脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，其上层扶手架、中层检测架、下层支撑架和移动底盘在竖直方向上平行布置，上层扶手架、中层检测架和下层支撑架相邻两层之间均通过三根伸缩杆和一根电动推杆固连，下层支撑架和移动底盘之间通过下层支撑杆固连；上层扶手架中U型架的外表面分别安装有急停开关、显示屏和控制面板，中层检测架上沿周向均布有四个拉力传感器，下层支撑架上安装可拆卸座椅；移动底盘上沿周向对称安装两个主动轮和两个从动轮，移动底盘中U型架的外表面安装有控制箱，U型架上还装有踏板；控制箱分别与四个拉力传感器、电机、急停开关、显示屏和控制面板连接；本发明能满足脑卒中偏瘫患者康复训练的需求。
【专利说明】脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人【技术领域】
[0001]本发明涉及一种康复训练机器人，具体涉及一种脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，属于康复机器人【技术领域】。
【背景技术】
[0002]康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。
[0003]在研发过程中，现有康复机器人具有以下缺点:
[0004]功能单一:现有康复机器人往往不能满足患者休息需要。
[0005]不具有立体封闭结构:虽然现有康复机器人也具有防摔功能。
[0006]现有康复机器人所检测患者上肢作用力不能很好的反应患者的运动状态，由于偏瘫患者所固有的病态运动特点，重心偏移，下肢无力，过度依赖上肢来支撑身体重量等，所以相对检测患者上肢作用力，检测腰部作用力能更准确的反应患者的运动状态。
[0007]成本高不利用推广:现有的康复机器人大都采用六维力传感器来检测患者行走时的作用力，六维力传感器价格相当昂贵。
【发明内容】
[0008]有鉴于此，本发明提供了一种脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，能够满足脑卒中偏瘫患者康复训练的需求。
[0009]一种脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，该机器人包括上层扶手架、中层检测架、下层支撑架、移动底盘、转动副、锁紧扣、电动推杆、下层支撑杆、主动轮、从动轮、控制箱、可拆卸座椅、踏板、急停开关、显示屏、操作面板、拉力传感器、绳索和主动轮电机，外围设备为手机；
[0010]所述上层扶手架、中层检测架、下层支撑架和移动底盘均由U型架和开关架组成的环形结构，U型架的一端通过转动副与开关架相连，另一端通过锁紧扣与开关架配合；
[0011]安装关系:上层扶手架、中层检测架、下层支撑架和移动底盘在竖直方向上平行布置，且四个开关架的位置相对应，上层扶手架和中层检测架之间、中层检测架和下层支撑架之间均通过三根伸缩杆和一根电动推杆固连，下层支撑架和移动底盘之间通过下层支撑杆固连；
[0012]上层扶手架中U型架的外表面分别安装有急停开关、显示屏和控制面板，中层检测架上沿周向均布有四个拉力传感器，绳索一端固定在拉力传感器上，另一端为自由端，系于患者腰部检测患者行走时腰部的作用力，四个拉力传感器检测到的作用力合力方向为患者的移动方向，下层支撑架上安装可拆卸座椅；移动底盘上沿周向对称安装两个主动轮和两个从动轮，主动轮通过主动轮驱动电机驱动，移动底盘中U型架的外表面安装有控制箱，U型架上位于控制箱两侧上对称装有踏板；
[0013]控制箱分别与四个拉力传感器、驱动电机、伺服电机、急停开关、平板式微型计算机和控制面板连接，手机与控制箱通过蓝牙实现信息传输。
[0014]采用可移动脚踏板装置代替踏板，包括套筒和脚踏板，脚踏板上安装在套筒上，套筒能沿U型架滑动，其底部通过螺栓固定在U型架上。
[0015]所述的移动底盘中开关架上还安装有配重箱，且与控制箱位置相对称。
[0016]所述上层扶手架中U型架的底部安装有扶手板，且扶手板采用木质。
