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CN111110513B - 一种四自由度肘腕关节康复机器人 - Google Patents

一种四自由度肘腕关节康复机器人 Download PDF

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CN111110513B
CN111110513B CN202010025297.2A CN202010025297A CN111110513B CN 111110513 B CN111110513 B CN 111110513B CN 202010025297 A CN202010025297 A CN 202010025297A CN 111110513 B CN111110513 B CN 111110513B
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李双双
陈鹏
林木松
田宇
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Abstract

本发明公开一种四自由度肘腕关节康复机器人，属于康复医疗器械领域，包括：高度调节组件、手腕组件，小臂组件，上臂组件；高度调节组件包括底座、升降柱；上臂组件包括上臂固定座、第一电机、上臂机架、上臂伸缩架、第一电动推杆、上臂支撑架以及第一六维力传感器；小臂组件包括第二电机、小臂机架、小臂伸缩架、第二电动推杆；手腕关节组件包括第三电机、第二六维力传感器、手腕支架、第四电机、环形支撑架、手把。该康复机器人可实现上臂、小臂的屈曲/伸展运动及腕关节的背屈/掌屈、内旋/外旋四个自由度的被动训练、主动训练和各关节的单独及耦合训练。两个六维力传感器可对人机交互力觉信息进行精准感知，使康复运动更加柔顺。

Description

一种四自由度肘腕关节康复机器人
技术领域
本发明涉及康复医疗设备技术领域，特别是涉及一种四自由度肘腕关节康复机器人。
背景技术
最新的统计数据显示，我国现有脑卒中患者7000万人，每年新发脑卒中200万人，每年脑卒中死亡人数165万人，存活者中约75％致残，丧失了肢体动作能力。2017年我国60岁以上老人数量已超过2.3亿，日趋严重的人口老龄化又会导致肢体残障者数量的增加。对于脑卒中、中风和截瘫肢体残障患者，生活质量的高低取决于残障肢体功能的恢复程度。运用先进康复治疗技术，改善患者肢体运动功能，使患者在最短时间内达到最令人满意的康复治疗效果并最终脱离病残的折磨，一直是康复工作者的目标。
康复机器人作为一种神经康复类高端医疗器械，可以帮助患者进行高强度、重复性、针对性和互动性的康复训练，具有以下优点：(1)机器人更适合做一些重复性工作，而且速度、力量会更加稳定；(2)在康复训练过程中，可以依靠一些传感器来实时记录患者的身体信息，康复机器人会根据这些信息给患者制定适合的训练计划。(3)使用方便，可以在患者家中进行康复训练。因此，研究智能康复机器人具有重要的理论意义和实用价值。
目前，现有的肘腕关节康复训练机器人多数缺乏人机交互信息的精确感知，以致于康复训练的柔顺性太差。很多利用生物电信号实现辅助和主动柔顺康复训练的装置也由于生物电信号的不稳定性，使得训练效果大打折扣。
另外，现有的上肢康复机器人大多采用单臂设计，只对单臂患肢进行康复训练，无法满足双臂协调康复训练的需求。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的大多数上肢康复机器人对人体主动运动无法精确感知、只可完成单臂康复训练的缺陷，提供一种可精确感知患者主动运动意图的四自由度肘腕关节康复机器人，为患者提供一种更为柔顺的主被动康复训练，避免因康复机器人较差的运动柔顺性对患者造成二次伤害，并且本发明康复机器人可以多系统信息互联，进行双臂协调的康复训练，可以通过患者的健肢带动患肢进行主从康复训练。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种四自由度肘腕关节康复机器人，包括高度调节组件、上臂组件、小臂组件以及手腕关节组件。所述高度调节组件包括底座以及设置在所述底座上的升降柱。
