腕关节康复智能机器人的制作方法

本发明属于康复机器人技术领域，具体地来说，是一种腕关节康复智能机器人。

背景技术：

近年来，传统机械学、生物医学、数据的发掘与收集、传感技术、智能控制技术、计算机技术及其他新兴技术的迅速发展，给生物医学工程(bme)领域的医用机器人技术带来了高速发展的契机，促进了医用领域的设备自动化和机器人化。

医用机器人结合了多个学科最新研究和发展的成果，应用于医学诊疗，康复等相关的医学领域。其中，康复机器人占据相当大的比例，如各种假肢、矫形器及用于恢复四肢功能性障碍的康复辅助医疗设备。尤其是服务于四肢的康复设备的研究和应用有着广阔的发展前景。

现有的腕手运动康复训练设备功能与设计上均存在着明显不足，运动模式单一，难以适应不同阶段的患肢的康复训练的功能需要，环境适应性较差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种腕关节康复智能机器人，具有反馈调节控制能力，适应不同阶段的患肢的康复训练，应用范围有效拓宽。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种腕关节康复智能机器人，包括手背附件、前臂附件、感测装置及用于连接所述手背附件与所述前臂附件的反馈作用装置，所述感测装置用于感测患肢的运动意图，所述反馈作用装置用于根据所述运动意图输出所述手背附件所需的驱动力/阻尼力，以实现所述患肢的腕关节康复运动。

作为上述技术方案的改进，所述反馈作用装置包括至少一个动力单元，所述动力单元包括平面连杆机构与阻尼器：

所述平面连杆机构一端铰接所述手背附件而形成第一铰接部，另一端铰接所述前臂附件而形成第二铰接部，所述第一铰接部与所述第二铰接部均为具有至少两个转动自由度的运动副；

所述阻尼器用于实现所述手背附件与所述前臂附件之间的阻尼作用。

作为上述技术方案的进一步改进，所述平面连杆机构包括依次铰接的第一连杆、第二连杆、第三连杆与第四连杆，所述手背附件与所述第一连杆铰接而形成所述第一铰接部，所述前臂附件与所述第四连杆铰接而形成所述第二铰接部，所述阻尼器一端连接于所述第二连杆的中部，另一端连接于所述所述第三连杆的中部，所述第四连杆连接有用于驱动其旋转的驱动源。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一连杆与所述第二连杆之间和/或所述第三连杆与所述第四连杆之间具有用于防止过冲的限位部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一连杆与所述第四连杆长度相等，所述第二连杆与所述第三连杆长度相等，所述第一连杆的长度小于所述第二连杆的长度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述反馈作用装置包括运算控制单元，用于根据所述感测装置的感测结果计算所需的调节量，并将计算结果输出至所述驱动源。

作为上述技术方案的进一步改进，所述反馈作用装置包括两个所述动力单元，不同动力单元的平面连杆机构之间相互垂直并分别连接同一手背附件与同一前臂附件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一铰接部与所述第二铰接部为球铰链或万向节。

作为上述技术方案的进一步改进，所述阻尼器为液压阻尼器或弹簧阻尼器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腕关节康复运动的桡偏不大于20°，尺偏不大于30°。

本发明的有益效果是：

通过感测装置感测患肢的运动意图而判断患肢的运动动力特性与康复阶段，通过反馈作用装置对应于患肢的运动动力特性反馈输出驱动力/阻尼力，实现患肢对应于其运动意图的康复训练，具有反馈调节控制能力而形成多种运动模式，满足处于不同阶段的患肢的康复运动目标，具有广泛的适应性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的腕关节康复智能机器人的产品结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的腕关节康复智能机器人的机构原理示意图；

图3是本发明实施例1提供的腕关节康复智能机器人的局部结构示意图。

主要元件符号说明：

1000-腕关节康复智能机器人，0100-手背附件，0200-前臂附件，0300-反馈作用装置，0310-动力单元，0311-平面连杆机构，0311a-第一连杆，0311b-第二连杆，0311c-第三连杆，0311d-第四连杆，0312-阻尼器，0313-第一铰接部，0314-第二铰接部，0315-驱动源，0320-运算控制单元，0321-运算器，0322-运动控制器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对腕关节康复智能机器人进行更全面的描述。附图中给出了腕关节康复智能机器人的优选实施例。但是，腕关节康复智能机器人可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对腕关节康复智能机器人的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在腕关节康复智能机器人的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～2，本实施例公开一种腕关节康复智能机器人1000，包括手背附件0100、前臂附件0200、感测装置及用于连接手背附件0100与前臂附件0200的反馈作用装置0300，具有对多种运动模式的适应性与精确的运动反馈控制能力，实现处于不同康复阶段的患肢的康复训练。

