一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人

摘要

一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人属于医疗康复器械领域。该机器人由安装在桌面上的可变杆长并联机构、操作手柄、承载患者肘部的肘托、牛眼万向轮及控制系统组成。可变杆长并联机构分为左右对称两部分，两部分的一端通过操作手柄铰接；在操作手柄的铰接处的下方安装牛眼万向轮，并安装于操作手柄铰接的肘托。计算机通过伺服电机控制机构组成的三角形两底角角度数值，确定操作手柄处位置，完成目标轨迹，通过控制速度参数，在被动运动时，在患者的运动可达空间内形成了速度场，引导患者被动的沿设定轨迹运动；在主动运动时，可设定运动平面内的不同点的力参数，在运动可达空间内形成力场，用于患者主动运动训练及阻抗运动训练。

权利要求

1.一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人，由桌面（17）、左右两侧的电机、安装在桌面（17）上的可变杆长并联机构、操作手柄（8）、承载患者肘部的肘托（9）、牛眼万向轮（10）及控制系统组成，其特征在于，所述可变杆长并联机构分为左右对称两部分，每侧各有两根导轨，分别是下导轨（2）和上导轨（6），下导轨（2）和上导轨（6）的两端均分别设置限位销；下导轨（2）的一端通过电机导轨连接件（1）安装在相应侧电机的电机轴上，并通过电机定位键（16）定位；第一滑块（3）安装在下导轨（2）上，第二滑块安装在上导轨（6）上，第一滑块（3）和第二滑块（4）通过法兰固接；第三滑块（5）安装在上导轨（6）上，左右两部分还各有一根连杆（7），连杆（7）的一端固接于第三滑块（5）上；左右两部分的连杆（7）的另一端通过操作手柄（8）铰接；

在两个连杆（7）与操作手柄（8）的铰接处的下方安装牛眼万向轮（10），并安装与操作手柄（8）铰接的肘托（9），左右两部分的可变杆长并联机构与肘托（9）构成“Y”形结构；

控制系统分别与左右两侧的电机连接；

被动运动时，两侧的电机同时带动下导轨（2）摆动，连杆（7）与三个滑块从动，当第三滑块（5）滑动到限位销处停止滑动时，第一滑块（3）和第二滑块（4）仍可滑动，此过程中第二滑块（4）与第三滑块（5）随机选择滑动，直到达到极限范围，通过控制对称的导轨的摆角完成被动模式下操作手柄（8）的规划轨迹；主动运动时，人为控制操作手柄（8），连杆（7）与第三滑块（5）固定连接组成的部分成为主动件，第一滑块（3）、第二滑块（4）、下导轨（2）和上导轨（6）成为从动件，连杆（7）与第三滑块（5）在上导轨（6）上滑动同时摆动，带动同侧滑块和导轨从动，左右两部分机构根据受力变化自由伸缩，实现操作手柄（8）处要完成的轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人，其特征在于，所述肘托（9）上设置固定绑带。

说明书

一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人

技术领域

[0001] 本发明属于医疗康复器械领域，特别涉及一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人，可应用于脑血管疾病，脑或脊柱损伤等中枢神经损伤患者康复技术领域。

背景技术

[0002] 脑卒中等脑血管疾病、脑或脊柱损伤、中枢神经损伤等患者病残率较高，主要的后遗症是急性的神经性瘫痪，有不同程度的生活能力和劳动能力丧失。而实际上给予此类患者及时的康复治疗，患者可恢复大部分运动功能。目前对脑卒中等脑血管疾病、脑或脊柱损伤、中枢神经损伤等患者，通常采用一对一康复师治疗的方法，此类方法效率低、强度大，并且不能对患者康复情况给予准确的评价。神经康复机器人是依据康复医学，结合机械学、神经认知、电子学等学科，辅助和部分代替传统康复师进行康复的治疗机器人。与康复医师相比，康复机器人不仅能够进行康复护理而且能够采集患者运动过程中的各种参数，利于进行准确的康复评价、进一步制定针对性强的个性康复方案及进行科学研究。

