CN107224384A - 主从臂机器人及其控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主从臂机器人及其控制系统和控制方法，属于康复机器人领域。主从臂机器人包括主臂训练装置、从臂训练装置、悬梁臂和底座，控制系统包括计算机模块，计算机模块连接有主臂参数采集模块、人机交互模块和从臂驱动模块，主臂参数采集模块用于采集主臂训练装置上各组件的角度信号，并将得到的模拟信号转换成数字信号，人机交互模块用于将患者的指令传达给计算机模块，计算机模块用于接收并处理得到的数字信号和患者的指令，并发出控制指令，从臂驱动模块用于根据计算机模块的控制指令驱动从臂进行运动，同时将从臂当前的运动角度反馈给计算机模块。本发明不仅能够完成康复训练，还可以使患者的双臂协调完成简单的生活自理任务。

Description

主从臂机器人及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，特别是指一种主从臂机器人及其控制系统和控制方法。

背景技术

随着医疗技术的快速发展，脑卒中不再是危害生命的疾病，但脑损伤引起的偏瘫等运动功能障碍给患者的家庭和社会带来了沉重的负担，正确、科学的康复训练对肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。

神经康复治疗过程是一项艰苦的工作，目前主要依靠康复医师对患者进行一对一的手工操作和主观临床经验对患者肢体进行评估，限制了康复水平的提高，康复医学与机器人技术的结合提高了康复训练的效率并保证了动作训练的强度，为研究新的康复技术开辟了新的途径。

目前上肢康复机器人多用于对上肢运动功能障碍患者进行治疗和康复训练。对于一个臂良好，一个臂不能正常使用的患者来说，除了进行康复训练外，迫切需要一种双臂协调完成简单的生活自理(如双手协同吃饭)的任务的康复机器人。

发明内容

本发明提供一种主从臂机器人及其控制系统和控制方法，其不仅能够完成康复训练，还可以使患者的双臂协调完成简单的生活自理任务。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种主从臂机器人，包括主臂训练装置3、从臂训练装置4、悬梁臂2和底座1，其中：

所述主臂训练装置3和从臂训练装置4通过所述悬梁臂2固定在所述底座1上；

所述主臂训练装置3包括主动肩关节外展、内收组件，主动肩关节屈伸组件，主动上臂内、外旋组件，主动肘屈伸组件，主动前臂内、外旋组件和主动腕关节屈伸组件，各组件上依次设置有肩关节外展内收角度传感器303、肩关节屈伸角度传感器312、上臂内外旋角度传感器314、肘屈伸角度传感器320、前臂内外旋角度传感器323和腕关节屈伸角度传感器327；

所述从臂训练装置4包括被动肩关节外展、内收组件，被动肩关节屈伸组件，被动上臂内、外旋组件，被动肘屈伸组件，被动前臂内、外旋组件和被动腕关节屈伸组件，各组件上依次设置有肩关节外展内收电机4-1、肩关节屈伸电机4-2、上臂内外旋电机4-3、肘屈伸电机4-4、前臂内外旋电机4-5和腕关节屈伸电机4-6。

另一方面，本发明还提供一种上述的主从臂机器人的控制系统，包括计算机模块100，所述计算机模块100连接有主臂参数采集模块110、人机交互模块130和从臂驱动模块120，其中：

所述主臂参数采集模块110用于采集所述主臂训练装置3上各组件的角度信号，并将得到的模拟信号转换成数字信号，所述人机交互模块130用于将患者150的指令传达给所述计算机模块100，所述计算机模块100用于接收并处理得到的数字信号和患者150的指令，并发出控制指令，所述从臂驱动模块120用于根据所述计算机模块100的控制指令驱动从臂进行运动，同时将从臂当前的运动角度反馈给所述计算机模块100；

所述主臂参数采集模块110包括所述肩关节外展内收角度传感器303、肩关节屈伸角度传感器312、上臂内外旋角度传感器314、肘屈伸角度传感器320、前臂内外旋角度传感器323和腕关节屈伸角度传感器327，以及角度传感器转换模块117，所述角度传感器转换模块117用于将得到的角度信号从模拟信号转换成数字信号。

进一步的，所述从臂驱动模块120包括驱动器单元121、电机单元122和编码器单元123，其中：

所述驱动器单元121用于根据所述计算机模块100的控制指令驱动所述电机单元122运转，所述电机单元122的运转位置通过所述编码器单元123回馈给所述驱动器单元121，形成速度闭环控制；

所述驱动器单元121包括六个驱动器，所述电机单元122包括六个直流伺服电机，所述编码器单元123包括六个编码器，每个直流伺服电机通过一个驱动器和一个编码器形成一路速度闭环控制，所述驱动器单元121将编码器信息传送给所述计算机模块100。