[0017]所述的控制箱包括可充电电源、数据采集板、DSP处理模块和速度采集板，可充电电源提供电源，数据采集板采集四个拉力传感器实时检测的拉力信息，并将拉力信息分别传输给显示屏显示和DSP处理模块处理；DSP处理模块接收拉力信息进行处理后，得到速度信息驱动电机运转；速度采集板采集电机速度信息，并分别反馈至DSP处理模块和显示屏显示，DSP处理模块将得到的反馈信息与输出信息进行比较得到最终需要的速度。
[0018]所述的DSP处理模块采用模糊导纳控制算法。
[0019]有益效果:
[0020](I)本发明通过上层扶手架、中层检测架、下层支撑架、移动底盘这四层圆环封闭结构以及可拆卸座椅在偏瘫患 者进行康复训练时，可以将偏瘫患者有效的保护在机构内，不至其跌倒在地，并通过电动推杆实现机器人高度可调，有效的适应的患者下肢高度不同，有效满足患者扶手高度不同的需求，且通过四个拉力传感器检测患者腰部的拉力，相对于人其他部位的作用力，腰部的拉力更能准确的反应人的运动状况，四个拉力传感器位置的分布有效的反应了拉力的大小和方向，通过控制箱内的DSP将拉力转化为速度控制机器人运动，使得机器人运动速度及方向与患者趋于一致。
[0021](2)本发明采用可移动脚踏板装置代替踏板，将脚踏板设置成可移动的，即可将脚踏板移动并固定在患者需要的位置，能方便可靠地适应不同患者的需求。
[0022](3)本发明通过控制箱和配重箱的下置，实现机器人重心下移，保证机器人平衡，在患者摔倒时保证其不会随患者翻到，并通过设置配重箱且控制箱和配重箱的前后分布，使得机器人重心不偏离其几何中心，当病人朝任意方向摔倒，机器人不会发生翻倒。
[0023](4)本发明在上层扶手架上设置扶手板并采用木质，能够减轻机器人的重量，且设置扶手板还方便患者放一些随身物品，使得机器人更人性化。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明机器人结构示意图。
[0025]图2为本发明辅助偏瘫患者行走工作模式示意图。
[0026]图3为本发明自动轮椅工作模式示意图。
[0027]图4为本发明移动底盘俯视图。
[0028]图5为本发明中层拉力传感器安装位置示意图。
[0029]图6为本发明病人作用力分析图。
[0030]图7为本发明控制面板示意图。[0031]图8为本发明智能辅助步行器控制(辅助步行模式)示意图。
[0032]图9为本发明自校正模糊导纳控制系统。
[0033]其中，1-上层扶手架；2_中层检测架；3_下层支撑架；4_移动底盘；5_上开关架；6-中开关架；7_下开关架；8_底开关架；9_转动副；10_锁紧扣；11_上层电动推杆；12_中层电动推杆；13-下层支撑杆；14-主动轮；15-从动轮；16-控制箱；17-可拆卸座椅；18_可移动脚踏板装置；19-扶手板；20_急停开关；21_显不屏；22_操作面板；23A~23D-拉力传感器；24_绳索；25_偏瘫病人；26_伺服电机
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0035]如附图1所示，本发明提供了一种脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，该机器人包括上层扶手架1、中层检测架2、下层支撑架3、移动底盘4、上层电动推杆11、中层电动推杆12、下层支撑杆13、主动轮14、从动轮15、控制箱16、可拆卸座椅17、可移动脚踏板装置18、扶手板19、急停开关20、显示屏21、操作面板22、拉力传感器23A~23D、绳索24和主动轮驱动电机26。
[0036]所述上层扶手架1、中层检测架2、下层支撑架3和移动底盘4为相同结构，均由U型架和开关架组成的环形结构，开关架分别为上开关架5、中开关架6、下开关架7和底开关架8，U型架的一端通过转动副9与开关架相连，另一端安装有锁紧扣10，开关架可由转动副9开启或关闭，开关架闭合 后可由锁紧扣10锁紧关闭。
[0037]所述上层扶手架I在 其U型架的底部装有木质扶手板19，采用木质可以减轻重量，一侧安装有急停开关20，另一侧装有操作面板22，操作面板22上有系统操作按钮组、上层电动推杆操作按钮组和中层电动推杆操作按钮组。
