一种双臂康复训练机器人系统的制作方法

本发明涉及康复医疗技术，具体涉及一种双臂康复训练机器人系统。

背景技术：

传统的康复训练方式主要是康复理疗师给患者做康复，这需要大量的康复理疗师，并且康复训练中的动作力道，等级评判，康复效果都是根据理疗师的经验来进行判断，没有量化的数据，存在一定的差异性。目前，国内外针对脑卒中患者的上肢康复训练机器人研究，产品基本是针对单臂训练，控制方式是机械的带动患者患肢或者特定关节进行运动，患者不能改变设定的运动轨迹，运动中患者没有主动思维的活动，不利于脑神经康复，并且关节活动中没有实时的反馈患者当前的运动舒适度，运动不能根据患者的实时感受进行调节，有可能会对患者肌肉造成进一步的损伤。而患者在使用双臂康复训练机器人系统时，在康复中后期阶段可以先从康复理疗师那里学习标准康复动作，通过健康肢的运动带动患肢做同样的标准动作。运动过程中患者需要通过自己的思维来控制动作，思维活动可以进一步辅助患者脑损伤的康复，同时患肢的动作轨迹是隧动健康肢的，患者可以根据活动过程中的实际感受进行动作调节，随时停止，避免损伤。另外，相对于单臂系统，健康测手臂是不活动的，不利于肢体协调性康复；

基于上述诸多问题，现在亟需一种新的双臂康复训练机器人系统，能够把患者作为运动的决策者添加到系统中，而不是程式化的机械和程序；双臂同时参与训练，增加患者康复效果；患者可以成为主动者，康复训练根据自身情况可以个性定制，增加能动性，以及康复后迅速回归自身的生活；康复训练过程是独立的，不需要执行统一的路径规划，使康复运动更加符合自身的运动习惯；通过让患者自身来感受运动极限位置，而非设置统一的设定值，从而避免活动中不必要的拉伤和运动不到位的情况；在运动过程中患者出现疼痛等不适感，能够可以立即取消动作，避免程序式的机械操作强制性带动患肢运动。

技术实现要素：

本发明的目的是提供型材吊运的自动化吊具，以解决现有技术中吊具无法实现自动化的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种双臂康复训练机器人系统，包括机械系统，硬件控制系统和软件控制系统；

所述机械系统包括双臂康复训练机器人本体，控制柜，升降柱,和滑台；双臂康复训练机器人本体包括主动臂和被动臂；其中：主动臂包括依次连接的腕关节屈/伸结构，腕关节屈/伸角度传感器，前臂旋前/旋后角度传感器，前臂旋前/旋后结构，肘关节屈/伸结构，肘关节屈/伸角度传感器，肩关节水平内收/外展结构，肩关节水平内收/外展角度传感器，肩关节屈/伸角度传感器，肩关节屈/伸结构，肩关节内旋/外旋结构，肩关节内旋/外旋角度传感器，主动支撑臂；伺服电机包括第一到第六伺服电机；被动臂包括依次连接的被动支撑臂，第一伺服电机，肩关节内旋/外旋结构，第二伺服电机，肩关节屈/伸结构，第三伺服电机，肩关节水平内收/外展结构，第六伺服电机，肘关节屈/伸结构，第五伺服电机，前臂旋前/旋后结构，第四伺服电机，腕关节屈/伸结构；

控制柜用于放置和容纳硬件控制系统中的模块；

升降柱用于调整双臂康复训练机器人本体高度；

滑台可滑动的设置在升降柱上，用于支撑双臂康复训练机器人本体；

所述主动臂和被动臂是不完全对称结构，将被动臂作用于患肢，以使得所述患肢在伺服电机的驱动下被动运动，此时伺服电机为动力源；用于健康肢的主动臂由患者自身手臂作为动力源；

在进行康复训练之前，患者调整好姿势并进行机器人校准，运动过程由患者根据自身的感受和需求进行控制，患者通过移动健康侧手臂，带动主动臂运动，在硬件控制系统和软件控制系统的控制下，使得患肢关节实现和健康肢同样的动作；具体的：在康复训练前，患者调整到舒适的姿势，基于患者的姿势进行升降柱的升降调整，以使得双臂康复训练机器人本体的高度和患者身体高度相适应；使得双臂康复训练机器人本体在滑台上左右滑动，调整主动臂和被动臂之间的距离，从而使得双臂康复训练机器人本体和患者的姿势和体型相适应；患者启动运动过程，运动过程由患者根据自身的感受和需求进行控制，移动健康侧手臂，硬件控制系统采集主动臂关节处角度传感器数据，并将所述角度传感器数据发送给软件控制系统，所述软件控制系统对所述角度传感器数据进行数据转换以得到目标数值，并将包含所述目标数值的驱动命令发送给硬件控制系统，硬件控制系统驱动患肢关节处的伺服电机使得患肢关节运动以实现和健康肢同样的动作；采用延迟渐进策略进行数据转换。

