专利名称：手腕及手指关节运动康复训练机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种运动功能障碍患者进行康复辅助训练的设备，特别涉及一种通过对腕手运动功能障碍患者的腕关节和手关节进行运动训练，以促进运动功能康复的辅助训练机器人装置。
背景技术：
运动康复训练是通过运动刺激，提高运动功能障碍患者患部运动功能的一个主要康复手段。运动功能是指包括运动学、运动力学、运动生理学特征的综合指标，包括肌力、动作协调性、运动范围、快速反应应变能力等特性。
脊髓损伤、烧伤后肌肉挛缩上肢功能障碍患者，卒中、脑外伤后上肢功能障碍患者，以及手外伤、上肢损伤、断指再植后的患者都需要进行运动康复训练。依据康复医学文献，腕手运动可分解为下述基本工作腕桡侧偏、腕尺侧偏、腕屈伸，对掌、对指、指间与掌指关节的屈伸、前臂的旋前和旋后等。训练的动作形式设计也应该考虑上述基本功能的实现。通过分析运动康复医师的辅助动作，以及根据训练动作的运动力学特征，可以将训练动作分为三种模式主动运动、被动运动、主被动结合运动。主动运动是患者在外界阻尼条件下完成规定动作。在外界阻尼等于零的条件下，主动运动又被习惯称为“自由运动”。根据阻尼形式的不同，主动运动的训练按照效果可以分为力量训练、增进关节活动范围(ROM)练习、协调性练习；被动运动时，患者处于放松状态，由外力促使其完成特定动作。被动运动主要用于牵伸挛缩肌腱和韧带，放松痉挛肌肉，以及恢复和维持关节活动度；主被动结合运动时，首先要事先设定一个运动学目标，患者在训练时尽自己最大的努力来完成动作，外力通过调节力的方向和大小(阻尼或者帮助力的大小)，使患者完成动作的实际运动学结果符合原来设定的运动学目标。相对于单纯的主动运动，主被动结合的训练方式可以在维持特定负载的情况下，保障动作的准确性和关节的活动范围。
从控制角度分析，区别于早期的仿形机器人(决策机构是被仿形的人)，现代机器人系统的控制决策过程是通过技术手段实现的。现代康复机器人系统包括作为被控制对象的人体(专指患者)；以及与人体相互作用的周围技术环境。一个具有智能决策能力的康复机器人系统能够在无须外界干预的情况下完成特定的控制目标。康复机器人系统在实施康复训练时，系统内包含有人体(患者)和周围的技术环境，这种系统属于生物技术系统，其结构特点主要表现在生物体的不确定性，以及由此带来的对控制系统需要有广泛的适应性的要求。构建康复机器人主要是指构建其中的技术环境，即对执行机构、检测识别机构、控制和决策机构的构建。对它们的基本技术要求是执行机构必须有足够宽的定量负载和辅助力调节范围；检测识别机构的实时性；控制和决策机构的智能化设计。同时，也要考虑如何改进整个系统结构，以增强训练效果。譬如增强信号传递的强度、效率、和实时性、增加反馈渠道如，合理地嵌入生物反馈回路等等。在这些技术要求中，由于机器人的智能表现和环境适应能力，都要通过不同的执行机构状态得到体现，所以，集成的、具有广泛模式选择范围和参数调节范围的执行机构，是康复机器人设计中的重要内容。
最近几年国内外出现了不同类型的腕手运动训练设备，也有一些涉及到腕手运动训练的专利被注册。成型的产品包括BIOMETRICS的ELINK E3000系列产品(主动运动训练器)、Smith&Nephew的Kinetec(腕部被动运动训练器CPM)等公司的产品。哈尔滨工程大学研制的多功能手臂康复训练器(主动和被动训练器，但只能完成前臂内旋动作)。当今康复训练器的发展趋势是功能的集成化、训练模式的多样化，侧重发展康复训练设备运动功能的实时评估功能、运动模式和参数的智能化调整功能，以及康复设备的环境适应能力。康复训练设备总体上更多地借鉴现有的机器人技术，并结合自身使用要求发展有自身特色的康复机器人技术。
