一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统及其控制方法，涉及康复机器人技术领域，该康复训练系统包括系统控制器、双机器人组件、底座组件及手臂支撑组件，底座组件包括底座和移动平台；手臂支撑组件包括快拆装置和支撑辅具；双机器人分别通过升降柱连接于底座和移动平台，并分别通过双机器人末端的支撑辅具和快拆装置与人体上肢前臂和上肢上臂连接，此时联合该康复训练系统的控制方法，控制双机器人组件工作，从而带动人体上肢前臂和上肢上臂在三维工作空间内完成康复训练任务。本发明专利技术能够实现两台机器人安全可靠地辅助人体上肢完成指定康复训练任务的目的。人体上肢完成指定康复训练任务的目的。人体上肢完成指定康复训练任务的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及康复机器人
，特别是涉及一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，脑卒中发病率呈不断上升趋势，其后遗留症极易引起上肢、下肢的运动功能障碍，严重影响患者的日常生活。依赖于康复医师手法治疗上下肢运动功能障碍的康复方案，存在医师数量短缺、任务繁重、康复效率低等众多局限性。康复机器人能够连续执行重复训练任务，可将康复医师从繁重、反复的训练任务中解脱出来，并利用康复机器人内嵌的各类传感器记录训练数据，为康复医师改进和优化康复方案提供了客观依据。
[0003]根据康复机器人的结构形式，目前面向脑卒中偏瘫患者的上肢康复机器人主要分为外骨骼式上肢康复机器人和末端引导式上肢康复机器人。外骨骼式上肢康复机器人，常设计为典型的仿生手臂结构形式，肩、肘、腕关节多数拟人体上肢对应关节分布特征布置，穿戴到上肢上，可对上肢各关节进行精确控制，以实现上肢的单关节独立运动和多关节复合运动，但在实际应用中往往要求机械轴线实时与肩关节轴线对齐或重合，容易出现人机运动不相容问题，且存在穿戴较复杂，成本较高的问题。
[0004]末端引导式上肢康复机器人，侧重关注末端手部的运动轨迹，其传感器往往只用于采集末端手部的位置和力信息，而对于上肢其他关节的运动学和力学信息缺乏有效反馈。并且该类机器人常用于辅助患者进行某一平面内的训练，无法较好实现立体空间的关节运动，尤其对于具备多自由度的肩关节，可实现的自由度数量以及关节活动范围均十分有限，从而导致机器人难以模拟上肢日常行为运动轨迹，实现复杂的康复训练内容。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统及其控制方法，以实现两台机器人安全可靠地辅助人体上肢完成指定康复训练任务的目的。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供了一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，包括：系统控制器、双机器人组件、底座组件以及手臂支撑组件；
[0008]所述双机器人组件包括第一机器人、第二机器人、第一机器人控制器和第二机器人控制器；其中，所述系统控制器能够通过所述第一机器人控制器和所述第二机器人控制器控制所述第一机器人和所述第二机器人按照预设轨迹运动；
[0009]所述底座组件包括底座以及设置在所述底座上的移动平台；其中，所述第一机器人通过第一升降柱连接在所述底座上，所述第二机器人通过第二升降柱连接在所述移动平台上；
[0010]所述手臂支撑组件包括第一快拆装置、第一支撑辅具、第二快拆装置和第二支撑辅具；其中，所述第一快拆装置的一端安装于第一机器人的末端，所述第一快拆装置的另一
端用于快速拆卸与安装所述第一支撑辅具；所述第二快拆装置的一端安装于第二机器人的末端，所述第二快拆装置的另一端用于快速拆卸与安装所述第二支撑辅具；所述第一支撑辅具用于支撑上肢上臂区域；所述第二支撑辅具用于支撑上肢前臂区域。
[0011]本专利技术还提供了一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统的控制方法，包括：
[0012]在患者上肢肢体穿戴到第一机器人和第二机器人之前，先由外界动力带动患者的上肢肢体按照期望轨迹运动，获取位于上肢肢体上的第一惯性传感器、第二惯性传感器和第三惯性传感器记录的运动信息，并根据记录的运动信息，确定从上肢上臂坐标系到上肢前臂坐标系的位姿变换矩阵、从上肢上臂坐标系到上肢肩关节坐标系的位姿变换矩阵以及从上肢肩关节坐标系到世界坐标系的位姿变换矩阵；其中，所述世界坐标系为第一机器人的基座坐标系；
[0013]通过第一机器人的位置信息、第二机器人的位置信息以及标定方法，确定从第二机器人的基座坐标系到第一机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵；
[0014]通过对闭式运动链进行解耦求解单机器人运动链方程，并根据单机器人运动链方程、从第二机器人的基座坐标系到第一机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵以及常数矩阵，确定从第一机器人的末端坐标系到第一机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵以及从第二机器人的末端坐标系到第二机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵；所述常数矩阵包括从第一支撑辅具坐标系到第一机器人的末端坐标系的位姿变换矩阵、从上肢上臂坐标系到第一机器人的末端坐标系的位姿变换矩阵、从第二支撑辅具坐标系到第二机器人的末端坐标系的位姿变换矩阵、以及从上肢前臂坐标系到第二支撑辅具坐标系的位姿变换矩阵；
[0015]根据训练模式、训练参数以及位姿变换矩阵集合，确定第一机器人在关节空间内的平滑运动轨迹和第二机器人在关节空间内的平滑运动轨迹；所述位姿变换矩阵集合包括从上肢上臂坐标系到上肢前臂坐标系的位姿变换矩阵、从上肢上臂坐标系到上肢肩关节坐标系的位姿变换矩阵、从上肢肩关节坐标系到世界坐标系的位姿变换矩阵、从第一机器人的末端坐标系到第一机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵以及从第二机器人的末端坐标系到第二机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵；