进一步的，所述软件控制系统对所述角度传感器数据进行数据转换以得到目标数值，具体的：软件控制系统通过患者标识获取患者属性；患者属性包括患者康复训练的所进展到的康复阶段；基于所述康复阶段获取和所述康复阶段对应的辅助调整参数；所述软件控制系统设置有当前运动量计量器用于对当前运动量进行计量，在患者开始康复运动后，对所述当前运动量计量器初始化，并基于所述辅助调整参数和当前运动量对所述角度传感器数据进行转换以得到目标数值；所述角度传感器数据包括角度位置和旋转速度。

进一步的，基于所述康复阶段获取和所述阶段对应的辅助调整参数,具体为：软件控制系统中预先存储康复阶段和辅助调整参数之间的对应关系表，所述对应关系表为预设关系表，根据大数据分析统计获取，基于所述康复阶段查询对应关系表以获取和所述康复阶段对应的辅助调整参数；通过所述辅助调整参数，使得在初级康复阶段，将主动臂的运动幅度降低和放缓后传递给被动臂，而随着康复阶段的进展，逐渐将主动臂的运动幅度增强和加快后传递给被动臂。

进一步的，所述当前运动量用于标识所述患者在当次康复训练中已经完成的运动量；具体的：所述当前运动量等于患者在当次康复训练的持续时间、或患者在当次康复训练中主动臂各个关节累计运动次数、或等于各个关节累计运动次数除以当次康复训练的持续时间后再乘以当次康复训练的持续时间。

进一步的，基于所述辅助调整参数avar和当前运动量ctr对所述角度传感器数据进行转换以得到目标数值，具体为：所述角度传感器数据包括角度位置ap和旋转速度sp；所述目标数值包括目标角度位置dap和目标旋转速度dsp；

其中：为向上取整；def_crt为默认运动量调整值；所述默认运动量调整值设置为和患者运动阶段性感受相关的运动量值，通过不断的增加软件控制系统给予的补偿，实现补偿随着用户感受不断的进行实时调整。

进一步的，当数据转换后得到的dap大于角度上限阈值t_dap，和/或dsp大于速度上限阈值t_dsp，则将dap设置为t_dap，将dsp设置为t_dsp；其中:t_dap和t_dsp均为预设值；所述预设值根据患者忍受能力设置。

进一步的，所述角度位置为旋转或移动角度；其中：st为训练阶段标识，def_st为默认阶段调整值；所述默认阶段调整值用于转换辅调整参数,def_st为预设值。

进一步的，基于每次康复训练完毕后所获取的运动量累计值计算得到当前所处的康复阶段。

进一步的，直接将所述角度传感器数据中标识的角度位置和旋转速度作为患肢关节的目标数值。

进一步的，系统上电之后，患者的健康肢带动机械主动臂运动到默认的初始位置处，主动臂上的关节的角度传感器值根据运动角度实时变化，数据采集模块采集实时变化的角度传感器值，并将采集到的角度传感器值发送给电机控制模块，电机控制模块将接收到的角度传感器值作为对应被动臂上关节的目标位置输入值，运动过程中该值还将与伺服电机端的编码器数值做比较，形成闭环控制后将修正的值发送给伺服电机，控制伺服电机转动对应角度值，首次运动中会判断被动臂有没有运动到初始位置处，没有运动到指定位置，则结束运动，系统需要进一步矫正，当被动臂运动到与主动臂对应初始位置后，则进行康复训练动作，运动过程中，如果患者感受到手臂疼痛，可以主观停止主动臂的运动，则相应的被动臂也会做相同动作，停止运动

工作原理及显著效果：

能够把患者作为运动的决策者添加到系统中，而不是程式化的机械和程序；双臂同时参与训练，增加患者康复效果；患者可以成为主动者，康复训练根据自身情况可以个性定制，增加能动性，以及康复后迅速回归自身的生活；康复训练过程是独立的，不需要执行统一的路径规划，使康复运动更加符合自身的运动习惯；通过让患者自身来感受运动极限位置，而非设置统一的设定值，从而避免活动中不必要的拉伤和运动不到位的情况；在运动过程中患者出现疼痛等不适感，能够可以立即取消动作，避免程序式的机械操作强制性带动患肢运动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的双臂康复训练机械人机械结构示意图；