[0003] 针对脑血管疾病、中枢神经损伤患者不同康复阶段对应的实际情况，患者需要不同训练模式和训练任务。训练模式包括被动训练（助力训练）、主动训练、阻抗训练等，训练任务轨迹包括直线、圆弧、个性定制轨迹或接近日常运动的轨迹。但是目前已有的牵引式康复机器人存在一些不足，不能满足患者训练需求，其主要表现是：能够较好实现被动训练，但是不能够很好实现患者主动训练，在患者主动运动阶段，存在操作困难，造成患者操作的速度和加速度不连续，也就是患者主动运动时牵引式机器人存在缺陷，结构不灵活，适应性不高，导致患者操作能力不能够准确体现，甚至造成运动障碍，带给患者心理负担；不能提供丰富的训练轨迹，对患者的训练达不到日常生活运动功能康复，即不能提供多阶段、复杂训练。

发明内容

[0004] 为克服已有技术和产品不足，满足偏瘫康复训练中患者在不同阶段的主、被动训练的需求，本发明提出了一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人。

[0005] 本发明采用的技术方案为：由安装在桌面上的可变杆长并联机构、操作手柄、承载患者肘部的肘托、牛眼万向轮及控制系统组成。

[0006] 所述可变杆长并联机构分为左右对称两部分，每侧各有两根导轨，分别是下导轨和上导轨，下导轨和上导轨的两端均分别设置限位销；下导轨的一端通过电机与导轨连接件安装在电机轴上，并通过电机定位键定位；第一滑块安装在下导轨上，第二滑块安装在上导轨上，第一滑块和第二滑块通过法兰固接；第三滑块安装在上导轨上，连杆的一端固接于第三滑块上；左右两部分的连杆的另一端通过操作手柄铰接；

[0007] 在两个连杆与操作手柄的铰接处的下方安装牛眼万向轮，并安装于操作手柄铰接的肘托，左右两部分的可变杆长并联机构与肘托构成“Y”形结构；

[0008] 控制系统分别与左右两侧的电机连接；计算机通过伺服电机控制机构组成的三角形两底角角度数值，确定操作手柄处（三角形顶点）位置，完成目标轨迹，通过控制速度参数，在被动运动时，在患者的运动可达空间内形成了速度场，引导患者被动的沿设定轨迹运动；在主动运动时，可设定运动平面内的不同点的力参数，在运动可达空间内形成力场，使用于患者主动运动训练及阻抗运动训练等。

[0009] 被动运动时，两侧的电机同时带动下导轨摆动，连杆与三个滑块从动，当第三滑块滑动到限位销处停止滑动时，第一滑块和第二滑块仍可滑动，此过程中第二滑块与第三滑块随机选择滑动，直到达到极限范围，通过控制对称的导轨的摆角完成被动模式下操作手柄的规划轨迹；主动运动时，人为控制操作手柄，连杆与第三滑块固定连接组成的部分成为主动件， 第一滑块、第二滑块、下导轨和上导轨成为从动件，连杆与第三滑块在上导轨上滑动同时摆动，带动同侧滑块和导轨从动，左右两部分机构根据受力变化自由伸缩，实现操作手柄处要完成的轨迹。

[0010] 所述肘托上设置固定绑带。

[0011] 本发明的有益效果为：

[0012] 训练时根据患者康复的不同阶段提供所需的被动或主动训练，满足不同个体及不同阶段的患者需求。本发明结构简单，布局合理，稳定可靠。可变杆长机构是将多个滑块与连杆组合，操作过程中的滑块和连杆的移动自主分配，实现机构稳定惯性，对患者操作不产生障碍，达到操作的速度、加速度连续，机器人末端运动不产生突变，使患者没有心理负担，达到好的康复效果。同时能够准确采集患者训练过程中的运动参数，满足多种康复方案制定需求及科学研究需要。本机器人通过冗余提高运动的平顺与机构容错能力，机构灵活性高，具有良好的人机交互能力。本发明在上肢康复技术领域特别是早期、中期、后期多阶段康复领域将有广泛的应用前景。

