CN114081778B - 串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人及其控制方法 - Google Patents
串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人及其控制方法，该上肢康复训练机器人包括支架、驱动控制系统、大臂结构件、小臂结构件、柔性固定装置、运动捕捉系统和心率采集系统，大臂结构件末端与小臂结构件相铰接，驱动控制系统安装于支架上，用于驱动大臂结构件与小臂结构件进行转动；柔性固定装置分别安装于大臂结构件与小臂结构件上，用于手臂的固定；运动捕捉系统，用于获取佩戴者的动作信息；本发明将运动信号进行镜像处理后发送给上肢康复训练机器人，由机器人带动患者进行康复训练。避免传统的康复训练内容需要手动输入机器人程序造成的编程工作量过大问题。
Description
技术领域
本发明涉及医用设备技术领域，是一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人及其控制方法。
背景技术
“脑卒中”又称为“中风”和“脑血管意外”，属于急性脑血管疾病。其诱因为患者脑部血管破裂或是血管堵塞导致血液无法流入大脑而造成了脑组织损伤，分为缺血性卒中和出血性卒中。脑卒中高致残率的特点使得偏瘫成为其后遗症中最常见的症状。上肢比下肢的运动功能更加复杂和精细，康复也较下肢困难和缓慢，而且上肢是人体正常生活活动中的重要部位，不进行合理的康复治疗和恢复会极其影响患者的日常生活，不仅难以回归社会，甚至会成为整个家庭和社会的负担。
国务院印发的《“健康中国2030”规划纲要》中提出了制定及实施残疾预防和康复条例，可见，国家对残障人士的健康越来越重视。在此纲要中不仅指出了现有的康复问题，也提出了解决办法，如要加速康复医疗器械的创新能力，带动机器人等高端智能医疗器材的发展，调整优化健康服务体系，加强基层康复建设等来推动我国治疗康复行业的发展。可以看到，随着国民经济的不断提高，国家对身体残障人群的重视程度达到了空前的高度，未来也会大力扶持残障人士的康复治疗。
现有上肢康复训练机器人具有对肩、肘关节的运动训练功能。但现有的上肢康复机器人一般采用电机串联的结构，运动控制过程中受到串联结构固有的上、下级驱动系统相互干扰的影响，控制精度不高；现有的上肢康复机器人采用预先设置的固定轨迹带动患者进行康复训练，交互性差，患者主动康复训练的意愿不高。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种能够适应偏瘫患者需求的人体上肢智能康复训练机器人及其控制方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人，包括支架、驱动控制系统、大臂结构件、小臂结构件、柔性固定装置、运动捕捉系统和心率采集系统，所述大臂结构件末端与小臂结构件相铰接，所述驱动控制系统安装于支架上，用于驱动大臂结构件与小臂结构件进行转动；
所述柔性固定装置分别安装于大臂结构件与小臂结构件上，用于手臂的固定；
所述运动捕捉系统，用于获取佩戴者的动作信息，并传送给外部控制系统，外部控制系统根据运动捕捉系统获取的动作信息控制驱动控制系统进行运转，带动上肢康复训练机器人进行运动；
所述心率采集系统，用于获取佩戴者的心率信息，并传送给外部控制系统。
进一步的，所述驱动控制系统包括第一电机、第二电机、第三电机与传动机构，所述第一电机固定安装于支架上，所述第二电机通过连接件固定安装于第一电机的输出轴上，所述第三电机通过连接座固定安装于第二电机的输出轴上，所述大臂结构件与第三电机机体固定连接，所述第三电机通过传动机构带动小臂结构件绕铰接点进行转动。
进一步的，所述传动机构包括主动同步带轮、同步带与从动同步带轮，所述主动同步带轮安装于第三电机的输出轴上，所述从动同步带轮安装于大臂结构件与小臂结构件的铰接处，且从动同步带轮与小臂结构件固定连接，所述同步带设置于大臂结构件与小臂结构件之间。
进一步的，所述柔性固定装置由两组相铰接的伸缩件组成，两组伸缩件的铰接端位于大臂结构件与小臂结构件的铰接处，两组伸缩件的另一端分别铰接于大臂结构件与小臂结构件上。
进一步的，所述伸缩件由固定件及滑动件组成，所述固定件与滑动件通过滑扣连接。
本发明还进一步提供了一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人的控制方法，包括：
1）运动捕捉系统采集佩戴者的动作信息，并将动作信息发送至外部控制系统进行储存；
2）外部控制系统根据获取的动作信息控制驱动控制系统进行相应运转，上肢康复训练机器人带动佩戴者进行相应运动；
3）心率采集系统获取佩戴者的心率信息，并将心率信息发送至外部控制系统；
4）外部控制系统根据获取的心率信息对机器人的训练强度进行调节。
进一步的，步骤4）具体如下：
外部控制系统将获取的心率信息与预设的心率上下限阈值进行比较；
当获取的心率大于预设的心率上限阈值时，驱动控制系统提供的动力增大；
当获取的心率小于预设的心率下限阈值时，驱动控制系统提供的动力减小；
当获取的心率位于预设的心率上下限阈值之间时，驱动控制系统提供的动力不变。