图2是本发明的双臂康复训练机器人被动臂结构示意图；

图3是本发明的一种软件操作系统和硬件控制系统的控制实施方式示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图1-图3，本发明一种双臂康复训练机器人系统，包括机械系统，硬件控制系统和软件控制系统。

所述机械系统包括双臂康复训练机器人本体，控制柜17，升降柱16,和滑台15；双臂康复训练机器人本体包括主动臂和被动臂；其中：主动臂包括依次连接的腕关节屈/伸结构1，腕关节屈/伸角度传感器2，前臂旋前/旋后角度传感器3，前臂旋前/旋后结构4，肘关节屈/伸结构5，肘关节屈/伸角度传感器6，肩关节水平内收/外展结构7，肩关节水平内收/外展角度传感器8，肩关节屈/伸角度传感器9，肩关节屈/伸结构10，肩关节内旋/外旋结构11，肩关节内旋/外旋角度传感器12，主动支撑臂13；伺服电机包括第一到第六伺服电机；被动臂包括依次连接的被动支撑臂14，第一伺服电机18，肩关节内旋/外旋结构19，第二伺服电机20，肩关节屈/伸结构29，第三伺服电机21，肩关节水平内收/外展结构28，第六伺服电机26，肘关节屈/伸结构27，第五伺服电机25，前臂旋前/旋后结构24，第四伺服电机22，腕关节屈/伸结构23；

控制柜用于放置和容纳硬件控制系统中的器件和设备；

升降柱用于调整双臂康复训练机器人本体高度，满足不同患者的对高度和姿势的需求；

滑台15可滑动的设置在升降柱上，用于支撑双臂康复训练机器人本体，并使得双臂康复训练机器人本体能够沿着滑台15滑动；通过所述滑动能够使得双臂康复训练机器人本体能够和康复对象的体型和姿势相适应；

硬件控制系统包括电源模块，io模块，数据采集模块，工控机；其中：电源模块给io模块，数据采集模块，工控机，机械系统中的伺服电机提供电力；io模块用于采集被动臂上的急停控制数据；数据采集模块用于采集主动臂上的传感器数据；工控机用于运行软件控制系统，工控机是软件控制系统实现的硬件平台，用于发出驱动指令，并用所述驱动指令控制伺服电机运动，并将编码器数据反馈回工控机；

优选的：所述工控机是微处理模块；工控机基于所反馈的编码器数据进行闭环控制；在出现急停按钮被按下的时候，io模块将采集到的急停信号反馈给工控机，工控机执行设置好的急停指令，停止伺服电机的转动并去除使能信号，被动臂根据重力作用，恢复到默认状态；所述伺服电机为第一到第六伺服电机；

软件控制系统包括操作系统模块，实时内核模块，电机控制模块，数据获取模块，数据库管理模块；其中：操作系统模块用于管理系统任务；实时内核模块用于管理实时任务；数据获取模块用于获取硬件控制系统的数据采集模块和io模块所采集的数据；电机控制模块用于接收数据获取模块所获取的数据，并将所述数据发送给电机控制模块以进行伺服电机控制；数据库管理系统用于实现人机交互及康复过程中的数据的管理。

优选的：io模块将采集到的急停信号通过数据获取模块反馈给工控机上的软件控制系统，软件控制系统中实时内核模块发出设置好的急停指令，并将所述急停指令发送给硬件控制系统，硬件控制系统停止伺服电机的转动并去除使能信号；

所述机器人的主动臂和被动臂是不完全对称结构，将被动臂作用于患肢，以使得所述患肢在伺服电机的驱动下被动运动，此时伺服电机为动力源；用于健康肢的主动臂由患者自身手臂作为动力源；通过这种不完全对称结构相对于双臂都采用电机控制更加节省成本，控制更加方便；

在进行康复训练之前，患者调整好姿势并进行机器人校准，运动过程由患者根据自身的感受和需求进行控制，患者通过移动健康侧手臂，带动主动臂13运动，在硬件控制系统和软件控制系统的控制下，使得患肢关节实现和健康肢同样的动作；具体的：在康复训练前，患者调整到舒适的姿势，基于患者的姿势进行升降柱的升降调整，以使得双臂康复训练机器人本体的高度和患者身体高度相适应；使得双臂康复训练机器人本体在滑台15上左右滑动，调整主动臂和被动臂之间的距离，从而使得双臂康复训练机器人本体和患者的姿势和体型相适应；患者启动运动过程，运动过程由患者根据自身的感受和需求进行控制，移动健康侧手臂，硬件控制系统采集主动臂关节处角度传感器数据，并将所述角度传感器数据发送给软件控制系统，所述软件控制系统对所述角度传感器数据进行数据转换以得到目标数值，并将包含所述目标数值的驱动命令发送给硬件控制系统，硬件控制系统驱动患肢关节处的伺服电机使得患肢关节运动以实现和健康肢同样的动作；

