CN109009880A - 一种末端牵引式上肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种末端牵引式上肢康复机器人，其特征在于：所述的装置包括机械架构、主控模块、电机模块、信息采集模块、信息处理模块、通信模块、检测模块。所述的机械架构包括底座、旋转盘、主臂、副臂、连杆、齿轮、握把及绑带；所述的主控模块为STM32单片机，内置有镜像机器人控制算法；所述的电机模块包括直流减速电机、支撑架、固定轴；所述的信息采集模块为三轴惯性传感器；所述的信息处理模块为PC机；所述的通信模块为2.4G模组；所述的检测模块为肌电传感器。本装置通过握结构牵引患侧手臂进行康复训练，信息处理模块与信息采集模块通过USB连接，信息处理模块与通信模块通过SPI通信，通信模块与主控模块通过LoRa通信，检测模块与主控模块通过SPI连接。本发明公开了一种末端牵引式上肢康复机器人。
Description
技术领域
本发明涉及上肢康复领域，特别涉及一种末端牵引式上肢康复机器人。
背景技术
伴随时代进步，科技发展与日俱进，各行各业中均不同程度的引入智能控制，我国现有脑瘫患者600多万且患有该疾病的人数呈现上升趋势，而医疗康复领域面临患者恢复周期长，且人力资源不足的问题，智能控制应用于康复医学领域成为必然趋势，针对脑梗患者，手术后导致身体半瘫的情况，如果不进行周期性的辅助康复运动，长时间的肌肉松弛会导致患侧肢体彻底丧失运动能力，上肢康复机器人能够配合患者的康复训练，节约人力资源，缩短治疗周期，研究表明，通过模仿健侧肢体行为进行训练，可以在患侧到大脑之间重新生成镜像神经元，以重新实现患侧肢体的部分功能，患者通过该上肢康复机器人进行康复训练，可以达到康复训练的目的。
现有的上肢康复治疗器械手臂康复训练范围有限、装置复杂、穿戴及训练过程容易对患者造成二次伤害，并且一般采用有线方式连接，电路连接复杂、装置可移植性低，且肢体信息采集准确度低，很难达到较好的上肢功能恢复的目的，因此，有必要设计一种手臂康复训练范围大、结构简单、穿戴方便、训练过程安全，可移植性好，且肢体信息采集准确的上肢康复机器人，可对患者上臂、小臂进行安全有效的康复训练，更好的进行患侧上肢的康复运动，达到上肢肌肉运动功能恢复的目的。
本发明的一种末端牵引式上肢康复机器人采用末端牵引方式带动患侧上肢肘关节、肩关节的屈曲和伸展，扩大了康复训练范围，且可以有效防止器械穿戴及训练过程中对患者造成二次损伤；采用LoRa方式将PC机运算结果传递到主控芯片，连线简单，装置可移植性好；采用三轴惯性传感器可以更准确的采集健侧肢体信息，提高控制准确性；在患侧上肢康复训练的过程中，采用镜像康复机器人控制算法，利用患者上肢的完全对称结构，通过采集健侧运动的角度和位置信息，镜像到患侧上肢，利用末端牵引的机器臂精确地指导患者患侧上肢进行康复训练，且拥有初始位置标定、患侧疲劳程度检测以及训练次数设定等功能，能够使患者患侧上肢在健侧上肢的指导下进行康复训练，达到更好的康复效果。
因此，本发明针对现有上肢康复机器人技术不足的问题，发明了一种末端牵引式上肢康复机器人。
发明内容
本发明针对现有的上肢康复治疗器械手臂康复训练范围有限、穿戴及训练过程容易对患者造成二次伤害，电路连接复杂、装置灵活性低，且肢体信息采集准确度低的问题，提出了一种手臂康复训练范围大、穿戴方便、训练过程安全，可移植性好，且肢体信息采集准确的上肢康复机器人；采用末端牵引方式带动患侧上肢肘关节、肩关节的屈曲和伸展，扩大了康复训练范围；采用LoRa方式将PC机运算结果传递到患侧，装置可移植性好；采用三轴惯性传感器准确采集健侧肢体信息；采用镜像康复机器人控制算法精确地指导患者患侧上肢进行康复训练，达到更好的康复效果。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为。