所述上臂组件包括上臂固定座、固定连接在所述上臂固定座上的第一电机、与所述第一电机的输出轴相连的上臂机架、设置于所述上臂机架上的第一直线滑轨、滑动连接在所述第一直线滑轨上的第一滑块、固定连接在所述第一滑块上的上臂伸缩架、用来调节所述上臂伸缩架伸出长度的第一电动推杆、用来支撑人体上臂的上臂支撑架以及第一六维力传感器；所述第一六维力传感器的一侧通过传感器安装板与所述上臂伸缩架连接，另一侧和所述上臂支撑架连接。所述第一电动推杆的一端与所述上臂机架连接，另一端与上臂伸缩架连接。
所述小臂组件包括安装在所述上臂伸缩架上的第二电机、安装在所述第二电机输出轴上的小臂机架、固定连接在所述小臂机架上的第二直线滑轨、滑动连接在所述第二直线滑轨上的第二滑块、与所述第二滑块固定连接的小臂伸缩架、用来调节小臂伸缩架伸出长度的第二电动推杆，所述第二电动推杆一端与所述小臂伸缩架连接，另一端与小臂机架连接。
所述手腕关节组件包括安装在所述小臂伸缩架上的第三电机、与所述第三电机输出轴固定连接的传感器过渡件、与所述传感器过渡件固定连接的第二六维力传感器、与所述第二六维力传感器固定连接的手腕支架、与所述手腕支架固定连接的第四电机、与所述第四电机的输出轴固定连接的上支撑座、与所述上支撑座固定连接的环形支撑架、与环形支撑架固定连接的下支撑座，下支撑座通过螺栓与所述第二电机架活动连接，所述环形支撑架上还设置手把。。
进一步地，所述第一电动推杆的一端通过第一推杆固定座与所述上臂机架连接，另一端通过第二推杆固定座与上臂伸缩架连接；所述第二电动推杆的一端通过第三推杆固定座与所述小臂伸缩架连接，另一端通过第四推杆固定座与小臂机架连接。
进一步地，所述第一直线滑轨相对设置为两组，固定安装在上臂机架内侧壁上；所述第二直线滑轨相对设置为两组，固定安装在小臂机架外侧壁上。
进一步地，所述小臂伸缩架包括电机固定板和与所述电机固定板垂直的滑块安装板；所述第三电机固定安装在所述电机固定板上，所述第三电机的输出轴朝向滑块安装板一侧；所述第二滑块固定安装在所述滑块安装板上。
进一步地，所述第一电机、第二电机、第三电机和第四电机中均包含电动机及位置编码器。
进一步地，所述升降柱的底板上安装若干滚轮。
更进一步地，所述升降柱为三级调节结构的电动升降柱。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1.通过上臂固定座、上臂机架、上臂伸缩架、小臂机架、小臂伸缩架、手腕支架构成康复机器人的框架结构，通过第一电机、第二电机、第三电机、第四电机的驱动实现四自由度转动带动患肢进行康复训练。在上臂处和小臂处设置了电动推杆以达到根据不同患者的臂长进行电动调节的目的，调节方式相比手动调节更加精准、快速，简单有效。
在上臂支撑架和手腕支架处设置了两个六维力传感器，根据六维力传感器所受力的方向和大小，可对人机交互力觉信息进行精准感知。系统通过对六维力传感器信号的监测，在被动训练模式下可以保证患者的安全，避免对患者造成二次伤害；在主动训练模式下，可根据患者上肢运动意图进行精确的灰色预测模糊判断，以控制相应的电机进行辅助训练。
2.该康复机器人采用双臂设计，不仅可以完成单臂康复运动，而且可以进行双臂协调的康复训练，患者的健肢可以带动患肢进行主从康复训练。
3.该康复机器人具有4个自由度，可以实现上肢大臂、小臂及手腕所有自由度的单独和耦合康复训练。
4.升降柱采用三级调节的电动升降柱，调节速度快、范围广，能满足不同身高患者的需求。升降柱底板上设置滚轮，方便移动，使患者在不同的地点都可进行康复训练，使患者更加积极融入日常生活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例四自由度肘腕关节康复机器人立体图；
图2是本发明实施例高度调节组件立体图；
图3是本发明实施例上臂组件爆炸图；
图4是本发明实施例小臂组件爆炸图；
图5是本发明实施例手腕关节组件爆炸图。
