CN108433940A - 基于轮椅车的上肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，上肢外骨骼式康复机器人通过背部支架和升降平台固定在可移动的智能轮椅车的座椅背后，通过通过背部支架的旋转可实现上肢外骨骼式康复机器人的机械臂转动，实现左右手康复训练的互换，以及通过调整升降平台可调整上肢外骨骼式康复机器人的机械臂的高度；所述上肢外骨骼式康复机器人的机械臂的自由度由肩关节、肘关节、腕关节三个关节实现，肩关节、肘关节、腕关节之间通过连接杆连接，机械臂上设有固定患肢用的绑带。本发明创新性的将上肢康复机器人的机械臂安装在智能轮椅车上，摆脱了传统大型康复机器人体积过大、过于沉重以及患者必须要到指定场所接受康复训练的约束。

Description

基于轮椅车的上肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种外骨骼式机器人，尤其是一种基于轮椅车的上肢外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼式机器人是一种能够穿戴于人体，辅助或扩展人体运动能力的机电装置。外骨骼式机器人的应用范围是非常广泛的，包括远程操控、人体机能增强，人体技能补偿以及肢体康复训练。目前在全球范围内，已经研制出了数款用于脑卒中患者肢体康复训练的机器人。

在外骨骼式康复机器人的设计中，目前流行的有固定式大型康复机器人，即康复机器人固定安装在底座上；这类康复机器人又可分为单臂训练式、双臂训练式和可左右手互换式。有电机或无电机的可穿戴式上肢康复机器人，这类康复机器人患者可穿戴在身上。

以固定式上肢康复机器人为例，这类康复机器人将固定底座、主控机、机械臂、电动机以及其他驱动单元集成在一个固定的单元中，一般由电机驱动患者训练，康复训练患者只需坐在座椅上，接受由电机带动的康复训练，可选择主动训练模式和被动训练模式。这类康复机器人具有比较完善的训练模式和功能，能帮助患者实现的自由度也比较多，所以需要比较完善的驱动体系以支持其工作，不可避免的造成机械结构复杂，体积过于庞大、操作比较复杂等情况，并且一般需要在专业治疗师的配合下进行，只适合在康复医院等专业康复机构使用，不能广泛地进入家庭。

另一类可穿戴式的上肢康复机器人结构比较简单，体积较小且轻便，但是没有安装电机作为驱动，一般以带传动、连杆等作为连接方式。这类康复机器人的操作简单，便于携带，但是功能简单，一般适用于轻度偏瘫患者的使用，不适合重度肢体功能障碍的患者进行康复

现有的外骨骼式上肢康复机器人在设计上都没有完全实现轻量化、便携化和功能完善化的结合，给康复患者的使用带来了很大的困扰。

发明内容

针对现有的外骨骼式上肢康复机器人的研究现状，本发明旨在将轻量化和功能多样化实现在外骨骼式上肢康复机器人上，而提供一种基于轮椅车的上肢外骨骼机器人。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，包括可移动的智能轮椅、上肢外骨骼式康复机器人、控制系统，所述上肢外骨骼式康复机器人通过背部支架和升降平台固定在可移动的智能轮椅车的座椅背后，通过背部支架的旋转可实现上肢外骨骼式康复机器人的机械臂转动，实现左右手康复训练的互换，以及通过调整升降平台可调整上肢外骨骼式康复机器人的机械臂的高度；所述上肢外骨骼式康复机器人的机械臂的自由度由肩关节、肘关节、腕关节三个关节实现，肩关节、肘关节、腕关节之间通过连接杆连接，机械臂上设有固定患肢用的绑带。

所述肩关节由一个水平放置的电机一和一个竖直放置的电机二组成，水平放置的电机一通过转动带动整个机械臂旋转实现肩关节的内收、外展；竖直放置的电机二通过转动带动整个机械臂旋转实现肩关节的曲屈/伸展。

所述肘关节由电机三构成，电机三通过转动带动机械臂实现肘关节的屈伸。

所述腕关节下面连接手柄组成腕部模块，腕关节关节处装有角度传感器，用于检测患者腕关节的运动，患者通过手柄可以完成对腕关节的训练。

所述控制系统由数据采集单元、数据处理和控制单元、语音控制单元、数据传输单元、上位机控制单元和动力单元组成，数据处理和控制单元采用Cortex-M7内核的微控制器负责整个系统的数据处理、电机控制以及外围部件的驱动，具有2通道的DMA控制器，满足多路数据采集需求，以及自带CANopen通信单元符合电机驱动通信协议，处理频率设置为216MHz满足数据处理以及控制系统的要求；数据传输单元采用CANopen通信协议与上肢康复机器人各电机驱动通信，完成对各个单元控制指令的发送。

本发明的有益效果是：

相对于传统的上肢外骨骼康复机器人，本发明，基于轮椅车的上肢外骨骼康复机器人，创新性的将上肢康复机器人的机械臂安装在智能轮椅车上，摆脱了传统大型康复机器人体积过大、过于沉重以及患者必须要到指定场所接受康复训练的约束。患者利用本发明，既可以借助于轮椅移动，还可以在轮椅上完成上肢的康复训练。此外，本发明虽精简了上肢康复机器人的体积，但并未遗弃大型机的康复功能，基于轮椅车的上肢康复机器人同样具有大型机具备的所有康复训练的功能和模式，患者可以利用本发明实现同大型康复机器人相同的训练目的。