进一步的，驱动控制系统提供的动力根据心率信息进行实时调整。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1）采用三个电机串并联结合的方式进行设计，将三个电机都安装在上肢康复机器人的肩部节点位置，避免传统的在肩关节、肘关节各设置一个电机造成的电机自身重量对运动控制的干扰，以及串联结构固有的上、下级驱动系统相互干扰问题。
2）康复训练内容由患者健康一侧肢体采集运动信号，通过将健康一侧肢体的运动信号进行镜像处理后发送给上肢康复训练机器人，由机器人带动患者进行康复训练；或者将运动采集系统穿戴到康复医师身上，采集康复医师所要求的本次康复训练内容，然后将运动信号进行镜像处理后发送给上肢康复训练机器人，由机器人带动患者进行康复训练。避免传统的康复训练内容需要手动输入机器人程序造成的编程工作量过大问题。
3）基于患者的训练状态（主要基于采集到的心率信号判断）自适应调整训练强度方法，可使患者在能够适应当前训练强度的前提下增加挑战，在超过患者身体负荷时提供适当辅助，积极促使患者主动进行康复训练，进而最大化地激发神经重塑。
附图说明
附图1为本发明的示意图；
附图2为大臂结构件、小臂结构件、驱动控制系统及柔性固定装置的连接示意图；
附图3为大臂结构件与小臂结构件的侧视图；
附图4为大臂结构件与小臂结构件的的后视图；
附图5为驱动控制系统的示意图。
图中标号分别代表：
支架1；驱动控制系统2；大臂结构件3；小臂结构件4；柔性固定装置5；运动捕捉系统6；心率采集系统7；第一电机2-1；第二电机2-2；第三电机2-3；主动同步带轮2-4；同步带2-5；从动同步带轮2-6。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
参照附图1-3所示，一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人，其中上肢康复训练机器人采用自适应滑模变结构控制器，包括支架1、驱动控制系统2、大臂结构件3、小臂结构件4、柔性固定装置5、运动捕捉系统6和心率采集系统7，大臂结构件3末端与小臂结构件4相铰接，驱动控制系统2安装于支架1上，用于驱动大臂结构件3与小臂结构件4进行转动；
柔性固定装置5分别安装于大臂结构件3与小臂结构件4上，用于手臂的固定；
运动捕捉系统6，用于获取佩戴者的动作信息，并传送给外部控制系统，外部控制系统根据运动捕捉系统6获取的动作信息控制驱动控制系统2进行运转，带动上肢康复训练机器人进行运动；
心率采集系统7，用于获取佩戴者的心率信息，并传送给外部控制系统。
使用时，通过绑带将患者的大臂与小臂分别固定于柔性固定装置5上，使患者的大臂与大臂结构件3相对，患者的小臂与小臂结构件4相对。将运动捕捉系统6分别穿戴到康复医师的大小臂上，也可穿戴于患者健康一侧的大小臂上；同时佩戴者需穿戴心率采集系统7用于心率的检测。
参照附图4所示，驱动控制系统2包括第一电机2-1、第二电机2-2、第三电机2-3与传动机构，第一电机2-1固定安装于支架1上，第二电机2-2通过连接件固定安装于第一电机2-1的输出轴上，第三电机2-3通过连接座固定安装于第二电机2-2的输出轴上，大臂结构件3与第三电机2-3机体固定连接，第三电机2-3通过传动机构带动小臂结构件4绕铰接点进行转动；其中，第一电机2-1可带动大臂结构件3与小臂结构件4绕第一电机2-1输出轴进行转动，模拟肩部转动；第二电机2-2可带动大臂结构件3与小臂结构件4绕第二电机2-2输出轴进行转动，模拟抬臂动作；第三电机2-3通过传动机构可带动小臂结构件4绕其铰接点进行转动，模拟小臂的运动。
参照附图5所示，传动机构包括主动同步带轮2-4、同步带2-5与从动同步带轮2-6，主动同步带轮2-4安装于第三电机2-3的输出轴上，从动同步带轮2-6安装于大臂结构件3与小臂结构件4的铰接处，且从动同步带轮2-6与小臂结构件4固定连接，同步带2-5设置于大臂结构件3与小臂结构件4之间；第三电机2-3运转时通过主动同步带轮2-4及同步带2-5带动从动同步带轮2-6进行转动，进而带动小臂结构件4进行转动。
通过驱动控制系统2的设置能够避免传统的在肩关节、肘关节各设置一个电机造成的电机自身重量对运动控制的干扰，以及串联结构固有的上、下级驱动系统相互干扰问题。
参照附图1-2所示，柔性固定装置5由两组相铰接的伸缩件组成，两组伸缩件的铰接端位于大臂结构件3与小臂结构件4的铰接处，两组伸缩件的另一端分别铰接于大臂结构件3与小臂结构件4上；使其能够适用于不同臂长的用户。
参照附图2所示，伸缩件由固定件及滑动件组成，固定件与滑动件通过滑扣连接；使用时，通过滑扣调节滑动件的伸缩长度，进而实现伸缩件的长度调节。
本实施例还进一步提供了一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人的控制方法，包括：
1）运动捕捉系统6采集佩戴者的动作信息，并将动作信息发送至外部控制系统进行储存；
2）外部控制系统根据获取的动作信息控制驱动控制系统2进行相应运转，上肢康复训练机器人带动佩戴者进行相应运动；