进一步的，所述人机交互模块130包括模式选择单元131和语音控制单元132，其中：

所述模式选择单元131包括模式选择开关和转换模块，所述模式选择开关为手握开关，所述模式选择开关安装于主臂手掌附近，所述模式选择开关用于患者对从臂进行模式选择，所述转换模块用于将模式选择的信号传送给计算机模块100；

所述语音控制单元132用于将患者的语音指令发送给所述计算机模块100；

所述语音控制单元132的优先级大于所述模式选择单元131。

进一步的，所述模式选择开关对从臂进行初始化模式、被动模式或者协同模式选择，其中：

所述初始化模式用于对从臂驱动模块120进行初始化，将各参数复位，从臂到达原点位置；

所述被动模式用于根据系统设定的固定的训练模式向从臂驱动模块120发出控制指令，由从臂驱动模块120驱动康复训练机器人140对患者150的手臂进行训练；

所述协同模式用于根据主臂动作的轨迹而动作，配合主臂一起完成生活作业。

进一步的，所述计算机模块100包括信号处理单元101、模式识别单元103、语音识别单元102、计算单元104和控制单元105，其中：

所述信号处理单元101用于对所述主臂参数采集模块110的数字信号进行放大、整形和滤波并进行描述、辨认、分类，对从臂驱动模块120里面的编码器信号进行识别分析，所述模式识别单元103用于识别当前的模式信号，判定应该以何种模式来控制从臂，所述语音识别单元102用于识别所述语音控制单元132的信号，并进行解码分析判断，所述计算单元104用于对外界的指令与信号进行分析计算，并给出控制方法，所述控制单元105用于向所述从臂驱动模块120发出控制指令。

再一方面，本发明还提供一种上述的主从臂机器人控制系统的控制方法，包括：

步骤1：采集主臂各关节的角度信号与从臂各关节的角度信号，并将采集的模拟信号转换成数字信号，采集当前的模式设定状态，采集语音控制信号；

步骤2：判断是否有语音控制指令，如果有，则执行语音控制指令，并将语音控制指令发送到所述驱动器单元121，执行步骤6，否则，执行步骤3；

步骤3：判断是否为初始化模式，如果是，则将初始化指令发送到所述驱动器单元121，执行步骤6，否则，执行步骤4；

步骤4：判断是否为被动模式，如果是，则将被动指令发送到驱动器单元121，从臂将根据预先设定的路径进行运动，以帮助患者进行康复运动，执行步骤6，否则，执行步骤5；

步骤5：判断是否为协同模式，如果是，则将跟随动作指令发送到所述驱动器单元121，执行步骤6，否则，执行步骤2；

步骤6：判断是否完成指令，如果是，则转至步骤1，否则，转至步骤2。

进一步的，所述步骤3中，所述初始化模式是指将从臂运动到原点位置，在原点位置，方便服务人员将患者的手臂与机器人从臂分离，对从臂进行清洗维护。

本发明具有以下有益效果：

本发明的主从臂机器人及其控制系统和控制方法，能够实现肩关节外展、内收、屈伸，上臂内、外旋，肘屈伸，前臂内、外旋，腕关节屈伸六个自由度的运动，本发明的主从臂机器人有两个机械臂，一个主臂，一个从臂，从臂和用户行动不便的手臂连接，可以带动用户手臂运动，主臂是控制装置，与用户的健康手臂连接，接受手臂的动作指令，用来控制从臂；从臂也可以通过控制器接受除主臂以外的控制信号比如语音信号，带动用户行动不便的手臂运动或停止，同时，当从臂到达一定位置，主臂可以解除对从臂的控制，主臂可以自由运动，与从臂一起完成简单的生活作业，同时从臂可以接受语音信号控制，以便更安全更方便的与主臂一起完成生活作业。

附图说明

图1为本发明的主从臂机器人的结构示意图；

图2为本发明的主从臂机器人控制系统的模块示意图；

图3为图2中的主臂参数采集模块的示意图；

图4为图2中的从臂驱动模块的示意图；

图5为图2中的计算机模块的示意图；

图6为图2中的人机交互模块的示意图；

图7为本发明的主从臂机器人控制系统的控制方法的控制流程图；

图8为本发明的主从臂机器人的主动训练装置装配图；

图9为本发明的主从臂机器人的被动训练装置装配图；

图10为本发明的主从臂机器人的主动训练装置的肩关节组件装配图；

图11为本发明的主从臂机器人的主动训练装置的前臂和腕关节的组件装配图；

图12为本发明的主从臂机器人的被动训练装置的肩关节组件装配图；

图13为本发明的主从臂机器人的被动训练装置的上臂组件装配图；

图14为本发明的主从臂机器人的被动训练装置的前臂组件装配图；

图15为本发明的主从臂机器人的底座的装配图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种主从臂机器人，如图1～图15所示，包括主臂训练装置3、从臂训练装置4、悬梁臂2和底座1，其中：

