专利名称：坐卧式下肢康复机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及康复医疗器械技术领域，具体涉及ー种坐卧式下肢康复机器人。
背景技术：
脊髄损伤和中风是导致神经系统损伤并进而导致瘫痪的两大主要原因，神经系统损伤之后适当的康复训练可以减轻或避免残疾。根据神经系统可塑性原理，目前临床上常用的治疗方法包括物理疗法、作业疗法、运动疗法等，然而，国内绝大多数康复医院仍然借助于人工或简单的被动康复医疗设备进行以上治疗，不仅康复效率低下，而且治疗师的劳 动强度大，限制了患者的训练时间。利用康复机器人技术进行主动康复训练是康复领域未来的发展趋势，尽管国内很多研究机构已相继研究了各种类型的康复机器人，但大多数机器人仍然只能进行被动训练或简单的主动训练。利用生物电信号对患者的运动意图进行模式识别，井根据识别结果完成对机器人相应动作的控制是康复机器人研究的一个热点方向，然而这种方式只能对特定的几种运动模式进行控制，不能实时激发患者的主动运动愿望。另外，利用低频电流刺激失去神经控制的肌肉的功能性电刺激疗法，可以使肌肉收缩，然而这种方法仍然是在患者保持静止状态下进行的，具有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于为脊髓损伤或中风患者提供一种坐卧式下肢康复机器人，能够集被动训练、助力训练和主动训练为一体的辅助或者进行康复训练，以适应不同的患者或不同的康复阶段，从而提高患者的积极性，并改善其康复进程。本发明提出的一种坐卧式下肢康复机器人，其特征在于，该机器人包括座椅7、两条机械臂3、主エ控箱2、人机交互界面I、电刺激手握开关4、多个电刺激电极片5、多个肌电信号采集电极片6、功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱8，其中，每条机械臂3有三个关节，分别对应人体下肢的髋、膝、踝三个关节；所述主エ控箱2用以控制机器人各关节的运动、电刺激的強度以及采集机器人相关的传感信息，包括关节角度信号和肌电信号；所述人机交互界面I用于供用户输入、选择运动參数、对康复训练进行智能监控和数据管理；所述电刺激手握开关4用以控制电刺激信号的通断；所述功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱8安装在靠近人体下肢的座椅7的下部，以方便其输出部件和输入部件与人体肌肉进行连接，所述输出部件为所述电刺激电极片5，所述输入部件为所述肌电信号采集电极片6，所述功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱8用以接收来自主エ控箱2的电刺激强度控制指令和肌电信号采集指令、解析主エ控箱2的指令并控制电刺激脉冲的输出，同时对通过肌电信号采集电极片6实时采集得到的肌电信号进行处理，然后将经过处理后的肌电信号传送给主エ控箱2 ；
所述电刺激电极片5和肌电信号采集电极片6均粘贴在需要训练的肌肉的肌腹位置上，分别用来对肌肉进行电刺激和采集相应肌肉的肌电信号。本发明所涉及的坐卧式下肢康复机器人能够提供被动训练、助力训练、主动训练多种康复训练模式，有机地结合了物理疗法、作业疗法和运动疗法的特点，具有表面肌电信号信号采集和功能性电刺激功能，解决了现有技术只能进行被动训练的缺点，能极大程度地提高患者主动參与的积极性，并改善其康复进程。
图I是根据本发明实施例的坐卧式下肢康复机器人的结构图；图2是根据本发明实施例的电气控制系统总体结构框图；
图3是本发明利用康复机器人辅助患者进行被动训练的控制方法流程图；图4是本发明利用康复机器人对患者进行助力训练的控制方法流程图；图5是本发明利用康复机器人对患者进行主动训练的控制方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。图I是根据本发明实施例的坐卧式下肢康复机器人的结构图，如图I所示，本发明的坐卧式下肢康复机器人由机械本体和电气控制系统两部分组成，其中，机械本体包括座椅7和两条机械臂3，每条机械臂3有三个自由度(关节)，分别对应人体下肢的髋、膝、踝三个关节，所述机械臂的自由度也称为机器人的关节或是机械臂的关节；电气控制系统包括主エ控箱2、人机交互界面I、电刺激手握开关4、多个电刺激电极片5、多个肌电信号采集电极片6、功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱8。