CN106974795B - 一种欠驱动上肢康复机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医疗康复设备领域，并公开了一种欠驱动上肢康复机器人控制系统，包括微型计算机和分别与所述微型计算机连接的电源分配模块、数据采集模块和运动控制模块，所述数据采集模块包括眼动仪、图像采集卡、关节力矩传感器、六维力传感器、握力传感器、位移传感器、肌电电极、拉力传感器与数据采集卡，所述运动控制模块包括运动控制卡、限位开关、急停开关、伺服电机、电磁离合器和关节编码器。本发明采用欠驱动结构，减少了驱动器数量，并将驱动器后置，使整个康复机器人的执行机构轻便灵活，能完成复杂的动作。
Description
技术领域
本发明属于医疗康复设备领域，更具体地，涉及一种欠驱动上肢康复机器人控制系统。
背景技术
人类的上肢以其强大的运动能力在日常生活中的各种操作任务中起到了不可替代的作用，然而由中风或脊髓损伤造成的运动神经损伤可能导致上肢运动功能障碍，这些运动功能障碍的患者往往生活难以自理，给患者及其家属的身心造成极大的打击，对社会的发展也带了沉重的压力与负担。
传统的上肢康复训练是由康复治疗师一对一进行的，这种训练方法时间长，效率低，训练强度与精度难以保证，整个康复过程患者的参与度低，缺乏趣味性。而在上肢康复训练中引入康复机器人技术不仅可以将康复治疗师从繁重的康复训练中解放出来，还能针对不同患者采用不同的训练方法与训练强度，并将康复相关的数据记录下来供康复治疗师或医生分析。
目前已知的上肢康复机器人有以下缺点：1)、绝大多数采用关节驱动的控制模式，控制难度高，机构笨重不灵活；2)、训练方法单一，只能针对某一特定康复期的患者；3)、人机接口单一，不能有效识别患者意图，患者的自主度与参与度低；4)、智能化程度低，无法客观记录或只能部分记录患者康复过程中的相关数据。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种训练模式丰富、智能化程度高、具有多种人机接口的欠驱动上肢康复机器人的控制系统。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种欠驱动上肢康复机器人控制系统，其包括微型计算机和分别与所述微型计算机连接的电源分配模块、数据采集模块和运动控制模块，其中，所述电源分配模块用于将市电转化成所述数据采集模块、运动控制模块与微型计算机所需的电压；所述数据采集模块用于采集体现人体运动意图的相关数据传递给所述微型计算机，该微型计算机处理所述相关数据并识别人的运动意图，再将运动意图输出为运动数据传递给所述运动控制模块；所述运动控制模块的动力输出至康复机器人，该康复机器人通过绑带与患者固定，按规划的轨迹或跟随人的运动意图运动，从而实现康复运动；其特征在于，
所述数据采集模块包括眼动仪、图像采集卡、关节力矩传感器、六维力传感器、握力传感器、位移传感器、肌电电极、拉力传感器与数据采集卡，其中，
所述眼动仪由患者佩戴于头部，实时监测患者瞳孔位置，并将图像数据通过所述图像采集卡经USB传输至所述微型计算机；
所述关节力矩传感器安装于所述康复机器人的机体肘关节与肩关节处，经所述数据采集卡将关节力矩数据传输至所述微型计算机；
所述六维力传感器安装于所述康复机器人的机体手柄根部，经所述数据采集卡将手柄处六维力/力矩数据传输至所述微型计算机；
所述握力传感器安装于所述康复机器人的机体的手柄内，经所述数据采集卡将患者握力数据传输至所述微型计算机；
所述位移传感器安装与所述康复机器人的前臂与手腕之间，经所述数据采集卡将前臂与手腕间自由伸缩的距离数据传输至所述微型计算机；
所述肌电电极贴附在患者指定肌肉皮肤表面，经所述数据采集卡将患者指定肌肉的表面肌电信号数据传输至所述微型计算机；
所述拉力传感器安装于所述康复机器人的机体钢丝绳动力输出处，经所述数据采集卡将钢丝绳拉力数据传输至所述微型计算机；
所述运动控制模块包括运动控制卡、限位开关、急停开关、伺服电机、电磁离合器和关节编码器，其中，
