基于路径规划的个性化上肢康复训练机器人系统的制作方法

本发明涉及训练型康复器械领域，特别涉及一种基于路径规划的个性化上肢康复训练机器人系统。

背景技术：

由于人类年龄的增长、交通事故的增多、体育运动性质关节损伤的逐渐增加、中风偏瘫发病率的增加，以及其他一些因素所导致的肢体损伤的患者都呈增加的趋势，这极大地影响着人类的身体健康和日常生活。医学理论和临床医学都证明，这类肢体损伤的患者除了进行早期药物治疗和手术治疗外，还有必要进行科学、准确、适当的肢体康复训练。

传统的肢体康复训练多是由护士或康复理疗师辅助患者去完成关节、肌肉及韧带的康复训练，以维持患者关节和肌肉的活动度，并促进患者关节运动功能的早日康复。但是传统的康复训练方法存在康复效果不能得到及时反馈、康复效果受到医师自身经验水平等因素影响、康复成本高等问题。

在专利号为cn102961235b的发明专利中，公开了一种上肢康复训练机器人，包括底座、支撑架、座椅、悬臂梁和上肢训练机构，可以实现4～6个自由度的转动。但是由于人体上肢具有7个自由度，所以该上肢康复训练机器人不能满足患者上肢所有自由度的康复训练；该上肢康复训练机器人的肩关节模块的中心不能保证在康复训练过程中与人体盂肱关节旋转中心相重合，关节位置偏差会带来牵扯感，导致对患者的二次伤害；该上肢康复训练机器人智能进行上肢的康复训练，不能进行康复效果的评估以及康复效果的数据存储，不便于患者自身和康复理疗师知道康复效果。

在专利号为cn201743884u的实用新型专利中，公开了一种上肢康复训练机器人，包括底座、人体工学座椅、康复机械臂和人机交互控制柜。该上肢康复训练机器人的肩关节模块的中心不能保证在康复训练过程中与人体盂肱关节旋转中心相重合，关节位置偏差会带来牵扯感，导致对患者的二次伤害。

在专利号为cn104873360b的发明专利中，公开了一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人，包括腕部外摆/内收关节、前屈/后伸关节、旋内/旋外关节、肘部前屈/后伸关节、肩部前屈/后伸关节、外摆/内收关节、旋内/旋外关节、以及套索驱动装置，可以实现患者上肢7个自由度的转动，但是该基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人的肩关节模块的中心不能保证在康复训练过程中与人体盂肱关节旋转中心相重合，导致对患者的二次伤害。同时该上肢康复外骨骼机器人的前臂和上臂的尺寸调节是通过滑动槽口和锁紧螺母进行人工调节，效率低，而且不能记录每位患者的尺寸数据，不能实现快速的初始状态还原。

在专利号为cn102151215b的发明专利中，公开了一种上肢外骨骼式康复机械臂，由肩部c型外轨道支座、轨道滑块、肩头连接杆、上臂连接杆、前臂连接杆、手腕环形外轨道支座、手腕摆动连杆和手柄构成，可实现7个自由度的运动。但由于该发明没有设置驱动元件，因此无法独立对患者进行康复训练治疗。

在专利号为cn103948485a的发明专利中，公开了一种外骨骼式上肢康复机器人，该康复机器人由驱动部分、传动部分、执行部分构成，能模拟运动疗法进行康复训练。但是该康复机器人只能完成肘关节前屈/后伸和前臂旋内/旋外两种运动，不利于上肢其他关节的康复训练。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新型的上肢康复训练机器人系统，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于路径规划的个性化上肢康复训练机器人系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于路径规划的个性化上肢康复训练机器人系统，包括底座支撑模块、可拆卸设置于所述底座支撑模块上的多体位座椅模块、设置于所述底座支撑模块上的康复训练与评估系统模块、设置于所述底座支撑模块上的肩关节自适应移动模块及设置于所述肩关节自适应移动模块上的上肢康复训练机械臂。

优选的是，所述上肢康复训练机械臂具有七个自由度，包括腕关节运动模块、与所述腕关节运动模块通过前臂尺寸调节模块串联连接的肘关节运动模块及通过上臂尺寸调节模块与所述肘关节运动模块的另一端串联连接的肩关节运动模块；

