CN109259979A - 左右手可互换的上肢康复机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种左右手可互换的上肢康复机器人包括电气箱、大悬臂、角度感应器、肩顶旋杆及机械臂；其中，大悬臂与肩顶旋杆转动连接；机械臂与肩顶旋杆连接；角度感应器用于检测肩顶旋杆与大悬臂的相对位置。本发明还提供一种左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法，包括：由初始状态确定是否转换左右手状态，电气箱操控肩顶旋杆旋转，肩顶旋杆带动机械臂旋转，同时角度感应器实时检测肩顶旋杆与大悬臂之间的夹角，使机器人完成左右手状态的转换。本发明通过简单便捷的步骤完成上肢康复机器人的左右手状态互换，节省了使用时间，而且在整个互换过程中免结构拆卸，减少了对设备的损耗，提高了使用寿命，还能够降低使用人员的培训成本。

Description

左右手可互换的上肢康复机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种左右手可互换的上肢康复机器人及其控制方法。

背景技术

目前我国约有脑卒中患者1030万，每年新发病200万例，脑卒中患者在病发后常会出现运动障碍、感觉障碍、言语障碍、认知障碍等，在这些后遗症中以运动障碍最为多发。相关研究表明，大约85％左右的脑卒中患者存在着不同程度的上肢瘫痪症状，而且在卒中后康复过程中，上肢的功能恢复较之其他部位存在明显滞后的情况。根据相关统计结果，在卒中病发6个月后，仍然有30％-60％的偏瘫患者上肢功能无法得到恢复，而在卒中5年后仍有严重上肢瘫痪的患者达到25％，这使得患者的康复周期变得极其漫长。传统治疗方式采用康复医师徒手牵引按摩的方式对患者进行康复治疗，这种治疗方法费时费力，无法保证治疗效果的均一性，且我国康复治疗师资源严重不足，远远无法满足巨大患者人数的需求。

外骨骼康复训练机器人是一种将传感、控制、信息处理、康复医学、生物力学、机械工程学等诸多学科融合在一起的新型机器人技术，这种技术在康复医疗领域的应用近年来成为了各国研究的一个热点方向，使用外骨骼康复机器人可使患者在无需医护人员全程协助的情况下依照偏瘫情况不同进行主/被动康复训练，这种高效的治疗方式可使患者更快的恢复健康，并可一定程度弥补我国康复医师队伍人员短缺，康复治疗质量不稳定、水平层次不齐、康复医疗资源不足的现状。

由于上肢偏瘫的发生具有不确定性，患者的左侧、右侧肢体都可能发生偏袒，考虑到目前我国的康复治疗科、康复医院普遍面临场地不足，资金有限的情况，无法在康复科室场地摆放过多康复设备的情况，为了增强其实用性和适用范围，上肢康复机器人的机械臂应具有左、右手模式互换的功能。

专利文献CN104473751B公开了一种左右手两用式上肢康复机器人，包括调高立柱、肩部调整机构、肩关节运动单元、大臂调长机构、肘关节运动单元、前臂调长机构、腕关节运动单元，肩关节运动单元主要由肩部回转电机、L型减速器、L型回转肩等组成。未工作时，上肢康复机器人自然下垂，与地面垂直呈0度，L型回转肩转动至腰部安装架下面，并与腰部安装架呈0度对齐；当采用左手康复模式时，L型回转肩在肩部回转电机的驱动下顺时针转动90度，并与肩部安装架侧平面垂直，同时电机驱动大臂调长机构及前臂调长机构等康复训练装置逆时针旋转90度，从而切换到左手康复模式；当采用右手康复模式时，L型回转肩在肩部回转电机的驱动下逆时针转动90度，并与肩部安装架的侧平面垂直，同时大臂摆动电机逆时针旋转90度，从而切换到右手康复模式。但其无法准确控制训练装置的旋转角度，在使用时若发生与康复训练不符的大角度旋转时并无对应的安全措施，易使患者二次收到伤害，存在改进的空间。

