CN110997084B - 上肢运动器械及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种上肢运动器械，其包括：底座；框架；显示器；五连杆形状的可动部；串联弹性驱动器。本发明的上肢运动器械能够使慢性期脑中风残疾人在家庭中也能够容易使用。

Description

上肢运动器械及其控制方法
技术领域
本发明涉及上肢运动器械，更详细而言，涉及一种用于引导在运动区域内的康复动作而使老弱者或患者康复的康复器械或机器人。
背景技术
最近，随着进入高龄化、老龄化社会，脑中风患者正在增加，因交通事故导致的脊髓损伤患者也正在增加，所以正在开发上肢康复装置，这样的上肢康复装置能够应用于：由于遭受诸如脑中风、外伤性外部损伤、脑源性麻痹等的脑损伤或者遭受脊髓损伤导致的神经系统损伤等多样的疾病，无法自主活动手部的患者。
以往的上肢康复装置采用以诸如肩膀和手肘的上臂活动为中心实现康复的形态，大部分都以在操作台上执行特殊动作的形态进行治疗。在韩国发明专利第10-1620633号中就公开了这种现有技术的一个例子。
如果简略考查现有技术，公开了一种基于增强现实技术的上肢康复装置，包括：上肢器械模块，所述上肢器械模块配置得能够通过透明显示部观察，以能够活动的方式支撑使用者的胳臂和手指；传感器，所述传感器设置于所述上肢器械模块的端部，用于检测使用者的手指位置和活动；控制部，所述控制部接收从所述传感器传递来的信号，分析通过所述透明显示部提供的影像是否执行任务及成果。所述透明显示器还包括在规定高度相对于水平面倾斜地支撑的显示器支撑部,所述传感器内置于被所述上肢器械模块支撑的手指的末端位置。
在如上所述的结构的现有技术中，如果借助控制部选择了任务，则在透明显示部以虚拟环境提供任务影像，利用安放在所述上肢器械模块的胳臂和手指，在现实环境中执行任务。此时，安放在所述上肢器械模块上的胳臂和手指，可以按使用者的意图直接活动或按照由所述控制部设置的程序自动活动，还公开了多种形态的实施例。
但是，就这种现有技术的上肢康复器械而言，在运动时，使用者的胳臂只在与水平面平行的平面上活动，因而很难使与日常生活相关的活动所需的各种胳臂肌肉都参加运动。
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种帮助由于因脑损伤或脊髓损伤导致的神经系统损伤等无法自由活动手部的患者康复，使得能够独立地进行日常生活的上肢运动器械。
另外，本发明目的在于提供一种上肢运动机器人，该上肢运动机器人是，在基本上与地面平行的平面显示器上，使用者握住具有五连杆结构(平行四边形结构)的机器人手臂的末端执行器(end-effector)型的器械手柄进行上肢运动的器械。
本发明为了向从医院回到家庭的慢性期脑中风残疾人提供现实的帮助，提供一种即使在家庭或福利中心等居住地也能够容易地使用的上肢运动器械。
解决问题的手段
本发明提供一种上肢运动器械，包括：底座B；框架10，一侧边固定于所述底座，而且能够改变倾斜角度；显示器20，安装于所述框架，用于显示目标点；五连杆形状的可动部，位于所述显示器的上侧或下侧，由能够驱动的第1连杆30和第2连杆40构成，所述第1连杆30由第1-1构件31及第1-2构件33构成，所述第1-1构件31的一端附着于所述框架并被旋转驱动，所述第1-2构件33的一端能转动地附着于所述第1-1构件的另一端，在第1-2构件33的另一端附着有供使用者把持的手柄50，所述第2连杆40由第2-1构件41及第2-2构件43构成，所述第2-1构件41的一端附着于所述框架并被旋转驱动，所述第2-2构件43的一端能转动地附着于所述第2-1构件的另一端，在第2-2构件43的另一端附着有供患者把持的手柄50和所述第1-2构件的另一端；串联弹性驱动器60，分别附着于所述第1-1构件31的一端和第2-1构件41的一端，用于提供转动力。