现有的腕手运动康复训练设备都存在着功能和设计上的不足，从执行机构的功能上分析，不足之处主要表现在运动模式的单一和扭矩调节范围比较窄、定量程度差。现有的腕手康复训练器都只能实现主动运动或被动运动中的一种，无法实现主被动结合的运动训练模式，无法实现运动模式的在线切换。关于执行机构扭矩调节范围和定量程度问题(即，控制信号与实际扭矩之间的线性问题)，无论是摩擦式阻尼调节方式、电磁式阻尼调节，以及伺服电机扭矩调节方式，都无法同时有效解决扭矩调节范围和线性化这两个问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足和缺陷，在充分考虑腕手训练内容和辅助形式的基础上、结合临床实际，开发一种腕手关节康复训练机器人，它可以针对不同的目的，设计控制方案，辅助偏瘫患者进行腕手关节康复训练。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的手腕及手指关节运动康复训练机器人，设有上位机，所述上位机通过适配器分别与设置在训练器箱中的角度检测机构和可调执行机构相连；所述机器人配有一套机器人固定卡具，以及安装在所述固定卡具上的用于支撑手腕和手掌的手托，其特征在于所述可调执行机构包括固定在所述训练器箱的基座上的可实时输出角度信号的调速驱动装置和磁粉离合器，所述磁粉离合器的输入轴与所述调速驱动装置输出轴刚性连接；所述机器人还包括与所述磁粉离合器输出轴刚性连接的手柄输出轴，以及安装在所述手柄输出轴上的手柄输出轴角度检测装置和一套通过手柄连接卡头与手柄输出轴刚性连接的具有各种用途的训练手柄。
本发明的所述手柄连接卡头是由绝缘材料制成的，保证手柄输出轴和训练手柄之间电气隔离。
调速驱动装置通过磁粉离合器与手柄输出轴连接。磁粉离合器可以定量地调节其输入轴与输出轴之间的传递扭矩。手柄输出轴与配套的手柄刚性连接，驱动装置输出轴与训练手柄之间的连接刚度由上位机通过适配器下传到磁粉离合器上的控制信号调节。置于调速驱动装置内部的驱动轴角度检测装置用于调速回路的速度反馈，同时，测得的驱动装置输出轴角度信号实时地通过适配器上传到上位机。手柄输出轴位置检测装置，实时向上位机上传手柄角位置。上位机对驱动轴角度检测装置和手柄输出轴位置检测装置检测的数据加以比较，求得磁粉离合器的滑差速度，从而判断作用于手柄上的扭矩的数值范围和方向。调速驱动装置的一种实现方式是，它包括一个带蜗轮蜗杆减速器的直流电机和一个安装在所述蜗轮蜗杆减速器输出轴上的驱动轴光电编码器。蜗轮蜗杆减速器具有自锁功能。
在训练和检测时，该机器人可以实现作用于患者手部扭矩的定量调节，以及患者肌肉等长状态下的扭矩精确检测。在定量扭矩调节时，通过调节调速驱动装置，使磁粉离合器滑差速度方向满足所需的扭矩传递条件，即调速驱动装置的控制目标为设定的磁粉离合器滑差速度。同时，调节磁粉离合器的传递扭矩，实现定量和定向的扭矩输出。
在需要进行患者肌肉等长状态下的扭矩检测时，将调速驱动装置自锁，患者在一个时间段内(大约两秒钟)保持等长主动运动状态。在这段时间内，上位机通过适配器将磁粉离合器的传递扭矩从最大值逐次调整到最小值。通过手柄输出轴角度检测装置记录到的手柄角度信号，找到手柄开始转动时刻所对应的磁粉离合器传递扭矩，即为患者主动运动时等长力量的检测值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果①在宽范围内，磁粉离合器具有控制信号和传递扭矩之间的线性关系，对定量检测作用于输出轴上的扭矩、定量调节扭矩负载，以及由此带来的控制系统性能的改善，都非常重要。