一种上肢综合评估与康复训练机器人的制作方法

本实用新型涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种上肢综合评估与康复训练机器人。

背景技术：

康复机器人技术是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术，是机器人技术在医学领域的新应用。

目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一，康复机器人技术作为机器人技术在医学领域的新应用，在减轻治疗师工作量的同时使康复过程量化，已经受到了广泛的认可和好评。

通过康复机器人实现被动训练，既有效地避免穿戴者因缺乏运动而造成的肌肉萎缩问题，又有效的提高穿戴者的康复效果，但就目前而言，上肢外骨骼机器人还存在着一些弊端和不及。

上肢康复患者主要是由于脑血管病、脑外伤等病因导致上肢失去活动能力，为防止肌肉萎缩，现有的康复往往是借助外力被动运动进行康复训练，应用的康复训练器械运动模式单一，智能化不足，患者容易感到疲劳枯燥。

综上，如何有效地解决上肢康复器械使用不便、运动模式单一的问题，研发出一款可协助治疗师对患者进行更全面的综合评估和康复训练的上肢康复机器人是目前本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种上肢综合评估与康复训练机器人，其使用简单，运动模式丰富，执行与反馈的互相作用能够协助治疗师对患者进行更全面的综合评估和康复训练。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种上肢综合评估与康复训练机器人，包括具有多个运动关节、用以实现在三维空间内运动的机器人本体；还包括多个分别设于每一关节、用以分别控制关节的旋转角度的执行装置；位于末端的运动关节设有用以供患者握持并实现上肢在空间中的预设运动的手托部件。

