手腕及手指關節運動康復訓練機器人的製作方法
2023-04-29 07:32:16 3
專利名稱：手腕及手指關節運動康復訓練機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種運動功能障礙患者進行康復輔助訓練的設備，特別涉及一種通過對腕手運動功能障礙患者的腕關節和手關節進行運動訓練，以促進運動功能康復的輔助訓練機器人裝置。
背景技術：
運動康復訓練是通過運動刺激，提高運動功能障礙患者患部運動功能的一個主要康復手段。運動功能是指包括運動學、運動力學、運動生理學特徵的綜合指標，包括肌力、動作協調性、運動範圍、快速反應應變能力等特性。
脊髓損傷、燒傷後肌肉攣縮上肢功能障礙患者，卒中、腦外傷後上肢功能障礙患者，以及手外傷、上肢損傷、斷指再植後的患者都需要進行運動康復訓練。依據康復醫學文獻，腕手運動可分解為下述基本工作腕橈側偏、腕尺側偏、腕屈伸，對掌、對指、指間與掌指關節的屈伸、前臂的旋前和旋後等。訓練的動作形式設計也應該考慮上述基本功能的實現。通過分析運動康復醫師的輔助動作，以及根據訓練動作的運動力學特徵，可以將訓練動作分為三種模式主動運動、被動運動、主被動結合運動。主動運動是患者在外界阻尼條件下完成規定動作。在外界阻尼等於零的條件下，主動運動又被習慣稱為「自由運動」。根據阻尼形式的不同，主動運動的訓練按照效果可以分為力量訓練、增進關節活動範圍(ROM)練習、協調性練習；被動運動時，患者處於放鬆狀態，由外力促使其完成特定動作。被動運動主要用於牽伸攣縮肌腱和韌帶，放鬆痙攣肌肉，以及恢復和維持關節活動度；主被動結合運動時，首先要事先設定一個運動學目標，患者在訓練時儘自己最大的努力來完成動作，外力通過調節力的方向和大小(阻尼或者幫助力的大小)，使患者完成動作的實際運動學結果符合原來設定的運動學目標。相對於單純的主動運動，主被動結合的訓練方式可以在維持特定負載的情況下，保障動作的準確性和關節的活動範圍。
從控制角度分析，區別於早期的仿形機器人(決策機構是被仿形的人)，現代機器人系統的控制決策過程是通過技術手段實現的。現代康復機器人系統包括作為被控制對象的人體(專指患者)；以及與人體相互作用的周圍技術環境。一個具有智能決策能力的康復機器人系統能夠在無須外界幹預的情況下完成特定的控制目標。康復機器人系統在實施康復訓練時，系統內包含有人體(患者)和周圍的技術環境，這種系統屬於生物技術系統，其結構特點主要表現在生物體的不確定性，以及由此帶來的對控制系統需要有廣泛的適應性的要求。構建康復機器人主要是指構建其中的技術環境，即對執行機構、檢測識別機構、控制和決策機構的構建。對它們的基本技術要求是執行機構必須有足夠寬的定量負載和輔助力調節範圍；檢測識別機構的實時性；控制和決策機構的智能化設計。同時，也要考慮如何改進整個系統結構，以增強訓練效果。譬如增強信號傳遞的強度、效率、和實時性、增加反饋渠道如，合理地嵌入生物反饋迴路等等。在這些技術要求中，由於機器人的智能表現和環境適應能力，都要通過不同的執行機構狀態得到體現，所以，集成的、具有廣泛模式選擇範圍和參數調節範圍的執行機構，是康復機器人設計中的重要內容。
最近幾年國內外出現了不同類型的腕手運動訓練設備，也有一些涉及到腕手運動訓練的專利被註冊。成型的產品包括BIOMETRICS的ELINK E3000系列產品(主動運動訓練器)、SmithNephew的Kinetec(腕部被動運動訓練器CPM)等公司的產品。哈爾濱工程大學研製的多功能手臂康復訓練器(主動和被動訓練器，但只能完成前臂內旋動作)。當今康復訓練器的發展趨勢是功能的集成化、訓練模式的多樣化，側重發展康復訓練設備運動功能的實時評估功能、運動模式和參數的智能化調整功能，以及康復設備的環境適應能力。康復訓練設備總體上更多地借鑑現有的機器人技術，並結合自身使用要求發展有自身特色的康復機器人技術。