通过将运动信号进行镜像处理后发送给上肢康复训练机器人，由机器人带动患者进行康复训练；避免传统的康复训练内容需要手动输入机器人程序造成的编程工作量过大问题。
3）心率采集系统7获取佩戴者的心率信息，并将心率信息发送至外部控制系统；
4）外部控制系统根据获取的心率信息对机器人的训练强度进行调节。
进一步的，步骤4）具体如下：
外部控制系统将获取的心率信息与预设的心率上下限阈值进行比较；
当获取的心率大于预设的心率上限阈值时，驱动控制系统2提供的动力增大；
当获取的心率小于预设的心率下限阈值时，驱动控制系统2提供的动力减小；
当获取的心率位于预设的心率上下限阈值之间时，驱动控制系统2提供的动力不变。
自适应调整训练强度，可使患者在能够适应当前训练强度的前提下增加挑战，在超过患者身体负荷时提供适当辅助，积极促使患者主动进行康复训练，进而最大化地激发神经重塑。
进一步的，驱动控制系统2提供的动力根据心率信息进行实时调整。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人，其特征在于，包括支架（1）、驱动控制系统（2）、大臂结构件（3）、小臂结构件（4）、柔性固定装置（5）、运动捕捉系统（6）和心率采集系统（7），所述大臂结构件（3）末端与小臂结构件（4）相铰接，所述驱动控制系统（2）安装于支架（1）上，用于驱动大臂结构件（3）与小臂结构件（4）进行转动；
所述柔性固定装置（5）分别安装于大臂结构件（3）与小臂结构件（4）上，用于手臂的固定；
所述运动捕捉系统（6），用于获取佩戴者的动作信息，并传送给外部控制系统，外部控制系统根据运动捕捉系统（6）获取的动作信息控制驱动控制系统（2）进行运转，带动上肢康复训练机器人进行运动；
所述心率采集系统（7），用于获取佩戴者的心率信息，并传送给外部控制系统；
所述驱动控制系统（2）包括第一电机（2-1）、第二电机（2-2）、第三电机（2-3）与传动机构，所述第一电机（2-1）固定安装于支架（1）上，所述第二电机（2-2）通过连接件固定安装于第一电机（2-1）的输出轴上，所述第三电机（2-3）通过连接座固定安装于第二电机（2-2）的输出轴上，所述大臂结构件（3）与第三电机（2-3）机体固定连接，所述第三电机（2-3）通过传动机构带动小臂结构件（4）绕铰接点进行转动；
所述传动机构包括主动同步带轮（2-4）、同步带（2-5）与从动同步带轮（2-6），所述主动同步带轮（2-4）安装于第三电机（2-3）的输出轴上，所述从动同步带轮（2-6）安装于大臂结构件（3）与小臂结构件（4）的铰接处，且从动同步带轮（2-6）与小臂结构件（4）固定连接，所述同步带（2-5）设置于大臂结构件（3）与小臂结构件（4）之间。
2.根据权利要求1所述的一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人，其特征在于，所述柔性固定装置（5）由两组相铰接的伸缩件组成，两组伸缩件的铰接端位于大臂结构件（3）与小臂结构件（4）的铰接处，两组伸缩件的另一端分别铰接于大臂结构件（3）与小臂结构件（4）上。
3.根据权利要求2所述的一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人，其特征在于，所述伸缩件由固定件及滑动件组成，所述固定件与滑动件通过滑扣连接。
4.一种如权利要求1所述的串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人的控制方法，其特征在于，包括：
运动捕捉系统（6）采集佩戴者的动作信息，并将动作信息发送至外部控制系统进行储存；
外部控制系统根据获取的动作信息控制驱动控制系统（2）进行相应运转，上肢康复训练机器人带动佩戴者进行相应运动；
心率采集系统（7）获取佩戴者的心率信息，并将心率信息发送至外部控制系统；
外部控制系统根据获取的心率信息对机器人的训练强度进行调节。
5.根据权利要求4所述的一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人的控制方法，其特征在于，具体如下：
外部控制系统将获取的心率信息与预设的心率上下限阈值进行比较；
当获取的心率大于预设的心率上限阈值时，驱动控制系统（2）提供的动力增大；
当获取的心率小于预设的心率下限阈值时，驱动控制系统（2）提供的动力减小；
当获取的心率位于预设的心率上下限阈值之间时，驱动控制系统（2）提供的动力不变。
6.根据权利要求5所述的一种串并联自适应滑模变结构运动镜像式上肢康复训练机器人的控制方法，其特征在于，驱动控制系统（2）提供的动力根据心率信息进行实时调整。
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- 2021-11-11 CN CN202111333765.3A patent/CN114081778B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Also Published As
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