[0038]所述中层检测架2位于上层扶手架I的下方，结构尺寸与上层扶手架I相同，两者平行布置并通过三根伸缩杆和上层电动推杆11与上层扶手架I相连，其中上层电动推杆11包括推杆和电动推杆驱动电动，依靠驱动电机正传反转实现电动推杆升降，带动上层扶手架I的上升或下降，中层检测架2上安装有四个拉力传感器23A~23D，如附图5所示，四个拉力传感器23A~23D沿X轴和Y轴向排列安装，分别由绳索24牵引系于患者腰部，用于检测患者行走时腰部的作用力，四个拉力传感器检测到的作用力合力方向为患者的移动方向。
[0039]所述下层支撑架3位于中层检测架2下方，结构尺寸与上层扶手架I相同，两者平行布置并通过三根伸缩杆和中层电动推杆12与中层检测架2相连，中层电动推杆的升降可带动上层扶手架和中层检测架的升降。
[0040]如附图4所示，移动底盘4位于下层支撑架3下方，结构与上层扶手架I相同，尺寸大于上层扶手架I，通过四根下层支撑杆13与下层支撑架3固接，移动底盘4上对称安装有主动轮14，还对称安装从动轮15，底开关架8的底部载有控制箱16，U型架上位于控制箱16两侧上装有可移动脚踏板装置18，底开关架8上还安装有配重箱，保证机器人重心下置并且在与几何中心重合，当患者在使用时发生倾倒时，整个机构不会发生翻到，从而保证了患者的安全。
[0041]所述主动轮14是由直流有刷空心杯伺服电机驱动的。[0042]所述从动轮15是无驱动的万向轮，其中一个万向轮可随移动底盘开关架开启关闭移动。
[0043]所述可移动脚踏板装置18包括套筒和脚踏板，脚踏板上安装在套筒上，套筒可以在所述移动底盘4的U型架部分滑动，套筒底部通过螺栓固定在U型架，即固定在患者需要位置。
[0044]拆卸座椅17由弹性绳索牵引安装在下层支撑架上3，在辅助偏瘫病人行走工作模式下起到防止患者摔倒跌落的作用并在自动轮椅工作模式下充当患者座椅。
[0045]显示屏21采用小型超薄显示屏，安装在上层扶手架I的正前方，显示病人作用力大小和方向，机器人行进速度及方向，患者心跳血压等信息，患者可在显示屏22上观察自己的身体状况、运动情况及机器人运转状态。
[0046]控制箱16分别与四个拉力传感器23A~23D、主动轮驱动电机、电动推杆驱动电机、急停开关20、显示屏21和控制面板22连接。
[0047]如附图8所示，控制箱16包括可充电电源、数据采集板、DSP处理模块和速度采集板，可充电电源提供电源，数据采集板采集4个拉力传感器实时检测的拉力信息，并将拉力信息分别传输给显示屏显示和DSP处理模块处理；DSP处理模块接收拉力信息经如图9的模糊控制、导纳控制和运动学反解后输出信号驱动电机；速度采集板采集电机速度信息，并分别反馈至DSP处理模块和显示屏，DSP处理模块将得到的反馈信息与输出信息进行比较得到最终需要的速度。
[0048]该机器人根据功能可分为两种工作模式:辅助偏瘫病人行走模式和自动轮椅模式。
[0049]附图2为行走模式:打开四个开关架5~8，偏瘫病人25进入辅助机器人内，扣上四个锁紧扣10，由医护人员将可拆卸座椅17穿过患者双腿之间粘结在下层支撑架3上，将四个拉力传感器23A~23D通过绳索24系在患者腰部，可根据患者身高及个人需求通过操作面板22上的推杆操作按钮调整上层电动推杆11或中层电动推杆12的高度，从而调整机器人的高度，并将电子血压计系在患者胳臂上并连接到显示屏21上，按下操作面板22上启动按钮，则机器人进入辅助偏瘫病人行走工作模式。
[0050]附图3为自动轮椅工作模式:患者如上所述方法进入辅助机器人内，坐在可拆卸座椅17上，不系拉力传感器23A~23D，患者双脚可放在移动脚踏板装置18的脚踏板上，可在U型底座上根据需要调整位置调整可移动脚踏板装置18中脚踏板的位置。患者通过操作面板22控制机器人的行进方向及速度，则机器人进入自动轮椅工作模式。
[0051]手机设置有行进速度大小和机器人行进方向选项，在患者需要改变速度和方向的时候，可以手持手机进行选择，并通过蓝牙将速度和方向信息传给控制箱，经控制箱内的DSP经运动学反解计算驱动电机，即驱动机器人工作。