附图标记说明：1、高度调节组件；11、升降柱；12、底座；2、上臂组件；21、上臂固定座；22、第一电机；23、上臂机架；24、第一直线滑轨；25、第一滑块；26、上臂伸缩架；27、第一电动推杆；28、传感器安装板；29、第一六维力传感器；210、上臂支撑架；211、第一推杆固定座；212、第二推杆固定座；3、小臂组件；31、第二电机；32、小臂机架；33、第二直线滑轨；34、第二滑块；35、小臂伸缩架；351、电机固定板；352、滑块安装板；36、第二电动推杆；37、第三推杆固定座；38、第四推杆固定座；4、手腕关节组件；41、第三电机；42、传感器过渡件；43、第二六维力传感器；44、手腕支架；45、第四电机；46、上支撑座；47、环形支撑架；48、下支撑座；49、手把。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图5所示的本发明的一种四自由度肘腕关节康复机器人的具体实施例。如图1所示，康复机器人包括高度调节组件1，上臂组件2，小臂组件3，手腕关节组件4四个主要部件。如图2所示，高度调节组件1包括底座12以及设置在底座12上的升降柱11，升降柱11的底座12上安装若干滚轮，升降柱11为三级调节结构的电动升降柱。
如图3所示，上臂组件2包括上臂固定座21、固定连接在上臂固定座21上的第一电机22、与第一电机22的输出轴相连的上臂机架23、设置于上臂机架23上的第一直线滑轨24、滑动连接在第一直线滑轨24上的第一滑块25、固定连接在第一滑块25上的上臂伸缩架26、用来调节上臂伸缩架26伸出长度的第一电动推杆27、用来支撑人体上臂的上臂支撑架210以及第一六维力传感器29。第一六维力传感器29的一侧通过传感器安装板28与上臂伸缩架26连接，另一侧和上臂支撑架210连接。第一电动推杆27一端通过第一推杆固定座211与上臂机架23连接，另一端通过第二推杆固定座212与上臂伸缩架26连接。
如图4所示，小臂组件3包括安装在上臂伸缩架26上的第二电机31、安装在第二电机31输出轴上的小臂机架32、固定连接在小臂机架32上的第二直线滑轨33、滑动连接在第二直线滑轨33上的第二滑块34、第二滑块34固定连接的小臂伸缩架35、用来调节小臂伸缩架35伸出长度的第二电动推杆36，第二电动推杆36一端通过第三推杆固定座37与小臂伸缩架35固定连接，另一端通过第四推杆固定座38与小臂机架32固定连接。小臂伸缩架35包括电机固定板351和与电机固定板351垂直的滑块安装板352；第三电机41固定安装在电机固定板351上，第三电机41的输出轴朝向滑块安装板352一侧；第二滑块34固定安装在滑块安装板352上。
如图5所示，手腕关节组件4包括安装在小臂伸缩架35上的第三电机41、与第三电机41输出轴固定连接的传感器过渡件42、与传感器过渡件42固定连接的第二六维力传感器43、与第二六维力传感器43固定连接的手腕支架44、与手腕支架44固定连接的第四电机45、与第四电机45的输出轴固定连接的上支撑座46、与上支撑座46固定连接的环形支撑架47、与环形支撑架47固定连接的下支撑座48，下支撑座48通过螺栓与第二电机31架活动连接，环形支撑架47上还设置手把49。
本发明实施例的具体工作过程为：患者上臂放在上臂支撑架210上，并进行绑缚，手握住设置在环形支撑架47上的手把49。升降柱11为三级调节的电动升降柱，调节速度快、范围广，能满足不同身高患者的需求。升降柱的底座12上设置滚轮，方便移动，使患者在家里不同的位置都可进行康复训练，使患者更加积极融入日常生活。
另外，在上臂机架23和上臂伸缩架26之间和小臂机架32和小臂伸缩架35之间分别设置了第一电动推杆27和第二电动推杆36，可根据不同患者的臂长进行电动调节使患者处于最舒适的状态，电动调节方式相比手动调节更加精准、快速，简单有效。
第一电机22嵌套安装于上臂固定座21内，其输出轴与上臂机架23连接，因而第一电机22的转动可带动上臂做屈曲/伸展运动。第二电机31嵌套安装于上臂伸缩架26内，其输出轴与小臂机架32连接，因而第二电机31的转动可带动肘关节及小臂做屈曲/伸展运动。第三电机41固定安装在小臂伸缩架35上，其输出轴与传感器过渡件42连接，因而第三电机41转动可带动手腕及小臂做轴向内旋\外旋运动。第四电机45固定安装在手腕支架44上，其输出轴与环形支撑架47连接，第四电机45的转动可带动手腕关节做背屈/掌屈转动。四个电机可同时转动，实现患肢各个关节的耦合康复训练。
在上臂支撑架210及手腕支架44处安装了两个六维力传感器，患者单侧上肢与接触点捆绑约束。针对人机交互力信号存在震颤和停顿，采用自适应滤波的方法保证信号的平滑和连续。针对人机交互力信号的滞后延时，采用卡尔曼滤波技术对数据进行处理，求得当前状态的最优估计值。基于人机系统能量守恒原理，建立冗余机械臂两个接触点的接触力总和与关节力矩之间映射关系的数学模型。由于两个六维力传感器检测到的人机交互力与4-DOF(4自由度)康复机器人的关节力矩具有耦合关系，要根据当前状态的最优估计值、康复机器人的位姿关系和冗余驱动下的最优能量分配方程，建立力学映射关系的数学修正模型，达到人机交互力觉信息精准感知的目的。