主臂训练装置3和从臂训练装置4通过悬梁臂2固定在底座1上；

主臂训练装置3包括主动肩关节外展、内收组件，主动肩关节屈伸组件，主动上臂内、外旋组件，主动肘屈伸组件，主动前臂内、外旋组件和主动腕关节屈伸组件，各组件上依次设置有肩关节外展内收角度传感器303、肩关节屈伸角度传感器312、上臂内外旋角度传感器314、肘屈伸角度传感器320、前臂内外旋角度传感器323和腕关节屈伸角度传感器327；

从臂训练装置4包括被动肩关节外展、内收组件，被动肩关节屈伸组件，被动上臂内、外旋组件，被动肘屈伸组件，被动前臂内、外旋组件和被动腕关节屈伸组件，各组件上依次设置有肩关节外展内收电机4-1、肩关节屈伸电机4-2、上臂内外旋电机4-3、肘屈伸电机4-4、前臂内外旋电机4-5和腕关节屈伸电机4-6。

本发明的主从臂机器人及其控制系统和控制方法，能够实现肩关节外展、内收、屈伸，上臂内、外旋，肘屈伸，前臂内、外旋，腕关节屈伸六个自由度的运动，本发明的主从臂机器人有两个机械臂，一个主臂，一个从臂，从臂和用户行动不便的手臂连接，可以带动用户手臂运动，主臂是控制装置，与用户的健康手臂连接，接受手臂的动作指令，用来控制从臂；从臂也可以通过控制器接受除主臂以外的控制信号比如语音信号，带动用户行动不便的手臂运动或停止，同时，当从臂到达一定位置，主臂可以解除对从臂的控制，主臂可以自由运动，与从臂一起完成简单的生活作业，同时从臂可以接受语音信号控制，以便更安全更方便的与主臂一起完成生活作业。

另一方面，本发明还提供一种上述的主从臂机器人的控制系统，如图2所示，包括计算机模块100，计算机模块100连接有主臂参数采集模块110、人机交互模块130和从臂驱动模块120，其中：

主臂参数采集模块110用于采集主臂训练装置3上各组件的角度信号，并将得到的模拟信号转换成数字信号，人机交互模块130用于将患者150的指令传达给计算机模块100，计算机模块100用于接收并处理得到的数字信号和患者150的指令，并发出控制指令，从臂驱动模块120用于根据计算机模块100的控制指令驱动从臂进行运动，同时将从臂当前的运动角度反馈给计算机模块100；

主臂参数采集模块110包括肩关节外展内收角度传感器303、肩关节屈伸角度传感器312、上臂内外旋角度传感器314、肘屈伸角度传感器320、前臂内外旋角度传感器323和腕关节屈伸角度传感器327，以及角度传感器转换模块117，角度传感器转换模块117用于将得到的角度信号从模拟信号转换成数字信号。

优选的，如图4所示，从臂驱动模块120可以包括驱动器单元121、电机单元122和编码器单元123，其中：

驱动器单元121用于根据计算机模块100的控制指令驱动电机单元122运转，电机单元122的运转位置通过编码器单元123回馈给驱动器单元121，形成速度闭环控制；

驱动器单元121包括六个驱动器，电机单元122包括六个直流伺服电机(即肩关节外展内收电机4-1、肩关节屈伸电机4-2、上臂内外旋电机4-3、肘屈伸电机4-4、前臂内外旋电机4-5和腕关节屈伸电机4-6)，编码器单元123包括六个编码器，每个直流伺服电机通过一个驱动器和一个编码器形成一路速度闭环控制，驱动器单元121将编码器信息传送给计算机模块100。

本发明采用伺服系统，可以提高运动的精确性。

进一步的，如图6所示，人机交互模块130可以包括模式选择单元131和语音控制单元132，其中：

模式选择单元131包括模式选择开关和转换模块，模式选择开关为手握开关，模式选择开关安装于主臂手掌附近，模式选择开关用于患者对从臂进行模式选择，转换模块用于将模式选择的信号传送给计算机模块100；