另外，本发明也可以取代所述串联弹性驱动器60而设置驱动器，所述驱动器分别附着于所述第1-1构件31的一端和第2-1构件41的一端，用于提供转动力，在所述框架10与所述第1连杆30的第1-1构件31之间设置有弹性弹簧S1，在所述框架10与所述第2连杆40的第2-1构件41之间设置有弹性弹簧S2。
为了防止在使用者把持所述手柄的状态下因重力导致所述显示器破损，在所述手柄的下方设置有滚珠，在所述显示器的上表面设置有所述滚珠能够接触移动的透明的显示器罩。
串联弹性驱动器60包括电动机61、将所述电动机的转速减速并向所述第1连杆或第2连杆传递的减速器62；所述串联弹性驱动器60还包括设置在所述减速器与所述第1连杆或第2连杆之间的弹簧63和编码器，使得经过所述减速器的旋转力柔和地传递至所述第1连杆或第2连杆，所述框架的倾斜角度θ优选在0°～180°之间调节。
为了基于所述手柄的位置和所述目标点的位置，将所述手柄移动到所述目标点的位置，还包括用于控制所述串联弹性驱动器的旋转的控制部。
另外，本发明提供一种上肢运动器械控制方法，用于控制上肢运动器械，包括：第1步骤，在所述显示器上检测所述目标点的位置；第2步骤，检测所述手柄50的位置；及第3步骤，为了移动所述手柄的位置移动，使所述串联弹性驱动器运行，向所述第1-1构件和第2-1构件提供转动力。
在所述第2步骤后，还包括检测所述手柄在规定时间内是否活动的检测步骤，在所述检测步骤中，当在规定时间内未检测到手柄活动时，执行所述第3步骤，将所述手柄移动到所述目标点的位置，来辅助使用者的动作。
另外，本发明提供一种上肢运动器械控制方法，用于控制上肢运动器械，包括：第1步骤，在所述显示器上检测所述目标点的位置；第2步骤，检测所述手柄50的位置；第3步骤，由使用者检测所述手柄的位置移动；及第4步骤，为了对所述第3步骤中检测的手柄的位置移动提供抵抗力，使所述串联弹性驱动器运行，向所述第1-1构件和第2-1构件提供转动力。
另外，本发明在所述框架10与所述第1连杆30的第1-1构件31之间可以设置有弹性弹簧S1，在所述框架10与所述第2连杆40的第2-1构件41之间可以设置有弹性弹簧S2。此时，电动机既可以使用，也可以不使用。
另外，本发明如果用弹性弹簧S3连接所述手柄50与所述框架10的四边中的一边来使用，则使用者也可以进行抵抗性运动，当显示器倾斜时，可以在某种程度上补偿因连杆重量和使用者胳臂重量等导致的向重力方向的偏斜。
发明效果
本发明提供一种慢性期脑中风残疾人在家庭中也能够容易使用的器械，作为由串联弹性驱动器和具有五连杆结构的连杆构件构成的上肢运动机器人，能够根据需要来调节显示器的倾斜角度，而且在使用者不正面观察显示器，而顺时针方向或逆时针方向旋转90°坐下的情况下，无需追加或修订结构，便可获得与调节显示器的旋转角度(Rotating AngleΦ)来进行运动相同的结果，因此利用一个器械以及简单的结构，便能够实现多样运动，而且能够获得与在三维空间进行运动相类似的效果。
另外，与五连杆结构器械物的驱动器串联连接弹性体，从而能够减小使用者需承受的器械负荷，所以能够增强所谓的逆驱动性(back-drivability)，使得使用者几乎感受不到器械的阻力感，而且能够预防因驱动器的逆驱动(back-drive)而可能会发生的驱动器破损，因此在进行上肢运动时，能够获得提高因疾病而关节可能会僵硬的使用者的使用性的效果。
另外，在本发明的所述框架和上肢运动器械的手柄上附着有弹性体，所以使用者可以进行抵抗性运动，而且可与具有如下效果：当显示器倾斜时，在某种程度上能够补偿因连杆重量和使用者胳臂重量等导致的向重力方向的偏斜。
附图说明
图1是本发明的上肢运动器械的俯视图。