系统通过对六维力传感器信号的监测，在被动训练模式下可以保证患者的安全，避免对患者造成二次伤害；在主动训练模式下，可根据患者上肢运动意图进行精确的灰色预测模糊判断，以控制相应的电机进行转动，使得辅助训练更加柔顺。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种四自由度肘腕关节康复机器人，其特征是：
包括高度调节组件(1)、上臂组件(2)、小臂组件(3)以及手腕关节组件(4)；
所述高度调节组件(1)包括底座(12)以及设置在所述底座(12)上的升降柱(11)；
所述上臂组件(2)包括上臂固定座(21)、固定连接在所述上臂固定座(21)上的第一电机(22)、与所述第一电机(22)的输出轴相连的上臂机架(23)、设置于所述上臂机架(23)上的第一直线滑轨(24)、滑动连接在所述第一直线滑轨(24)上的第一滑块(25)、固定连接在所述第一滑块(25)上的上臂伸缩架(26)、用来调节所述上臂伸缩架(26)伸出长度的第一电动推杆(27)、用来支撑人体上臂的上臂支撑架(210)以及第一六维力传感器(29)；所述第一六维力传感器(29)的一侧通过传感器安装板(28)与所述上臂伸缩架(26)连接，另一侧和所述上臂支撑架(210)连接；所述第一电动推杆(27)的一端与所述上臂机架(23)连接，另一端与上臂伸缩架(26)连接；
所述小臂组件(3)包括安装在所述上臂伸缩架(26)上的第二电机(31)、安装在所述第二电机(31)输出轴上的小臂机架(32)、固定连接在所述小臂机架(32)上的第二直线滑轨(33)、滑动连接在所述第二直线滑轨(33)上的第二滑块(34)、与所述第二滑块(34)固定连接的小臂伸缩架(35)、用来调节小臂伸缩架(35)伸出长度的第二电动推杆(36)，所述第二电动推杆(36)一端与所述小臂伸缩架(35)连接，另一端与小臂机架(32)连接；
所述手腕关节组件(4)包括安装在所述小臂伸缩架(35)上的第三电机(41)、与所述第三电机(41)输出轴固定连接的传感器过渡件(42)、与所述传感器过渡件(42)固定连接的第二六维力传感器(43)、与所述第二六维力传感器(43)固定连接的手腕支架(44)、与所述手腕支架(44)固定连接的第四电机(45)、与所述第四电机(45)的输出轴固定连接的上支撑座(46)、与所述上支撑座(46)固定连接的环形支撑架(47)、与环形支撑架(47)固定连接的下支撑座(48)，下支撑座(48)通过螺栓与所述手腕支架(44)活动连接，所述环形支撑架(47)上还设置手把(49)。
2.如权利要求1所述的四自由度肘腕关节康复机器人，其特征是：所述第一电动推杆(27)的一端通过第一推杆固定座(211)与所述上臂机架(23)连接，另一端通过第二推杆固定座(212)与上臂伸缩架(26)连接；所述第二电动推杆(36)的一端通过第三推杆固定座(37)与所述小臂伸缩架(35)连接，另一端通过第四推杆固定座(38)与所述小臂机架(32)连接。
3.如权利要求1所述的四自由度肘腕关节康复机器人，其特征是：所述第一直线滑轨(24)相对设置为两组，固定安装在所述上臂机架(23)内侧壁上；所述第二直线滑轨(33)相对设置为两组，固定安装在所述小臂机架(32)外侧壁上。
4.如权利要求1所述的四自由度肘腕关节康复机器人，其特征是：所述小臂伸缩架(35)包括电机固定板(351)和与所述电机固定板(351)垂直的滑块安装板(352)；所述第三电机(41)固定安装在所述电机固定板(351)上，所述第三电机(41)的输出轴朝向所述滑块安装板(352)一侧；所述第二滑块(34)固定安装在所述滑块安装板(352)上。
5.如权利要求1-4任一项所述的四自由度肘腕关节康复机器人，其特征是：所述第一电机(22)、第二电机(31)、第三电机(41)和第四电机(45)均包含电动机和位置编码器。
6.如权利要求1-4任一项所述的四自由度肘腕关节康复机器人，其特征是：所述升降柱(11)的底板上安装若干滚轮。
7.如权利要求1-4任一项所述的四自由度肘腕关节康复机器人，其特征是：所述升降柱(11)为三级调节结构的电动升降柱。
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