現有的腕手運動康復訓練設備都存在著功能和設計上的不足，從執行機構的功能上分析，不足之處主要表現在運動模式的單一和扭矩調節範圍比較窄、定量程度差。現有的腕手康復訓練器都只能實現主動運動或被動運動中的一種，無法實現主被動結合的運動訓練模式，無法實現運動模式的在線切換。關於執行機構扭矩調節範圍和定量程度問題(即，控制信號與實際扭矩之間的線性問題)，無論是摩擦式阻尼調節方式、電磁式阻尼調節，以及伺服電機扭矩調節方式，都無法同時有效解決扭矩調節範圍和線性化這兩個問題。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足和缺陷，在充分考慮腕手訓練內容和輔助形式的基礎上、結合臨床實際，開發一種腕手關節康復訓練機器人，它可以針對不同的目的，設計控制方案，輔助偏癱患者進行腕手關節康復訓練。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的手腕及手指關節運動康復訓練機器人，設有上位機，所述上位機通過適配器分別與設置在訓練器箱中的角度檢測機構和可調執行機構相連；所述機器人配有一套機器人固定卡具，以及安裝在所述固定卡具上的用於支撐手腕和手掌的手託，其特徵在於所述可調執行機構包括固定在所述訓練器箱的基座上的可實時輸出角度信號的調速驅動裝置和磁粉離合器，所述磁粉離合器的輸入軸與所述調速驅動裝置輸出軸剛性連接；所述機器人還包括與所述磁粉離合器輸出軸剛性連接的手柄輸出軸，以及安裝在所述手柄輸出軸上的手柄輸出軸角度檢測裝置和一套通過手柄連接卡頭與手柄輸出軸剛性連接的具有各種用途的訓練手柄。
本發明的所述手柄連接卡頭是由絕緣材料製成的，保證手柄輸出軸和訓練手柄之間電氣隔離。
調速驅動裝置通過磁粉離合器與手柄輸出軸連接。磁粉離合器可以定量地調節其輸入軸與輸出軸之間的傳遞扭矩。手柄輸出軸與配套的手柄剛性連接，驅動裝置輸出軸與訓練手柄之間的連接剛度由上位機通過適配器下傳到磁粉離合器上的控制信號調節。置於調速驅動裝置內部的驅動軸角度檢測裝置用於調速迴路的速度反饋，同時，測得的驅動裝置輸出軸角度信號實時地通過適配器上傳到上位機。手柄輸出軸位置檢測裝置，實時向上位機上傳手柄角位置。上位機對驅動軸角度檢測裝置和手柄輸出軸位置檢測裝置檢測的數據加以比較，求得磁粉離合器的滑差速度，從而判斷作用於手柄上的扭矩的數值範圍和方向。調速驅動裝置的一種實現方式是，它包括一個帶蝸輪蝸杆減速器的直流電機和一個安裝在所述蝸輪蝸杆減速器輸出軸上的驅動軸光電編碼器。蝸輪蝸杆減速器具有自鎖功能。
在訓練和檢測時，該機器人可以實現作用於患者手部扭矩的定量調節，以及患者肌肉等長狀態下的扭矩精確檢測。在定量扭矩調節時，通過調節調速驅動裝置，使磁粉離合器滑差速度方向滿足所需的扭矩傳遞條件，即調速驅動裝置的控制目標為設定的磁粉離合器滑差速度。同時，調節磁粉離合器的傳遞扭矩，實現定量和定向的扭矩輸出。
在需要進行患者肌肉等長狀態下的扭矩檢測時，將調速驅動裝置自鎖，患者在一個時間段內(大約兩秒鐘)保持等長主動運動狀態。在這段時間內，上位機通過適配器將磁粉離合器的傳遞扭矩從最大值逐次調整到最小值。通過手柄輸出軸角度檢測裝置記錄到的手柄角度信號，找到手柄開始轉動時刻所對應的磁粉離合器傳遞扭矩，即為患者主動運動時等長力量的檢測值。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果①在寬範圍內，磁粉離合器具有控制信號和傳遞扭矩之間的線性關係，對定量檢測作用於輸出軸上的扭矩、定量調節扭矩負載，以及由此帶來的控制系統性能的改善，都非常重要。