专利名称：穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型属于医疗机器人领域、外骨骼机器人领域，具体是指一种穿戴型人体
手臂震颤检测与抑制机器人。
背景技术：
震颤是一种不自主的、有节律性的、近似正弦往返摆动的肢体运动。40岁以上的 中老年人有5%的人患有震颤疾病，特别是帕金森氏病，为近一二十年发病率呈上升趋势的 常见病。震颤常见与人的肢体特别是手臂，影响精细动作、书写和餐饮，严重时可对病人的 日常生活、工作、社会交往等带来诸多不便。尽管目前国内外很多研究机构对震颤研究很多 年，但总的来说，存在如下问题l.由于目前震颤的机理和起源至今尚未明确，对于震颤的 治疗大多采用探索性方式，无法从根本上治愈；2.各种治疗药物虽能使震颤患者的临床症 状在一定时间内获得一定程度的好转，但均不能阻止本病的自然进展，且各种药物都有不 同程度的副反应，因而限制了其自身在临床上的应用；3.目前，一些较为先进的疗法尚处 于研究阶段，虽然实验证明能较明显的提高该病的临床缓解率，减少了副作用，但也存在价 格昂贵、远期疗效尚难肯定等问题。 借用机器人技术对患者震颤运动进行抑制，具有不言而喻的优越性。首先，该机 器人能够对患者手臂震颤进行抑制或减弱，解决患者精细动作，诸如书写和餐饮等日常生 活的不便问题，改善患者的生活质量；其次，该机器人能够帮助患者锻炼上肢肌肉，改善和 促进上肢的血液循环，增强神经系统对运动功能的控制能力，达到改善或恢复患者运动机 能的目的；再者，在目前还没有彻底了解震颤机理的情况下，排除了主观用药的盲目性。因 此，研制一种结构轻巧、穿戴方便、安全可靠的机器人装置，用于抑制患者震颤运动，以便于 使震颤患者的病情得到缓解或治疗，成为一项极具应用价值和市场前景的工作。
发明内容本实用新型的目的是提供一种穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人，在不干扰
患者的正常运动情况下，对患者的震颤运动进行抑制、缓解或治疗，解决震颤带给患者精细
动作，诸如书写和餐饮等日常生活的不便问题，提高震颤患者的生活质量。 本实用新型的技术方案是穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人包括穿戴型外
骨骼系统、震颤激励系统、震颤运动检测系统、信号处理与控制系统。穿戴型外骨骼系统包
括上臂臂杆、肘关节机构、前臂臂杆、腕关节机构、手部机构，通过柔性连接机构穿套在人体
手臂；震颤激励系统包括用于实现肘关节屈/伸运动的直流电机系统，用于实现肘关节旋
内/外运动的直流电机系统，用于实现腕关节屈/伸运动的直流电机系统；震颤运动检测系
统包括多种类型的传感器，分别安装在机器人的上臂、前臂、肘部、腕部与手部和患者的手
部；信号处理与控制系统通过柔性连接装置集中固定在人体前臂。 所述穿戴型外骨骼系统采用"二连杆"形式的串联机构，包括上臂臂杆、肘关节机 构、前臂臂杆、腕关节机构、手部机构；臂杆机构采用拟人化设计，上臂臂杆尺寸较短，长度约为人体上臂的2/3 ;前臂臂杆模仿手臂的尺骨结构，长度与前臂相当，并可以调节；上臂 臂杆通过柔性连接机构与人体上臂进行连接；肘关节机构包括肘关节屈/伸运动直流电机 系统，刚性连接机构，肘关节旋内/外直流电机系统，刚性连接机构；肘关节机构通过前臂 臂杆、刚性连接机构与腕关节机构相连；腕关节机构包括腕关节屈/伸运动直流电机系统 和刚性连接机构，通过柔性连接机构与手臂腕关节相连；手臂机构包括用于连接手掌的柔 性连接机构，用于连接食指的柔性连接机构，用于连接中指的柔性连接机构。 所述震颤激励单元包括用于实现肘关节屈/伸运动的直流电机驱动系统，用于 实现肘关节旋内/外运动的直流电机驱动系统，用于实现腕关节屈/伸运动的直流电机驱 动系统。 所述震颤运动检测系统包括三个惯性传感器单元，主要由倾角仪、陀螺仪、加速 度计组成，分别用于获取上臂、前臂和手部的俯仰角、翻滚角等倾角信息，肘关节和腕关节 的三维角速度信息，以及肘关节和腕关节的三维角加速度等信息；三个三维力传感器，用于 检测肘关节屈/伸运动直流电机、肘关节旋内/外直流电机以及腕关节屈/伸运动直流电 机的三维输出力矩信息；肘关节屈/伸运动直流电机编码器、肘关节旋内/外运动直流电机 编码器和腕关节屈/伸运动直流电机编码器，分别用于测量肘关节屈/伸运动电机系统、肘 关节旋内/外运动电机系统和腕关节屈/伸运动电机系统的实际转动位置；另外，人体手部 的食指、中指分别安装有三维加速度传感器，用于测量食指、中指的三维加速度值。 