手背附件0100用于佩戴于手背，实现与患者患肢的手部的适应性固定。可以理解，手背附件0100具有可靠的结构强度，如采用钢、合金材料等制成，保证对患肢手部的支持。同时，手背附件0100与手背的接触部应当具有柔软材质，如采用硅胶、皮质、棉质等材料制成，保证穿戴舒适性。

前臂附件0200用于穿戴于前臂，实现与患者患肢的臂部的适应性固定。可以理解，前臂附件0200具有可靠的结构强度，如采用钢、合金材料等制成，保证于患肢手臂的可靠紧固。同时，前臂附件0200与前臂的接触部应当具有柔软材质，如采用硅胶、皮质、棉质等材料制成，保证穿戴舒适性。

感测装置用于感测患肢的运动意图。可以理解，感测装置包括用于感测患肢的运动动力参数的传感器，根据感测得到的运动动力参数值与临界值进行比较运算，从而判别患肢的运动意图。示范性地，该传感器可为用于测力的力传感器，亦可为用于测量速度的位移传感器，还可为用于测量加速度的加速度传感器，或者是测量其他运动动力参数的传感器类型。

传感器可与患肢直接接触而测量运动动力参数，例如设置于手背附件0100或前臂附件0200上，以直接获取反馈信号而实现感测。传感器亦可设置于手背附件0100与前臂附件0200之间，通过测量后二者之间的运动动力关系而获取所需的运动意图。

可以理解，对于不同的康复阶段或不同病情的患者，患肢具有不同的运动意图。相应地，不同的运动意图对应不同的临界值。通常地，可设置数值自小到大的第一临界值、第二临界值、第三临界值。

例如，在病情较为严重的阶段，患肢的自主运动能力基本丧失，无法对感测装置做出有效的自主反馈而造成运动动力信号微弱，使运动动力参数值小于第一临界值。

又如，在病情较轻的阶段，患肢虽存在运动障碍，但并未完全丧失运动能力，存在一定程度的力反馈作用，运动动力参数值处于第一临界值与第二临界值之间。

再如，在即将康复的阶段，患肢基本恢复运动能力，但相较健康状态仍存在一定的差距，使运动动力参数值大于第二临界值(可进一步设置上限即第三临界值，以区分健康肢体与患肢)。

反馈作用装置0300用于根据运动意图输出手背附件0100所需的驱动力/阻尼力，以实现患肢的腕关节康复运动。对于不同的康复阶段或不同病情的患者，患肢的腕关节康复运动并不相同，反馈作用装置0300相应起驱动牵引作用或阻尼。

例如，在患肢完全丧失自主运动的阶段，反馈作用装置0300输出所需的驱动力，驱动手背附件0100以实现手背附件0100相对于前臂附件0200的运动，使手背附件0100牵引的手背实现相对前臂的运动，最终实现患肢的腕关节康复运动。

又如，在患肢部分丧失自主运动的阶段，反馈作用装置0300同时输出驱动力与阻尼力，使患肢的腕关节得以实现预设的运动学目标，同时达到牵引运动与负载锻炼的效果。

再如，在患肢即将康复的阶段，反馈作用装置0300仅输出阻尼力，使患肢于阻尼条件下完成规定动作，实现负载锻炼的目的，保证腕关节的力量、关节活动范围与协调性逐渐提高至健康水平，最终达到康复。

示范性地，反馈作用装置0300包括至少一个动力单元0310，动力单元0310包括平面连杆机构0311与阻尼器0312。平面连杆机构0311一端铰接手背附件0100而形成第一铰接部0313，另一端铰接前臂附件0200而形成第二铰接部0314，实现作用力的输出。阻尼器0312用于实现手背附件0100与前臂附件0200之间的阻尼作用。

其中，第一铰接部0313与第二铰接部0314均为具有至少两个转动自由度的运动副，保证腕关节所需的桡偏、尺偏等康复运动的自由度。第一铰接部0313与第二铰接部0314的实现方式众多，示范性地，第一铰接部0313与第二铰接部0314为球铰链或万向节或其他形式。

平面连杆机构0311是由若干构件通过低副(转动副、移动副)连接组成的平面机构，其构件均位于同一平面内。平面连杆机构0311的类型众多，包括四杆机构、五杆机构、六杆机构等多种形式。