[0052]当患者发现任何需要停止机器人工作的情况时，可按下安装在上层扶手架上的急停开关20，以确保患者安全。当医护人员发现任何紧急情况需要停止机器人工作时，也可以按下急停开关20。
[0053]上述行走模式中，四个拉力传感器安装于训练机器人中层，由牵引于偏瘫病人腰部，病人行走时的作用力方向、大小可由拉力传感器检测出。以病人所在位置为坐标原点，建立作用力坐标系。假设病人向右前方行走时，拉力传感器23B可反映出病人向前方行走，拉力传感器23D可反映出病人行走路径倾斜程度，由此可计算出病人作用力合力大小及其方向。通过运动学反解控制电机驱动底座的驱动轮。
[0054]导纳控制是根据力来控制速度，即
【权利要求】
1.一种脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，其特征在于，该机器人包括上层扶手架、中层检测架、下层支撑架、移动底盘、转动副、锁紧扣、电动推杆、下层支撑杆、主动轮、从动轮、控制箱、可拆卸座椅、踏板、急停开关、显示屏、操作面板、拉力传感器、绳索和主动轮电机，外围设备为手机； 所述上层扶手架、中层检测架、下层支撑架和移动底盘均由U型架和开关架组成的环形结构，U型架的一端通过转动副与开关架相连，另一端通过锁紧扣与开关架配合； 安装关系:上层扶手架、中层检测架、下层支撑架和移动底盘在竖直方向上平行布置，且四个开关架的位置相对应，上层扶手架和中层检测架之间、中层检测架和下层支撑架之间均通过三根伸缩杆和一根电动推杆固连，下层支撑架和移动底盘之间通过下层支撑杆固连； 上层扶手架中U型架的外表面分别安装有急停开关、显示屏和控制面板，中层检测架上沿周向均布有四个拉力传感器，绳索一端固接在拉力传感器上，另一端为自由端，系于患者腰部检测患者行走时腰部的作用力，四个拉力传感器检测到的作用力合力方向为患者的移动方向，下层支撑架上安装可拆卸座椅；移动底盘上沿周向对称安装两个主动轮和两个从动轮，主动轮通过主动轮驱动电机驱动，移动底盘中U型架的外表面安装有控制箱，U型架上位于控制箱两侧上对称装有踏板； 控制箱分别与四个拉力传感器、主动轮驱动电机、电动推杆驱动电机、急停开关、显示屏和操作面板连接，手机与控制箱通过蓝牙实现信息传输。
2.如权利要求1所述的脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，其特征在于，采用可移动脚踏板装置代替踏板，包括套筒和脚踏板，脚踏板上安装在套筒上，套筒能沿U型架滑动，其底部通过螺栓固定在U型架上。
3.如权利要求1所述的脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，其特征在于，所述的移动底盘中开关架上还安装有配重箱，且与控制箱位置相对称。
4.如权利要求1所述的脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，其特征在于，所述上层扶手架中U型架的底部安装有扶手板，且扶手板采用木质。
5.如权利要求1所述的脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，其特征在于，所述的控制箱包括可充电电源、数据采集板、DSP处理模块和速度采集板，可充电电源提供电源，数据采集板采集四个拉力传感器实时检测的拉力信息，并将拉力信息分别传输给显示屏显示和DSP处理模块处理；DSP处理模块接收拉力信息进行处理后，得到速度信息驱动电机运转；速度采集板采集电机速度信 息，并分别反馈至DSP处理模块和显示屏显示，DSP处理模块将得到的反馈信息与输出信息进行比较得到最终需要的速度。
6.如权利要求5所述的脑卒中偏瘫患者辅助康复训练机器人，其特征在于，所述的DSP处理模块采用模糊导纳控制算法。
【文档编号】A63B23/035GK103610567SQ201310560153
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】高学山, 吕韫琦, 张通, 赵军, 姜世公, 戴福全, 李玲 申请人:北京理工大学, 中国康复研究中心