所述信号处理与控制系统包括信号处理系统、信号控制系统以及震颤激励系统； 信号处理系统是以TMS320VC5402为核心的16位DSP信号处理系统，通过GPIO 口实时采集 肘关节、腕关节和手部运动信息；信号控制系统是以Intel PXA270为核心的32位ARM10微 处理器信号控制系统；震颤激励系统是执行系统，用于执行信号控制系统所产生的电机控 制命令，利用SOFTING公司的CAN通信卡与MAXON EPOS电机驱动器进行通信，分别控制肘 关节屈/伸运动直流电机、肘关节旋内/外运动直流电机、腕关节屈/伸运动直流电机。 本实用新型的优点与积极效果 其一，结构简单、穿戴方便、拟人化程度高。本实用新型采用"穿套式"结构，穿戴 方便；穿戴型外骨骼可以实现肘关节屈/伸运动、肘关节旋内/旋外、腕关节屈/伸运动的 三个自由度运动，机构"拟人化"程度高。 其二，震颤激励系统采用体积小、质量轻、性能优良的MAXON公司的盘式直流电机
EC45和新型减速装置CSD-14-100-2UH，整体系统满足"便携式"要求。 其三，安装多种类型传感器，震颤运动检测功能强大。震颤运动检测系统既能检测
机器人手臂的俯仰角、翻滚角、偏移等倾角信息以及肘关节和腕关节的三维角加速度等信
息，也能检测人体手臂震颤运动的三维加速度信息，功能丰富，为震颤运动抑制提供充分的信息。 其四，操作简单、安全可靠。穿戴型人体手臂震颤抑制机器人操作简单，不需要操 作柄、键盘等复杂的操作装置。另外，在机械设计方面严格限制外骨骼机构超过人体手臂活 动的最大范围，在控制上设计"安全预警系统"，确保震颤运动抑制的安全性和可靠性。 其五，功能丰富、应用前景广泛。穿戴型人体手臂震颤抑制机器人不仅能够抑制患 者震颤运动，而且帮助患者解决诸如精细动作、书写和餐饮等日常生活的不便问题，改善患 者的生活质量；另外，该机器人能够帮助患者锻炼上肢肌肉，改善和促进上肢的血液循环，增强神经系统对运动功能的控制能力，在目前还没有彻底了解震颤机理的情况下，排除了 主观用药的盲目性。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细说明。
图1为本实用新型的整体装配结构示意图； 图2为本实用新型的震颤运动检测系统示意图； 图3为本实用新型的信号处理与控制系统示意图； 图4为本实用新型的系统操作流程图。 图中，100为人体手臂，101为柔性连接装置，102为刚性连接装置，103为上臂机 构，104为刚性连接装置，105为法兰，106为悬臂机构，107为刚性固定装置，108为刚性连 接装置，109为前臂机构，110为刚性固定装置，111为刚性连接装置，112为柔性连接装置， 113为柔性连接装置，114为柔性连接装置，115为柔性连接装置，116为柔性连接装置。201 为肘关节屈/伸运动电机，202为肘关节屈/伸运动电机减速系统，203为肘关节旋内/外 运动电机，204为肘关节旋内/外运动电机减速系统，205为腕关节屈/伸运动电机，206为 腕关节屈/伸运动电机减速系统。301为肘关节惯性传感器单元，302为手部惯性传感器单 元，303为腕关节惯性传感器单元；311为肘关节屈/伸运动直流电机编码器，312为肘关节 旋内/外运动直流电机编码器，313为腕关节屈/伸运动直流电机编码器；321为肘关节屈 /伸运动力传感器，322为肘关节旋内/外运动力传感器，323为腕关节屈/伸运动力传感 器；331为食指三维加速度传感器，332为中指三维加速度传感器。400为信号处理与控制 系统，401为信号处理系统，402为信号控制系统，403为震颤激励系统。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详述。 如
