一种并联柔索驱动上肢康复机器人及其实施方法技术

本发明专利技术涉及一种并联柔索驱动上肢康复机器人及其实施方法。其技术方案是：整体由支撑架构成长方体形状的桁架结构，支撑架底部设有柔索驱动模块、张力检测模块、固定导向轮及座椅驱动电机，同时提供干净整洁的康复治疗平台；且旋转座椅位于底座的上方并可根据康复要求带动患者身体自由转动；七组柔索连接到前臂支撑，并通过前臂支撑带动患者上肢实现康复训练，有益效果是：柔索自身柔顺性好，可避免与人体发生刚性接触，提高康复训练的舒适性；康复训练过程中实时监测柔索内部张力，提高康复训练的安全性；具有被动模式、助力模式和主动模式三种康复模式，可根据康复阶段以及康复需求的不同自主选择康复模式，实现一机多用，降低设备成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种医疗康复训练器械，特别涉及一种并联柔索驱动上肢康复机器人及其实施方法。
技术介绍
随着经济的快速发展，人民生活水平和医疗卫生保健事业的改善，居民的生活质量大大提升，与此同时人口老龄化问题以及残疾人问题却是社会发展进程中不可避免要付出的一种代价。老年人和残疾人对康复服务的需求较大，然而各类康复项目却供不应求。满足不断庞大的老年人和残疾人等社会弱势群体的康复医疗需求，提高他们的运动能力进而提高独立生活能力，对于保证社会的和谐稳定和长治久安具有积极的社会意义。在康复治疗过程中，肢体康复尤其是上肢康复占有重要的地位。相对医师对患者的康复训练，上肢康复机器人能够长时间重复繁杂的训练动作，易于实现复杂的运动和力的控制，可以一对多训练、远程训练，人力成本低，效率高。采用上肢康复机器人实现康复训练具有其独特优势。根据构型的不同，上肢康复机器人分为末端牵引式和外骨骼式两类：末端牵引式的典型代表是麻省理工学院研发的2-DOF平面上肢康复机器人MIT-MANUS；在当前众多的外骨骼式上肢康复机器人样机和产品之中，ARMin系列机器人中相对成熟。专利号为201210052562.1的专利《一种绳牵引上肢康复机器人及其控制方法》公布了一种支架式和立柱式绳牵引上肢康复机器人，通过3根绳索牵引托板实现患者前臂的空间三维运动，完成康复训练任务，其控制方法包括被动控制与主动控制。但该上肢康复机器人属于并联柔索悬吊机器人，无论使用多少个伺服电机，系统本身具有不完整约束特性，需要考虑托板及上肢的重力影响才能正常工作，而且无法实现三维空间里任意的复杂的位姿控制以及力控制。现有的上肢康复机器人存在以下几个问题和难点有待解决：（1）构型设计问题，末端牵引式上肢康复机器人难以实施单关节的训练，外骨骼式上肢康复机器人存在着刚度相对低、累积误差大、运动连续性差、惯性冲击大、力控制困难等缺点；（2）人机相容性问题，上肢康复机器人需要更多的自由度才能完整地复现、吻合上肢运动，这会导致机构复杂、控制困难；（3）重力补偿问题，需要对机器人进行重力补偿以及开展机器人轻量化设计；（4）复杂力位控制问题，现有上肢康复机器人能够实现高精度的轨迹跟踪控制，但少有机器人能够提供满足康复所需的复杂的力控制。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种模块化、可重构、多模式、前臂牵引式的并联柔索驱动上肢康复机器人及其实施方法，可以协助不同康复阶段的患者开展主动模式、助力模式和被动模式的康复训练，为上肢残疾患者提供一种更加有效的康复装置及方法。本专利技术提到的一种并联柔索驱动上肢康复机器人，包括柔索驱动模块（1）、张力检测模块（2）、固定导向轮（3）、周转导向轮（4）、前臂支撑（5）、柔索（6）、旋转座椅（7）、底座（8）、支撑架（9），整体由支撑架（9）构成长方体形状的桁架结构，底座（8）设置在支撑架（9）的底部，遮盖支撑架（9）底部的柔索驱动模块（1）、张力检测模块（2）、固定导向轮（3）及座椅驱动电机，同时提供干净整洁的康复治疗平台；且旋转座椅（7）位于底座（8）的上方并可根据康复要求带动患者身体自由转动；所述周转导向轮（4）设有八组，在支撑架（9）的竖直杆的靠近底座的同一高度处固定四组，在竖直杆的顶部固定四组，选择其中的七组作为柔索（6）的传动装置，七组柔索（6）连接到前臂支撑（5），并通过前臂支撑（5）带动患者上肢实现康复训练，其中，前臂支撑（5）的后部由三根柔索牵引，前臂支撑（5）的前部由四根柔索牵引；康复训练过程中，周转导向轮（4）会随着柔索（6）方位的变化而转动相应的角度，保证柔索（6）通过导向轮流畅的伸缩，七组柔索牵引前臂支撑（5）完成空间六自由度的运动，进一步实现复杂的康复动作。