发明内容

本发明提供的一种左右手可互换的上肢康复机器人，能够确保患者使用的安全性。

本发明提供的左右手可互换的上肢康复机器人包括电气箱、大悬臂、角度感应器、肩顶旋杆及机械臂；电气箱为上肢康复机器人提供动力，并控制各部件的运动，大悬臂吊起机械臂整体，肩顶旋杆能够相对于大悬臂旋转，同时带动机械臂以实现机械臂左右手的镜像旋转，角度感应器可以检测大悬臂与肩顶旋杆的相对位置关系。大悬臂与肩顶旋杆转动连接或通过角度感应器与肩顶旋杆转动连接，能够使肩顶旋杆相对于大悬臂转动，同时机械臂与肩顶旋杆相连，通过肩顶旋杆相对于大悬臂的转动带动机械臂旋转。本发明通过肩顶旋杆的镜像旋转实现机械臂的镜像设计，同时满足左右手的训练需求，操作简单节省了上肢康复机器人的使用时间，提高了使用效率，而且避免了结构的拆卸对设备的损耗，提高了使用寿命。

角度感应器与大悬臂固定连接，与肩顶旋杆转动连接，能够准确测量到肩顶旋杆与大悬臂间的夹角，及肩顶旋杆相对于大悬臂的旋转角度。同样的，角度感应器与大悬臂转动连接，与肩顶旋杆固定连接，角度感应器随肩顶旋杆的转动而转动，也能够准确测量到肩顶旋杆与大悬臂间的夹角，及肩顶旋杆相对于大悬臂的旋转角度。

进一步的，本发明还包括上位机软件系统并根据角度感应器感应到的角度范围具有左手模式与右手模式。角度感应器将检测到的实时角度发送至上位机软件系统，上位机软件系统可由此判断其所处模式，并通过电气控制实现不同模式下机械臂的区别运动。通过对上位机软件系统的操作即可实现上肢康复机器人两种模式的互换，操作简单容易上手，具有实际应用价值。

进一步的，机械臂包括上臂杆，前臂杆及机械臂驱动电机,上臂杆与前臂杆分别带动上肢上臂及前臂运动，机械臂驱动电机则能够为其提供动力。具体的，机械臂驱动电机包括上臂电机座及前臂电机座，分别控制上臂杆和前臂杆的运动，能够针对上臂及前臂所需康复动作的不同而分别带动其运动，增强了训练效果。

优选的，上臂电机座与上臂杆连接处设有上臂限位机构，所述上臂限位机构包括上臂限位槽及限位销。前臂电机座与前臂杆连接处设有前臂限位机构，所述前臂限位机构包括前臂限位槽及限位销。不同模式下将限位销插入限位槽的不同限位处，通过机械限位限定上臂杆和前臂杆的运动范围，防止电气控制发生故障时对使用者造成损害，进一步增强了安全性。

优选的，本发明还设有连接于大悬臂的滑动组件，滑动组件包括滑台、滑轨及滑台定位旋钮，将大悬臂固定于滑台上，使其能够沿滑轨定向移动，使上肢康复机器人在转换左右手状态及调整位置时减少设备整体的移动，而仅需滑动滑台从而调整机械臂的位置。设于滑台上的滑台定位旋钮能够固定滑台在滑轨上的位置，防止其在机械臂作用时移动而对使用者带来不必要的损害。