所述软件控制系统对所述角度传感器数据进行数据转换以得到目标数值，具体的：采用延迟渐进策略进行数据转换；软件控制系统通过患者标识获取患者属性；患者属性包括患者康复训练的所进展到的康复阶段；基于所述康复阶段获取和所述康复阶段对应的辅助调整参数；所述软件控制系统设置有当前运动量计量器用于对当前运动量进行计量，在患者开始康复运动后，对所述当前运动量计量器初始化，并基于所述辅助调整参数和当前运动量对所述角度传感器数据进行转换以得到目标数值；所述角度传感器数据包括角度位置和旋转速度；

基于所述康复阶段获取和所述阶段对应的辅助调整参数,具体为：软件控制系统中预先存储康复阶段和辅助调整参数之间的对应关系表，所述对应关系表为预设关系表，根据大数据分析统计获取，基于所述康复阶段查询对应关系表以获取和所述康复阶段对应的辅助调整参数；通过所述辅助调整参数，使得在初级康复阶段，将主动臂的运动幅度降低和放缓后传递给被动臂，而随着康复阶段的进展，逐渐将主动臂的运动幅度增强和加快后传递给被动臂；

所述当前运动量用于标识所述患者在当次康复训练中已经完成的运动量；具体的：所述当前运动量等于患者在当次康复训练的持续时间、或患者在当次康复训练中主动臂各个关节累计运动次数、或等于(各个关节累计运动次数除以当次康复训练的持续时间)乘以当次康复训练的持续时间；

基于所述辅助调整参数avar和当前运动量ctr对所述角度传感器数据进行转换以得到目标数值，具体为：所述角度传感器数据包括角度位置ap和旋转速度sp；所述目标数值包括目标角度位置dap和目标旋转速度dsp；

其中：为向上取整；def_crt为默认运动量调整值；所述默认运动量调整值设置为和患者运动阶段性感受相关的运动量值，例如：患者弯曲1000次感觉有累的感受，可以将运动量调整值设置为1000次；随着当前运动量的增加，不断的增加软件控制系统给予的补偿，实现补偿随着用户感受不断的进行实时调整，大大的提高了用户体验；

优选的：当数据转换后得到的dap大于角度上限阈值t_dap，dsp大于速度上限阈值t_dsp，则将dap设置为t_dap，将dsp设置为t_dsp；其中:t_dap和t_dsp均为预设值；所述预设值根据患者忍受能力设置；

优选的：所述角度位置为旋转或移动角度；

其中：st为训练阶段标识，例如st＝1表示第1训练阶段；def_st为默认阶段调整值；所述默认阶段调整值用于转换辅调整参数；例如：对于总的训练阶段为9个阶段的训练计划，将默认阶段调整值设置为4；所述康复阶段标识患者当前所处的康复阶段，所述康复阶段由医生设置、根据患者之前已经完成的康复计划来设置；在早期康复阶段，患者健康肢运动的幅度和速度对于患肢来说可能无法承受，因此需要根据康复阶段本身来进行幅度和速度的延迟和减少，而随着康复阶段的进展，患肢的敏感性降低可以跟上健康肢的幅度和速度，延迟和减少就不需要了，通过辅助调整参数avar可以实现该基于康复阶段的调整；

考虑到用户需要使用健康肢带动患肢，相对于自动控制方法来说，一方面对患者的体力有一定的要求，如果不加干预会使得患者在进行持续的训练决策时有心无力；另一方面，对患者的控制精度有一定的要求；因此采用考虑患者体力和康复进程的延迟渐进策略进行数据转换；所述延迟渐进策略基于患者康复训练的阶段进展和患者的体力情况进行循序渐进的控制；