示范性地，平面连杆机构0311为四杆机构，包括依次铰接的第一连杆0311a、第二连杆0311b、第三连杆0311c与第四连杆0311d。手背附件0100与第一连杆0311a铰接而形成第一铰接部0313，前臂附件0200与第四连杆0311d铰接而形成第二铰接部0314。

阻尼器0312一端连接于第二连杆0311b的中部，另一端连接于第三连杆0311c的中部，以于手背附件0100与前臂附件0200之间施加阻尼作用，并保证第二连杆0311b与第三连杆0311c的结构稳定且二者的开合运动始终处于理想范围。当第二连杆0311b与第三连杆0311c转动开合时，阻尼器0312的两端之间的距离发生改变，从而使输出的阻尼力相应改变。

第四连杆0311d连接有用于驱动其旋转的驱动源0315，使第四连杆0311d具有自主旋转而充当主动件。驱动源0315的实现方式众多，包括驱动电机、液压泵等可以输出圆周运动的类型。

请参阅图3，示范性地，反馈作用装置0300包括运算控制单元0320，用于根据感测装置的感测结果计算所需的调节量(包括驱动源0315的输出扭矩、转速、转动角度等)，并将计算结果输出至驱动源0315，使驱动源0315对应输出目标扭矩并实现对应运动输出，使手背附件0100得以实现所需的运动结果。示范性地，运算控制单元0320包括用于运算调节量并生成控制指令的运算器0321(包括运算放大电路、微处理器、计算机等类型)与用于根据控制指令控制驱动源0315运动的运动控制器0322。

示范性地，第一连杆0311a与第二连杆0311b之间具有用于防止过冲的限位部。和/或，第三连杆0311c与第四连杆0311d之间具有用于防止过冲的限位部。示范性地，限位部可为限位凸起，形成转动极限位，避免转动角度过大。

其中，各杆件的长度根据实际所需的腕关节康复运动而定。例如，根据所需的桡偏范围、尺偏范围而定。示范性地，第一连杆0311a与第四连杆0311d为短杆，第二连杆0311b与第三连杆0311c为长杆。示范性地，第一连杆0311a与第四连杆0311d长度相等，第二连杆0311b与第三连杆0311c长度相等，第一连杆0311a的长度小于第二连杆0311b的长度。

示范性地，反馈作用装置0300包括两个动力单元0310，形成稳定的传动结构，可同步实现腕关节的各向运动与运动角度(如桡偏、尺偏)的精确控制。其中，不同的动力单元0310的平面连杆机构0311之间相互垂直并分别连接同一手背附件0100与同一前臂附件0200。进一步地，不同的动力单元0310的阻尼器0312之间平行布置，使阻尼力均沿同一方向作用，避免发生机构干涉。

例如，反馈作用装置0300具有两个平面连杆机构0311，不同的平面连杆机构0311所处的平面相互垂直，自相互垂直的方向实现对手背附件0100的驱动或阻尼输出。同时，相互垂直的约束作用，有效地保证手背附件0100相对于前臂附件0200的运动可靠性，使患肢的腕关节康复运动效果实现最佳。

示范性地，不同的动力单元0310的第一铰接部0313分居同一手背附件0100的不同表面，且不同的动力单元0310的第二铰接部0314分居同一前臂附件0200的不同表面。例如，不同的平面连杆机构0311的第一连杆0311a分居同一手背附件0100的两个垂直表面，第四连杆0311d分居同一前臂附件0200的两个垂直表面。

示范性地，腕关节康复运动的桡偏不大于20°，尺偏不大于30°，保证较佳的运动范围。可以理解，平面连杆机构0311的杆件之间的长度关系适应性地设计，以保证各连杆之间的开合范围而实现所需的桡偏与尺偏角度要求。

阻尼器0312的类型众多，示范性地，阻尼器0312为液压阻尼器或弹簧阻尼器(如气弹簧、金属弹簧等)。阻尼器0312与第二连杆0311b、第三连杆0311c的连接方式众多，包括固定连接、铰接等类型。示范性地，阻尼器0312两端分别铰接于第二连杆0311b的中部、第三连杆0311c的中部。

示范性地，腕关节康复智能机器人1000还包括经皮电刺激单元，用于对患肢输出电刺激信号并采集患肢的肌肉电信号。示范性地，经皮电刺激单元包括用于输出电刺激信号的电刺激模块与用于采集肌肉电信号的采集模块。具体而言，电刺激模块用于输出所需频率与强度的电信号，采集模块用于以电极输入患肢因电刺激而引起的肌肉电信号。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。