所述运动控制卡安装于所述微型计算机内，以PCI总线与该微型计算机通信，此运动控制卡将电机控制信号发送给所述伺服电机，该伺服电机安装于所述康复机器人的机箱内；所述电磁离合器与所述伺服电机相连，用以控制动力输出；所述限位开关安装于所述康复机器人的机体的运动极限位置；继电器分别与所述伺服电机和所述电磁离合器相连，在紧急情况下接受所述运动控制卡紧急停止命令或者安装于所述康复机器人的外壳上的急停开关信号，用于切断所述伺服电机与所述电磁离合器的电源；此外，所述关节编码器安装于所述康复机器人的机体的肩肘关节处。
优选地，在康复运动过程中，微型计算机实时记录由数据采集模块采集的数据于后台数据库，并通过交互界面展示给患者。
优选地，还包括液晶电视，所述液晶电视作为人机交互界面，并且其通过HDMI接口与所述微型计算机相连。
优选地，还包括键盘鼠标，所述键盘鼠标通过USB接口与所述微型计算机相连。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)通过眼动仪、六维力传感器、肌电电极等多种手段识别患者意图，可适用于不同患者的各种生理状态，也适用于同一患者的不同康复期。
2)传感器丰富，智能化程度高。康复机器人机体上安装的扭矩传感器，握力传感器，拉力传感器，位移传感器，与上述眼动仪、六维力传感器、肌电电极等传感器可同时采集患者在康复过程中的各项数据，并进行整理归档方便康复医师进行分析。
3)控制模式多样，康复运动种类丰富。
4)欠驱动结构，减少了驱动器数量，并将驱动器后置，使整个康复机器人的执行机构轻便灵活，能完成复杂的动作。
5)采用一体化控制箱设计，可以将微型计算机集成放入控制箱内，康复机器人外表无多余线缆，体积紧凑，安全性高。
附图说明
图1是按照本发明的控制系统结构框图；
图2是本发明的各部件位置安装示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1、图2，图1是按照本发明构建的欠驱动康复机器人控制系统结构框图。如图2所示，该欠驱动康复机器人控制系统主要包括电源分配模块1、数据采集模块2、液晶电视3、微型计算机4、键盘鼠标5和运动控制模块6，其中，数据采集模块2包括眼动仪2-1、图像采集卡2-2、多个关节力矩传感器2-3、数据采集卡2-4、六维力传感器2-5、多个拉力传感器2-6、握力传感器2-7、位移传感器2-8和肌电电极2-9。运动控制模块6包括多个限位开关6-1、运动控制卡6-2、多个伺服电机6-3、多个关节编码器6-4、继电器6-5、多个电磁离合器6-6和急停开关6-7。
实施例一：
在使用被动模式进行康复运动时具体过程如下：
患者的手臂通过绑带固定于康复机器人的机械臂上，手掌握于机械臂的手柄处，康复医师通过微型计算机4上连接的键盘鼠标5选择所需要的康复训练动作，并修改相应参数，微型计算机4通过PCI总线将康复动作对应的运动轨迹参数发送给运动控制卡6-2，运动控制卡6-2的数字输出口控制继电器6-5细合，进而继电器6-5使电磁离合器6-6与伺服电机6-3上电，同时运动控制卡6-2将运动指令转换为伺服驱动器6-3能识别的模拟量指令控制电机运动，这时伺服电机6-3带动钢丝绳运动，进而使整个康复机器人带动患者进行康复运动。在运动过程中，关节编码器6-4实时监测关节角度并反馈给运动控制卡6-2，实现闭环控制提高了运动控制精度。
在整个运动过程中，关节力矩传感器2-3、六维力传感器2-5、拉力传感器2-6、握力传感器2-7监测患者与康复机器人之间交互力大小，限位开关6-1监测康复机器人运动行程范围，若出现异常即可立即通知运动控制卡6-2停止运动指令的发送并切断继电器6-5使康复机器人停止运动。同时微型计算机会将关节力矩传感器2-3、六维力传感器2-5、拉力传感器2-6、握力传感器2-7与关节编码器6-4采集到的实施数据储存至后台以备康复医师调阅分析。
在整个康复过程中，液晶电视3可以显示康复机器人的软件界面，并将采集到的数据实时显示在软件界面中，康复医师可以通过键盘鼠标5来调节参数，以适应不同患者的要求。