图1、图2所示，本实用新型中的穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人包括穿 戴型外骨骼系统、震颤运动激励系统、震颤运动检测系统、信号处理与控制系统。 本实用新型中的可穿戴型外骨骼包括上臂臂杆(103)、肘关节机构(11)、前臂臂 杆(109)、腕关节机构(12)，手部机构(13);所述上臂臂杆(103)通过刚性连接装置(102) 和柔性连接装置(101)与人体上臂进行连接；所述肘关节机构(11)包括肘关节屈/伸运动 直流电机系统(201，202)，刚性连接机构(104)，法兰(105)，悬臂机构(106)，肘关节旋内/ 外直流电机系统(203，204)，刚性固定装置(107);肘关节屈/伸运动直流电机系统(201， 202)通过悬臂机构(106)和刚性固定装置(107)与肘关节旋内/外直流电机相连接；前臂 臂杆(109)采用可伸縮结构，以便于调节长度；腕关节机构(12)包括腕关节屈/伸运动直 流电机系统(205,206)和刚性连接机构(lll)，通过柔性连接机构(115)与手臂腕关节相 连；手臂机构(13)包括用于连接手掌的柔性连接机构(114)，用于连接食指的柔性连接机 构(112)，用于连接中指的柔性连接机构(113)。 本实用新型中的震颤激励系统肘关节屈/伸运动直流电机201，肘关节旋内/外 运动直流电机系统203，和腕关节屈/伸运动直流电机系统205，均采用MAXON公司的EC-45 盘式电机；所述的肘关节屈/伸运动直流电机减速系统，肘关节旋内/外运动直流电机减速系统，腕关节屈/伸运动直流电机减速系统均采用Harmonic减速器CSD-14-100-2UH。 本实用新型中的震颤运动检测系统肘关节惯性传感器单元(301)，由倾角仪、陀 螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置(101)固定在人体上臂，用来获取俯仰角、翻 滚角、三维角速度、三维角加速度信息；腕关节惯性传感器单元(303)，由倾角仪、陀螺仪、 加速度传感器组成，通过柔性连接装置(116)固定在人体前臂(靠近腕关节处)，用来获取 俯仰角、翻滚角、三维角速度、三维角加速度信息；手部惯性传感器单元(302)，由倾角仪、 陀螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置(115)固定在人体手部，用来获取俯仰角、 翻滚角、三维角速度、三维角加速度信息；肘关节屈/伸运动直流电机编码器(311)、肘关节 旋内/外运动直流电机编码器(312)和腕关节屈/伸运动直流电机编码器(313)，分别用于 测量肘关节屈/伸运动电机201 、肘关节旋内/外运动电机系统203和腕关节屈/伸运动电 机系统205的实际转动位置；肘关节屈/伸运动力传感器(321)、肘关节旋内/外运动力传 感器(322)和腕关节屈/伸运动力传感器(323)，分别用于测量肘关节屈/伸运动、肘关节 旋内/外运动以及腕关节屈/伸运动的三维输出力矩；人体手部的食指三维加速度传感器 (331)、中指三维加速度传感器(332)，分别用于测量食指、中指的三维加速度值； 图3为本实用新型的信号处理与控制系统的原理图。本发明中的信号处理与控制 系统主要包括信号处理系统401、信号控制系统402、以及执行系统403。信号处理系统401 是以TMS320VC5402为核心的16位DSP信号处理系统，通过GPIO(通用1/0) 口实时采集肘 关节、腕关节和手部运动信息；"两阶段"震颤信号处理算法是数据处理与滤波算法，用于获 取手臂震颤运动信息；信号控制系统402是以IntelPXA270为核心的32位ARM10微处理 器信号控制系统；"三闭环"震颤抑制策略是震颤抑制控制算法，用于产生抑制震颤的控制 命令；震颤激励系统403用于执行信号控制系统402所产生的电机控制命令，利用SOFTING 公司的CAN通信卡与MAX0NEP0S电机驱动器进行通信，分别控制肘关节屈/伸运动直流电 机、肘关节旋内/外运动直流电机、腕关节屈/伸运动直流电机，进而使整个机器人系统产 生"震颤"，抵消或者减弱人体手臂震颤。 