语音控制单元132用于将患者的语音指令发送给计算机模块100，语音控制单元132是为了更好地人性化服务；

语音控制单元132的优先级大于模式选择单元131，尤其是在需要紧急停止的时候，语音控制单元132更能发挥其优越性，可以通过编程设置识别患者的语音控制指令。

本发明在人机交互中增加了语音模块，可以更方便患者使用，尤其是能够提高安全性与快速控制。

本发明中，模式选择开关可以对从臂进行初始化模式、被动模式或者协同模式选择，其中：

初始化模式用于对从臂驱动模块120进行初始化，将各参数复位，从臂到达原点位置；

被动模式用于根据系统设定的固定的训练模式向从臂驱动模块120发出控制指令，由从臂驱动模块120驱动康复训练机器人140对患者150的手臂进行训练；

协同模式用于根据主臂动作的轨迹而动作，配合主臂一起完成生活作业。

本发明中，使用者可以通过模式切换开关，方便地让康复机器人运行于不同的模式。

进一步的，如图5所示，计算机模块100可以包括信号处理单元101、模式识别单元103、语音识别单元102、计算单元104和控制单元105，其中：

信号处理单元101用于对主臂参数采集模块110的数字信号进行放大、整形和滤波并进行描述、辨认、分类，对从臂驱动模块120里面的编码器信号进行识别分析，模式识别单元103用于识别当前的模式信号，判定应该以何种模式来控制从臂，语音识别单元102用于识别语音控制单元132的信号，并进行解码分析判断，计算单元104用于对外界的指令与信号进行分析计算，并给出控制方法，控制单元105用于向从臂驱动模块120发出控制指令。

再一方面，本发明还提供一种上述的主从臂机器人控制系统的控制方法，如图7所示，包括：

步骤1：采集主臂各关节的角度信号与从臂各关节的角度信号，并将采集的模拟信号转换成数字信号，采集当前的模式设定状态，采集语音控制信号；

步骤2：判断是否有语音控制指令，如果有，则执行语音控制指令，并将语音控制指令发送到驱动器单元121，执行步骤6，否则，执行步骤3；

步骤3：判断是否为初始化模式，如果是，则将初始化指令发送到驱动器单元121，执行步骤6，否则，执行步骤4；

步骤4：判断是否为被动模式，如果是，则将被动指令发送到驱动器单元121，从臂将根据预先设定的路径进行运动，以帮助患者进行康复运动，执行步骤6，否则，执行步骤5；

步骤5：判断是否为协同模式，如果是，则将跟随动作指令发送到驱动器单元121，执行步骤6，否则，执行步骤2；

在协同模式下，从臂将参照主臂运动，主臂运动时，主臂的角度传感器测量的角度发生变化，角度信号传送到计算机模块100，并发送控制指令给从臂驱动模块120，从臂驱动模块120根据控制指令驱动从臂运动，计算机模块100对主臂关节角度与从臂关节角度进行比较运算，驱动从臂跟随主臂协同运动，需要从臂退出协同时，通过语音指令来控制。

步骤6：判断是否完成指令，如果是，则转至步骤1，否则，转至步骤2。

本发明中，在上述的任何一种模式下，语音指令都有优先权，尤其是在暂停一种模式时。在协同模式下，根据作业要求，从臂需要保持静止的状态，例如端碗，而主臂需要进行其他动作，此时可以通过语音控制暂停协同，从臂不再跟随主臂一起运动，当需要继续协同时，主臂到达与从臂相应的位置，语音控制恢复协同，可以继续进行协同模式。在被动模式时，语音指令也可以暂停从臂的运动，在从臂运动的任何模式、任何时间，使用者都可以用语音来控制从臂急停，以防止出现危险，同时方便使用。例如从臂端了一碗饭，当主臂向嘴边靠拢时，从臂也会同样向嘴边靠拢，等从臂到达既定位置，需要从臂保持现状不动时，通过语音信号指令退出协同模式，主臂可以自由活动，可以拿勺子从碗里取饭送到嘴里，当使用者认为生活作业完成后，可以用主臂先将从臂上的碗取下，然后将模式打到初始化模式，从臂回到原点。

进一步的，步骤3中，初始化模式是指将从臂运动到原点位置，在原点位置，方便服务人员将患者的手臂与机器人从臂分离，对从臂进行清洗维护。

本发明中，对于主从臂机器人的结构，补充一个具体的实施例，具体如下：

本发明提供一种主从臂机器人，如图1和图8～图15所示，包括上肢主动训练装置3、上肢被动训练装置4、悬梁臂2和底座1，其中：

上肢主动训练装置3和上肢被动训练装置4通过悬梁臂2固定在底座1上；

上肢主动训练装置3包括主动肩关节外展、内收组件，主动肩关节屈伸组件，主动上臂内、外旋组件，主动肘屈伸组件，主动前臂内、外旋组件，主动腕关节屈伸组件；

上肢被动训练装置4包括被动肩关节外展、内收组件，被动肩关节屈伸组件，被动上臂内、外旋组件，被动肘屈伸组件，被动前臂内、外旋组件，被动腕关节屈伸组件。

本发明的主从臂机器人包括上肢主动训练装置(即主臂)和上肢被动训练装置(即从臂)，使用时，将主臂用作控制装置，与用户的健康手臂连接，将从臂与用户行动不便的手臂连接，带动用户行动不便的手臂运动，主臂接受用户手臂的动作指令，用来控制从臂，从臂也可以通过控制器接受除主臂以外的控制信号，带动用户行动不便的手臂运动，满足患者的运动需求，提高康复运动的科学性。本发明的主从臂机器人能够实现肩关节外展、内收、屈伸，上臂内、外旋，肘屈伸，前臂内、外旋，腕关节屈伸六个自由度的运动，支持多个关节多个维度的运动，可以单独进行也可以各个关节协调配合完成正常的运动，本发明由主臂带动从臂运动，可以帮助患者按照自己的意愿进行运动，能够激发患者训练的兴趣和积极性，具有较强的实用性，并且可以针对不同时期的患者调整患者的康复运动，功能非常全面。