本发明具体特点如下：

1.基于轮椅车的上肢康复机器人

创新点：将上肢康复机器人移植到轮椅车上，减小了康复机器人的体积，可以走进家庭，患者不用再受接受康复训练场所的约束，有助于加快实现家庭康复的目标。在减轻康复机器人体积和重量的同时仍然保留了大型康复机器人具有的全部的康复功能和模式，具备一定的康复能力和效果。

2.基于轮椅车的上肢康复机器人组成

本发明所述的上肢康复机器人由背部支架和升降平台固定在轮椅车靠背后。肩关节模块由两个电机组成，可实现肩关节的曲屈、伸展和内收、外展。肩关节电机二和电机三之间由上臂连接杆连接，电机三可以完成肘关节的屈伸运动。腕部模块包括腕关节和手柄部分。

3.两个独立的电机实现肩关节两个自由度

人的肩部可以进行水平运动、竖直运动和旋转运动，本发明所属的上肢康复机器人用一个电机的运转实现肩关节的曲屈、伸展，用另一个电机的运转实现肩关节的内收、外展。两个关节的电机相互独立，互不影响；在完成肩关节运动时，两电机结合运动，共同完成肩关节的运动。

4.基于单片机的控制方式

采用单片机控制的方式，使用目前主流的STM32F407ZET6芯片作为主控芯片，大大减小了主控单元的体积，利用CANopen通信实现单片机与各受控单元之间进行通信，完成对各个单元控制指令的发送。

5.左右手互换

将背部支架旋转，可以将机械臂转动，实现左右手的互换。本发明所述的上肢康复机器人用单个机械臂就可以实现左右手的康复训练，降低了双机械臂对上肢康复机器人安防空间体积的要求，适用于不同的患者。

附图说明

图1为本发明的上肢外骨骼式康复机器人结构主视图；

图2为本发明的上肢外骨骼式康复机器人结构的侧视图；

图3为本发明的上肢外骨骼式康复机器人结构的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本发明的的基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，包括可移动的智能轮椅、上肢外骨骼式康复机器人、控制系统。

本发明的主体结构为可移动的智能轮椅。可移动的智轮椅包括轮椅车本身、蓄电池、外部供电电源接口、背部支架和升降平台、控制模块盒以及上肢外骨骼康复机器人构成。蓄电池可为轮椅车和上肢康复机器人供电，直接接220V电源同样也可以对轮椅车和康复机器人供电。

上肢外骨骼式康复机器人由背部支架和升降平台固定在轮椅车的座椅背后，通过背部支架的旋转可实现左右手的互换，通过调整升降平台可调整机械臂的高度，两个调节方式相结合可以满足不同患者的需求，并保证患者肩关节的中心与机械臂的肩关节中心重合，更好的进行上肢康复训练。康复机器人的机械臂的自由度由肩关节、肘关节、腕关节三个关节实现，机械臂还包括了连接各关节之间的连接杆和固定患肢用的绑带。

肩关节由一个水平放置的电机一1和一个竖直放置的电机二2组成，水平放置的电机一1通过转动带动整个机械臂旋转实现肩关节的内收、外展；竖直放置的电机二2通过转动带动整个机械臂旋转实现肩关节的曲屈、伸展。

肘关节由电机三3构成，电机三3通过转动带动机械臂实现肘关节的屈伸。

腕部模块由腕关节和手柄组成，腕关节关节处装有角度传感器可以检测患者腕关节的运动。患者通过手柄可以完成对腕关节的训练，没有电机驱动。

控制/运行方式上：上肢康复机器人控制系统主要由以下六个部分组成：数据采集单元、数据处理和控制单元、语音控制单元、数据传输单元、上位机控制单元和动力单元。

其中数据采集单元包括：关节角度采集、握力采集、前臂和上臂肌电信号采集、电池电量采集。数据处理和控制单元采用Cortex-M7内核的微控制器负责整个系统的数据处理、电机控制以及外围部件的驱动，具有2通道的DMA控制器，满足多路数据采集需求，以及自带CANopen通信单元符合电机驱动通信协议，处理频率设置为216MHz满足数据处理以及控制系统的要求。语音控制单元采用非特定人语音识别与播报芯片，最大可储存512条控制指令，识别灵敏度和麦克风增益可调节完成远场和近场识别，满足上肢康复机器人语音控制需求。数据传输单元可支持串口、无线网络以及CANopen共3种通信协议可选，其中串口通信和无线网通信主要负责完成上位机与下位机的数据传输。CANopen通信协议负责与上肢康复机器人各电机驱动通信。上位机控制单元基于Visual Studio平台开发的客户端，可以远程完成上肢康复机器人的控制和获取康复训练数据和康复训练评估。动力单元根据上肢外骨骼机械结构分析设计，选择马克松的盘式电机和配套的驱动器，可为上肢外骨骼康复机器人的肩关节、肘关节提供动力。