②区别于伺服电机的调速定刚度驱动模式，磁粉离合器和调速驱动装置共同用来调节输出轴的转速和扭矩时，可以实现正反转非对称的刚度调节。这个特性在主被动结合训练模式下非常重要，因为在患者在以高于程序设定的速度进行主动抗阻运动时，需要有足够大的阻力扭矩范围，而患者在相反的情况下做被动运动时，过大的传动扭矩可能会造成患者的拉伤。非对称刚度调节可以解决上述矛盾，从扩展了机器人执行机构的作用范围。③该机器人可以精确地定量调节作用于患者手部的驱动和阻尼扭矩，并且可以精确检测患者手部肌肉等长状态下的扭矩。
图1a是本发明所述的训练器箱的主视图。
图1b是图1a的俯视图。
图2是本发明的人机系统关系示意图。
具体实施例方式
下面结合附图来进一步说明本发明。
本发明所述的手腕及手指关节运动康复训练机器人，设有上位机，所述上位机通过适配器分别与设置在训练器箱中的角度检测机构和可调执行机构相连；所述机器人配有一套机器人固定卡具，以及安装在所述固定卡具上的用于支撑手腕和手掌的手托，所述可调执行机构包括固定在所述训练器箱的基座上的可实时输出角度信号的调速驱动装置和磁粉离合器，所述磁粉离合器的输入轴与所述调速驱动装置输出轴刚性连接；所述机器人还包括与所述磁粉离合器输出轴刚性连接的手柄输出轴，以及安装在所述手柄输出轴上的手柄输出轴角度检测装置和一套通过手柄连接卡头与手柄输出轴刚性连接的具有各种用途的训练手柄。所述手柄连接卡头是由绝缘材料，如尼龙6等制成的，保证手柄输出轴和训练手柄之间电气隔离。
如图1a和图1b所示，固定在训练器箱的基座3上的调速驱动装置包括一个带蜗轮蜗杆减速器的直流电机1和一个作为驱动轴角度检测装置的驱动轴光电编码器2。其中，蜗轮蜗杆减速器有自锁功能，在必要时锁住驱动轴，使磁粉离合器4工作在制动状态。当调速驱动装置工作在调速状态下时，驱动轴光电编码器2通过适配器与直流电机1构成一个速度反馈环，同时，它检测到的驱动轴角位置，通过适配器上传到上位机中，用来判断磁粉离合器4的滑差情况。固定在训练器箱的基座3上的磁粉离合器4的输入轴、输出轴分别与调速驱动装置中的涡轮蜗杆减速器输出轴和手柄输出轴刚性连接。磁粉离合器4在上位机通过适配器下传的传递扭矩调节信号控制下，将定量扭矩从调速驱动装置输出轴传递到手柄输出轴。手柄输出轴由两个轴承支撑，通过轴承座安装到基座3上。作为手柄输出轴角度检测装置的输出轴光电编码器5用来检测手柄输出轴的角位置。固定安装在手柄输出轴上的手柄连接卡头7，用来与训练手柄上的手柄连接头相互配合传递扭矩。手柄连接卡头7上的弹簧弹子锁紧机构用来卡紧训练手柄。不同的手柄设计可以实现患者的单自由度的翻腕、旋拧、旋腕、腕外展内收、手指外展内收等训练动作。支撑手腕和手掌的手托9安装在用于固定所述训练器箱的机器人固定卡具6上，训练时用来支撑患者前臂或者手掌需要固定的部位。
图2为本发明的所有部件与患者之间的信息传递关系示意图。上位机通过适配器从训练器箱中实时采集两个光电编码器的信号，并且实时下传对直流电机和磁粉离合器的控制信号。上位机综合分析上述信号，识别患者的运动状态，并依此调节控制信号输出，形成所需要的控制闭环。另外，上位机通过对训练过程的长期记录跟踪，对患者运动功能进行评估，评估结果用来进行运动模式的调整和参数修正。本发明所述机器人还可设有与上位机连接的显示器和扬声器等声像输出装置。上位机将对患者的引导指令和反馈信息通过显示器和扬声器等用图像和声音的形式传递给患者，实现康复机器人的智能化辅助训练和人机互动功能。这样，控制将分三个层次进行位于最底层的驱动装置速度、扭矩实时调节回路；中层的运动模式选择和参数调节回路；外层的人机交互层和机器人智能控制层。