上述的柔索驱动模块（1）采用模块化的设计方法，共有七组，分别安装在底座（8）所覆盖的支撑架（9）上，柔索驱动模块（1）主要由力矩电机、电机安装架、驱动轮和光电编码器组成，力矩电机通过电机安装架固定在支撑架（9）上，其输出端装有驱动轮用来缠绕柔索（6），其尾部安装光电编码器，可间接测量柔索（6）的伸缩量。上述的张力检测模块（2）固定在支撑架（9）的底部中间，且靠近柔索驱动模块（1）的位置，张力检测模块（2）包括支架（2-1）、拉力传感器（2-2）、导轮支架（2-3）、导轮（2-4），支架（2-1）的上端固定拉力传感器（2-2）和导轮支架（2-3），导轮支架（2-3）上安装有导轮（2-4），柔索（6）经柔索驱动模块（1）牵引后首先经过张力检测装置（2），随后传动方向改变180°输出，拉力传感器承受拉力大小相当于柔索（6）内部张力的两倍，所述张力检测装置（2）与柔索驱动模块（1）之间的柔索水平传动。上述的固定导向轮（3）共有八组，安装在支撑架（9）的四根竖直杆的底部，且与张力检测装置（2）两侧的柔索平行并且水平传动，柔索（6）经固定导向轮（3）后传动方向改变90°，沿支撑架9的竖直杆上下传动。上述的柔索（6）缠绕在柔索驱动模块（1）的驱动轮上，经过张力检测装置（2）、固定导向轮（3）和周转导向轮（4）改变传动方向，其末端连接在前臂支撑（5）上，柔索（6）的伸缩利用电机末端的光电编码器测量，柔索（6）的内部张力通过张力检测模块（2）测量，采集到的信息输入到上位机控制系统，上位机控制系统发送控制指令，通过力矩电机控制柔索的伸缩量以及柔索内部张力。上述康复动作包括肩关节的屈伸、外展内收、内旋外旋、肘屈伸及肘关节屈伸的动作，其中：（1）肩关节的屈伸：旋转座椅（7）固定不动，机器人带动上肢肘关节和手部以相同的角速度围绕肩关节上下转动，可实现肩关节在竖直平面内的屈伸；旋转座椅（7）左右转动，机器人带动上肢肘关节和手部以大小相等、方向与座椅速度相反的角速度围绕肩关节水平转动，可实现肩关节在水平面内的屈伸；（2）肩关节外展内收：旋转座椅（7）转动90°后固定不动，机器人带动上肢肘关节和手部以相同的角速度在冠状面内围绕肩关节上下转动，可实现肩关节的外展和内收；（3）肩关节内旋外旋：旋转座椅（7）固定不动，机器人带动上肢前伸，然后带动前臂围绕上肢自身轴线转动，从而实现肩关节的内旋和外旋；（4）肘关节屈伸：旋转座椅（7）固定不动，前臂支撑5后部的三根柔索牵引大臂围绕肩关节转动，前臂支撑（5）前部的四根柔索带动前臂围绕肘关节转动，前臂支撑（5）带动前臂在矢状面内的运动，从而实现肘关节的屈伸。本专利技术提到的一种并联柔索驱动上肢康复机器人的实施方法，包括以下步骤：首先康复医师根据患者的基本资料确定患者的康复模式，并设定机器人的运行模式：被动模式下，患者上肢完全依靠外力来完成运动，机器人以运动轨迹为控制对象，协调规划各柔索的伸缩量以及座椅的转动，训练过程中，机器人的前臂支撑（5）带动患肢按相应速度沿预定轨迹运动，患者上肢被动跟随机器人运动，同时系统实施测量患肢的运动轨迹以及运动过程中各柔索的张力，评定患肢的肌张力和痉挛程度；当患肢肌张力过大，为了保持设定的速度，各柔索内部张力相应增大，当柔索张力超过最大限定值时，机器人停止工作，避免拉伤患肢；助力模式下，患者在外力的辅助下主动收缩肌肉完成运动，机器人以辅助力为控制对象协调规划各柔索的内部张力，辅助患肢完成指定的运动轨迹；训练本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征是：包括柔索驱动模块（1）、张力检测模块（2）、固定导向轮（3）、周转导向轮（4）、前臂支撑（5）、柔索（6）、旋转座椅（7）、底座（8）、支撑架（9），整体由支撑架（9）构成长方体形状的桁架结构，底座（8）设置在支撑架（9）的底部，遮盖支撑架（9）底部的柔索驱动模块（1）、张力检测模块（2）、固定导向轮（3）及座椅驱动电机，同时提供干净整洁的康复