图2a是本发明的上肢运动器械的立体图。
图2b是本发明的上肢运动器械的侧视图。
图3是示出本发明的上肢运动器械的串联弹性驱动器的概略形态的图。
图4a至图4c分别是示出本发明的串联弹性驱动器的变形例的形态的图。
图5是示出在本发明的上肢运动器械的五连杆形状的可动部上附着有弹性体的形态的图。
图6是示出在本发明的上肢运动器械的手柄上附着有弹性体的形态的图。
图7是只示出本发明的上肢运动器械的一部分结构的图。
图8是示出本发明的上肢运动器械的实际使用状态的图。
具体实施方式
通过与附图相关的以下详细说明和优选实施例，本发明的目的、特定的优点及新特征将会变得更加明确。另外，这里所使用的术语是考虑本发明中的功能而定义的术语，可能会因使用者、运用者的意图或惯例而异。因此，对这些术语的定义，应以本说明书通篇内容为基础。
图1是本发明的上肢运动器械的俯视图，图2a是本发明的上肢运动器械的立体图，图2b是本发明的上肢运动器械的侧视图，图3是示出本发明的上肢运动器械的串联弹性驱动器的概略形态的图，图4a至图4c分别是示出本发明的串联弹性驱动器的变形例的形态的图，图5是示出在本发明的上肢运动器械的五连杆形状的可动部上附着有弹性体的形态的图，图6是示出在本发明的上肢运动器械的手柄上附着有弹性体的形态的图，图7是只示出本发明的上肢运动器械的一部分结构的图，图8是示出本发明的上肢运动器械的实际使用状态的图。
下面，参照附图，对本发明进行说明。
本发明的家庭用上肢运动器械，需在结构上简单并价格低廉，容易使用。参照图1至图2b，本发明的上肢运动器械包括：底座B；框架10，所述框架10的一侧边固定于所述底座，且能够改变倾斜角度；显示器20，所述显示器20安装于所述框架，显示目标点(targetpoint)；五连杆形状的可动部，所述五连杆形状的可动部位于所述显示器的上侧或下侧，由能够驱动的第1连杆30和第2连杆40构成。另外，本发明包括：手柄50，供使用者(患者)用手把持来进行上肢运动；串联弹性驱动器60，辅助使用者的力量来向所述手柄提供辅助性活动。
在以下对本发明的说明中，为了便于说明而称为“上肢运动器械”的装置，具有机器人的形态以及发挥机器人的作用，因而也可以称之为“上肢运动机器人”。因此，在以下的说明中，会将这两个名称混用，但意指同一装备。
所述第1连杆30具有第1-1构件31与第1-2构件33相连接而成的形态。第1-1构件的一端附着于所述框架并被旋转驱动，第1-2构件的一端利用第1连接构件35能转动地附着于所述第1-1构件的另一端，在第1-2构件的另一端，附着有供使用者把持的手柄50。而且，所述第2连杆40具有第2-1构件41与第2-2构件43相连接而成的形态，第2-1构件41的一端附着于所述框架并被旋转驱动，第2-2构件43的一端能转动地附着于所述第2-1构件的另一端，在第2-2构件43的另一端，附着有供患者把持的手柄50和所述第1-2构件的另一端。而且，在所述第1-1构件31的一端和第2-1构件41的一端，分别设置有提供转动力的串联弹性驱动器60。
而且，为了防止在使用者把持手柄50的状态下因重力而导致所述显示器破损，在所述手柄下方设置滚珠(ball roller，图上未示出)，在所述显示器上表面设置有所述滚珠能够接触移动的透明的显示器罩。
本发明的家庭用上肢运动机器人包括平面显示器，所述平面显示器可由提供视觉信息的同时，也可以根据需要而调节倾斜角度(Tilting Angleθ)。所述框架的倾斜角度(图7中的θ)优选在0°～180°之间调节。本发明的上肢运动机器人能够调节显示器20的倾斜角度，因而在上肢运动时，使用者的手虽然在显示器上侧平面上活动，但由于能够根据需要调节显示器角度，所以能够获得与在三维空间上运动类似的结果。另外，肌肉力量弱的使用者，可以在不发生倾斜角度的状态下，以与地面平行的基本姿势进行运动，而且随着肌肉力量的增加，可以逐渐提高倾斜角度，从而在克服重力的情况下进行上肢运动。