所述腕关节运动模块包括串联连接的背屈/掌屈运动机构和尺屈/桡屈运动机构，两运动机构的转动轴线相较于点ow；

所述肘关节运动模块包括串联连接的屈曲/超伸运动机构和前臂旋前/旋后运动机构，两运动机构的转动轴线相较于点oe；

所述肩关节运动模块包括依次串联连接的肩关节外摆/内收运动机构、前屈/后伸运动机构和外旋/内旋运动机构，三个运动机构的转动轴线相较于点os。

优选的是，所述的前臂尺寸调节模块用于自动调节点ow和oe之间的距离，以适应不同患者前臂的长度尺寸，并且将该数据记录在康复训练与评估系统模块中；所述的上臂尺寸调节模块用于自动调节点os和oe之间的距离，以适应不同患者上臂的长度尺寸，并且将数据记录在康复训练与评估系统模块中。

优选的是，所述的肩关节自适应移动模块通过底部设置的可上下伸缩的主动升降立柱支撑设置在底座支撑模块上，其顶端通过第一被动旋转关节连接有一第一转板，所述第一转板的两端均通过第二被动旋转关节连接有一第二转板，所述上肢康复训练机械臂上的第一快速拆装机构再通过第三被动旋转关节与所述第二转板连接，通过第一被动旋转关节、第二被动旋转关节、第三被动旋转关节实现上肢康复训练机械臂在水平面内的水平移动。

优选的是，所述上肢康复训练机械臂包括一套或两套，根据患者的康复训练要求进行上肢康复训练机械臂的数量与左右分布的配置；

优选的是，所述的多体位座椅模块包括座椅本体及设置于所述座椅上的颈部调整机构、腰部调整机构、腿部关节调整机构、第二快速拆装机构和第一万向轮组。

优选的是，所述的底座支撑模块包括u型底部支撑板和第二万向轮组，所述的u型底部支撑板内侧设计用于与所述第二快速拆装机构配合以实现快速拆卸与安装的快速拆装配合机构。

优选的是，所述第二快速拆装机构为设置在所述座椅本体底部的底板两侧的安装凸条，所述快速拆装配合机构为开设在所述u型底部支撑板两内侧的供所述安装凸条配合插入的两安装槽。

优选的是，所述康复训练与评估系统模块包括电脑显示屏、设置于所述电脑显示屏侧部的系统登录控制面板、用于将所述电脑显示屏安装于所述底座支撑模块上的被动臂以及系统控制与存储单元。

优选的是，所述腕关节运动模块的手柄处安装有第一六维力传感器；所述背屈/掌屈运动机构的内部集成有第一角度传感器，所述尺屈/桡屈运动机构的内部集成有第二角度传感器；所述屈曲/超伸运动机构的内部集成有第一扭矩传感器和第三角度传感器，所述前臂旋前/旋后运动机构的外部安装有第一压力传感器；所述肩关节外摆/内收运动机构内部集成有第二扭矩传感器和第四角度传感器，所述前屈/后伸运动机构的内部集成有第三扭矩传感器和第五角度传感器，所述外旋/内旋运动机构的外部安装有第二六维力传感器；所述的腕关节运动模块的手柄上设有痛点记录按钮。

本发明的有益效果是：

(1)个性化康复训练参数定制。本发明能够自动进行上肢康复训练机械臂的前臂和上臂的尺寸调节，以及患者坐姿的调整，并能够针对不同患者实现准确、快速的初始位置还原，便于快速、准确的进行后续康复训练。

(2)智能化数据管理。本发明能够针对不同瘫痪程度和不同康复期的患者提供不同康复训练模式，并利用康复训练与评估系统模块对个人康复数据进行数据存储管理，建立患者个人康复数据库，实现患者个人数据的智能管理；患者康复训练前登录，并将上肢康复训练机器人的状态还原成自己上次康复训练时的状态，继续进行上肢康复训练；同时，患者可以利用个人康复数据库，在不同医院进行同样的上肢康复训练。