实施例 将本实用新型公开的穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人通过柔性连接机构 (101， 115， 116， 114)穿套在人体手臂的上臂、肘关节、前臂、腕关节和手部，信号处理与控制 系统400固定在人体前臂。如图5所示，在实际生活中，当患者穿套着本实用新型中的穿 戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人进行写字、抬臂等日常活动时，开启机器人系统(步 骤500);信号处理与控制系统400启动(步骤501)，系统自检(步骤502);如果自检发现 异常(步骤503) ，则电机下电(步骤514)，停止工作(步骤515);如果自检正常(步 骤503) ，则震颤运动检测系统300启动(步骤504)，同时震颤激励系统200启动(步骤 508)，电机系统初始化(步骤509);如果停止指令(步骤511)，则电机下电(步骤514)， 工作结束(步骤515);如果不停止指令，根据控制指令，控制电机改变速度和方向(步骤 512)，进而实现机器人肘关节的屈/伸运动、肘关节旋内/外运动以及腕关节的屈/伸运 动；机器人和患者手臂随着这些运动不断的改变自身的状态(步骤513)，安装在手部、前 臂和上臂的多种传感器系统获取手臂运动信息(步骤504，步骤505);以TMS320VC5402为 核心的16位DSP信号处理系统401获取这些信息，经过"两阶段"自适应预测滤波算法处 理，将高频的震颤运动信号和低频的正常运动信号分离开来，并分别将这两信号传递到以Intel PXA270为核心的32位ARM10微处理器信号控制系统402中，实时存储和获取(步 骤506);"三闭环"震颤运动抑制策略是震颤运动抑制控制算法，用于产生抑制震颤的控制 命令(步骤507);执行系统403用于执行信号控制系统402所产生的电机控制命令(步骤 510)，通过SOFTING公司的CAN通信卡与MAXONEPOS电机驱动器进行通信，分别控制肘关节 屈/伸运动直流电机、肘关节旋内/外运动直流电机、腕关节屈/伸运动直流电机，使机器 人各个关节产生运动(步骤512)，进而改变患者手臂的阻抗特性，达到抑制患者手臂震颤 的目的；这样一次震颤运动检测与抑制过程结束，准备进行下一次的震颤运动抑制。
权利要求一种穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人，其特征在于该机器人包括穿戴型外骨骼系统、震颤运动激励系统、震颤运动检测系统、信号处理与控制系统；所述穿戴型外骨骼系统包括上臂臂杆(103)、肘关节机构(11)、前臂臂杆(109)、腕关节机构(12)、手部机构(13)；所述震颤运动激励系统包括用于实现肘关节屈/伸运动的直流电机系统(201，202)，用于实现肘关节旋内/外运动直流电机系统(203，204)，用于实现腕关节屈/伸运动直流电机系统(205，206)；震颤运动检测系统包括分别安装在机器人的上臂、前臂、肘部、腕部与手部和患者的手部传感器单元；信号处理与控制系统(400)通过柔性连接装置(116)固定在人体前臂。
2. 根据权利要求1所述的穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人，其特征在于所述上臂臂杆(103)通过刚性连接装置(102)和柔性连接装置(101)与人体上臂进行连接；所述肘关节机构(11)包括肘关节屈/伸运动直流电机系统(201，202)，刚性连接机构(104)，法兰(105)，悬臂机构(106)，肘关节旋内/外直流电机系统(203,204)，刚性固定装置(107);所述肘关节屈/伸运动直流电机系统(201,202)通过悬臂机构(106)和刚性固定装置(107)与所述肘关节旋内/外直流电机(203,204)相连接；所述前臂臂杆(109)采用可伸縮结构，以便于调节长度；所述腕关节机构(12)包括腕关节屈/伸运动直流电机系统(205,206)和刚性连接机构(lll)，通过柔性连接机构(115)与手臂腕关节相连；手部机构(13)包括用于连接手掌的柔性连接机构(114)，用于连接食指的柔性连接机构(112)和用于连接中指的柔性连接机构(113)。