[0016]将第一机器人在关节空间内的平滑运动轨迹发送至第一机器人，将第二机器人在关节空间内的平滑运动轨迹发送至第二机器人，以控制第一机器人和第二机器人按照接收到的平滑运动轨迹进行运动，以实现双机器人的协调作业控制。
[0017]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0018]1.本专利技术使用双机器人分别作用于上肢前臂和上肢上臂，兼具有外骨骼机器人和末端引导式机器人的优势，通过对双机器人的协调控制，安全可靠地辅助人体上肢完成指定的康复训练任务。
[0019]2.双机器人与人体上肢构成了一个复杂的耦合闭式运动链，这对求解与规划双机器人的协作运动轨迹带来了挑战。本专利技术基于此场景，提出一种可行的双机器人协同作业控制方法，即通过对闭式运动链进行解耦求解单机器人运动链方程，借助于多个惯性传感器，求解从第一机器人的末端坐标系到第一机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵以及从第二机器人的末端坐标系到第二机器人的基座坐标系的位姿变换矩阵，再结合MATLAB工具，求解双机器人关节空间运动轨迹，实现双机器人的协同作业控制。
[0020]3.控制方法充分考虑了双机器人之间、机器人与人体之间的相对位置布局关系，
以及不同使用者的个体差异，从而可根据使用者的坐姿以及身高自适应调控双机器人的轨迹规划。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本专利技术实施例提供的双机器人辅助单侧肢体进行康复训练的结构示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例提供的移动平台的结构示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例提供的快拆装置的结构示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例提供的支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，其特征在于，包括：系统控制器、双机器人组件、底座组件以及手臂支撑组件；所述双机器人组件包括第一机器人、第二机器人、第一机器人控制器和第二机器人控制器；其中，所述系统控制器能够通过所述第一机器人控制器和所述第二机器人控制器控制所述第一机器人和所述第二机器人按照预设轨迹运动；所述底座组件包括底座以及设置在所述底座上的移动平台；其中，所述第一机器人通过第一升降柱连接在所述底座上，所述第二机器人通过第二升降柱连接在所述移动平台上；所述手臂支撑组件包括第一快拆装置、第一支撑辅具、第二快拆装置和第二支撑辅具；其中，所述第一快拆装置的一端安装于第一机器人的末端，所述第一快拆装置的另一端用于快速拆卸与安装所述第一支撑辅具；所述第二快拆装置的一端安装于第二机器人的末端，所述第二快拆装置的另一端用于快速拆卸与安装所述第二支撑辅具；所述第一支撑辅具用于支撑上肢上臂区域；所述第二支撑辅具用于支撑上肢前臂区域。2.根据权利要求1所述的一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，其特征在于，所述系统控制器与所述移动平台进行通信连接；所述系统控制器用于输出移动指令；所述移动指令用于控制所述移动平台移动，进而带动所述第二机器人移动，从而调节所述第一机器人与所述第二机器人之间的水平距离。3.根据权利要求1或者2所述的一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，其特征在于，所述移动平台包括电机、电机安装架、联轴器、轴承座、螺杆、支撑板、导轨、滑块、挡块、限位开关和限位挡板；所述电机通过所述电机安装架安装于所述底座上，所述电机的输出轴通过所述联轴器与所述螺杆连接，所述螺杆两端由所述轴承座支撑，且所述螺杆通过螺旋副与所述支撑板连接；所述支撑板通过多个所述滑块安装于位于所述支撑板两侧的所述导轨上；所述限位开关安装在所述支撑板的两侧位置处；所述限位挡板安装在所述支撑板的底部两侧位置处，且所述限位挡板跟随所述支撑板移动。4.根据权利要求1所述的一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，其特征在于，所述第一快拆装置与所述第二快拆装置相同；所述第一快拆装置包括法兰盘、压杆帽、压杆、连杆、推杆、弹簧、销轴和轴用挡圈；所述法兰盘通过螺钉与所述第一机器人的末端连接，在所述法兰盘上开有第一支撑辅具安装孔以及在所述第一支撑辅具安装孔周围开有三处孔洞，其中，一处孔洞安装有所述压杆，且压杆朝外端安装有所述压杆帽，压杆朝内端与所述连杆的一端连接；另两处孔洞均安装有所述弹簧与所述推杆，所述弹簧的一端作用于法兰盘孔洞内壁，所述弹簧的另一端作用于推杆内腔底面；所述连杆将所述压杆与所述推杆通过所述销轴与所述轴用挡圈形成铰链式连接，且推杆的外侧端设计有斜面。5.根据权利要求1所述的一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，其特征在于，还包括：显示屏组件；所述显示屏组件包括显示屏和支撑架；所述显示屏通过转动副安装于所述支撑架上，且所述显示屏具有倾角调节功能。6.根据权利要求5所述的一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，其特征在于，所述显示屏通过电缆与所述系统控制器实现电气连接与通信连接。
7.根据权利要求6所述的一种双机器人辅助上肢单侧的康复训练系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐东，徐晗，李益斌，张珝，任一蕾，
申请(专利权)人：同济大学浙江学院，
类型：发明
国别省市：