不同运动模式对应的控制系统结构如下主动运动时，驱动电机自锁，患者手部运动时带动输出轴转动，磁粉离合器工作在滑差状态下，阻尼扭矩由磁粉离合器的控制电流调节；被动运动时，患者放松，输出轴只对患者施予设计运动方向上的辅助扭矩，辅助的刚度由磁粉离合器调节，并且由磁粉离合器的控制电流来限制作用于患者手部或腕部的最大扭矩，以防止拉伤。由此看出，单纯的主动或被动运动模式下，控制系统的结构是最底层的小闭环或者开环结构，作用在患者腕手上的扭矩的方向是单向的。在主被动结合运动模式下，患者尽最大努力完成规定动作。实施控制时，需要事先设计一个目标速度/角度曲线，作为控制系统的控制目标。调速电机按照当前角度通过目标速度/角度曲线求得目标速度，并按照这个函数实施调速。磁粉离合器根据驱动输出轴和手柄输出轴的滑差情况设定传递扭矩值，在患者主动运动速度大于目标速度时，磁粉离合器传递的是运动方向反向的阻尼扭矩。患者主动运动速度小于目标速度时，磁粉离合器传递的是运动方向同向的辅助扭矩，这样作用在患者腕手上的扭矩是双向不对称的。
机器人的智能化和环境适应能力，具体体现在机器人的实时运动功能评估能力，以及以此为根据的控制器结构和参数的在线调整功能。训练过程中检测到的患者运动学以及运动力学信息是运动功能在线评估的主要依据，完成动作的速度、力量、时间/速度曲线、速度、角度曲线与目标曲线的重合程度，都可以用来作为运动功能评估的依据。对于运动功能较强的患者，可以渐渐地提高运动负荷的强度，反之减弱运动负荷强度。这样构成训练模式和参数的外环调节。
机器人人机互动性能是通过游戏界面实现的，游戏界面将需要传递给患者的信息通过动画和声音的渠道传递过来。与患者之间的交互性不但可以提高患者训练的趣味性，而且，从控制系统结构角度看，患者注意力的集中可以增强反馈效果和指令信息的传递速度，使系统在整体控制性能上得到改善。
权利要求
1.手腕及手指关节运动康复训练机器人，设有上位机，所述上位机通过适配器分别与设置在训练器箱中的角度检测机构和可调执行机构相连；所述机器人配有一套机器人固定卡具，以及安装在所述固定卡具上的用于支撑手腕和手掌的手托，其特征在于所述可调执行机构包括固定在所述训练器箱的基座上的可实时输出角度信号的调速驱动装置和磁粉离合器，所述磁粉离合器的输入轴与所述调速驱动装置输出轴刚性连接；所述机器人还包括与所述磁粉离合器输出轴刚性连接的手柄输出轴，以及安装在所述手柄输出轴上的手柄输出轴角度检测装置和一套通过手柄连接卡头与手柄输出轴刚性连接的具有各种用途的训练手柄。
2.根据权利要求1中所述的手腕及手指关节运动康复训练机器人，其特征在于所述手柄连接卡头是由绝缘材料制成的，保证手柄输出轴和训练手柄之间电气隔离。
全文摘要
手腕及手指关节运动康复训练机器人，属于医疗器械技术领域。为了实现运动康复训练机器人的自动辅助，本发明公开了一种手腕及手指关节运动康复训练机器人，设有上位机，上位机通过适配器与训练器箱中的角度检测机构和可调执行机构相连；机器人配有一套机器人固定卡具，以及安装在固定卡具上的用于支撑手腕和手掌的手托，可调执行机构包括固定在训练器箱的基座上的可实时输出角度信号的调速驱动装置和磁粉离合器，磁粉离合器的输入轴与调速驱动装置输出轴刚性连接；机器人还包括与磁粉离合器输出轴刚性连接的手柄输出轴，以及安装在手柄输出轴上的手柄输出轴角度检测装置和一套通过手柄连接卡头与手柄输出轴刚性连接的具有各种用途的训练手柄。
文档编号A61H1/00GK1736521SQ20041000946
公开日2006年2月22日 申请日期2004年8月20日 优先权日2004年8月20日
发明者季林红, 王子羲, 毕胜, 阳小勇 申请人:清华大学, 中国人民解放军总医院