优选的，机械臂末端设有腕手机构，其包括握柄，使患者在使用过程中能够用手抓住握柄，相对固定了手腕及手的位置，使用更为舒适，同时能够增强一定的康复效果。

本发明还提供一种左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法，能够实现左右手互换功能，包括：

步骤S1：由初始状态确定是否转换左右手状态；

步骤S2：若是，则电气箱操控肩顶旋杆旋转，肩顶旋杆带动机械臂旋转，同时角度感应器实时检测所述肩顶旋杆与大悬臂之间的夹角，使肩顶旋杆及机械臂完成左右手状态的转换；

若否，则保持初始状态。

进一步地，步骤S2包括：

步骤S21：角度感应器实时检测所述肩顶旋杆与大悬臂之间的夹角，当该夹角超过设定值时，肩顶旋杆停止旋转；

步骤S22：确定是否继续旋转，

步骤S23：若是，则肩顶旋杆继续旋转至与初始状态呈镜像对称，完成左右手状态的转换；

若否，则肩顶旋杆旋回至初始状态。

进一步地，步骤S2还可以包括：

步骤S21：角度感应器实时检测所述肩顶旋杆与所述大悬臂之间的夹角，上位机软件系统读取所述夹角数据，并判断所述左右手可互换的上肢康复机器人处于左手模式或右手模式；

步骤S22：当所述左右手可互换的上肢康复机器人所处模式与所述左右手状态相同时，肩顶旋杆继续旋转至与初始状态呈镜像对称；

当所述左右手可互换的上肢康复机器人所处模式与所述左右手状态不同时，肩顶旋杆旋回至所述初始状态。

优选的，本发明提供的左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法还包括：

步骤S3：移动上臂限位槽及前臂限位槽中限位销的插入位置，形成左右手状态不同的机械限位。

优选的，本发明提供的左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法还包括：

步骤S20：电气箱操控滑台沿滑轨移动，之后，通过滑台定位旋钮固定滑台。

附图说明

图1为本发明实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一的滑动过程示意图；

图3为本发明实施例一的旋转过程示意图；

图4为本发明实施例一的角度区域示意图；

图5为本发明实施例一上位机软件系统切换界面；

图6为本发明实施例一的上臂限位机构在不同模式下的示意图；

图7为本发明实施例一的前臂限位机构在不同模式下的示意图；

图8为本发明实施例一的上臂限位机构的结构示意图；

图9为本发明实施例一使用时整体结构示意图。

附图标记说明

1.电气箱、2.大悬臂、3.角度感应器、4.肩顶旋杆、5.机械臂、51.上臂杆、52.上臂电机座、53.前臂杆、54.前臂电机座、55.上臂限位机构、55a.上臂限位销、55b.限位件、56.前臂限位机构、56a.前臂限位销、56b.限位件、57.上臂托、58.前臂托、6.滑动组件、61.滑台、62.滑轨、63.定位旋钮、7.腕手机构、71.握柄、A1.正常训练区域、A2.换手检测触发区域。

具体实施方式

实施例一

本实施例提供了一种左右手可互换的上肢康复机器人，图1是本实施例的整体结构示意图，参照图1所示，本实施例提供的上肢康复机器人包括：电气箱1、大悬臂2、角度感应器3、肩顶旋杆4、机械臂5、滑动组件6及升降立柱。电气箱1设于升降立柱顶端，为上肢康复机器人提供动力，并与上位机连接，控制各部件的运动，电气箱1上方设有滑动组件6，其包括固定于电气箱1上方的滑轨62，设于滑轨上且可沿滑轨任意滑动的滑台61，及固定滑台在滑轨上位置的滑台定位旋钮63，滑台定位旋钮63可设于滑台61上也可设于滑轨62上。大悬臂2一端设于滑台61上并与滑台61固定连接，另一端固定连接角度感应器3。肩顶旋杆4通过轴承转动连接于角度感应器3下方，肩顶旋杆4另一端通过轴承连接机械臂。本实施例中，机械臂5包括上臂杆51，前臂杆53及分别控制上臂杆51和前臂杆53的运动的上臂电机座52及前臂电机座54，具体来说，上臂电机座52一端通过轴承与肩顶旋杆连接，上臂电机座52另一端为电机输出端，与上臂杆51相连，类似的，前臂电机座54一端连接上臂杆51，另一端电机输出端与前臂杆53相连，本实施例中，机械臂5末端还设有与前臂杆53连接的腕手机构7，腕手机构7包括供使用者手持的握柄71。此外需要说明的是，本实施例中，角度感应器3与大悬臂2固定连接，与肩顶旋杆4通过轴承转动连接，也可将角度感应器3与大悬臂2通过轴承转动连接，与肩顶旋杆4固定连接等方式连接，仅需确保角度感应器3能够测量大悬臂2与肩顶旋杆4之间的夹角即可。