优选地，还包括：

多个分别设于每一关节、用以检测关节的旋转角度的角度传感器；

设于手托部件、用以检测患者施加于手托部件的作用力的力传感器。

优选地，还包括：

与全部角度传感器相连、用以根据全部角度传感器检测到的旋转角度计算得到全部运动关节位置的位置计算部件；

与位置计算部件和力传感器相连、用以根据全部运动关节的位置以及患者施加于手托部件的作用力计算得到全部运动关节的期望运动角度的角度计算部件；

与角度计算部件相连、用以控制全部运动关节按照计算得到的全部期望运动角度进行旋转的角度控制部件。

优选地，

机器人本体还包括底座、垂直运动部件、滑块平台；

多个运动关节具体为第一关节部件和第二关节部件；

第一关节部件、第二关节部件和手托部件依次连接形成机械臂；

机械臂与滑块平台连接；

滑块平台连接于垂直运动部件、且可于竖直方向上下运动；

垂直运动部件竖直设于底座之上。

优选地，

垂直运动部件包括第一立柱、第二立柱、第一导轨、第二导轨、滚珠丝杠、上限位块和下限位块；

第一立柱与第二立柱平行设置；

第一导轨与第二导轨分别设于第一立柱与第二立柱同侧端面之上，用于滑块平台于垂直运动部件上的定位与运动；

滚珠丝杠设于第一立柱与第二立柱之间，用于滑块平台连接且于垂直运动部件上的定位与运动；

上限位块和下限位块分别设于第一导轨与第二导轨的上下两端，用于限制滑块平台的上下最大运动距离。

优选地，执行装置还包括：

设置于垂直运动部件上端的Z轴驱动器与Z轴电机，Z轴电机连接Z轴驱动器、且向滑块平台提供动力；

设置于机械臂上的第一关节驱动器与第一关节电机，第一关节电机连接第一关节驱动器、并向第一关节部件提供动力，第一关节部件按照角度控制部件得到的期望运动角度旋转；

设置于机械臂上的第二关节驱动器与第二关节电机，第二关节电机连接第二关节驱动器、并向第二关节部件提供动力，第二关节部件按照角度控制部件得到的期望运动角度旋转。

优选地，

Z轴驱动器、第一关节驱动器与第二关节驱动器组成分布式总线系统，用于控制Z轴电机、第一关节电机与第二关节电机联动，以实现执行装置在空间范围内的运动。

优选地，

第一关节驱动器包括相连接的第一同步带和第一减速器，第一关节电机经第一同步带传动、再经第一减速器减速后向第一关节部件输出动力；

第二关节驱动器包括相连接的第二同步带和第二减速器，第二关节电机经第二同步带传动、再经第二减速器减速后向第二关节部件输出动力。

优选地，还包括，

设于Z轴电机的Z轴霍尔传感器和Z轴相对位置编码器，用于对Z轴电机的速度及位置进行监测和反馈；

设于第一关节电机的第一霍尔传感器和第一相对位置编码器，用于对第一关节电机的速度及相对位置进行监测和反馈；

设于第一关节电机的第一单圈绝对位置编码器，用于标定第一关节电机的绝对位置；

设于第二关节电机的第二霍尔传感器和第二相对位置编码器，用于对第二关节电机的速度及相对位置进行监测和反馈；

设于第二关节电机的第二单圈绝对位置编码器，用于标定第二关节电机的绝对位置。

优选地，

于第一关节部件内设有第一安全限位部，用于限制第一关节部件的旋转角度、以实现第一关节部件与垂直运动部件之间不发生干涉；

第一安全限位部限制的第一关节部件的角度为±107°；

于第二关节部件内设有第二安全限位部，用于限制第二关节部件的旋转角度、以实现第二关节部件与第一关节部件之间不发生干涉；

第二安全限位部限制的第二关节部件的角度为±130°。

相对上述背景技术，本实用新型所提供的上肢综合评估与康复训练机器人包括机器人本体与设置于本体上的执行装置以及若干传感器。传感器设置于电机、关节部件和机器人末端的手托部件上，传感器对机器人本体的工作状态进行实时监测、并通过监测的信息对执行装置进行控制和调节；执行装置从而带动机器人本体运动，使得机器人本体在空间三个方向上按照系统预设自如运动，实现预设运动。

进一步地，通过接收来自手托部件上三维力传感器接收到的、空间三个方向上的用力大小，根据执行装置全部运动关节现有的位置、反馈并调节执行装置，带动机器人本体运动，以实现机器人本体能够按照用力方向运动、即主动运动。

综上，本实用新型所提供的上肢综合评估与康复训练机器人，不仅使用方便，而且具有丰富的运动模式，能够协助治疗师对患者进行更全面的综合评估和康复训练。

附图说明

图1为本实施所提供的上肢综合评估与康复训练机器人结构示意图；

图2为图1中的机器人本体的结构示意图；

图3为图1中的执行装置的结构示意图。

其中：

附图1中：1-基座、2-执行装置、3-传感器、4-机器人本体；

附图2中：401-底座、402-垂直运动部件、403-第一关节部件、404-第二关节部件、405-手托部件、406-滑块平台、407-立柱、408-导轨、409-滚珠丝杠、410-上限位块、411-下限位块；

附图3中：201-Z轴驱动器、202-Z轴电机、203-第一关节驱动器、204-第一关节电机、205-第二关节驱动器、206-第二关节电机。

具体实施方式

本实用新型需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

请参考图1、图2和图3，图1为本实施所提供的上肢综合评估与康复训练机器人结构示意图，图2为图1中的机器人本体的结构示意图，图3为图1中的执行装置的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本实用新型提供了一种能够实现带动人体上肢在三维空间内运动的上肢综合评估与康复训练机器人，上述机器人具有多个关节，与上述多个关节相连的还有对关节进行旋转角度控制的执行装置2，在全部关节的连接末端还设有可以供患者手部握持的手托部件405；上述部件均设置于基座1。

基于此，本实用新型提供了上述机器人的预设运动的运动模式。上述预设运动模式即按照固有的设定，对上述机器人进行指令与任务的下达，使得机器人具有规定的动作。根据规定动作的命令，通过执行装置控制多个关节进行不同角度的变化与旋转，可以实现在空间中上述机器人通过末端与患者手部连接的手托部件405带动人体上肢在空间中运动，从而实现本机器人辅助人体上肢起到上肢综合评估与康复训练的作用。