一种末端牵引式上肢康复机器人，其特征在于：所述的装置包括机械架构、主控模块、电机模块、信息采集模块、信息处理模块、通信模块、检测模块，所述的机械架构包括底座、旋转盘、主臂、副臂、连杆、齿轮、握把及绑带；所述的主控模块为STM32单片机，内置有镜像机器人控制算法；所述的电机模块包括直流减速电机、支撑架、固定轴；所述的信息采集模块为三轴惯性传感器；所述的信息处理模块为PC机；所述的通信模块为2.4G模组；所述的检测模块为肌电传感器，本装置通过握把结构牵引患侧手臂进行康复训练，信息处理模块与信息采集模块通过USB连接，信息处理模块与通信模块通过SPI通信，通信模块与主控模块通过LoRa通信，检测模块与主控模块通过USB连接，本发明公开了一种末端牵引式上肢康复机器人。
依据该末端牵引式上肢康复机器人设计了一种上肢康复治疗方法，上肢康复训练方法为：①患者手臂放松，双侧上臂固定，将三轴惯性传感器固定于患者健侧腕部；②电机启动，带动机械臂到初始位置，患者患侧手握住握把，用绑带将患者患侧手腕固定在机械臂末端；③患者健侧上肢自主移动，三轴惯性传感器记录健侧手臂移动时位置、速度以及角度信息；④信息实时传递给PC机，由PC机计算出镜像位置、速度以及角度信息；⑤运算结果通过2.4G模组传递给主控芯片STM32，主控芯片控制电机转动；⑥电机I通过齿轮I带动旋转盘转动实现机械臂转动，电机II通过齿轮II带动连杆B末端实现绕轴运动，连杆II首端与副臂末端3相连，实现副臂2的上下移动，电机III通过齿轮III带动主臂1末端实现主臂的绕轴运动；⑦当患侧小臂处肌电传感器检测到肌肉疲劳或训练次数达到要求时，主控芯片控制电机停止转动，立即停止训练，治疗师将患者患侧手臂与末端牵引机构分离，机械臂回到初始位置；⑧患者双臂自然下垂，固定患者双侧小臂、肘部和上臂，使之成一条直线，健侧手臂腕部固定三轴惯性传感器，患侧手握住握把，用绑带将患者患侧手腕固定在机械臂末端，重复步骤③到步骤⑥；⑨当患侧上臂处肌电传感器检测到肌肉疲劳或训练次数达到要求时，主控芯片控制电机停止转动，立即停止训练，治疗师将患者患侧手臂与末端牵引机构分离，机械臂回到初始位置，康复训练结束。
本发明采用主控芯片对末端牵引式上肢康复机器人进行整体的控制，信息处理模块和主控模块通过通信模块进行连接，通信模块通过LoRa将PC机运算结果传输给主控芯片STM32，主控芯片控制电机转动，通过电机带动整个机械臂运动，实现对患侧上肢的康复训练。
本发明采用末端牵引方式带动患侧上肢肘关节、肩关节的屈曲和伸展，可以实现肩部0°~120°及肘部0°~120°的康复训练，康复训练范围大，不需要器械与手臂的完全贴合，防止了训练过程中刚性外骨骼结构对患者造成二次损伤。
本发明采用2.4G模组作为通信模块，通信模块通过SPI方式连接到计算机，接收由计算机传递过来的镜像数据，然后通过LoRa方式远程将PC机运算结果传输给主控芯片，无线的方式省去了繁杂的线路连接，提高了装置的可移植性。
本发明采用三轴惯性传感器作为信息采集模块，训练过程中，三轴惯性传感器紧贴于腕部，采集手腕运动过程中的位置、速度以及角度信息，传感器将采集到的位置、速度以及角度信息通过USB方式实时的传递到PC机中，便于PC机进行镜像运算。