优选的，如图10所示，主动肩关节外展、内收组件可以包括主动肩关节旋转轴301、主动肩关节限位装置302、肩关节外展内收角度传感器303和横梁304，主动肩关节屈伸组件可以包括主动肩关节上竖臂305、主动肩关节下竖臂307、主动肩关节屈伸摆动前臂309、主动肩关节屈伸摆动后臂310、肩关节屈伸角度传感器312和主动肩关节屈伸限位装置308，其中：

主动肩关节旋转轴301竖向设置，主动肩关节旋转轴301的上端通过螺栓固定在悬梁臂2上，主动肩关节旋转轴301的下端与横梁304的一端连接，主动肩关节旋转轴301的外侧套设有主动肩关节限位装置302，肩关节外展内收角度传感器303通过螺栓固定在主动肩关节限位装置302上，采集主动肩关节旋转轴301的旋转数据并进行反馈。

主动肩关节上竖臂305的上端与横梁304的另一端连接，主动肩关节上竖臂305的下端与主动肩关节下竖臂307的上端垂直固定，主动肩关节上竖臂305和主动肩关节下竖臂307上设置有主动肩关节屈伸调节高度装置306(具体可以为丝杠调节装置，通过旋转装置中的按钮，进行高度调节，也可以为本领域技术人员容易想到的其他调节方式，均不影响本发明技术方案的实施)，通过主动肩关节屈伸调节高度装置306来调节主动肩关节上竖臂305和主动肩关节下竖臂307的高度，以适应不同的人群，主动肩关节下竖臂307的下端与主动肩关节屈伸摆动前臂309的一端连接，主动肩关节屈伸摆动前臂309的另一端与主动肩关节屈伸摆动后臂310平行固定，主动肩关节屈伸摆动后臂310上设置有主动肩关节屈伸调节长度装置311(具体可以为丝杠调节装置，通过旋转，来调节主动肩关节屈伸摆动后臂310的长度，也可以为本领域技术人员容易想到的其他调节方式，均不影响本发明技术方案的实施)，肩关节屈伸角度传感器312焊接在主动肩关节下竖臂307上，主动肩关节屈伸限位装置308分别位于主动肩关节屈伸摆动前臂309的两侧通过螺栓固定在主动肩关节下竖臂307上，主动肩关节屈伸摆动后臂310与主动上臂内、外旋组件连接。

本发明中，为了机器人的轻便性、灵活性，不同人群的适应性，肩关节采用连杆结构，同时外展、内收组件和屈伸组件采用调节长度装置。

进一步的，如图11所示，主动上臂内、外旋组件可以包括主动上臂固定板313、上臂弯轨固定件413、上臂弯轨315、上臂内外旋角度传感器314、上臂上连接件316、上臂下连接件317和主动上臂内、外旋限位装置318，主动肘屈伸组件可以包括肘屈伸上连接件321、肘屈伸下连接件319和肘屈伸角度传感器320，其中：

主动上臂固定板313通过螺栓与主动肩关节屈伸组件连接，具体地，如图5所示，主动上臂固定板313通过螺栓可以与主动肩关节屈伸摆动后臂310连接，上臂弯轨固定件413通过螺栓固定在主动上臂固定板313上，上臂弯轨315固定在上臂弯轨固定件413上，上臂弯轨315能够相对上臂弯轨固定件413转动，上臂内外旋角度传感器314通过螺栓固定在主动上臂固定板313上，上臂弯轨315的一端与上臂上连接件316连接，上臂弯轨315的另一端与上臂下连接件317连接，主动上臂内、外旋限位装置318分别固定在上臂上连接件316和上臂下连接件317上；

肘屈伸上连接件321与上臂上连接件316铰接，肘屈伸下连接件319与上臂下连接件317铰接，肘屈伸角度传感器320固定在上臂下连接件317上，肘屈伸上连接件321与主动前臂内、外旋组件连接。

本发明中，为了保证上臂内、外旋过程中设备固定，采用弯轨结构，在运动过程中只有上臂弯轨315相对于设备相对运动，减少运动负重，主动肘屈伸结构采用铰接形式，方便运动，同时角度传感器能够采集相对轴的运动角度信息，传递给从臂。