因此，本实施例所提供的机器人按照预设的治疗方案可以通过末端的手托部件405带动患者的上肢进行基于方案的康复治疗与检查，只需要针对不同的患者制定不同强度和类型的治疗方案就可以通过上述机器人的预设运动，对患者进行康复治疗。

在另外一种具体实施方式中，上述机器人还包括设置于每一关节上的角度传感器和设置于手托部件405上的力传感器。通过角度传感器可以检测到全部关节当前的旋转角度，通过手托部件405上的三维力传感器可以实时检测到患者手部施加于手托部件405上的作用的大小和方向。

除此之外，和全部上述角度传感器还连接有位置计算部件，与上述位置计算部件以及上述三维力传感器相连的角度计算部件。位置计算部件根据上述角度传感器所检测到的当前时刻关节的角度以及关节与关节之间固定的距离，计算得到当前时刻全部运动关节的位置，角度计算部件根据上述位置计算部件计算得到的当前时刻全部运动关节的位置以及上述三维力传感器实时检测到的力的方向和大小，按照上述力的方向和大小的趋势，计算得到全部运动关节的期望运动角度，根据此期望运动角度，即可以实现机器人根据患者施加于手托部件405上的力、协助患者上肢进行按照患者主观意图的运动。

传感器3对机器人本体4的工作状态进行实时监测，对执行装置2进行控制和调节；执行装置2根据相关的监测信息，带动机器人本体4运动，使得机器人本体4在空间三个方向上按照系统预设自如运动，实现了上肢综合评估与康复训练机器人按照预设程序带动患者进行三维空间中的上肢综合评估与康复训练；进一步地，通过机器人末端患者把持部位上的三维力传感器、接收到患者手部施加的在空间三个方向上的用力大小，并对执行装置2进行反馈调节，实现机器人本体4能够按照用力方向运动，使得上肢综合评估与康复训练机器人服从于患者的运动意图，实现上肢综合评估与康复训练机器人对患者上肢运动的助力与辅助功能的主动运动。

下面将具体对执行装置2、传感器3和机器人本体4以及其中的连接关系进行更具体明确的说明。

机器人本体4包括底盘401，在底盘401上设置有垂直运动部件402。垂直运动部件402包括以一定间隔分别于左右平行设置的第一立柱4071和第二立柱4072，在第一立柱4071和第二立柱4072的间隔中心向上延伸设有滚珠丝杠409，在第一立柱4071和第二立柱4072的同侧端面上分别铺设有第一导轨4081与第二导轨4082，在第一导轨4081与第二导轨4082组成的导轨面的上端设有上限位块410，在第一导轨4081与第二导轨4082组成的导轨面的下端设有下限位块411。除了设于底座401上的垂直运动部件402，机器人本体4还包括设置于垂直运动部件402上的滑块平台406。滑块平台406竖直放置于垂直运动部件402上，且底部安装于第一导轨4081与第二导轨4082并可上下运动，与设于第一导轨4081与第二导轨4082中部的滚珠丝杠409连接且可上下运动，以此连接关系可以实现滑块平台406相对于垂直运动部件402在竖直方向的上下运动。与滑块平台406另一端连接的是第一关节部件403，第一关节部件403右侧与滑块平台406连接且可实现在水平平面的绕连接处的旋转。于第一关节部件403左侧连接有第二关节部件404，第二关节部件404右侧通过与第一关节部件403左侧连接，可以实现以连接处为轴、于水平面内的旋转。于第二关节部件404左侧末端下部连接有手托部件405，手托部件405底部设有托板、中部设有竖直握把用于患者手掌的放置与把持，通过第一关节部件403与第二关节部件404的连接关系与在水平面的旋转特性，可以实现患者手部放于机器人末端在水平面内的任意平动；佐以与第一关节部件403连接的滑块平台406在竖直方向的上下运动，使得患者手部放于机器人末端在空间内实现空间运动。