本发明采用表面肌电传感器作为检测模块，在康复训练过程中表面肌电传感器将采集到的肌电信号传输给主控芯片STM32，主控芯片对肌电信号进行分析，若主控芯片分析后，判定患者肌肉疲劳或痉挛，则控制电机停止转动，患者患侧手臂与末端牵引机构分离，机械臂恢复初始位置。
本发明采用镜像机器人控制算法，首先在空间构建笛卡尔坐标系，对三轴惯性传感器位置进行立体标定，获取传感器初始位置信息，位置信息传递到PC机进行镜像运算，运算的结果传递到主控芯片，主控芯片对运算结果进行分析，判断患侧是否对应镜像位置，若患侧未对应镜像位置，则主控芯片控制患侧机械臂向镜像位置移动，若患侧对应镜像位置，则健侧手臂自主移动，此时三轴惯性传感器采集健侧上肢移动时的位置、速度、加速度以及角度等信息，并传递给PC机，PC机接收传递的数据，对位移、速度、加速度进行三维分解，水平方向取反，然后再进行组合，得到镜像信息，然后通信模块将分析结果传递给主控芯片，患侧根据收到信息进行仿照健侧的镜像移动；患侧表面肌电传感器发送肌肉疲劳信息，主控芯片对肌电信号进行分析，判断肌肉是否疲劳，若肌肉疲劳则停止训练；若肌肉不疲劳，则判断训练次数是否达到10次，若训练次数未达到10次，则重复训练，若训练次数达到10次，是则停止训练，算法结束。
所述的机械架构包括底座、旋转盘、主臂、副臂、连杆、齿轮。
所述的主控模块为STM32单片机。
所述的电机模块包括JGB37-545型直流减速电机、支撑架、固定轴。
所述的信息采集模块为ADIS16350型三轴惯性传感器。
所述的信息处理模块为PC机。
所述的通信模块为SX1278型无线模块。
所述的检测模块为ZTEMG-1000型肌肉电信号传感器。
采用本发明的技术设计方案，与现有技术相比，具有如下有益效果。
（1）本发明的一种末端牵引式上肢康复机器人采用末端牵引方式带动患侧上肢肘关节、肩关节的屈曲和伸展，可以实现肩部0°~120°及肘部0°~120°的康复训练，康复训练范围大，不需要器械与手臂的完全贴合，防止了训练过程中刚性外骨骼结构对患者造成二次损伤。
（2）本发明的一种末端牵引式上肢康复机器人采用LoRa方式将PC机运算结果传递到主控芯片，无线方式相比有线方式连线简单，装置可移植性好；通信过程采用LoRa方式完全可以满足设计要求，相比WiFi方式价格便宜，性价比高。
（3）本发明的一种末端牵引式上肢康复机器人采用三轴惯性传感器可以更准确的采集健侧肢体信息，可以同时测量健侧手臂移动过程中的位置、速度以及角度信息，提高控制准确性。
（4）本发明的一种末端牵引式上肢康复机器人在患侧上肢康复训练的过程中，采用镜像康复机器人控制算法，利用患者上肢的完全对称结构，通过采集健侧运动的角度和位置信息，镜像到患侧上肢，利用末端牵引的机器臂精确地指导患者患侧上肢进行康复训练，能够使患者患侧上肢在健侧上肢的指导下进行康复训练，达到更好的康复效果。
附图说明
图1为该末端牵引式上肢康复机器人机械架构主视图。
图2为该末端牵引式上肢康复机器人机械架构侧视图。
图3为该末端牵引式上肢康复机器人的控制图。
图4为该末端牵引式上肢康复机器人的算法流程图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参看图1，所述的械架构包括底座1、旋转盘2、主臂3、副臂4、副臂末端5、活塞环6、握把7、绑带8、三角板9、三角板10、连杆A、连杆B、连杆C、侧板a、侧板b、末端牵引装置c、齿轮I和电机①，握把7及绑带8位于末端牵引装置c上，训练过程中患者患侧手握住握把7，同时患者患侧腕部由绑带8固定，保证健侧腕部与患侧腕部处于镜像位置，系统采用末端牵引方法对患者患侧上肢进行训练，可以实现肩部0°~120°及肘部0°~120°的康复训练。