(3)多自由度路径规划。本发明能够辅助患者进行患侧上肢肩关节、肘关节以及腕关节，七个自由度的、更全面的、以及个性化的上肢康复训练；本发明能够在被动康复训练模式下提供个性化轨迹规划的功能，完成患者个性化的路径规划，由上肢康复训练机器人实现既定康复轨迹的准确还原。

(4)肩关节耦合运动。本发明能够保证患者的盂肱关节旋转中心在进行上肢康复训练过程中与上肢康复训练机械臂的肩关节运动模块的旋转中心os相重合，消除关节位置偏差所带来的牵扯感，防止对患者的二次伤害。

(5)友好人机交互。本发明在手柄处安装有痛点记录按钮，前期主要用于理疗师为患者进行路径规划中随时记录关节的痛点；后期一方面可以用于训练过程中的急停按钮，另一方面同样可以用于痛点记录，便于理疗师及时对康复路径进行修改完善；人机交互大屏幕显示康复训练状态及训练结果，便于医生掌握训练过程指导康复计划。

(6)康复训练评估系统。本发明采用运动过程中的关节活动度，关节驱动力矩以及关节运动趋势等对患者的运动进行量化评价，帮助康复理疗师更加准确地评估患者的病情，为进一步改进和优化康复训练方案提供客观依据。

附图说明

图1是本发明的基于路径规划的个性化上肢康复训练机器人系统的结构示意图；

图2是本发明的上肢康复训练机械臂的结构示意图；

图3是本发明的上肢康复训练机械臂中腕关节运动模块的结构示意图；

图4是本发明的上肢康复训练机械臂中肘关节运动模块的结构示意图；

图5是本发明的上肢康复训练机械臂中肩关节运动模块的结构示意图；

图6是本发明的肩关节自适应移动模块、康复训练与评估系统模块和底座支撑模块的结构示意图；

图7是本发明的多体位座椅模块的结构示意图。

附图标记说明：

上肢康复训练机械臂(1)、肩关节自适应移动模块(2)、多体位座椅模块(3)、康复训练与评估系统模块(4)、底座支撑模块(5)、腕关节运动模块(11)、肘关节运动模块(12)、肩关节运动模块(13)、前臂尺寸调节模块(14)、上臂尺寸调节模块(15)、背屈/掌屈运动机构(11a)、尺屈/桡屈运动机构(11b)、手柄(1101)、第一六维力传感器(1102)、痛点记录按钮(1103)、第一角度传感器(1104)、第二角度传感器(1105)、屈曲/超伸运动机构(12a)、前臂旋前/旋后运动机构(12b)、第一扭矩传感器(1201)、第三角度传感器(1202)、第一压力传感器(1203)、肩关节外摆/内收运动机构(13a)、前屈/后伸运动机构(13b)、外旋/内旋运动机构(13c)、第二扭矩传感器(1301)、第四角度传感器(1302)、第三扭矩传感器(1303)、第五角度传感器(1304)、第二六维力传感器(1305)、第一快速拆装机构(1306)、第一被动旋转关节(201)、第二被动旋转关节(202)、第三被动旋转关节(203)、主动升降立柱(204)、第一转板(205)、第二转板(206)、座椅本体(300)、颈部调整机构(301)、腰部调整机构(302)、腿部关节调整机构(303)、第二快速拆装机构(304)、第一万向轮组(305)、电脑显示屏(401)、系统登录控制面板(402)、被动臂(403)、系统控制与存储单元(404)、u型底部支撑板(501)、第二万向轮组(502)、快速拆装配合机构(503)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实施例的一种基于路径规划的个性化上肢康复训练机器人系统，包括一套或两套上肢康复训练机械臂1、肩关节自适应移动模块2、多体位座椅模块3、康复训练与评估系统模块4和底座支撑模块5；上肢康复训练机械臂1通过近端的第一快速拆装机构1306固定支撑在肩关节自适应移动模块2上，康复理疗师可以根据患者的康复训练要求进行上肢康复训练机械臂1的数量与左右分布的配置；肩关节自适应移动模块2固定在底座支撑模块5上，可以随着底座支撑模块5进行移动；康复训练与评估系统模块4作为该机器人系统的控制与电气模块，同样安装在底座支撑模块5上；多体位座椅模块3通过第二快速拆装机构304和快速拆装配合机构可以实现与底座支撑模块5的快速定位与固定。