本发明中，如图11所示，主动前臂内、外旋组件可以包括前臂固定板324、前臂弯轨322、前臂弯轨固定件413’和前臂内外旋角度传感器323，其中：

前臂固定板324与肘屈伸上连接件321连接，前臂弯轨322的一端与肘屈伸上连接件321连接，前臂弯轨322的另一端与肘屈伸下连接件319连接，前臂弯轨322固定在前臂弯轨固定件413’上，前臂弯轨322能够相对前臂弯轨固定件413’转动，前臂弯轨固定件413’通过螺栓固定在前臂固定板324上，前臂内外旋角度传感器323通过螺栓固定在前臂固定板324上，前臂固定板324与主动腕关节屈伸组件连接。

本发明中，为了保证前臂内、外旋过程中设备固定，采用弯轨结构，在运动过程中只有前臂弯轨322相对于设备相对运动，减少运动负重。

优选的，如图11所示，主动腕关节屈伸组件可以包括腕关节连接板325、腕关节旋转轴328和腕关节屈伸角度传感器327，其中：

腕关节连接板325焊接在主动前臂内、外旋组件上，具体地，如图5所示，腕关节连接板325焊接在前臂固定板324上，腕关节旋转轴328的一端与腕关节连接板325连接，腕关节旋转轴328的另一端通过螺栓固设有第一把手329，腕关节旋转轴328上设置有腕关节长度调节装置326(具体可以通过螺纹旋钮，压紧进行固定，松开左右调节长度，也可以为本领域技术人员容易想到的其他调节方式，均不影响本发明技术方案的实施)，腕关节屈伸角度传感器327焊接在腕关节长度调节装置326上。

本发明通过腕关节长度调节装置326可以调节腕部的活动长度，适应不同人群，同时腕关节屈伸角度传感器327通过腕关节旋转轴328的旋转角度信息传递给从臂，进行适当的运动。

进一步的，如图12所示，被动肩关节外展、内收组件可以包括肩关节外展内收电机4-1、旋转梁404和被动肩关节外展、内收限位装置403，被动肩关节屈伸组件可以包括固定件405、肩关节屈伸电机4-2、肩关节连接件408和屈伸梁409，其中：

肩关节外展内收电机4-1竖向设置，肩关节外展内收电机4-1的一端通过螺栓固定在悬梁臂2上，肩关节外展内收电机4-1的另一端外侧套设有减速机保护套402，减速机保护套402还通过螺栓固定在悬梁臂2上，被动肩关节外展、内收限位装置403焊接在减速机保护套402上，肩关节外展内收电机4-1的输出轴驱动连接旋转梁404的一端，肩关节外展内收电机4-1旋转带动旋转梁404运动，实现肩部外展、内收运动；

固定件405的上端通过螺栓与旋转梁404的另一端连接，肩关节屈伸电机4-2通过螺栓连接在固定件405的下端，肩关节屈伸电机4-2的输出轴与连接件408连接，屈伸梁409的一端通过螺栓固设在连接件408上，屈伸梁409上固设有丝杠长度调节装置410，固定件405上在屈伸梁409的两侧固设有被动肩关节屈伸限位装置407，屈伸梁409的另一端与被动上臂内、外旋组件连接，肩关节屈伸电机4-2旋转带动屈伸梁409运动，实现肩关节屈伸运动。

本发明可以通过被动肩关节外展内收限位装置403来控制肩部运动范围，通过控制肩关节外展内收电机4-1转动速度，可以实现肩部的运动频率，肩关节屈伸电机4-2旋转带动连接件408运动，连接件408带动屈伸梁409运动，通过丝杠长度调节装置410可以调节屈伸梁409的长度，保证不同人群的适应长度，被动肩关节屈伸限位装置407可以控制屈伸梁409的活动范围。

本发明中，如图13所示，被动上臂内、外旋组件可以包括被动上臂固定板412、上臂内外旋电机4-3、弯轨组件414、上臂保护外壳434、上臂绑带组件420(具体可以为固定手臂的绑带)、上臂上连接板415和上臂下连接板418，被动肘屈伸组件可以包括肘屈伸电机4-4、肘屈伸上连接板421和肘屈伸下连接板422，其中：

被动上臂固定板412通过螺栓固定在肩关节屈伸组件上，具体地，如图7所示，被动上臂固定板412通过螺栓可以固定在屈伸梁409上，上臂内外旋电机4-3通过螺栓固定在被动上臂固定板412上，上臂内外旋电机4-3的输出轴驱动连接弯轨组件414，上臂保护外壳434通过螺栓固设在被动上臂固定板412上，上臂绑带组件420通过螺栓固设在上臂保护外壳434上，弯轨组件414的上端与上臂上连接板415的一端连接，弯轨组件414的下端与上臂下连接板418的一端连接，上臂上连接板415与上臂下连接板418上固设有被动上臂内外旋限位装置416，上臂内外旋电机4-3的电机旋转带动弯轨组件414运动，实现上臂内、外旋运动。