3. 根据权利要求1所述的穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人，其特征在于所述传感器单元包括a、 肘关节惯性传感器单元(301)，由倾角仪、陀螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置(101)固定在人体上臂，用来获取俯仰角、翻滚角、三维角速度、三维角加速度信息；b、 腕关节惯性传感器单元(303)，由倾角仪、陀螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置(116)固定在人体前臂靠近腕关节处，用来获取俯仰角、翻滚角、三维角速度、三维角加速度信息；c、 手部惯性传感器单元(302)，由倾角仪、陀螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置(115)固定在人体手部，用来获取俯仰角、翻滚角、三维角速度、三维角加速度信息；d、 肘关节屈/伸运动直流电机编码器(311)、肘关节旋内/外运动直流电机编码器(312)和腕关节屈/伸运动直流电机编码器(313)，分别用于测量肘关节屈/伸运动电机(201)、肘关节旋内/外运动电机(203)和腕关节屈/伸运动电机(205)的实际转动位置；e、 肘关节屈/伸运动力传感器(321)、肘关节旋内/外运动力传感器(322)和腕关节屈/伸运动力传感器(323)，分别用于测量肘关节屈/伸运动、肘关节旋内/外运动以及腕关节屈/伸运动的三维输出力矩；f、 人体手部的食指三维加速度传感器(331)、中指三维加速度传感器(332)，分别用于测量食指、中指的三维加速度值。
4. 根据权利要求1所述的穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人，其特征在于所述信号处理与控制系统包括信号处理系统(401)、信号控制系统(402)以及震颤激励系统(403);信号处理系统(401)是以TMS320VC5402为核心的16位DSP信号处理系统，通过GPIO 口实时采集肘关节、腕关节和手部运动信息；信号控制系统(402)是以IntelPXA270为核心的32位ARM10微处理器信号控制系统；震颤激励系统(403)用于执行信号控制系统(402)所产生的电机控制命令，利用SOFTING公司的CAN通信卡与MAXON EPOS电机驱动器进行通信，分别控制肘关节屈/伸运动直流电机、肘关节旋内/外运动直流电机、腕关节屈/伸运动直流电机。
5.根据权利要求1所述的穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人，其特征在于所述肘关节屈/伸运动直流电机系统(201)，肘关节旋内/外运动直流电机系统(203)，和腕关节屈/伸运动直流电机系统(205)，均采用MAX0N公司的EC-45盘式电机；所述肘关节屈/伸运动直流电机减速系统(202)，肘关节旋内/外运动直流电机减速系统(204)，腕关节屈/伸运动直流电机减速系统(206)均采用Harmonic减速器CSD-14-100-2UH。
专利摘要本实用新型公开一种穿戴型人体手臂震颤检测与抑制机器人，是用于震颤患者的手臂震颤运动检测以及抑制的机器人设备，其包括穿戴型外骨骼系统、震颤激励系统、震颤运动检测系统、信号处理与控制系统。穿戴型外骨骼系统通过柔性连接装置穿套在人体手臂；震颤激励系统包括用于实现肘关节屈/伸运动、用于实现肘关节旋内/外运动和用于实现腕关节屈/伸运动的直流电机系统；震颤运动检测系统包括多种类型的传感器，分别安装在机器人的上臂、前臂、肘部、腕部以及患者的手部；信号处理与控制系统通过柔性连接装置集中固定在人体前臂。本实用新型较好地解决震颤带给患者书写和餐饮等日常生活的不便问题，提高患者的生活质量。
文档编号A61B5/11GK201505138SQ200920186799
公开日2010年6月16日 申请日期2009年8月4日 优先权日2009年8月4日
发明者余永, 冯勇, 孙建, 孙玉苹, 宋全军, 曹会彬, 梁文渊, 王以俊, 葛运建, 陈仁兵 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院