一种上肢肘关节康复装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种上肢肘关节康复装置，包括上位机、轨迹控制模块、肌电信号处理分析模块、显示触摸屏控制模块、MCU模块、安全检测模块、电机驱动模块、康复运动训练机构，上位机(电脑)安装有相应的应用软件，在软件上选择不同的训练模式，通过触摸屏控制发送指令至MCU模块。肌电控制模块采集患侧手臂运动时的肌电信号和轨迹控制模块根据不同的轨迹产生的数据信号分别通过SPI通讯协议传输至MCU模块，MCU模块接收和处理各个模块传送的信号，产生相应的执行指令，传输至电机驱动控制模块，完成对康复训练机构的控制。本发明专利技术训练模式主要适用于3‑4级肌力患者，训练内容主要是通过协助病人主动完成相关康复动作提高患者肌肉运动恢复。

【技术实现步骤摘要】
一种上肢肘关节康复装置
本专利技术涉及一种上肢康复装置，具体涉及一种上肢肘关节康装置。
技术介绍
根据《中国心血管病报告2017》报告显示，我国脑卒中患者已达到1300万，并且脑卒中发生率正以每年8.7％的增速增长。脑卒中患者发病后通常会留下许多后遗症，其中，约85％的患者伴有一侧上肢功能障碍，现有的医学理论和实践数据证明，正确、科学、合理的康复训练对于肢体运动功能的恢复起到十分重要的作用。传统的康复疗法有助于恢复运动功能和改善损伤，但它们依赖于治疗师的经验，需要许多治疗师，费用昂贵。随着机器人技术的不断发展，一些康复机器人已经被开发出来帮助中风幸存者恢复运动功能。康复机器人不仅能有效的减轻医护人员的负担，长期、稳定、客观地辅助患者进行康复训练，而且还可提供多种准确的康复训练量化数据，便于医护人员根据这些反馈数据为病患制定更合理的训练计划。授权公告号为CN109091819A的中国专利技术专利公开了一种上肢力量康复机器人，包括一种上肢康复机器人控制系统，上位机通过蓝牙/WIFI发送指令给MCU模块，MCU模块根据指令选择不同的训练模式；语音模块对非特定语音进行识别，采集并处理语音信号，利用SPI通讯协议传输至MCU模块，控制驱动模块；肌电控制模块。该专利技术康复方法采用人机交互手段，该方法通过电机控制关节运动进行康复训练，但是采集的肌电数据是健侧肌电，无法系统的分析患肢的康复情况也无法正确评估康复的状况及时调整康复策略。授权公告号为CN110314064A的中国专利技术专利公开了一种上肢康复设备，包括显示装置、控制装置、座椅及两组上肢康复机器人。但该设备只能进行手腕关节的康复，具有一定的局限性只能针对特定的关节损伤进行主动康复功能，功能性较少，并且整个机构体积庞大，不便宜搬运，限制了患者的康复条件。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对现有康复机器人训练模式单一，康复效果不佳，人机交互性差等问题，提出了一种上肢肘关节康复装置，能够满足不同肌力患者的需求，患者可以通过上位机、语音控制来选择不同的训练模式，允许病人在不同阶段，不同场所不依靠专业医师的情况下，自主进行训练并辅助日常生活，满足患者多方面的实际需求。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种上肢肘关节康复装置，包括上位机、轨迹控制模块、肌电控制模块、安全检测模块、动力驱动模块和训练机构；所述上位机，用于选择不同的训练模式，通过手动调节电子触屏发送指令信号给MCU模块控制机器人电机运动速度；所述控制模块，用于对发送指令信号给MCU模块控制机器人电机运动速度，并利用SPI通讯协议传输至MCU模块；所述肌电控制模块采集健侧手臂运动时的肌电信号和轨迹控制模块，采集使用者肌电信号和轨迹位置坐标根据不同的轨迹产生的位置信号，并分别通过canopen通讯协议传输至MCU模块。所述轨迹控制模块,用于控制训练机构实现按照预定运动轨迹进行康复训练，已定义轨迹采用预先存储在数据存储SD卡中的轨迹数据，同时可存储根据康复者情况进行的自定义轨迹。所述动力驱动模块，包括一组带有伺服驱动系统的伺服电机，用以驱动训练器机构中外骨骼的肘关节运动；所述安全检测模块，用于采集传输训练机构使用过程中患者的运动信息和生理信息以及训练机构的作用力，同时形成反馈予以输出给MCU模块；所述训练机构包括：电机驱动模块：1个肘部驱动器，3个编码器，1个肘部电机，两个腕关节驱动器和两个腕关节电机。控制腕关节的屈曲/伸展电机、带动肩关节内旋/外旋电机、控制肘部屈曲/伸展电机，手腕握持杆，小臂支撑杆，基座，大臂支撑座，小臂支撑件。训练机构：具有3个驱动自由度，训练机构的肩关节和肘关节上分别装有动力驱动，模块带有伺服驱动系统的无刷直流电机，用于辅助患者进行康复训练；在3自由度的作用下，训练机构实现肩关节内旋/外旋，肘关节的屈曲/伸展和腕关节的屈曲/伸展、内收/外展运动；所述MCU模块，用于接收和处理上位机、轨迹控制模块、肌电控制模块、触屏控制模块、检测模块传送的信息，产生相应的执行指令，并传输至动力驱动模块，控制训练机构实现各训练模式。