肘屈伸电机4-4通过螺栓固定连接在上臂上连接板415上，肘屈伸电机4-4的输出轴驱动连接肘屈伸上连接板421的一端，肘屈伸下连接板422的一端与上臂下连接板418铰接，肘屈伸上连接板421和肘屈伸下连接板422的另一端分别与被动前臂内、外旋组件连接，肘屈伸电机4-4旋转带动肘屈伸上连接板421运动，实现肘屈伸运动。

本发明可以通过被动上臂内外旋限位装置416控制弯轨组件414的运动范围，限定上臂内、外旋的训练程度，肘屈伸下连接板422与上臂下连接板418铰接，肘屈伸电机4-4带动肘屈伸上连接板421运动，可以将小臂组件整体跟随运动。

优选的，如图13和图14所示，被动前臂内、外旋组件可以包括前臂弯轨组件423、前臂内外旋电机4-5、前臂内外旋固定板433、前臂保护外壳425和前臂绑带组件424，其中：

前臂弯轨组件423的上下两端通过螺栓分别与肘屈伸上连接板421和肘屈伸下连接板422连接，前臂内外旋电机4-5通过螺栓固定在前臂内外旋固定板433上，前臂内外旋电机4-5的输出轴驱动连接前臂弯轨组件423的中部，前臂保护外壳425通过螺栓固设在前臂内外旋固定板433上，前臂绑带组件424通过螺栓固设在前臂保护外壳425上，前臂保护外壳425与前臂固定板433连接，前臂内外旋固定板433与被动腕关节屈伸组件连接，前臂内外旋电机4-5旋转带动前臂弯轨组件423运动，实现前臂内、外旋运动。

本发明通过前臂内外旋电机4-5带动前臂弯轨组件423运动，保证其余部位不动的情况下，只是前臂的局部内、外旋运动。

进一步的，如图13所示，被动腕关节屈伸组件可以包括腕关节固定板426、腕关节屈伸电机4-6、旋转杆429、第二把手430、被动腕关节屈伸限位装置427，其中：

腕关节固定板426通过螺栓固定在前臂内、外旋组件上，具体地，如图7和图8所示，腕关节固定板426通过螺栓可以固定在前臂内外旋固定板433上，腕关节屈伸电机4-6通过螺栓固定在腕关节固定板426上，腕关节屈伸电机4-6的输出轴驱动连接旋转杆429的一端，旋转杆429的另一端通过螺栓与第二把手430连接，腕关节固定板426上在旋转杆429的两侧分别固设有被动腕关节屈伸限位装置427，腕关节屈伸电机4-6旋转带动旋转杆429运动，实现腕关节屈伸运动。

本发明可以通过被动腕关节屈伸限位装置427控制腕部组件的运动范围，实现腕关节局部屈伸运动。

本发明中，如图15所示，底座1可以包括底盘1-5、脚轮1-3、座椅1-4、主机箱1-1和升降柱1-2，其中：

脚轮1-3设置在底盘1-5的底面，座椅1-4设置在底盘1-5的上面，主机箱1-1设置在底盘1-5的上面且位于座椅1-4的后方，底盘1-5上还设置有升降柱1-2，悬梁臂2设置在升降柱1-2上。

本发明可以通过脚轮1-3，进行位置移动，同时升降柱1-2可以调节装置的高度，适应不同人群。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种主从臂机器人，其特征在于，包括主臂训练装置(3)、从臂训练装置(4)、悬梁臂(2)和底座(1)，其中：

所述主臂训练装置(3)和从臂训练装置(4)通过所述悬梁臂(2)固定在所述底座(1)上；

所述主臂训练装置(3)包括主动肩关节外展、内收组件，主动肩关节屈伸组件，主动上臂内、外旋组件，主动肘屈伸组件，主动前臂内、外旋组件和主动腕关节屈伸组件，各组件上依次设置有肩关节外展内收角度传感器(303)、肩关节屈伸角度传感器(312)、上臂内外旋角度传感器(314)、肘屈伸角度传感器(320)、前臂内外旋角度传感器(323)和腕关节屈伸角度传感器(327)；

所述从臂训练装置(4)包括被动肩关节外展、内收组件，被动肩关节屈伸组件，被动上臂内、外旋组件，被动肘屈伸组件，被动前臂内、外旋组件和被动腕关节屈伸组件，各组件上依次设置有肩关节外展内收电机(4-1)、肩关节屈伸电机(4-2)、上臂内外旋电机(4-3)、肘屈伸电机(4-4)、前臂内外旋电机(4-5)和腕关节屈伸电机(4-6)。

2.权利要求1所述的主从臂机器人的控制系统，其特征在于，包括计算机模块(100)，所述计算机模块(100)连接有主臂参数采集模块(110)、人机交互模块(130)和从臂驱动模块(120)，其中：