如图2、3、4、5所示，上肢康复训练机械臂1具有七个自由度，采用典型的串联机器人的结构形式进行连接，包括腕关节运动模块11、肘关节运动模块12、肩关节运动模块13、前臂尺寸调节模块14和上臂尺寸调节模块15等模块，腕关节运动模块11和肘关节运动模块12之间通过前臂尺寸调节模块14串联连接，肘关节运动模块12和肩关节运动模块13之间通过上臂尺寸调节模块15串联连接；腕关节运动模块11包括背屈/掌屈运动机构11a和尺屈/桡屈运动机构11b，两运动机构采用串联连接的方式连接，其转动轴线相交于点ow，可以带动患者实现腕关节两个自由度的转动；肘关节运动模块12包括屈曲/超伸运动机构12a和前臂旋前/旋后运动机构12b，两运动机构采用串联连接的方式连接，其转动轴线相交于点oe，可以带动患者实现肘关节两个自由度的转动；肩关节运动模块13包括肩关节外摆/内收运动机构13a、前屈/后伸运动机构13b和外旋/内旋运动机构13c，三个运动机构采用串联连接的方式连接，其转动轴线相交于点os，可以带动患者实现盂肱关节三个自由度的转动。

如图2、4、5所示，前臂尺寸调节模块14可以自动调节点ow和oe之间的距离，即腕关节运动模块11和肘关节运动模块12之间的距离，以适应不同患者前臂的长度尺寸，并且将该尺寸数据记录在康复训练与评估系统模块4的个人康复数据库中；上臂尺寸调节模块15可以自动调节点os和oe之间的距离，即肘关节运动模块12和肩关节运动模块13之间的距离，以适应不同患者上臂的长度尺寸，并且将该长度数据记录在康复训练与评估系统模块4的个人康复数据库中；记录在康复训练与评估系统模块4中的人体几何数据能够让上肢康复训练机械臂1针对不同患者实现准确、快速的初始位置还原，便于快速、准确的进行后续康复训练。

如图6所示，肩关节自适应移动模块2固定支撑在底座支撑模块5上，在水平方向设有三个被动旋转关节第一被动旋转关节201、第二被动旋转关节202、第二被动旋转关节203，肩关节自适应移动模块2通过底部设置的可上下伸缩的主动升降立柱204支撑设置在底座支撑模块5上，其顶端通过第一被动旋转关节201连接有一第一转板205，所述第一转板205的两端均通过第二被动旋转关节202连接有一第二转板206，所述上肢康复训练机械臂1上的第一快速拆装机构201再通过第三被动旋转关节203与所述第二转板206连接，即第二转板206、第二被动旋转关节202、第三被动旋转关节203均包括2副，通过第一被动旋转关节201、第二被动旋转关节202、第三被动旋转关节203实现上肢康复训练机械臂1在水平面内的水平移动。

竖直方向设有主动升降立柱204，实现上肢康复训练机械臂1在竖直平面内的上下移动，保证患者的盂肱关节旋转中心在进行上肢康复训练过程中与肩关节运动模块的旋转中心相重合，消除关节位置偏差所带来的牵扯感，防止对患者的二次伤害。

如图6、7所示，多体位座椅模块3在康复训练时与底座支撑模块5固定连接，包括颈部调整机构301、腰部调整机构302、腿部关节调整机构303、快速拆装机构304和第一万向轮组305等功能部分，可以针对不同患者进行颈部、腰部、腿部等其他部分的姿态的调整，便于患者处于舒适的坐姿，并通过各调整机构内部的传感器将患者的姿态数据进行存储，实现患者在下次康复训练前实现准确、快速的坐姿还原，便于快速、准确的进行后续康复训练；多体位座椅模块3中的快速拆装机构304和底座支撑模块5中的快速拆装配合机构503可以实现多体位座椅模块3的快速定位与固定。