进一步，所述安全检测模块包括采集上肢运动关节角度信号的角度传感器、监测患者上肢运动的加速度、关节角变化的传感器；角度传感器安装在腕关节处，用于检测患者腕关节的运动；传感器采集人体运动角度、速度、位移数据的变化。同时机构两侧设有限位模块以防止对患者造成伤害。进一步，所述训练模式为电机控制的被动训练模式，使用者可以通过触摸屏控制训练速度，设定时间，当前状态信息等功能。所述主动训练模式：用于3-4级肌力患者，训练内容为协助患者完成有关动作，提高患者的肌力；进一步地，所述轨迹控制模块执行步骤如下：第一步，上肢肘关节康复装置在初始状态下各关节复位到初始位置。第二步，每隔4s采集肘关节，腕关节起始点角度和位置信息并进行计算得到速度。第三步，用量相邻路径点之间的轨迹用函数ωt表示，且要求函数ωt需要满足起始关节角度ωt(a)＝ωa，ωt(b)＝ωb；且各个关节轨迹的起始关节速度和终止关节速度也需要相同。可得公式：ωt＝a1+a2t+a3t2+a4t3，其中a1～a4是每段时间内一段轨迹的特定常量值，t是时间。第四步，通过对上式进行求一阶导数，并联立方程组可以得到a1～a4各项的系数，再将每个时间段所采集到的关节角度，速度的信息导入对应公式中就可求出参数从而得到肘关节，腕关节的角度随时间的变化曲线，将其带入正运动学方程中就可以得到任意给定位置的速度和起始点终止点的运动轨迹。本专利技术的上肢肘关节康复装置控制系统，包括上位机、轨迹控制模块、肌电信号处理分析模块、显示触摸屏控制模块、MCU模块、安全检测模块、电机驱动模块、康复运动训练机构，上位机(电脑)安装有相应的应用软件，在软件上选择不同的训练模式，通过触摸屏控制发送指令至MCU模块。肌电控制模块采集患侧手臂运动时的肌电信号和轨迹控制模块根据不同的轨迹产生的数据信号分别通过SPI通讯协议传输至MCU模块，MCU模块接收和处理各个模块传送的信号，产生相应的执行指令，传输至电机驱动控制模块，完成对康复训练机构的控制。上肢肘关节康复装置肌电信号控制处理模块通过对使用者的肌电数据进行分析，肌电采集模块通过肌电电极采集表面肌电信号，通过高共模抑制比的仪表放大器可以获取有效的差分信号而大幅衰减其中的共模干扰，后通过高通低通滤波电路得到表面肌电的主要频谱范围、然后经过增益可调电路对信号进行10-20倍的增益放大，最后再经过电压抬升电路2将表面肌电信号抬升到A/D量程的1/3至3/3之间输送给MCU模块，通过MCU模块传输导入上位机，用vicon软件对采集的关节角，运动位姿数据进行误差、漏点进行补充和插补，将处理后的文件导出发送给时域频域分析程序进行分析。肌电信号控制处理模块通过测出运动周期内关节角最大最小值，根据使用者情况进行运动开合角度的调整。同时进行时域频域分析对比更加直观的显示出训练时肌电信号的变化情本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种上肢肘关节康复装置，其特征在于，包括：上位机、轨迹控制模块、肌电控制模块、安全检测模块、动力驱动模块和训练机构；/n所述上位机，用于选择不同的训练模式，通过手动调节电子触屏发送指令信号给MCU模块控制机器人电机运动速度；/n所述控制模块，用于对发送指令信号给MCU模块控制机器人电机运动速度，并利用SPI通讯协议传输至MCU模块；/n所述肌电控制模块采集健侧手臂运动时的肌电信号和轨迹控制模块，采集使用者肌电信号和轨迹位置坐标根据不同的轨迹产生的位置信号，并分别通过canopen通讯协议传输至MCU模块；/n所述轨迹控制模块,用于控制训练机构实现按照预定运动轨迹进行康复训练，已定义轨迹采用预先存储在数据存储SD卡中的轨迹数据，同时可存储根据康复者情况进行的自定义轨迹；/n所述动力驱动模块，包括一组带有伺服驱动系统的伺服电机，用以驱动训练器机构中外骨骼的肘关节运动；/n所述安全检测模块，用于采集传输训练机构使用过程中患者的运动信息和生理信息以及训练机构的作用力，同时形成反馈予以输出给MCU模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种上肢肘关节康复装置，其特征在于，包括：上位机、轨迹控制模块、肌电控制模块、安全检测模块、动力驱动模块和训练机构；
所述上位机，用于选择不同的训练模式，通过手动调节电子触屏发送指令信号给MCU模块控制机器人电机运动速度；
所述控制模块，用于对发送指令信号给MCU模块控制机器人电机运动速度，并利用SPI通讯协议传输至MCU模块；
所述肌电控制模块采集健侧手臂运动时的肌电信号和轨迹控制模块，采集使用者肌电信号和轨迹位置坐标根据不同的轨迹产生的位置信号，并分别通过canopen通讯协议传输至MCU模块；
所述轨迹控制模块,用于控制训练机构实现按照预定运动轨迹进行康复训练，已定义轨迹采用预先存储在数据存储SD卡中的轨迹数据，同时可存储根据康复者情况进行的自定义轨迹；
所述动力驱动模块，包括一组带有伺服驱动系统的伺服电机，用以驱动训练器机构中外骨骼的肘关节运动；
所述安全检测模块，用于采集传输训练机构使用过程中患者的运动信息和生理信息以及训练机构的作用力，同时形成反馈予以输出给MCU模块。