所述主臂参数采集模块(110)用于采集所述主臂训练装置(3)上各组件的角度信号，并将得到的模拟信号转换成数字信号，所述人机交互模块(130)用于将患者(150)的指令传达给所述计算机模块(100)，所述计算机模块(100)用于接收并处理得到的数字信号和患者(150)的指令，并发出控制指令，所述从臂驱动模块(120)用于根据所述计算机模块(100)的控制指令驱动从臂进行运动，同时将从臂当前的运动角度反馈给所述计算机模块(100)；

所述主臂参数采集模块(110)包括所述肩关节外展内收角度传感器(303)、肩关节屈伸角度传感器(312)、上臂内外旋角度传感器(314)、肘屈伸角度传感器(320)、前臂内外旋角度传感器(323)和腕关节屈伸角度传感器(327)，以及角度传感器转换模块(117)，所述角度传感器转换模块(117)用于将得到的角度信号从模拟信号转换成数字信号。

3.根据权利要求2所述的主从臂机器人控制系统，其特征在于，所述从臂驱动模块(120)包括驱动器单元(121)、电机单元(122)和编码器单元(123)，其中：

所述驱动器单元(121)用于根据所述计算机模块(100)的控制指令驱动所述电机单元(122)运转，所述电机单元(122)的运转位置通过所述编码器单元(123)回馈给所述驱动器单元(121)，形成速度闭环控制；

所述驱动器单元(121)包括六个驱动器，所述电机单元(122)包括六个直流伺服电机，所述编码器单元(123)包括六个编码器，每个直流伺服电机通过一个驱动器和一个编码器形成一路速度闭环控制，所述驱动器单元(121)将编码器信息传送给所述计算机模块(100)。

4.根据权利要求2所述的主从臂机器人控制系统，其特征在于，所述人机交互模块(130)包括模式选择单元(131)和语音控制单元(132)，其中：

所述模式选择单元(131)包括模式选择开关和转换模块，所述模式选择开关为手握开关，所述模式选择开关安装于主臂手掌附近，所述模式选择开关用于患者对从臂进行模式选择，所述转换模块用于将模式选择的信号传送给计算机模块(100)；

所述语音控制单元(132)用于将患者的语音指令发送给所述计算机模块(100)；

所述语音控制单元(132)的优先级大于所述模式选择单元(131)。

5.根据权利要求4所述的主从臂机器人控制系统，其特征在于，所述模式选择开关对从臂进行初始化模式、被动模式或者协同模式选择，其中：

所述初始化模式用于对从臂驱动模块(120)进行初始化，将各参数复位，从臂到达原点位置；

所述被动模式用于根据系统设定的固定的训练模式向从臂驱动模块(120)发出控制指令，由从臂驱动模块(120)驱动康复训练机器人(140)对患者(150)的手臂进行训练；

所述协同模式用于根据主臂动作的轨迹而动作，配合主臂一起完成生活作业。

6.根据权利要求4所述的主从臂机器人控制系统，其特征在于，所述计算机模块(100)包括信号处理单元(101)、模式识别单元(103)、语音识别单元(102)、计算单元(104)和控制单元(105)，其中：

所述信号处理单元(101)用于对所述主臂参数采集模块(110)的数字信号进行放大、整形和滤波并进行描述、辨认、分类，对从臂驱动模块(120)里面的编码器信号进行识别分析，所述模式识别单元(103)用于识别当前的模式信号，判定应该以何种模式来控制从臂，所述语音识别单元(102)用于识别所述语音控制单元(132)的信号，并进行解码分析判断，所述计算单元(104)用于对外界的指令与信号进行分析计算，并给出控制方法，所述控制单元(105)用于向所述从臂驱动模块(120)发出控制指令。

7.权利要求2-6中任一所述的主从臂机器人控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集主臂各关节的角度信号与从臂各关节的角度信号，并将采集的模拟信号转换成数字信号，采集当前的模式设定状态，采集语音控制信号；

步骤2：判断是否有语音控制指令，如果有，则执行语音控制指令，并将语音控制指令发送到所述驱动器单元(121)，执行步骤6，否则，执行步骤3；

步骤3：判断是否为初始化模式，如果是，则将初始化指令发送到所述驱动器单元(121)，执行步骤6，否则，执行步骤4；

步骤4：判断是否为被动模式，如果是，则将被动指令发送到驱动器单元(121)，从臂将根据预先设定的路径进行运动，以帮助患者进行康复运动，执行步骤6，否则，执行步骤5；

步骤5：判断是否为协同模式，如果是，则将跟随动作指令发送到所述驱动器单元(121)，执行步骤6，否则，执行步骤2；

步骤6：判断是否完成指令，如果是，则转至步骤1，否则，转至步骤2。

8.根据权利要求7所述的主从臂机器人控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，所述初始化模式是指将从臂运动到原点位置，在原点位置，方便服务人员将患者的手臂与机器人从臂分离，对从臂进行清洗维护。