如图6所示，康复训练与评估系统模块4包括电脑显示屏401、系统登录控制面板402、被动臂403和系统控制与存储单元404，系统控制与存储单元404可设置在底座支撑模块5内，可以实现患者个人康复系统登陆、个人康复数据存储、康复训练操作与显示、评估系统操作与显示，以及数据存储等功能。

如图6所示，底座支撑模块5包括u型底部支撑板501和第二万向轮组502，u型底部支撑板501与万向轮组502固定连接；u型底部支撑板501内侧设计有能够实现与多体位座椅模块3快速定位与固定的快速拆装机构503。在一种实施例中，所述第二快速拆装机构304为设置在所述座椅本体300底部的底板两侧的安装凸条，所述快速拆装配合机构503为开设在所述u型底部支撑板501两内侧的供所述安装凸条配合插入的两安装槽。

如图2、3、4、5所示，腕关节运动模块11的手柄1101处安装有第一六维力传感器1102，一方面用于检测患者的腕关节的力矩值，另一方面用于识别患者的运动意图；背屈/掌屈运动机构11a和尺屈/桡屈运动机构11b分别在内部集成了第一角度传感器1104和第二角度传感器1105，用以检测腕关节两自由度的运动角度；屈曲/超伸运动机构12a内部集成了第一扭矩传感器1201和第三角度传感器1202，分别用来检测患者肘关节屈曲/超伸运动角度和力矩值；前臂旋前/旋后运动机构12b外部安装有第一压力传感器1203，一方面用于检测前臂旋前/旋后运动力矩值，另一方面用于识别患者肘关节的运动意图；肩关节外摆/内收运动机构13a内部集成了第二扭矩传感器1301和第四角度传感器1302，前屈/后伸运动机构13b同样在内部集成了第三扭矩传感器1303和第五角度传感器1304，都用来检测运动角度和力矩值；外旋/内旋运动机构13c外部安装有第二六维力传感器1305，一方面用于检测肩关节外旋/内旋运动力矩值，另一方面用于肩关节运动意图识别。

如图3所示，腕关节运动模块11的手柄1101上设有痛点记录按钮1103，前期主要用于理疗师为患者进行路径规划中随时记录关节的痛点；后期一方面可以用于训练过程中的急停按钮，另一方面同样可以用于痛点记录，便于理疗师及时对康复路径进行修改完善。

本发明的工作过程是：

(1)首次进行康复训练：首先，康复理疗师利用系统登录控制面板402给患者建立个人康复数据库；接着，患者坐在多体位座椅模块3上，进行坐姿的调整，并将患者的姿态数据存储到系统控制与存储单元404中；然后患者穿戴上肢康复训练机械臂1，康复理疗师通过分别调节前臂尺寸调节模块14和上臂尺寸调节模块15使患者的腕关节、肘关节和肩关节旋转轴线与上肢康复训练机器人1的腕关节、肘关节和肩关节运动模块的旋转轴线相重合，同样利用系统控制与存储单元404存储到患者的个人康复数据库中；紧接着，将运动模式调整为主动训练模式，由康复理疗师带着患者的患肢进行单个关节的运动，患者感觉到疼痛的时候按下疼痛记录按钮1103，系统控制与存储单元404记录当前关节的角度数值，并由康复理疗师进行患者的被动康复训练路径规划；最后，将运动模式调整为被动训练模式，由上肢康复训练机器人按照理疗师设定好的路径，带动患者的患肢进行康复训练，结束时由系统控制与存储单元404进行本次康复训练的效果评估，并储存康复结果等数据。

(2)非第一次进行康复训练：患者使用系统控制与存储单元402进行系统登录，康复训练机器人自动还原到患者上次康复时的状态，主要包括上肢康复训练机械臂1的状态和多体位座椅模块3的状态；患者穿戴上肢康复训练机械臂1，继续进行康复训练，结束时由系统控制与存储单元404进行本次康复训练的效果评估，同样储存康复结果等数据。

本发明适用于因中枢神经、周围神经、脊髓、肌肉或骨骼疾病引起的上肢功能障碍或功能受限的患者，能够让不同康复阶段的、不同症状的、不同体型的患者进行上肢康复训练。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。