所述人机交互界面I进ー步为触摸屏，用于供用户输入、选择运动參数、对康复训练进行智能监控和数据管理；主エ控箱2是机器人运动控制的核心，用以控制机器人各自由度的运动、电刺激的強度和采集机器人相关的传感信息，包括关节角度信号和肌电信号等；电刺激手握开关4由用户，比如患者或治疗师，手持用以控制电刺激信号的通断，只有当手握开关按下吋，电刺激信号才能被传递至患者的肌肉；电刺激电极片5和肌电信号采集电极片6均粘贴在患者需要训练的肌肉的肌腹位置上，分别用来对肌肉进行电刺激和采集相应肌肉的肌电信号；功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱8安装在靠近人体下肢的座椅7的下部，以方便其输出部件和输入部件电刺激电极片5 (输出部件)和肌电信号米集电极片6(输入部件)，与人体肌肉进行连接，其内部包含16通道的肌电信号前置放大滤波器和隔离电路板、16通道的功能性电刺激驱动电路板及驱动电源，所述功能性电刺激エ控箱8 一方面接收来自主エ控箱2的电刺激强度控制指令和肌电信号采集指令，另ー方面负责解析主エ控箱2的指令并控制电刺激脉冲的输出，同时对通过肌电信号采集电极片6实时采集得到的肌电信号进行信号放大、滤波、光耦隔离及模数转换处理，然后将经过上述处理后的肌电信号传送给主エ控箱2。
所述主エ控箱2包括上位机PC104、通过数据总线与上位机PC104进行通信的左运动控制卡和右运动控制卡(如图2所示)、与所述左运动控制卡通过相应的接ロ连接的左髋关节驱动器、左膝关节驱动器、左踝关节驱动器、与所述右运动控制卡通过相应的接ロ连接的右髋关节驱动器、右膝关节驱动器、右踝关节驱动器、与所述左髋关节驱动器连接的左髋电机/编码器、与所述左膝关节驱动器连接的左膝电机/编码器、与所述左踝关节驱动器连接的左踝电机/编码器、与所述右髋关节驱动器连接的右髋电机/编码器、与所述右膝关节驱动器连接的右膝电机/编码器、与所述右踝关节驱动器连接的右踝电机/编码器、通过USB接ロ总线与上位机PC104进行通信的数字信号输入输出DIDO数字信号采集卡和A/D转换卡、与所述DIDO数字信号采集卡连接的光耦隔离电平转换电路板、与所述光耦隔离电平转换电路板连接的安装在机器人内部各关节位置的多个绝对位置编码器、与所述A/D转换卡连接的表面肌电光耦隔离卡、与所述表面肌电光耦隔离卡连接的多个肌电信号前置放大滤波器，所述电机/编码器包括安装在一起的电机和编码器，所述编码器进ー步为光电编码器。图2是根据本发明实施例的电气控制系统总体结构框图，如图2所示，本发明的电 气控制系统以PC104为核心，并通过PC104数据总线分别与主エ控箱2中的左、右运动控制卡进行通信，通过USB接ロ分别与主エ控箱2中的DIDO数字信号采集卡和A/D转换卡进行通信，通过RS232串ロ与功能性电刺激仪进行通信，通过VGA接ロ与人机交互界面I进行通信，通过相应的接ロ分别与存储设备、复位电路、键盘鼠标连接，还可与以太网连接。所述功能性电刺激仪包括中央控制器、底层控制器、桥式恒流电源、直流升压单元和电池，其中，电池通过直流升压单元为中央控制器、底层控制器和桥式恒流电源供电。所述髋、膝、踝关节驱动器用于接收上位机PC104通过相应运动控制卡发出的指令，并直接驱动相应的电机/编码器中的电机，而电机/编码器中的编码器产生的关于各关节电机的角度信息的光电编码器信号依次反馈到相应的关节驱动器和运动控制卡中，上位机可以从相应的运动控制卡中读取该光电编码器信号。安装在机器人各关节上的多个绝对位置编码器产生的信号经过光耦隔离电平转换板的光耦隔离电平转换之后传递到DIDO数字信号采集卡，再由PC104进行读取。肌电信号采集电极片6采集到的肌电信号首先经过相应的肌电信号前置放大滤波器进行放大滤波之后，输入到表面肌电光耦隔离卡内进行隔离，然后由A/D转换卡进行模数转换，再由PC104进行读取。PC104通过RS232串ロ发送电刺激指令到功能性电刺激仪，并经功能性电刺激仪内部的中央控制器解析之后输出特定強度的电刺激脉冲到电刺激电极片5，使患者相应部位的肌肉收缩。利用本发明的机器人对患者进行康复训练吋，患者斜躺在机器人座椅7上，将患者的双侧下肢分别与机器人的两条机械臂3进行固定，然后通过下文描述的控制方法实现不同的康复训练。本发明可以通过肌电信号采集、功能性电刺激以及相应的运动控制系统实现复杂的康复训练，如被动训练、主动训练和助力训练，以适应不同康复阶段患者的需求。图3是本发明利用上述康复机器人辅助患者进行被动训练的控制方法流程图，如图3所示，本发明还可以利用上述康复机器人辅助患者进行被动训练，在被动训练过程中，由治疗师或患者通过人机交互界面设定运动轨迹，而后由机器人带动患者下肢进行训练。本发明利用上述康复机器人辅助患者进行被动训练的控制方法包括以下几个步骤步骤1，患者斜躺在康复机器人的座椅上，将患者的双侧下肢分别与康复机器人的两条机械臂进行固定；步骤2，针对患者所处康复的早、中期，包括软瘫期和痉挛期，用户，比如临床治疗师或患者，通过人机交互界面选择适合患者的末端运动轨迹，如踏车运动、蹬踏运动、单关节运动等，并设定选择的末端运动轨迹的相关参数，所述踏车运动末端运动轨迹的相关参数包括速度、轨迹半径和训练时间，所述蹬踏运动末端运动轨迹的相关参数包括周期、直线距离和训练时间，所述单关节运动包括起始位置、终点位置、周期和训练时间；