附图说明

[0013] 图1是平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人的机构示意图；

[0014] 图2是上肢偏瘫康复冗余可变杆长并联机构示意图。

[0015] 图中标号：

[0016] 1-电机与导轨连接件；2-下导轨；3-第一滑块；4-第二滑块；5-第三滑块；6-上导轨；7-连杆；8-操作手柄；9-肘托；10-牛眼万向轮；16-电机定位键；17-桌面。

具体实施方式

[0017] 本发明提供了一种平面训练上肢偏瘫多阶段康复并联机器人，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

[0018] 本发明的工作原理为：在康复过程中，辅助装置带入的影响越小越好，理想状态为无不良负载，在患者运动时不带入影响情绪的因素，这样的机构能够体现患者的神经控制和肌肉运动能力。当患者运动意识受到干扰与延迟、机构不符合患者操作意志，人机交互产生障碍时，偏瘫患者心理和生理都会受到影响，情况严重时甚至产生痉挛。特别是在需要观察患者和记录运动参数的情况下，不良负载使训练运动受到干扰，导致不能记录准确数据，不能进行准确的康复评价。本发明是基于以上训练时对机构的要求，找到能够实现符合要求的机构，特别是符合主动运动的机构。使用本机器人主动操作时，滑块与连杆之间滑动的自由选择、随遇移动，除摩擦力外无其他力影响操作，使系统惯性稳定。通过控制三角形顶点位置来规划轨迹，触觉反馈控制通过安装于患者肘部前后两侧的振子交替振动，提示患者完成内收、外展动作。

[0019] 本发明的结构如图1和图2所示：可变杆长并联机构分为左右对称两部分，每侧各有两根导轨，分别是下导轨2和上导轨6，下导轨2和上导轨6的两端均分别设置限位销；下导轨2的一端通过电机与导轨连接件1安装在电机轴上，并通过电机定位键16定位；第一滑块3安装在下导轨2上，第二滑块安装在上导轨6上，第一滑块3和第二滑块4通过法兰固接；第三滑块5安装在上导轨6上，连杆7的一端固接于第三滑块5上；左右两部分的连杆7的另一端通过操作手柄8铰接。

[0020] 在两个连杆7与操作手柄8的铰接处的下方安装牛眼万向轮10，并安装于操作手柄8铰接的肘托9，左右两部分的可变杆长并联机构与肘托9构成“Y”形结构。肘托9上设置固定绑带。

[0021] 控制系统分别与左右两侧的电机连接；计算机通过伺服电机控制机构组成的三角形两底角角度数值，确定操作手柄处（三角形顶点）位置，完成目标轨迹，通过控制速度参数，在被动运动时，在患者的运动可达空间内形成了速度场，引导患者被动的沿设定轨迹运动；在主动运动时，可设定运动平面内的不同点的力参数，在运动可达空间内形成力场，使用于患者主动运动训练及阻抗运动训练等。

[0022] 被动运动时，两侧的电机同时带动下导轨2摆动，连杆7与三个滑块从动，当第三滑块5滑动到限位销处停止滑动时，第一滑块3和第二滑块4仍可滑动，此过程中第二滑块4与第三滑块5随机选择滑动，直到达到极限范围，通过控制对称的导轨的摆角完成被动模式下操作手柄8的规划轨迹；主动运动时，人为控制操作手柄8，连杆7与第三滑块5固定连接组成的部分成为主动件， 第一滑块3、第二滑块4、下导轨2和上导轨6成为从动件，连杆7与第三滑块5在上导轨6上滑动同时摆动，带动同侧滑块和导轨从动，左右两部分机构根据受力变化自由伸缩，实现操作手柄8处要完成的轨迹。

[0023] 通过调节伺服电机的行程、速度和推力，实现不同的训练量、训练模式；通过多个电机协调在空间形成的速度场、力场实现不同的训练模式，包括被动模式、主动模式、阻抗模式、助力模式等，针对患者的不同康复时期施加最适合的训练模式。

[0024] 本实施例整体外形最大尺寸为：长×宽×高=840mm×750mm×150mm，[0025] 最小尺寸为：长×宽×高=840mm×350mm×150mm。