参看图1，电机①固定在侧板b上，电机①可带动齿轮I转动；齿轮I与连杆C相连，连杆C末端与副臂末端5相连，副臂4固定在副臂末端5上；副臂4上套有活塞环6，活塞环6固定在主臂3上，可围绕主臂③首端运动；当连杆C转动时，活塞环6可在副臂4上做活塞运动，同时副臂4在副臂末端5的固定以及活塞环6的限制下其首端沿上下方向运动，副臂4首端连接三角板10，三角板10跟随副臂4上下运动，三角架10连接末端牵引装置c，握把7以及绑带8，这样就实现了机械臂上下方向的位置移动。
参看图1、图2，连杆A末端固定在侧板a上且能够绕轴转动；三角板9一角固定在主臂3末端，另外两角分别与连杆A首端、连杆B末端相连；三角板10一角与连杆B首端相连，另外两角分别与末端牵引装置c以及副臂4首端相连；主臂3、侧板a、三角板9以及连杆A构成平行四边形结构；电机②直接带动齿轮II转动，主臂3与齿轮II相连，齿轮II可带动主臂3实现转动，由主臂3、侧板a、三角板9以及连杆A构成的平行四边形结构可将动力传导至三角板9，三角板9可带动连杆B左右运动，连杆B与三角板10相连，三角板10跟随连杆B左右运动，三角架10连接握把7以及绑带8，这样就实现了机械臂左右方向的位置移动。
参看图1、图2，电机③通过齿轮III带动旋转盘转动，沿机械臂主臂3和副臂4带动末端牵引装置c转动，即实现了机械臂前后方向的位置移动；当该末端牵引式上肢康复机器人工作时，机械臂部分上下、左右以及前后配合移动，保证机械臂牵引端在空间实现三维运动。
参看图3，三轴惯性传感器采集康复训练过程中手腕运动的位置、速度、加速度以及角度等信息，并将信息通过USB传输给PC机，PC机对采集的数据进行分析处理。
参看图3，PC机将分析处理后的数据结果通过SPI传输给通信模块，再由通信模块通过LoRa方式远程传输给主控芯片STM32，主控芯片控制电机启动，电机带动两侧齿轮转动，齿轮转动从而带动主臂和连杆运动，主臂和连杆通过三角板、活塞环以及副臂末端等控制副臂运动，副臂首端连接末端牵引机构，末端牵引机构固定患者手腕，带动患者手腕在三维空间自由移动。
参看图3，肌电传感器采集患者患侧手臂康复训练过程中的肌电信号，并将采集的肌电信号通过SPI传输给主控芯片STM32，主控芯片通过对肌电信号进行分析，若分析结果为肌肉疲劳或痉挛，主控芯片发出PWM方波信号控制电机制动，停止手臂的康复训练，患者手臂与末端牵引装置分离，机械臂回到初始位置。
参看图4，本系统采用镜像机器人控制算法，能够精准的控制牵引患者患侧手臂的末端牵引装置镜像移动，该镜像机器人控制算法的步骤如下。
①在空间构建笛卡尔坐标系，对三轴惯性传感器位置进行立体标定，获取传感器初始位置信息。
②位置信息传递到PC机进行镜像运算，运算的结果传递到主控芯片。
③主控芯片对位置信息进行分析，判断患侧是否对应镜像位置。
④若患侧未对应镜像位置，则主控芯片控制患侧机械臂向镜像位置移动，若患侧对应镜像位置，则健侧手臂自主移动。
⑤三轴惯性传感器采集健侧上肢移动时的位置、速度、加速度以及角度等信息，并传递给PC机。
⑥PC机接收传递的数据，对位移、速度、加速度进行三维分解，水平方向取反，然后再进行组合，得到镜像信息。
⑦通信模块将分析结果传递给主控芯片，患侧根据收到信息进行仿照健侧的镜像移动。
⑧患侧表面肌电传感器发送肌肉疲劳信息，主控芯片对肌电信号进行分析。
⑨判断肌肉是否疲劳，若肌肉疲劳则停止训练，若肌肉不疲劳，则判断训练次数是否达到10次。