执行装置2包括设置于垂直运动部件402上方、上限位块410以上的Z轴电机202，设置于第一导轨4081或第二导轨4082任一外侧上的Z轴驱动器201，设置于第一关节部件403与第二关节部件404之间的机械臂上的第一关节驱动器203、第一关节电机204、第二关节驱动器205和第二关节电机206。上述驱动器中均具有相连接的同步带和减速器，Z轴电机202连接Z轴驱动器201，由电机经同步带传动提供动力，再经减速器变速后向滑块平台406提供动力；第一关节电机204连接第一关节驱动器203，由电机经同步带传动提供动力，再经减速器变速后向第一关节部件403提供动力；第二关节电机206连接第二关节驱动器205，由电机经同步带传动提供动力，再经减速器减速后向第二关节部件404提供动力。上述电机驱动器组成分布式总线系统，可以控制上述电机联动，帮助康复治疗与训练的患者上肢完成空间范围的运动。

传感器3包括设于Z轴电机202的Z轴霍尔传感器和Z轴相对位置编码器、设于第一关节电机204的第一霍尔传感器和第一相对位置编码器、设于第一关节电机204的第一单圈绝对位置编码器、设于第二关节电机206的第二霍尔传感器和第二相对位置编码器、设于第二关节电机206的第二单圈绝对位置编码器和设于手托部件405上的三维力传感器。通过上述霍尔传感器和相对位置编码器，可以监测和反馈对应位置的速度及相对位置，通过上述单圈绝对位置编码器，可以标定对应的绝对位置，而三维力传感器能够检测对应的三个方向的力的大小，并进行监测与反馈。

除此之外，第一关节部件403、第二关节部件404和手托部件405组成用于任一平面内平动的机械臂，对于机械臂的控制可以具体为检测全部关节部件旋转角度的角度传感器，检测手托部件405力的方向与大小的三维力传感器，基于角度传感器和机械臂尺寸的机械臂位置计算部件，基于位置计算部件和力传感器的角度计算部件，通过角度计算部件得到的符合机械臂运动方式与轨迹的全部关节部件的期望运动角度实现机械臂的运动与控制的角度控制部件。

基于此，机器人通过设置于底座401上的垂直运动机构402的竖直运动，与之连接的机械臂可于空间任一平面上实现平动，能够实现机器人带动安放于机器人手托部件405的患者手部在空间范围内的任意运动以实现带动患者手臂在空间范围内的运动进一步实现对于患者上肢的综合评估与康复训练。

其一，对于垂直运动部件402在竖直方向上的移动，首先可以通过按照系统的预设运动使得执行装置2对垂直运动部件402进行调节；其次可以通过安装于手托部件405上的三维力传感器接收到的在竖直方向的力，反馈给执行装置2并带动垂直运动部件402以实现在竖直方向上的运动。

其二，对于机械臂在任一平面内的任意平动，即通过对全部关节部件的关节旋转角度进行检测与调节，以此实现机械臂在平面内的运动与手托部件405在平面内的运动，具体实现方式为通过角度传感器实现对全部关节部件旋转角度的检测，辅以机械臂的固定长度，即可通过位置计算部件得到机械臂现有的姿态以及各关节的位置，进一步通过三维力传感器给到的在机械臂运动平面内的力的大小与方向，具体为在当前机械臂的两个力的方向上进行分解，将得到的每个机械臂上的力的大小通过角度计算部件计算得到当前对应机械臂所达到预期运动状态或者到达预期位置所应变化的期望运动角度，通过角度控制部件，具体为全部电机与驱动器，实现机械臂的运动。

根据每一关节中的角度传感器得到每一关节对应的旋转角度，结合每一关节的长度通过位置计算部件以此确定每一关节的位置关系，进一步，根据施加在机器人末端三维力传感器上的力在空间中分解得到的三个方向和大小，通过角度计算部件计算得到全部运动关节的期望运动角度，按照上述期望运动角度，执行装置控制每一关节旋转至期望运动角度，再通过滑块平台406在竖直方向的运动实现机器人本体在空间运动。