平面显示器20默认位于手柄下方，并与地面平行地放置，但为了隐藏手柄的位置以及通过视觉反馈来实现误差增强(Error Augmentation)，也可以位于手柄和使用者的眼睛之间。
本发明的上肢运动机器人的显示器20，会显示使用者上肢运动时追踪的目标点(图8中的T)。目标点例如可以显示为红色圆。使用者握住所述手柄50并将手柄朝向所述显示器20显示的目标点T移动，通过这样的过程来进行上肢运动。目标点既可以随机给定，也可以考虑手柄的位置，将目标点显示于运动效果好的位置。为此，为了检测所述手柄的位置和所述目标点的位置，并以此为基础，将所述手柄移动到所述目标点的位置，还包括控制所述串联弹性驱动器的旋转的控制部。
不过，本发明的控制部并非将手柄直接移动到目标位置，而是在显示器中显示目标点T后，等待手柄50活动规定时间后，只有在无手柄活动的情况下，才控制所述手柄移动到目标点。不过，并非强制性地向所述目标点移动，而是机器人辅助使用者的力量来实现移动。这考虑到康复训练的使用者的手部活动还不熟练，所以设定为等待规定时间。即，在使用者规定时间内利用自身力量来完成将所述手柄移动到目标点地点的动作的情况下，不使用外部动力来驱动所述手柄，而是使使用者自行活动。可是，如果检测到在规定时间内无手柄活动，则判断为使用者无法以自身力量将所述手柄移动，所以控制部为了辅助所述手柄的活动，驱动所述串联弹性驱动器60来使可动部转动。本发明的上肢运动机器人的控制方法的特征在于，在等待所述手柄的活动规定时间后，才尝试是否驱动外部动力(串联弹性驱动器)，由此使外部动力只发挥辅助性作用。
本发明的上肢运动机器人的串联弹性驱动器60驱动所述第1连杆30和第2连杆40来移动所述手柄50的位置，串联弹性驱动器包括电动机61和减速器62，所述减速器62用于将所述电动机的转速减速并传递给所述第1连杆或第2连杆，串联弹性驱动器还包括设置在所述减速器与所述第1连杆或第2连杆之间的弹簧63和编码器。所述减速器通过连接多个齿轮来实现减速，在减速过程中，虽然转数减小，但转矩会增加且变得不顺滑。为了弥补这种问题而将旋转力柔和地传递给所述第1连杆或第2连杆，设置了所述弹簧63。编码器连接于所述第1连杆或第2连杆，用于掌握连杆实际旋转的角度。
本发明的控制部能够对输入的模拟及数字传感器信号进行处理，能够输出串联弹性驱动器的旋转角及旋转转矩命令。通过控制连接于五连杆结构的上肢运动机器人的串联弹性驱动器，可以控制末端部(手柄50)位置，在控制串联弹性驱动器时，根据与连杆连接的编码器的值，也可以测量串联连接的弹性体的位移量。控制部以计算两个串联弹性驱动器的位置(旋转角)，以使得手柄随着使用者的上肢活动而位于与使用者的手相同的位置，并控制其能够追踪上肢活动，从而辅助使用者的动作。另外，由于弹性体(弹簧)是串联连接的，因而通过测量及控制弹性体的因使用者的上肢活动发生的相对于串联弹性驱动器的位移量，能够实现用于使得使用者几乎感觉不到结构物的阻力感或能生成任意阻力感的触觉功能等。另外，串联弹性驱动器在驱动器与连杆之间附着了弹性体，从而能够减小使用者及驱动器需承受的器械负荷，因此能够预防因驱动器的逆驱动(back-drive)而可能会发生的驱动器破损。
如图4a至图4c所示，串联弹性驱动器可以采用多样的形态。图4a示出了将从连杆至扭簧、电动机的编码器沿轴排成一列的结构的例子，图4b示出了追加采用正时皮带和皮带轮的结构的例子，图4c示出了替代扭簧而使用其他种类的弹簧以能够发挥相同功能的例子。