步骤3，上位机PC104根据所设定的末端运动轨迹的相关参数计算出机器人的机械臂的各关节的期望初始位置，通过DIDO数字信号采集卡读取绝对位置编码器采集到的机械臂各关节的当前实际位置，并根据期望初始位置与当前实际位置的位置偏差产生速度指令和位置指令信号，并将速度指令和位置指令信号发送至相应的运动控制卡进行复位，所述的位置指令大小为位置偏差，所述的速度指令一方面取决于位置偏差，另一方面取决于所设定的复位时间，复位时间为机器人从当前位置运动到期望初始位置所用的时间；步骤4，运动控制卡根据接收到的速度指令和位置指令信号输出特定频率的脉冲和方向信号到相应的关节驱动器，关节驱动器根据接收到的脉冲和方向信号产生驱动电流，驱动相应的电机/编码器中的电机进行相应的运动，使机械臂各关节运动到所述期望初始位置，同时，相应的电机/编码器中的编码器通过相应的关节驱动器、运动控制卡实时向上位机反馈各关节电机的角度信息，以基于通用的闭环控制原理控制和调节驱动电流，使机器人各关节准确地按照规划位置和速度运动；所述角度信息信号还可以反馈到人机交互界面中，以实时地显示各关节的速度和位置信息；所述驱动电流的产生进一步为关节驱动器根据接收到的脉冲和方向信号，通过现有技术中通用的比例-积分-微分(PID)控制方法来产生驱动电流。步骤5，机械臂各关节运动到所述期望初始位置之后，PC104进行轨迹规划，根据选择的末端运动轨迹计算出各关节的期望轨迹；如果以髋关节转轴为圆心，建立直角坐标系，以踝关节的转轴为末端，则机器人的正向运动学方程可描述为
,r = /1 < < >卜I: f/i,. j, I + /j ( I Hf,( I\.'.'
I I = /1 Mill! P ) — h-— "In )其中，(x,y)为当髋关节和膝关节角度分别为9_和0 _，大腿长度和小腿长度分别为I1和I2时，踝关节转轴在直角坐标系中的位置。对该方程进行逆向运动学求解，可求得如下逆向运动学方程
权利要求
1.一种坐卧式下肢康复机器人，其特征在于，该机器人包括座椅(7)、两条机械臂(3)、主エ控箱(2)、人机交互界面(I)、电刺激手握开关(4)、多个电刺激电极片(5)、多个肌电信号采集电极片出)、功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱(8)，其中， 每条机械臂(3)有三个关节，分别对应人体下肢的髋、膝、踝三个关节； 所述主エ控箱(2)用以控制机器人各关节的运动、电刺激的強度以及采集机器人相关的传感信息，包括关节角度信号和肌电信号； 所述人机交互界面(I)用于供用户输入、选择运动參数、对康复训练进行智能监控和数据管理； 所述电刺激手握开关⑷用以控制电刺激信号的通断； 所述功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱(8)安装在靠近人体下肢的座椅(7)的下 部，以方便其输出部件和输入部件与人体肌肉进行连接，所述输出部件为所述电刺激电极片(5)，所述输入部件为所述肌电信号采集电极片出)，所述功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱(8)用以接收来自主エ控箱(2)的电刺激强度控制指令和肌电信号采集指令、解析主エ控箱(2)的指令并控制电刺激脉冲的输出，同时对通过肌电信号采集电极片(6)实时采集得到的肌电信号进行处理，然后将经过处理后的肌电信号传送给主エ控箱(2); 所述电刺激电极片(5)和肌电信号采集电极片(6)均粘贴在需要训练的肌肉的肌腹位置上，分别用来对肌肉进行电刺激和采集相应肌肉的肌电信号。
2.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述人机交互界面(I)为触摸屏。