⑩若训练次数未达到10次，则执行步骤③到⑩，若训练次数达到10次，则停止训练，算法结束。
由上述镜像机器人控制算法，利用患者上肢的完全对称结构，通过采集健侧运动的位置、速度、加速度以及角度信息，利用末端牵引的机器臂精确地指导患者患侧上肢进行康复训练，能够使患者患侧上肢在健侧上肢的指导下进行康复训练，达到更好的康复训练效果。
Claims (5)
1.本发明公开了一种末端牵引式上肢康复机器人，其特征在于：所述的装置包括机械架构、主控模块、电机模块、信息采集模块、信息处理模块、通信模块、检测模块，所述的机械架构包括底座、旋转盘、主臂、副臂、连杆、齿轮、握把及绑带；所述的主控模块为STM32单片机，内置有镜像机器人控制算法；所述的电机模块包括直流减速电机、支撑架、固定轴；所述的信息采集模块为三轴惯性传感器；所述的信息处理模块为PC机；所述的通信模块为2.4G模组；所述的检测模块为肌电传感器，本装置通过握把结构牵引患侧手臂进行康复训练，信息处理模块与信息采集模块通过USB连接，信息处理模块与通信模块通过SPI通信，通信模块与主控模块通过LoRa通信，检测模块与主控模块通过SPI连接，本发明公开了一种末端牵引式上肢康复机器人。
2.根据权利要求1所述的一种末端牵引式上肢康复机器人，其特征在于：患侧康复训练时采用末端牵引方式。
3.根据权利要求1所述的一种末端牵引式上肢康复机器人，其特征在于：所述的通信模块通过LoRa将PC机运算结果传输给主控模块。
4.根据权利要求1所述的一种末端牵引式上肢康复机器人，其特征在于：所述的健侧信息采集模块采用三轴惯性传感器。
5.根据权利要求1所述的一种末端牵引式上肢康复机器人，其特征在于：所述的控制算法为镜像机器人控制算法，该算法的步骤如下：①在空间构建笛卡尔坐标系，对三轴惯性传感器位置进行立体标定，获取传感器初始位置信息；②位置信息传递到PC机进行镜像运算，运算的结果传递到主控芯片；③主控芯片对位置信息进行分析，判断患侧是否对应镜像位置；④若患侧未对应镜像位置，则主控芯片控制患侧机械臂向镜像位置移动，若患侧对应镜像位置，则健侧手臂自主移动；⑤三轴惯性传感器采集健侧上肢移动时的位置、速度、加速度以及角度等信息，并传递给PC机；⑥PC机接收传递的数据，对位移、速度、加速度进行三维分解，水平方向取反，然后再进行组合，得到镜像信息；⑦通信模块将分析结果传递给主控芯片，患侧根据收到信息进行仿照健侧的镜像移动；⑧患侧表面肌电传感器发送肌肉疲劳信息，主控芯片对肌电信号进行分析；⑨判断肌肉是否疲劳，若肌肉疲劳则停止训练，若肌肉不疲劳，则判断训练次数是否达到10次；⑩若训练次数未达到10次，则执行步骤③到⑩，若训练次数达到10次，则停止训练，算法结束。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110124266A (zh) * | 2019-05-29 | 2019-08-16 | 韩江红 | 老年护理用康复锻炼装置 |
| CN110812125A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-02-21 | 上海大学 | 一种基于六自由度机械臂的患侧手部康复训练方法及系统 |
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2018
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