②區別於伺服電機的調速定剛度驅動模式，磁粉離合器和調速驅動裝置共同用來調節輸出軸的轉速和扭矩時，可以實現正反轉非對稱的剛度調節。這個特性在主被動結合訓練模式下非常重要，因為在患者在以高於程序設定的速度進行主動抗阻運動時，需要有足夠大的阻力扭矩範圍，而患者在相反的情況下做被動運動時，過大的傳動扭矩可能會造成患者的拉傷。非對稱剛度調節可以解決上述矛盾，從擴展了機器人執行機構的作用範圍。③該機器人可以精確地定量調節作用於患者手部的驅動和阻尼扭矩，並且可以精確檢測患者手部肌肉等長狀態下的扭矩。
圖1a是本發明所述的訓練器箱的主視圖。
圖1b是圖1a的俯視圖。
圖2是本發明的人機系統關係示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖來進一步說明本發明。
本發明所述的手腕及手指關節運動康復訓練機器人，設有上位機，所述上位機通過適配器分別與設置在訓練器箱中的角度檢測機構和可調執行機構相連；所述機器人配有一套機器人固定卡具，以及安裝在所述固定卡具上的用於支撐手腕和手掌的手託，所述可調執行機構包括固定在所述訓練器箱的基座上的可實時輸出角度信號的調速驅動裝置和磁粉離合器，所述磁粉離合器的輸入軸與所述調速驅動裝置輸出軸剛性連接；所述機器人還包括與所述磁粉離合器輸出軸剛性連接的手柄輸出軸，以及安裝在所述手柄輸出軸上的手柄輸出軸角度檢測裝置和一套通過手柄連接卡頭與手柄輸出軸剛性連接的具有各種用途的訓練手柄。所述手柄連接卡頭是由絕緣材料，如尼龍6等製成的，保證手柄輸出軸和訓練手柄之間電氣隔離。
如圖1a和圖1b所示，固定在訓練器箱的基座3上的調速驅動裝置包括一個帶蝸輪蝸杆減速器的直流電機1和一個作為驅動軸角度檢測裝置的驅動軸光電編碼器2。其中，蝸輪蝸杆減速器有自鎖功能，在必要時鎖住驅動軸，使磁粉離合器4工作在制動狀態。當調速驅動裝置工作在調速狀態下時，驅動軸光電編碼器2通過適配器與直流電機1構成一個速度反饋環，同時，它檢測到的驅動軸角位置，通過適配器上傳到上位機中，用來判斷磁粉離合器4的滑差情況。固定在訓練器箱的基座3上的磁粉離合器4的輸入軸、輸出軸分別與調速驅動裝置中的渦輪蝸杆減速器輸出軸和手柄輸出軸剛性連接。磁粉離合器4在上位機通過適配器下傳的傳遞扭矩調節信號控制下，將定量扭矩從調速驅動裝置輸出軸傳遞到手柄輸出軸。手柄輸出軸由兩個軸承支撐，通過軸承座安裝到基座3上。作為手柄輸出軸角度檢測裝置的輸出軸光電編碼器5用來檢測手柄輸出軸的角位置。固定安裝在手柄輸出軸上的手柄連接卡頭7，用來與訓練手柄上的手柄連接頭相互配合傳遞扭矩。手柄連接卡頭7上的彈簧彈子鎖緊機構用來卡緊訓練手柄。不同的手柄設計可以實現患者的單自由度的翻腕、旋擰、旋腕、腕外展內收、手指外展內收等訓練動作。支撐手腕和手掌的手託9安裝在用於固定所述訓練器箱的機器人固定卡具6上，訓練時用來支撐患者前臂或者手掌需要固定的部位。
圖2為本發明的所有部件與患者之間的信息傳遞關係示意圖。上位機通過適配器從訓練器箱中實時採集兩個光電編碼器的信號，並且實時下傳對直流電機和磁粉離合器的控制信號。上位機綜合分析上述信號，識別患者的運動狀態，並依此調節控制信號輸出，形成所需要的控制閉環。另外，上位機通過對訓練過程的長期記錄跟蹤，對患者運動功能進行評估，評估結果用來進行運動模式的調整和參數修正。本發明所述機器人還可設有與上位機連接的顯示器和揚聲器等聲像輸出裝置。上位機將對患者的引導指令和反饋信息通過顯示器和揚聲器等用圖像和聲音的形式傳遞給患者，實現康復機器人的智能化輔助訓練和人機互動功能。這樣，控制將分三個層次進行位於最底層的驅動裝置速度、扭矩實時調節迴路；中層的運動模式選擇和參數調節迴路；外層的人機互動層和機器人智能控制層。