在整个过程中患者或者康复医师可以随时使用急停开关6-7停止整个康复运动，以保证患者的安全。
在使用被动模式进行康复时，可以根据需要添加新的康复训练动作，这时，康复医师需要选择相应功能，并用人工牵引机械臂完成动作，此时，关节编码器6-4会将整个运动过程的运动轨迹通过运动控制卡6-2发送给微型计算机4并保存为新的运动轨迹，以便以后使用。
实施例二：
在使用眼动模式康复运动时具体过程如下：
患者的手臂通过绑带固定于康复机器人的机械臂上，手掌握于机械臂的手柄处，眼动仪2-1为患者所佩戴，通过安装在眼动仪上的微型摄像机实时监测瞳孔位置，并通过图像采集卡2-2发送给微型计算机4，通过微型计算机4中的图像算法计算出康复机器人所需的运动参数并通过PCI总线发送给运动控制卡6-2，运动控制卡6-2的数字输出口控制继电器6-5细合，进而继电器6-5使电磁离合器6-6与伺服电机6-3上电，同时运动控制卡6-2将运动指令转换为伺服驱动器6-3能识别的模拟量指令控制电机运动，这时伺服电机6-3带动钢丝绳运动，进而使整个康复机器人带动患者进行康复运动。在运动过程中，关节编码器6-4实时监测关节角度并反馈给运动控制卡6-2，实现闭环控制提高了运动控制精度。
在整个运动过程中，关节力矩传感器2-3、六维力传感器2-5、拉力传感器2-6、握力传感器2-7监测患者与康复机器人之间交互力大小，限位开关6-1监测康复机器人运动行程范围，若出现异常即可立即通知运动控制卡6-2停止运动指令的发送并切断继电器6-5使康复机器人停止运动。同时微型计算机会将关节力矩传感器2-3、六维力传感器2-5、拉力传感器2-6、握力传感器2-7与关节编码器6-4采集到的实施数据储存至后台以备康复医师调阅分析。
在整个康复过程中，液晶电视3可以显示康复机器人的软件界面，并将采集到的数据实时显示在软件界面中，康复医师可以通过键盘鼠标5来调节参数，以适应不同患者的要求。
在整个过程中患者或者康复医师可以随时使用急停开关6-7停止整个康复运动，以保证患者的安全。
实施例三：
在使用主动助力模式进行康复运动时具体过程如下：
患者的手臂通过绑带固定于康复机器人的机械臂上，手掌握于机械臂的手柄处，患者微微对手柄施力，力的方向为患者想要运动的方向，六维力传感器2-5即可采集到手柄处的六维力信息，并通过数据采集卡2-4发送给微型计算机4，微型计算机4通过相应算法计算出康复机器人所需的运动参数并通过PCI总线发送给运动控制卡6-2，运动控制卡6-2的数字输出口控制继电器6-5细合，进而继电器6-5使电磁离合器6-6与伺服电机6-3上电，同时运动控制卡6-2将运动指令转换为伺服驱动器6-3能识别的模拟量指令控制电机运动，这时伺服电机6-3带动钢丝绳运动，进而使整个康复机器人带动患者进行康复运动。在运动过程中，关节编码器6-4实时监测关节角度并反馈给运动控制卡6-2，实现闭环控制提高了运动控制精度。
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在整个康复过程中，液晶电视3以游戏的形式展现人机交互界面，通过激励患者对手柄施力使机器人帮助患者到达指定位置完成游戏，此时握力传感器2-7也可参与整个人机互动，康复医师可以通过键盘鼠标5来调节参数，以适应不同患者的要求。
在整个过程中患者或者康复医师可以随时使用急停开关6-7停止整个康复运动，以保证患者的安全。
实施例四：
在使用肌电模式进行康复运动时具体过程如下：
患者的手臂通过绑带固定于康复机器人的机械臂上，手掌握于机械臂的手柄处，肌电电极2-9粘贴在患者特定肌肉表面皮肤上，肌电电极2-9采集的肌电信号通过数据采集卡2-4传输至微型计算机4中，通过特定的算法识别患者想要进行的运动模式，并将相应的运动轨迹参数通过PCI总线发送给运动控制卡6-2，运动控制卡6-2的数字输出口控制继电器6-5细合，进而继电器6-5使电磁离合器6-6与伺服电机6-3上电，同时运动控制卡6-2将运动指令转换为伺服驱动器6-3能识别的模拟量指令控制电机运动，这时伺服电机6-3带动钢丝绳运动，进而使整个康复机器人带动患者进行康复运动。在运动过程中，关节编码器6-4实时监测关节角度并反馈给运动控制卡6-2，实现闭环控制提高了运动控制精度。