优选的：基于每次康复训练完毕后所获取的运动量累计值计算得到当前所处的康复阶段；

优选的：将所述角度传感器数据中标识的角度位置作为患肢关节的目标数值；

优选的：所述数据转换由操作系统模块分配任务完成；

硬件控制系统驱动患肢关节处的伺服电机使得患肢关节运动，具体为：硬件控制系统驱动患肢关节到达目标数值；

一种软件操作系统和硬件控制系统的控制实施方式如附图3所示，系统上电之后，患者的健康肢带动机械主动臂运动到默认的初始位置处，主动臂上的关节角度电位器数据值根据运动角度实时变化，数据采集软件采集实时变化的电位器角度值，并将采集到的角度值发送给运动控制模块，运动控制模块将接收到的角度值作为对应被动臂上关节的目标位置输入值，运动过程中该值还将与电机端的编码器数值做比较，形成闭环控制后将修正的值发送给伺服电机，伺服电机将位置值处理后发送给执行件伺服电机，控制伺服电机转动对应角度值，首次运动中会判断被动臂有没有运动到初始位置处，是系统初始化的判定，没有运动到指定位置，则结束运动，系统需要进一步校订，当被动臂运动到与主动臂对应初始位置后，则进行康复训练动作，运动过程中，如果患者感受到手臂疼痛，可以主观停止主动臂的运动，则相应的被动臂也会做相同动作，停止运动。

所述硬件控制系统采集主动臂关节处角度传感器数据，并将所述角度传感器数据发送给软件控制系统，所述软件控制系统进行数据转换并发送驱动命令给硬件控制系统，硬件控制系统驱动患肢关节运动以实现和健康肢同样的动作，具体为：(1)患者活动腕关节屈/伸时，带动腕关节屈/伸结构1转动，控制柜17中的数据采集模块将腕关节屈/伸角度传感器2的数值传送给控制柜17中的工控机，工控机通过数据转换控制伺服电机22转动对应角度，带动被动臂14中的腕关节屈/伸结构23转动与腕关节结构1相同的角度；(2)患者活动肘关节屈/伸时，带动肘关节屈/伸结构5转动，控制柜17中的数据采集模块将肘关节屈/伸角度传感器6的数值传送给控制柜17中的伺服电机，伺服电机通过数据转换控制伺服电机26转动对应角度，带动被动臂14中的肘关节屈/伸结构27转动与肘关节屈/伸结构5相同的角度；(3)患者活动前臂旋前/旋后时，带动前臂旋前/旋后结构4转动，控制柜17中的数据采集模块将前臂旋前/旋后角度传感器3的数值传送给控制柜17中的伺服电机，伺服电机通过数据转换控制伺服电机25转动对应角度，带动被动臂14中的前臂旋前/旋后结构24转动与前臂旋前/旋后结构4相同的角度；(4)患者活动肩关节屈/伸时，带动肩关节屈/伸结构10转动，控制柜17中的数据采集模块将肩关节屈/伸角度传感器9的数值传送给控制柜17中的伺服电机，伺服电机通过数据转换控制伺服电机20转动对应角度，带动被动臂14中的肩关节屈/伸结构29转动与肩关节屈/伸结构10相同的角度；(5)患者活动肩关节水平内收/外展时，带动肩关节水平内收/外展结构7转动，控制柜17中的数据采集模块将肩关节水平内收/外展角度传感器8的数值传送给控制柜17中的伺服电机，伺服电机通过数据转换控制伺服电机21转动对应角度，带动被动臂14中的肩关节水平内收/外展结构28转动与肩关节水平内收/外展结构7相同的角度；(6)患者活动肩关节内旋/外旋时，带动肩关节内旋/外旋结构11转动，控制柜17中的数据采集模块将肩关节内旋/外旋角度传感器12的数值传送给控制柜17中的伺服电机，伺服电机通过数据转换控制伺服电机18转动对应角度，带动被动臂14中的肩关节内旋/外旋结构19转动与肩关节内旋/外旋结构11相同的角度；

本发明所提出的一种双臂康复训练机器人系统中，机器人的左右臂是不完全对称结构，并可以自由在主动，被动模式之间切换，用于患肢的外骨骼机械臂是由电机作为动力源，带动患肢运动；用于健康肢的外骨骼机械臂由患者自身手臂作为动力源。这种不完全对称结构相对于双臂都采用电机控制更加节省成本，控制更加方便。运动过程中患者是决策者，通过主观意识控制健康肢的运动，控制系统采集健康肢关节处角度传感器数据，并作为患肢关节的目标位置，驱动患肢关节运动到目标位置，实现和健康肢同样的动作。所述系统中患者是训练动作的决策者，而不是固化的程序，因为每个患者症状程度不同，关节运动极限范围不同，固化的程序执行固定的运动轨迹，不会实时处理活动过程中肌肉或者关节产生的疼痛。通过让患者主动参与到运动中，关节活动角度根据患者自身进行调整，并自主决定运动的开始和结束，避免运动过程中的肌肉二次受伤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。