另外，如图5所示，作为另一实施形态，不使用串联弹性驱动器，而在连杆上仅附着弹性体，也可以预防因驱动器的逆驱动(back-drive)而可能发生的驱动器破损。如图5所示，可以在所述框架10与第1连杆30的第1-1构件31之间配置弹性弹簧S1，可以在所述框架10与所述第2连杆40的第2-1构件41之间配置弹性弹簧S2。如果驱动器停止，则各个连杆的位置被固定而无法活动，但如果附着了弹性体，则由于弹性体的弹力，当发生意外的外力时，连杆能够稍微移动，从而能够在物理上保护驱动器。
而且，参考图6，示出了在本发明的上肢运动机器人的手柄上附着有弹性体的形态，在所述手柄上附着有弹性弹簧S3的情况下，在使用上肢运动机器人过程中，即使是使用者临时放下手柄的情形或所述框架10倾斜的其他情形，所述手柄也因弹簧弹力而不会落下，使得位于规定地点。即，在本发明的所述框架与上肢运动机器人的手柄之间附着有弹性体，因而使用者可以进行抵抗性运动，即使在显示器倾斜的情况下，也可以具有在某种程度上补偿因连杆重量和使用者胳臂重量等导致的向重力方向的偏斜的效果。
此时，由于弹性体的弹力，要移动到弹性体的默认位置的力持续作用于手柄，因而使用者能够进行抵抗性运动。如果不使用电动机而在连杆上只配置弹性体，则使用者虽然不会接受电动机的辅助力，但根据如何配置弹性体，既能够进行抵抗性运动，也能够在变更显示器的倾斜角度时，借助弹性体的弹力来在某种程度上实现重力补偿，所以使用者能够稍更加舒服地进行运动。
在使用本发明的上肢运动机器人的情况下，当在进行上肢运动时，如果使用者的肌肉力量不足而无法到达目标位置，则可以利用电动机的力量来对力量进行辅助，以便使手柄到达目标位置，相反，针对不需要对力量进行辅助的使用者，也可以在利用电动机施加抵抗力的情况下使其进行上肢运动。另外，在使用者不正面观察显示器，而是顺时针方向或逆时针方向旋转90°而坐下的情况下，无需进行结构性修订，便可获得与调节显示器的旋转角度(Rotating Angle图7中的Φ)来进行运动相同的结果，因此利用一个器械以及简单的结构，便能够实现多样运动。
另外，本发明为了采用最近康复运动中大量使用的误差增强(ErrorAugmentation)技术，也可以将手柄配置于显示器的下方。由于手柄位于显示器的下方，因而使用者无法准确获知自己手的位置。因此，通过用于增强随目标点移动的手位置的误差的视觉反馈，可以提高使用者的康复效果。本发明提供一种慢性期脑中风残疾人在家庭中也能够容易使用的具有串联弹性驱动器和连杆结构的上肢运动机器人，只要根据需要调节显示器的角度，就能够获得与在三维空间进行运动相类似的效果。
如果摘要说明利用本发明的上肢运动机器人来对其进行控制的方法，包括：在所述显示器上检测所述目标点的位置的第1步骤；检测所述手柄50的位置的第2步骤；及为了移动所述手柄的位置，使所述串联弹性驱动器运行，向所述第1-1构件和第2-1构件提供转动力的第3步骤。在所述第2步骤之后，还包括检测所述手柄在规定时间内是否活动的检测步骤；在所述检测步骤中，当在规定时间内未检测到手柄的活动时，执行所述第3步骤，使所述手柄移动到所述目标点的位置，以辅助使用者的动作。
另外，本发明提供一种上肢运动机器人控制方法，控制上肢运动机器人来提供抵抗力，包括：在所述显示器上检测所述目标点的位置的第1步骤；检测所述手柄50的位置的第2步骤；由使用者检测所述手柄的位置移动的第3步骤；及为了对所述第3步骤中检测的手柄的位置移动提供抵抗力，使所述串联弹性驱动器运行，向所述第1-1构件和第2-1构件提供转动力的第4步骤。
以上对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明的权利范围并非限定于此，所属领域的技术人员利用以下权利要求书中定义的本发明的基本概念进行的多种变形及改良形态，也属于本发明的权利范围。

Claims (8)

1.一种上肢运动器械，其特征在于，包括：
底座(B)，
框架(10)，一侧边固定于所述底座，而且能够改变倾斜角度，