图2为本实施例的滑动过程示意图，参照图2所示，在转换使用模式时(图2为右手模式转换到左手模式)，使机械臂5整体处于与地面垂直的状态，将滑台定位旋钮63拧松，使滑台61能够沿滑轨62从一侧滑动到另一侧，滑台62的移动同时带动大悬臂2及机械臂5同时移动，之后拧紧滑台定位旋钮63使滑台61固定。图3为本实施例的旋转过程示意图，参照图3所示(图3为右手模式转换到左手模式)，通过电气控制系统或上位机软件控制系统使肩顶旋杆4相对于大悬臂2及角度感应器3逆时针水平旋转180°，肩顶旋杆4的旋转同时带动机械臂5的旋转，实现机械臂5在两种模式下的镜像对称结构，角度感应器3测量实时角度，由电气控制系统读取角度数据并传输到上位机软件系统，上位机软件系统根据接收到的角度数据切换所处模式。此外，也可由上位机软件系统直接读取角度感应器3测量得到的角度数据，并由此判断是否切换其模式。可以设定，当肩顶旋杆4与大悬臂2夹角为0°时及为180°时设为分界处，此时机器人处于停止状态，当肩顶旋杆4与大悬臂2的夹角为正角0°-180°时设为右手模式，同理，当肩顶旋杆4与大悬臂2的夹角为负角0°-180°时设为左手模式。此外，需要说明的是，本实施例中采用先滑动后旋转的顺序实现左右手模式的互换。同样的，先控制肩顶旋杆4带动机械臂5旋转，后滑动滑台61也能够实现本发明。

进一步的，本实施例中，上位机软件系统通过角度感应器所检测到的角度范围区别不同模式，图4为本实施例的角度区域示意图，图5为本实施例上位机软件系统切换界面图，参照图4所示，大悬臂2与肩顶旋杆4的夹角为正角90°，即为右手模式的初始状态，此时将肩顶旋杆4顺时针旋转45°-50°到逆时针旋转130°-135°的范围设定为正常训练区域A1即为本实施例中的右手训练区域，当肩顶旋杆4旋转超过此区域时，康复机器人整体会进入紧急停止状态，同时在上位机软件系统的用户界面弹出如图5所示的对话框，此时需操作人员确认所需训练模式，如选择“是”即确认切换到左手模式，肩顶旋杆4会继续旋转至大悬臂2与肩顶旋杆4的夹角为负角90°，即为左手模式的初始状态，完成康复机器人从机械结构到电气及上位机软件系统的左右手训练模式的切换；如选择“否”肩顶旋杆4则会旋回至右手模式的初始状态。更进一步的，因角度感应器测量数据传输到上位机时存在一定空白，及角度感应器精确度等问题，本实施例中还设有换手检测触发区域A2，具体为该模式初始状态下，肩顶旋杆镜像相对一侧的±20°-25°区域范围。

特别的，本实施例中上臂电机座52与上臂杆51连接处，及前臂电机座54与前臂杆53连接处分别设有上臂限位机构55及前臂限位机构56。图6为本实施例的上臂限位机构在不同模式下的示意图，图7为本实施例的前臂限位机构在不同模式下的示意图，图8为本实施例的上臂限位机构的结构示意图，参照图6-8所示，上臂限位机构55包括设于上臂杆51上的弧形上臂限位槽55a，及安装在上臂电机座52上的弹性限位销55b，弹性限位销55b插入弧形上臂限位槽55a即形成上臂电机座52与上臂杆51的机械限位，使上臂杆不会超出正常康复训练的活动范围，增强了使用安全性。相似的，前臂限位机构56包括设于前臂杆53上的弧形上臂限位槽56a，及安装在前臂电机座54上的弹性限位销56b，弹性限位销56b插入弧形上臂限位槽56a即形成上臂电机座54与上臂杆53的机械限位。不同模式下将弹性限位销插入限位槽上不同的限位处，通过机械限位限定上臂杆51和前臂杆53的运动范围，防止电气控制系统或上位机软件控制系统发生故障时超出正常训练区域而对使用者造成损害，进一步增强了安全性。本领域技术人员可以理解的是，在切换左右手状态的过程中，仅需在进行康复训练之前将弹性限位销插入限位槽上对应的限位处，就能够实现本发明。