在整个运动过程中，关节力矩传感器2-3、六维力传感器2-5、拉力传感器2-6、握力传感器2-7监测患者与康复机器人之间交互力大小，限位开关6-1监测康复机器人运动行程范围，若出现异常即可立即通知运动控制卡6-2停止运动指令的发送并切断继电器6-5使康复机器人停止运动。同时微型计算机会将关节力矩传感器2-3、六维力传感器2-5、拉力传感器2-6、握力传感器2-7与关节编码器6-4采集到的实施数据储存至后台以备康复医师调阅分析。
在整个康复过程中，液晶电视3显示患者实时的肌电水平，以及当前运动状态，康复医师可以通过键盘鼠标5来调节参数，以适应不同患者的要求。
在整个过程中患者或者康复医师可以随时使用急停开关6-7停止整个康复运动，以保证患者的安全。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种欠驱动上肢康复机器人控制系统，其包括微型计算机和分别与所述微型计算机连接的电源分配模块、数据采集模块和运动控制模块，其中，所述电源分配模块用于将市电转化成所述数据采集模块、运动控制模块与微型计算机所需的电压；所述数据采集模块用于采集体现人体运动意图的相关数据传递给所述微型计算机，该微型计算机处理所述相关数据并识别人的运动意图，再将运动意图输出为运动数据传递给所述运动控制模块；所述运动控制模块的动力输出至康复机器人，该康复机器人通过绑带与患者固定，按规划的轨迹或跟随人的运动意图运动，从而实现康复运动；其特征在于，
所述数据采集模块包括眼动仪、图像采集卡、关节力矩传感器、六维力传感器、握力传感器、位移传感器、肌电电极、拉力传感器与数据采集卡，其中，
所述眼动仪由患者佩戴于头部，实时监测患者瞳孔位置，并将图像数据通过所述图像采集卡经USB传输至所述微型计算机；
所述关节力矩传感器安装于所述康复机器人的机体肘关节与肩关节处，经所述数据采集卡将关节力矩数据传输至所述微型计算机；
所述六维力传感器安装于所述康复机器人的机体手柄根部，经所述数据采集卡将手柄处六维力/力矩数据传输至所述微型计算机；
所述握力传感器安装于所述康复机器人的机体的手柄内，经所述数据采集卡将患者握力数据传输至所述微型计算机；
所述位移传感器安装与所述康复机器人的前臂与手腕之间，经所述数据采集卡将前臂与手腕间自由伸缩的距离数据传输至所述微型计算机；
所述肌电电极贴附在患者指定肌肉皮肤表面，经所述数据采集卡将患者指定肌肉的表面肌电信号数据传输至所述微型计算机；
所述拉力传感器安装于所述康复机器人的机体钢丝绳动力输出处，经所述数据采集卡将钢丝绳拉力数据传输至所述微型计算机；
所述运动控制模块包括运动控制卡、限位开关、急停开关、伺服电机、电磁离合器和关节编码器，其中，
所述运动控制卡安装于所述微型计算机内，以PCI总线与该微型计算机通信，此运动控制卡将电机控制信号发送给所述伺服电机，该伺服电机安装于所述康复机器人的机箱内；所述电磁离合器与所述伺服电机相连，用以控制动力输出；所述限位开关安装于所述康复机器人的机体的运动极限位置；继电器分别与所述伺服电机和所述电磁离合器相连，在紧急情况下接受所述运动控制卡紧急停止命令或者安装于所述康复机器人的外壳上的急停开关信号，用于切断所述伺服电机与所述电磁离合器的电源；此外，所述关节编码器安装于所述康复机器人的机体的肩肘关节处。
2.根据权利要求1所述的一种欠驱动上肢康复机器人控制系统，其特征在于，在康复运动过程中，所述微型计算机实时记录由所述数据采集模块采集的数据于后台数据库，并通过交互界面展示给患者。
3.根据权利要求1所述的一种欠驱动上肢康复机器人控制系统，其特征在于，还包括液晶电视，所述液晶电视作为人机交互界面，并且其通过HDMI接口与所述微型计算机相连。
4.根据权利要求1所述的一种欠驱动上肢康复机器人控制系统，其特征在于，还包括键盘鼠标，所述键盘鼠标通过USB接口与所述微型计算机相连。
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