2.如权利要求1所示的一种上肢肘关节康复装置，其特征在于，所述训练机构包括：电机驱动模块：1个肘部驱动器，3个编码器，1个肘部电机，两个腕关节驱动器和两个腕关节电机；控制腕关节的屈曲/伸展电机、带动肩关节内旋/外旋电机、控制肘部屈曲/伸展电机，手腕握持杆，小臂支撑杆，基座，大臂支撑座，小臂支撑件；
训练机构具有3个驱动自由度，训练机构的肩关节和肘关节上分别装有动力驱动，模块带有伺服驱动系统的无刷直流电机，用于辅助患者进行康复训练；在3自由度的作用下，训练机构实现肩关节内旋/外旋，肘关节的屈曲/伸展和腕关节的屈曲/伸展、内收/外展运动。


3.如权利要求1所示的一种上肢肘关节康复装置，其特征在于，所述MCU模块，用于接收和处理上位机、轨迹控制模块、肌电控制模块、触屏控制模块、检测模块传送的信息，产生相应的执行指令，并传输至动力驱动模块，控制训练机构实现各训练模式。


4.如权利要求1所示的一种上肢肘关节康复装置，其特征在于，所述安全检测模块包括采集上肢运动关节角度信号的角度传感器、监测患者上肢运动的加速度、关节角变化的传感器；角度传感器安装在腕关节处，用于检测患者腕关节的运动；传感器采集人体运动角度、速度、位移数据的变化；同时机构两侧设有限位模块以防止对患者造成伤害；
进一步，所述训练模式为电机控制的被动训练模式，使用者可以通过触摸屏控制训练速度，设定时间，当前状态信息等功能；
所述主动训练模式：用于3-4级肌力患者，训练内容为协助患者完成有关动作，提高患者的肌力；
所述对侧训练模式：通过患者健侧手臂来带动患侧手臂的运动，起到自主示教训练作用，可有效调动患者的积极性。


5.如权利要求1所示的一种上肢肘关节康复装置，其特征在于，所述轨迹控制模块执行步骤如下：
第一步，上肢肘关节康复装置在初始状态下各关节复位到初始位置；
第二步，每隔4s采集肘关节，腕关节起始点角度和位置信息并进行计算得到速度；
第三步，用量相邻路径点之间的轨迹用函数ωt表示，且要求函数ωt需要满足起始关节角度ωt(a)＝ωa，ωt(b)＝ωb；且各个关节轨迹的起始关节速度和终止关节速度也需要相同；可得公式：ωt＝a1+a2t+a3t2+a4t3，其中a1～a4是每段时间内一段轨迹的特定常量值，t是时间；
第四步，通过对上式进行求一阶导数，并联立方程组可以得到a1～a4各项的系数，再将每个时间段所采集到的关节角度，速度的信息导入对应公式中就可求出参数从而得到肘...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐刚，王世慧，施皓正，王冬梅，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31