显示器(20)，安装于所述框架，用于显示目标点，
五连杆形状的可动部，位于所述显示器的下侧，由能够驱动的第1连杆(30)和第2连杆(40)构成，所述第1连杆(30)由第1-1构件(31)及第1-2构件(33)构成，所述第1-1构件(31)的一端附着于所述框架的固定于所述底座的一侧边并被旋转驱动，所述第1-2构件(33)的一端能转动地附着于所述第1-1构件的另一端，在第1-2构件(33)的另一端附着有供使用者把持的手柄(50)，所述第2连杆(40)由第2-1构件(41)及第2-2构件(43)构成，所述第2-1构件(41)的一端附着于所述框架的固定于所述底座的一侧边并被旋转驱动，所述第2-2构件(43)的一端能转动地附着于所述第2-1构件的另一端，在第2-2构件(43)的另一端附着有供患者把持的手柄(50)和所述第1-2构件的另一端，
串联弹性驱动器(60)，分别附着于与所述框架相连的所述第1-1构件(31)的一端和与所述框架相连的所述第2-1构件(41)的一端，用于提供转动力；
所述串联弹性驱动器(60)包括电动机(61)、将所述电动机的转速减速并将旋转力向所述第1连杆或第2连杆传递的减速器(62)，
所述串联弹性驱动器(60)还包括设置在所述减速器与所述第1连杆或第2连杆之间的扭簧和编码器，
所述扭簧与编码器是其轴向呈一列的串联配置结构，使得经过所述减速器的旋转力柔和地传递至所述第1连杆或第2连杆，
所述上肢运动器械还包括用于连接所述手柄(50)与所述框架的弹性弹簧(S3)，所述弹性弹簧(S3)的一侧与所述手柄相连接，另一侧与所述框架的固定于所述底座的一侧边相向的另一边相连接；
为了基于所述手柄的位置和所述目标点的位置，将所述手柄移动到所述目标点的位置，还包括用于控制所述串联弹性驱动器的旋转的控制部，
控制部用于在所述显示器中显示目标点T后，等待所述手柄(50)活动规定时间后，在无手柄活动的情况下，控制所述手柄移动到目标点。
2.根据权利要求1所述的上肢运动器械，其特征在于，
为了防止在使用者把持所述手柄的状态下因重力导致所述显示器破损，
在所述手柄的下方设置有滚珠，
在所述显示器的上表面设置有所述滚珠能够接触移动的透明的显示器罩。
3.根据权利要求1所述的上肢运动器械，其特征在于，
所述框架的倾斜角度(θ)能够在0°～180°之间手动或电动调节。
4.一种上肢运动器械控制方法，用于控制根据权利要求1至3中任意一项所述的上肢运动器械，其特征在于，包括：
第1步骤，在所述显示器上检测所述目标点的位置；
第2步骤，检测所述手柄(50)的位置；及
第3步骤，为了移动所述手柄的位置，使所述串联弹性驱动器运行，向所述第1-1构件和第2-1构件提供转动力。
5.根据权利要求4所述的上肢运动器械控制方法，其特征在于，
在所述第2步骤后，还包括检测所述手柄在规定时间内是否活动的检测步骤。
6.根据权利要求5所述的上肢运动器械控制方法，其特征在于，
在所述检测步骤中，当在规定时间内未检测到手柄的活动时，执行所述第3步骤，将所述手柄移动到所述目标点的位置，但向目标点的移动并非强制性的，而是机器人辅助使用者的力量来实现移动。
7.一种上肢运动器械控制方法，用于控制根据权利要求1至3中任意一项所述的上肢运动器械，其特征在于，包括：
第1步骤，在所述显示器上检测所述目标点的位置；
第2步骤，检测所述手柄(50)的位置；
第3步骤，由使用者检测所述手柄的位置移动；及
第4步骤，为了对所述第3步骤中检测的手柄的位置移动提供抵抗力，使所述串联弹性驱动器运行，向所述第1-1构件和第2-1构件提供转动力。
8.根据权利要求7所述的上肢运动器械控制方法，其特征在于，
针对所述目标点的位置，通过视觉反馈来实现误差增强。
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