治疗平台；且旋转座椅（7）位于底座（8）的上方并可根据康复要求带动患者身体自由转动；所述周转导向轮（4）设有八组，在支撑架（9）的竖直杆的靠近底座的同一高度处固定四组，在竖直杆的顶部固定四组，选择其中的七组作为柔索（6）的传动装置，七组柔索（6）连接到前臂支撑（5），并通过前臂支撑（5）带动患者上肢实现康复训练，其中，前臂支撑（5）的后部由三根柔索牵引，前臂支撑（5）的前部由四根柔索牵引；康复训练过程中，周转导向轮（4）会随着柔索（6）方位的变化而转动相应的角度，保证柔索（6）通过导向轮流畅的伸缩，七组柔索牵引前臂支撑（5）完成空间六自由度的运动，进一步实现复杂的康复动作。

【技术特征摘要】
1.一种并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征是：包括柔索驱动模块（1）、张力检测模块（2）、固定导向轮（3）、周转导向轮（4）、前臂支撑（5）、柔索（6）、旋转座椅（7）、底座（8）、支撑架（9），整体由支撑架（9）构成长方体形状的桁架结构，底座（8）设置在支撑架（9）的底部，遮盖支撑架（9）底部的柔索驱动模块（1）、张力检测模块（2）、固定导向轮（3）及座椅驱动电机，同时提供干净整洁的康复治疗平台；且旋转座椅（7）位于底座（8）的上方并可根据康复要求带动患者身体自由转动；所述周转导向轮（4）设有八组，在支撑架（9）的竖直杆的靠近底座的同一高度处固定四组，在竖直杆的顶部固定四组，选择其中的七组作为柔索（6）的传动装置，七组柔索（6）连接到前臂支撑（5），并通过前臂支撑（5）带动患者上肢实现康复训练，其中，前臂支撑（5）的后部由三根柔索牵引，前臂支撑（5）的前部由四根柔索牵引；康复训练过程中，周转导向轮（4）会随着柔索（6）方位的变化而转动相应的角度，保证柔索（6）通过导向轮流畅的伸缩，七组柔索牵引前臂支撑（5）完成空间六自由度的运动，进一步实现复杂的康复动作。2.根据权利要求1所述的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征是：所述的柔索驱动模块（1）采用模块化的设计方法，共有七组，分别安装在底座（8）所覆盖的支撑架（9）上，柔索驱动模块（1）主要由力矩电机（1-1）、电机安装架（1-2）、驱动轮（1-3）和光电编码器组成，力矩电机（1-1）通过电机安装架（1-2）固定在支撑架（9）上，其输出端装有驱动轮（1-3）用来缠绕柔索（6），其尾部安装光电编码器，可间接测量柔索（6）的伸缩量。3.根据权利要求1所述的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征是：所述的张力检测模块（2）固定在支撑架（9）的底部中间，且靠近柔索驱动模块（1）的位置，张力检测模块（2）包括支架（2-1）、拉力传感器（2-2）、导轮支架（2-3）、导轮（2-4），支架（2-1）的上端固定拉力传感器（2-2）和导轮支架（2-3），导轮支架（2-3）上安装有导轮（2-4），柔索（6）经柔索驱动模块（1）牵引后首先经过张力检测装置（2），随后传动方向改变180°输出，拉力传感器承受拉力大小相当于柔索（6）内部张力的两倍，所述张力检测装置（2）与柔索驱动模块（1）之间的柔索水平传动。4.根据权利要求1所述的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征是：所述的固定导向轮（3）共有八组，安装在支撑架（9）的四根竖直杆的底部，且与张力检测装置（2）两侧的柔索平行并且水平传动，柔索（6）经固定导向轮（3）后传动方向改变90°，沿支撑架9的竖直杆上下传动。5.根据权利要求1-4中任一项所述的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征是：所述的柔索（6）缠绕在柔索驱动模块（1）的驱动轮上，经过张力检测装置（2）、固定导向轮（...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹宇鹏，吴宝贵，孙少华，刘晓杨，修世宇，于彦春，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37