图9为本实施例使用时整体结构示意图，为将手臂与机械臂5有效且舒适的固定，本实施例中在上臂杆51及前臂杆53上靠近使用者的一侧分别设置了上臂托57及前臂托58，并用绑带对使用者的手臂加以固定。使用时，首先选择所需的使用模式，即确定左手模式或右手模式，之后使用者端坐在上肢康复机器人前面摆放的椅子上，然后根据使用者的坐高调整升降立柱的高度，使机械臂5的高度与使用者的高度相适应，并调整机械臂5的臂长，保证使用者各关节的轴心基本与机械臂5关节轴心齐平，手部可以良好的抓持握柄71，之后将使用者的手臂与上臂托57及前臂托58妥善固定，完成穿戴后即可开始训练。本实施例通过肩顶旋杆4的镜像旋转实现机械臂的镜像设计，能够同时满足左右手的训练需求，且在切换时仅需简单的控制操作，节省了上肢康复机器人的使用时间，提高了使用效率，而且避免了结构的拆卸对设备的损耗，提高了使用寿命，并且通过监测大悬臂2与肩顶旋杆4的角度与上位机软件系统相结合，进一步确保了上肢康复机器人的使用安全。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是即使没有这些技术细节和基于上述实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本发明各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式做各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种左右手可互换的上肢康复机器人包括电气箱、大悬臂、角度感应器、肩顶旋杆及机械臂；其中，

所述电气箱用于操控所述左右手可互换的上肢康复机器人；

所述大悬臂与肩顶旋杆转动连接；

所述机械臂与肩顶旋杆连接；

所述角度感应器用于检测所述肩顶旋杆与所述大悬臂的相对位置。

2.根据权利要求1所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，所述角度感应器与大悬臂固定连接，与所述肩顶旋杆转动连接。

3.根据权利要求1所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，所述角度感应器与大悬臂转动连接，与所述肩顶旋杆固定连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，还包括上位机软件系统，所述上位机软件系统具有左手模式与右手模式，并根据所述角度感应器感应到的角度范围区别不同模式。

5.根据权利要求1-3任一项所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，所述机械臂包括上臂杆、前臂杆及机械臂驱动电机；所述机械臂驱动电机包括上臂电机座及前臂电机座，分别连接上臂杆与前臂杆。

6.根据权利要求5所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，上臂电机座与上臂杆连接处设有上臂限位机构，所述上臂限位机构包括上臂限位槽及限位销，所述限位销插入所述限位槽中用于限定所述上臂杆的活动范围。

7.根据权利要求5所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，前臂电机座与前臂杆连接处设有前臂限位机构，所述前臂限位机构包括前臂限位槽及限位销，所述限位销插入所述限位槽中用于限定所述前臂杆的活动范围。

8.根据权利要求1所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，设有连接于大悬臂的滑动组件，所述滑动组件包括滑台、滑轨及滑台定位旋钮，所述大悬臂固定于滑台上。

9.根据权利要求1所述的左右手可互换的上肢康复机器人，其特征在于，机械臂末端设有腕手机构，所述腕手机构包括握柄。

10.一种左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1：由初始状态确定是否转换左右手状态；

步骤S2：若是，则电气箱操控肩顶旋杆旋转，肩顶旋杆带动机械臂旋转，同时角度感应器实时检测所述肩顶旋杆与大悬臂之间的夹角，使所述肩顶旋杆及所述机械臂完成左右手状态的转换；

若否，则保持初始状态。

11.根据权利要求10所述的左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S21：角度感应器实时检测所述肩顶旋杆与所述大悬臂之间的夹角，当所述夹角超过设定值时，所述肩顶旋杆停止旋转；

步骤S22：确定是否继续旋转，

步骤S23：若是，则肩顶旋杆继续旋转至与初始状态呈镜像对称结构，完成左右手状态的转换；

若否，则肩顶旋杆旋回至所述初始状态。

12.根据权利要求10所述的左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S21：角度感应器实时检测所述肩顶旋杆与所述大悬臂之间的夹角，上位机软件系统读取所述夹角数据，并判断所述左右手可互换的上肢康复机器人处于左手模式或右手模式；

步骤S22：当所述左右手可互换的上肢康复机器人所处模式与所述左右手状态相同时，肩顶旋杆继续旋转至与初始状态呈镜像对称；

当所述左右手可互换的上肢康复机器人所处模式与所述左右手状态不同时，肩顶旋杆旋回至所述初始状态。

13.根据权利要求10-12任一项所述的左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，还包括：

步骤S3：移动上臂限位槽及前臂限位槽中的限位销，至与左右手状态对应的插入位置，形成左右手状态不同的机械限位。

14.根据权利要求10-12任一项所述的左右手可互换的上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，还包括：

步骤S20：电气箱操控滑台沿滑轨移动，之后，通过滑台定位旋钮固定所述滑台。