕的运动轨迹并存储，同时还用于康复治疗时对手柄运动信息的检测反馈，实现对手柄运动的精确控制。六维力传感器的另外一面连接一个手柄，用于固定患者的手部。三条支腿与上下平台均通过球铰连接，可以实现上平台的自由转动。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。

Description

一种非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人

技术领域

本发明涉及康复医疗机器人领域，特别是一种基于多自由度并联机构的手腕康复治疗机器人。

背景技术

据相关调查显示：我国每年手腕关节疾病患者数量呈递增趋势，手腕关节疾病、运动损伤和手腕部术后的康复治疗，除了使用药物治疗外，进行腕部康复训练更是一项必不可少的治疗手段。而手腕的康复训练需要专业的医生引导患者进行相关动作练习，这是一项专业技术要求高、重复性大的任务，而且专业医生的定期治疗也会增加患者的治疗成本。手腕康复治疗系统可以用于手腕关节疾病、运动损伤和手腕部术后的康复治疗。通过一定的技术手段采集存储手腕康复治疗运动轨迹信息，再据此对患者进行手腕关节的康复训练。手腕康复治疗设备是一个复杂的系统，涉及到多自由度运动的实现、精确控制、信号的采集处理和存储等技术难题。目前有关手腕关节康复治疗的专利，存在着结构复杂、轨迹复现精度低等缺点。本发明机械结构简单，容易实现精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一个基于三自由度并联机构的康复训练医疗机器人系统，可以用于手腕关节疾病、运动损伤和手腕部手术后的康复治疗。可实现手腕关节的三个自由度运动；可录入医生对病人康复治疗时手腕的运动轨迹；录入的运动轨迹可以自动施加到手腕关节，带动手腕关节运动。

为了实现上述目的，本发明所采用的方案是：一种非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人，其特征在于：该机器人包括上平台、下平台、三条驱动支腿、立柱，六维力传感器、手柄和一个计算机系统，其中

所述下平台固定在地面或者其他固定平面上，用于支撑整个机器人，并作为各个运动部件的参考基准；所述三条驱动支腿的下端都通过球铰和所述下平台连接，上端都通过球铰和所述上平台连接；所述上平台在三条驱动支腿的支撑和驱动下，能实现三个转动自由度的运动，所述上平台的上表面安装有所述六维力传感器，用于检测上平台的位姿和运动信号，所述六维力传感器上表面连接所述手柄。

所述立柱下端与下平台固定连接，上端通过球铰和上平台连接；

所述计算机系统用于获取六维力传感器采集的信息，并存储获取的信息，所述信息包括上平台位姿和运动信号，

所述计算机系统还用于控制三条驱动支腿的运动，在需要时，可根据所述存储的信息控制驱动支腿运动，以再现上平台的运动。

附图说明

图1：本发明非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人结构图。

图2、图3：本发明机器人的使用操作示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括具有固定支撑的下平台、可带动手柄按照既定运动规律运动的上平台，并作为各个运动部件的参考基准；三条主动驱动支腿，用于限制上平台三个移动自由度的支柱，三条支腿的上下铰链以及立柱的上铰链构成的三自由度运动并联机构，以及用于检测录入手柄运动规律的六维力传感器和用于连接固定患者手部的手柄。三条主动驱动支腿与上下平台的连接均采用球铰，立柱和下平台是固定连接，和上平台是球铰连接，去除三条主动驱动支腿绕自身轴线转动的三个局部自由度，上平台可以实现三个转动自由度。六维力传感器的两面分别和上平台的上表面以及手柄的下表面接触，可以检测手柄的运动规律。手柄可以随着上平台实现空间的三个自由度的转动，从而带动患者手腕实现空间三自由度的转动。精确复现康复训练运动。

本发明还具有一个计算机，可以获取六维力传感器的信号并存储，还可以控制三条驱动支腿的运动，从而带动上平台和手柄运动。

手腕康复训练运动规律的录制：医生手握手柄，根据自己的专业知识做手腕关节康复训练的动作，此时，三个驱动支腿处于随动状态，六维力传感器采集手柄运动规律的信息，传输到计算机中进行处理并存储，实现医生对病人康复治疗时手腕康复运动轨迹的录制。

患者手腕关节康复训练：上个阶段已完成对手腕康复训练运动规律的采集、处理和存储，本阶段就是利用上述信息来指导上平台以及手柄的运动。把采集存储的信号作为康复治疗阶段的期望信号，康复治疗的过程就是机构带动上平台和手柄复现期望运动信号的过程。患者需要康复治疗的手紧握手柄，视作二者固定连接，三条主动驱动支腿处于驱动状态。将计算机存储的上平台的期望位姿信号，通过并联机构的位姿反解转化为各条支腿运动的信号，计算机控制驱动支腿按照给定信号运动，驱动上平台带动手柄实现患者手腕的三自由度转动运动。为了实现运动位姿的精确复现，采用位姿闭环控制策略，通过六维力传感器实时采集手柄及上平台的位姿信号，获得实际运动信号反馈到期望信号的输入端，二者做差，差值作为控制系统净输入量，使用该净输入量进行运动纠正，通过减小偏差来精确控制上平台及手柄的运动。

Claims (6)

1.一种非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人，其特征在于：该机器人包括上平台、下平台、三条驱动支腿、立柱，六维力传感器、手柄和一个计算机系统，其中

所述下平台固定在地面或者其他固定平面上，用于支撑整个机器人，并作为各个运动部件的参考基准；所述三条驱动支腿的下端都通过球铰和所述下平台连接，上端都通过球铰和所述上平台连接；所述上平台在三条驱动支腿的支撑和驱动下，能实现三个转动自由度的运动，所述上平台的上表面安装有所述六维力传感器，用于检测上平台和手柄的运动，所述六维力传感器上表面连接所述手柄。

所述立柱下端与下平台固定连接，上端通过球铰和上平台连接；

所述计算机系统用于获取六维力传感器采集的信息，并存储获取的信息，所述信息包括上平台和手柄的运动信号，

所述计算机系统还用于控制三条驱动支腿的运动，在需要时，可根据所述存储的信息控制驱动支腿运动，以再现上平台的运动。

2.根据权利要求1所述的非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人，其中三条驱动支腿的驱动方式是电动驱动、液压驱动或者气动驱动。

3.根据权利要求1-2任一项所述的非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人，其特征在于：所述机器人具有两种工作模式：运动录入模式和康复治疗模式。

4.根据权利要求1-3任一项所述的非穿戴式三自由度手腕康复治疗机器人，其特征在于：在所述运动录入模式下，医生手握手柄，在各条驱动支腿都处于随动的状态下，医生根据其专业知识做手腕康复治疗的训练动作，从而带动上平台和驱动支腿运动，六维力传感器将检测到的运动信号传输到计算机系统进行处理和存储。

5.根据权利要求3所述的空间并联驱动手腕康复治疗机器人，其特征在于：在所述康复治疗模式下，患者的手紧握手柄，所述计算机系统根据存储的信息，获得上平台运动的期望信号，通过并联机构运动学反解该期望信号，得到各条支腿的运动信号，所述计算机系统根据该运动信号分别控制各条支腿的运动。

6.根据权利要求5所述的空间并联驱动手腕康复治疗机器人，其特征在于：所述计算机系统在控制时，通过六维力传感器检测上平台和手柄的运动，获得实际运动信号，将实际运动信号和期望信号二者做差，获得偏差值，把得到的偏差值作为控制系统的净输入量，使用该净输入量进行运动纠正。