患者在使用本发明基于轮椅的上肢康复机器人时，根据使用者的患侧，调节上肢康复机器人的机械臂到与之对应的一侧，在轮椅上坐稳，自行或通过他人帮助将上臂穿过康复机器人机械臂并固定，即可开始进行康复训练。

本发明所述的基于轮椅车的上肢外骨骼康复机器人设置了主动训练、被动训练和助力训练三种训练模式，用户可以通过上位机选择训练模式，其中被动训练具有肘关节训练、肩关节训练、肩关节内收外展训练、作业康复训练等模式，电机带动机械臂按照预规划的轨迹运动，帮助患者患肢进行康复训练。被动训练适用于完全丧失独立运动能力或只有微弱肌力的患者，需由机械臂带动完成相应的动作，以达到通过康复训练帮助其恢复运动能力的目的。主动训练和助力训练适用范围较广，可依据患者患肢运动能力的强弱进行自主选择。主动训练模式下，电机完全不提供动力，由患者自主控制患肢运动，完成系统规划的轨迹或游戏任务；助力训练模式下，患者患肢有一定的运动能力，但肌力有限，仅依靠自身肌力达不到训练目的或任务的要求，而通过电机为患者患肢的运动提供一定的助力，则可以辅助患者完成训练。

除通过上位机选择训练模式的方式之外，本发明所述的基于轮椅车的上肢康复机器人，为方便患者的使用，还额外增加了语音控制的方式。本发明所述的上肢康复机器人采用的语音控制芯片LD3320D可以储存512条控制指令，针对所具有的康复训练模式，设定了三条相对应的语音指令。患者在使用上肢康复机器人时，可以不通过对上位机的操作控制上肢康复机器人，只需对话筒说出相应的运动模式的名称，控制系统即可识别并自动发出相应的指令，电机在接收到指令之后即按照预规划的轨迹带动患肢进行康复训练。并且，为了避免系统误识别、发出错误的指令，本发明在设计语音控制时另加了语音反馈。患者在通过语音指令控制本发明所述的上肢康复机器人时，系统在识别到语音指令后会重复指令名称并要求用户确认，在用户重复“确认”命令之后系统才会发出相应的控制指令，确保患者的使用安全，以避免因设备故障对患者造成二次伤害。

另外，针对尚有一定肌力的患者，本发明所述的上肢康复机器人还设计了利用采集到的肌电信号控制上肢康复机器人的控制方式。本发明所述的基于轮椅车的上肢外骨骼康复机器人配备两个肌电信号采集模块，两个采集模块通过绑带绑在患者的患肢上，保持与肌肉紧贴即可采集到肌电信号。将采集到的肌电信号经过处理后，主控制器即可对机械臂做出相应发控制指令。如将两个肌电采集模块分别紧贴于患肢三角肌和肱二头肌位置，患者在进行肩关节的曲屈、伸展，内收、外展和肘关节的屈伸运动时，肌肉的肌电信号会被采集，信号经过系统处理后，控制模块会根据采集到的信号控制机械臂随着患肢运动而运动，不用另设置康复模式和训练模式。

Claims (5)

1.一种基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，包括可移动的智能轮椅、上肢外骨骼式康复机器人、控制系统，其特征在于：所述上肢外骨骼式康复机器人通过背部支架和升降平台固定在可移动的智能轮椅车的座椅背后，通过背部支架的旋转可实现上肢外骨骼式康复机器人的机械臂转动，实现左右手康复训练的互换，以及通过调整升降平台可调整上肢外骨骼式康复机器人的机械臂的高度；所述上肢外骨骼式康复机器人的机械臂的自由度由肩关节、肘关节、腕关节三个关节实现，所述肩关节、肘关节、腕关节之间通过连接杆连接，机械臂上设有固定患肢用的绑带。

2.根据权利要求1所述的基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述肩关节由一个水平放置的电机一和一个竖直放置的电机二组成，水平放置的电机一通过转动带动整个机械臂旋转实现肩关节的内收、外展；竖直放置的电机二通过转动带动整个机械臂旋转实现肩关节的曲屈、伸展。

3.根据权利要求1所述的基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述肘关节由电机三构成，第三电机通过转动带动机械臂实现肘关节的屈伸。

4.根据权利要求1所述的基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述腕关节下面连接手柄组成腕部模块，腕关节关节处装有角度传感器，用于检测患者腕关节的运动，患者通过手柄可以完成对腕关节的训练。

5.根据权利要求1所述的基于轮椅车的上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述控制系统由数据采集单元、数据处理和控制单元、语音控制单元、数据传输单元、上位机控制单元和动力单元组成，所述数据处理和控制单元采用Cortex-M7内核的微控制器负责整个系统的数据处理、电机控制以及外围部件的驱动，具有2通道的DMA控制器，满足多路数据采集需求，以及自带CANopen通信单元符合电机驱动通信协议，处理频率设置为216MHz满足数据处理以及控制系统的要求；数据传输单元采用CANopen通信协议与上肢康复机器人各电机驱动通信，完成对各个单元控制指令的发送。