在第一种运动模式即预设运动中，按照系统预设，执行装置2经由电机带动驱动器，驱动器进而带动对应的关节部件，实现机器人带动患者上肢在空间中的空间运动。具体过程为，执行装置2中的Z轴电机202带动Z轴驱动器实现滑块平台406在垂直运动部件402上的竖直方向的上下运动；第一关节电机204带动第一关节驱动器203实现第一关节部件403相对于滑块板件406在水平面内的旋转；第二关节电机206带动第二关节驱动器205实现第二关节部件404相对于第一关节部件403在水平面内的转动。结合第一关节部件403与第二关节部件404二者在同一水平面内旋转运动，可以实现连接于第二关节部件404末端下部的手托部件405的在水平面内的任意平动，结合滑块平台406带动连接的第一关节部件403与第二关节部件404的在竖直方向上的上下运动，实现手托部件405在空间中的空间运动。

在第二种运动模式即主动运动中，患者手部握于机器人末端的手托部件405上，通过设于手托部件405上方的三维传感器，接收手托部件405所受到的三个方向的用力即机器人本体4的工作状态，结合全部运动关节现有的位置，执行装置3控制电机运动使得患者上肢按照用力方向运动。具体过程为，患者手部握于手托部件405中的手柄上，手托部件405上部监测到患者手部施加给手托部件405竖直方向的一个力和水平面内的一个力，再将水平面内的一个力按照第一关节部件403和第二关节部件404在水平面内的位置分解为水平面内的两个力，以此三个力并结合通过角度传感器计算得到的全部运动关节现有的位置，执行装置3接收调节指令并控制Z轴电机202带动Z轴驱动器201提供与竖直方向的力相适应的动力，与此同时，第一关节电机204和第二关节电机206分别对第一关节驱动器203和第二关节驱动器205基于对应水平面中的力提供相适应的动力，最终这种动力转化为机械臂带动患者手臂按照其用力的方向运动，以此实现了机器人服从患者意志所进行的上肢综合评估与康复训练。

进一步的，通过对上述实施例中的两种运动模式进行结合和变化，还可以产生更丰富的运动模式。

通过预设运动和主动运动的结合，可以进一步对患者上肢康复训练实现多模式选择。针对不同受损程度和康复训练进行程度的患者，本实施例可以制订并实现不同的训练方案与手段。对于上述患者，可以结合预设运动与主动运动提供如下方案：通过预设运动使得患者上肢随机器人被动运动并逐渐恢复；当达到一定的康复水准，可以提供基于预设运动与主动运动的助力运动，即患者只需要提供较小的力，通过本机器人上述主动运动模式的过程，在此不再赘述，就可以实现和正常人一样的上肢运动，进一步随着患者机体的修复，可以减弱这种助力运动的能力，即患者不断地增强自我付出更多的力实现同样的运动；对于康复训练较好并稳健提升的患者，还可以基于上述运动的结合提供抗阻运动，即患者要想实现常规的上肢运动需要付出多倍的努力，通过上述抗阻运动提高患者在康复训练中的能力，逐步稳健的恢复。

在另外一种具体实施方式中，本实用新型给出了上限位块410与下限位块411所限定的滑块平台406于垂直运动部件402上的运动范围为0到500mm。通过限制滑块平台406在竖直方向上的运动范围，能够更为合理的为患者提供上肢综合评估与康复训练，达到更好的治疗效果。

除此之外，考虑到机器人使用安全性和实用性的要求，本实用新型还在第一关节部件403和第二关节部件404的旋转部件中分别设置了第一安全限位部和第二安全限位部，通过上述安全限位部的设置，对旋转部件的旋转角度进行安全限位，以此避免部件与部件之间发生的干涉。第一安全限位部限制的第一关节部件的角度为±107°，以确保第一关节部件与垂直运动部件之间不发生干涉。第二安全限位部限制的第二关节部件的角度为±130°，以确保第二关节部件与第一关节部件之间不发生干涉。

以上对本实用新型所提供的上肢综合评估与康复训练机器人进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。