不同運動模式對應的控制系統結構如下主動運動時，驅動電機自鎖，患者手部運動時帶動輸出軸轉動，磁粉離合器工作在滑差狀態下，阻尼扭矩由磁粉離合器的控制電流調節；被動運動時，患者放鬆，輸出軸只對患者施予設計運動方向上的輔助扭矩，輔助的剛度由磁粉離合器調節，並且由磁粉離合器的控制電流來限制作用於患者手部或腕部的最大扭矩，以防止拉傷。由此看出，單純的主動或被動運動模式下，控制系統的結構是最底層的小閉環或者開環結構，作用在患者腕手上的扭矩的方向是單向的。在主被動結合運動模式下，患者盡最大努力完成規定動作。實施控制時，需要事先設計一個目標速度/角度曲線，作為控制系統的控制目標。調速電機按照當前角度通過目標速度/角度曲線求得目標速度，並按照這個函數實施調速。磁粉離合器根據驅動輸出軸和手柄輸出軸的滑差情況設定傳遞扭矩值，在患者主動運動速度大於目標速度時，磁粉離合器傳遞的是運動方向反向的阻尼扭矩。患者主動運動速度小於目標速度時，磁粉離合器傳遞的是運動方向同向的輔助扭矩，這樣作用在患者腕手上的扭矩是雙向不對稱的。
機器人的智能化和環境適應能力，具體體現在機器人的實時運動功能評估能力，以及以此為根據的控制器結構和參數的在線調整功能。訓練過程中檢測到的患者運動學以及運動力學信息是運動功能在線評估的主要依據，完成動作的速度、力量、時間/速度曲線、速度、角度曲線與目標曲線的重合程度，都可以用來作為運動功能評估的依據。對於運動功能較強的患者，可以漸漸地提高運動負荷的強度，反之減弱運動負荷強度。這樣構成訓練模式和參數的外環調節。
機器人人機互動性能是通過遊戲界面實現的，遊戲界面將需要傳遞給患者的信息通過動畫和聲音的渠道傳遞過來。與患者之間的交互性不但可以提高患者訓練的趣味性，而且，從控制系統結構角度看，患者注意力的集中可以增強反饋效果和指令信息的傳遞速度，使系統在整體控制性能上得到改善。
權利要求
1.手腕及手指關節運動康復訓練機器人，設有上位機，所述上位機通過適配器分別與設置在訓練器箱中的角度檢測機構和可調執行機構相連；所述機器人配有一套機器人固定卡具，以及安裝在所述固定卡具上的用於支撐手腕和手掌的手託，其特徵在於所述可調執行機構包括固定在所述訓練器箱的基座上的可實時輸出角度信號的調速驅動裝置和磁粉離合器，所述磁粉離合器的輸入軸與所述調速驅動裝置輸出軸剛性連接；所述機器人還包括與所述磁粉離合器輸出軸剛性連接的手柄輸出軸，以及安裝在所述手柄輸出軸上的手柄輸出軸角度檢測裝置和一套通過手柄連接卡頭與手柄輸出軸剛性連接的具有各種用途的訓練手柄。
2.根據權利要求1中所述的手腕及手指關節運動康復訓練機器人，其特徵在於所述手柄連接卡頭是由絕緣材料製成的，保證手柄輸出軸和訓練手柄之間電氣隔離。
全文摘要
手腕及手指關節運動康復訓練機器人，屬於醫療器械技術領域。為了實現運動康復訓練機器人的自動輔助，本發明公開了一種手腕及手指關節運動康復訓練機器人，設有上位機，上位機通過適配器與訓練器箱中的角度檢測機構和可調執行機構相連；機器人配有一套機器人固定卡具，以及安裝在固定卡具上的用於支撐手腕和手掌的手託，可調執行機構包括固定在訓練器箱的基座上的可實時輸出角度信號的調速驅動裝置和磁粉離合器，磁粉離合器的輸入軸與調速驅動裝置輸出軸剛性連接；機器人還包括與磁粉離合器輸出軸剛性連接的手柄輸出軸，以及安裝在手柄輸出軸上的手柄輸出軸角度檢測裝置和一套通過手柄連接卡頭與手柄輸出軸剛性連接的具有各種用途的訓練手柄。
文檔編號A61H1/00GK1736521SQ20041000946
公開日2006年2月22日 申請日期2004年8月20日 優先權日2004年8月20日
發明者季林紅, 王子羲, 畢勝, 陽小勇 申請人:清華大學, 中國人民解放軍總醫院