3.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱(8)包含16通道的肌电信号前置放大滤波器和隔离电路板、16通道的功能性电刺激驱动电路板及驱动电源。
4.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述功能性电刺激和肌电信号采集エ控箱(8)对肌电信号进行的处理包括放大、滤波及光耦隔离。
5.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述主エ控箱(I)包括上位机PC104、通过数据总线与上位机PC104进行通信的左运动控制卡和右运动控制卡、与所述左运动控制卡通过相应的接ロ连接的左髋关节驱动器、左膝关节驱动器、左踝关节驱动器、与所述右运动控制卡通过相应的接ロ连接的右髋关节驱动器、右膝关节驱动器、右踝关节驱动器、与所述左髋关节驱动器连接的左髋电机/编码器、与所述左膝关节驱动器连接的左膝电机/编码器、与所述左踝关节驱动器连接的左踝电机/编码器、与所述右髋关节驱动器连接的右髋电机/编码器、与所述右膝关节驱动器连接的右膝电机/编码器、与所述右踝关节驱动器连接的右踝电机/编码器、通过USB接ロ总线与上位机PC104进行通信的数字信号输入输出DIDO数字信号采集卡和A/D转换卡、与所述DIDO数字信号采集卡连接的光耦隔离电平转换电路板、与所述光耦隔离电平转换电路板连接的安装在机器人内部各关节位置的多个绝对位置编码器、与所述A/D转换卡连接的表面肌电光耦隔离卡、与所述表面肌电光耦隔离卡连接的多个肌电信号前置放大滤波器； 所述电机/编码器包括安装在一起的电机和编码器。
6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述编码器进ー步为光电编码器。
7.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述上位机通过PC104数据总线分别与主エ控箱(2)中的运动控制卡进行通信；通过USB接ロ分别与主エ控箱(2)中的DIDO数字信号采集卡和A/D转换卡进行通信；所述上位机通过RS232串ロ与功能性电刺激仪进行通信，通过VGA接ロ与人机交互界面(I)进行通信，通过相应的接ロ分别与存储设备、复位电路、键盘鼠标连接，还能够与以太网连接。
8.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述髋、膝、踝关节驱动器用于接收上位机PC104通过相应运动控制卡发出的指令，并直接驱动相应的电机/编码器中的电机，而电机/编码器中的编码器产生的关于各关节电机的角度信息的光电编码器信号依次反馈到相应的关节驱动器和运动控制卡上，上位机可以从相应的运动控制卡中读取·该光电编码器信号; 所述多个绝对位置编码器信号经过光耦隔离电平转换之后传递到DIDO数字信号采集卡，再由上位机PC104进行读取。
9.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述肌电信号采集电极片(6)采集到的肌电信号首先经过相应的肌电信号前置放大滤波器进行放大滤波之后，输入到表面肌电光耦隔离卡内进行隔离，然后由A/D转换卡进行模数转换，再由上位机PC104进行读取。
10.根据权利要求I所述的机器人，其特征在于，所述上位机PC104通过RS232串ロ发送电刺激指令到功能性电刺激仪，并经功能性电刺激仪内部的中央控制器解析之后输出特定强度的电刺激脉冲到电刺激电极片(5)，使肌肉收缩。
全文摘要
本发明公开了一种坐卧式下肢康复机器人，可以根据患者的损伤程度或康复阶段分别进行被动训练、助力训练或主动训练。所述机器人包括座椅、机械臂、主工控箱、人机交互界面、电刺激手握开关、电刺激电极片、肌电信号采集电极片、功能性电刺激和肌电信号采集工控箱。被动训练时，患者下肢按照设定运动轨迹进行训练；助力训练时，对患者下肢的主要肌群施加电刺激脉冲，根据末端的运动轨迹对电刺激脉冲进行时序控制，完成助力训练；主动训练时，采集患者相应肌肉的肌电信号，根据不同的控制算法实现由患者带动机器人的主动训练。本发明将传统的物理疗法、作业疗法、运动疗法进行有机的结合，能够有效地改善患者的康复效果，增强患者主动参与的愿望。
文档编号A61H1/00GK102727361SQ20121022599
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者侯增广, 张峰, 张新超, 李鹏峰, 王卫群, 王洪波, 程龙, 胡国清, 胡进, 谭民, 陈翼雄 申请人:中国科学院自动化研究所