基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人及工作方法

摘要

本发明公开了一种基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人及工作方法，属于机器人领域。它包括穿戴于人体手部的柔性手部模块、穿戴于人体前臂的柔性前臂模块、穿戴于人体上臂的柔性上臂模块、以及套索驱动模块；套索驱动模块通过套索分别与柔性手部模块、柔性前臂模块、以及柔性上臂模块相连接，并传递驱动力；柔性手部模块、柔性前臂模块、以及柔性上臂模块分别装有惯性传感器，用于实时测量人体上肢姿态；套索驱动模块安装有弹簧和力传感器，用于增加系统柔顺性，并实时测量驱动力；本发明提供了一种采用柔性材料做成的可穿戴式康复机器人，能完成左手或右手的肘关节和腕关节的康复训练，实现了轻量化设计，提升了训练过程的舒适性和安全性。

说明书

技术领域

本发明属于医疗器械领域，涉及一种基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人及工作方法。

背景技术

脑卒中是由于脑血管闭塞或破裂而造成的严重神经系统疾病。据国家卫生计生委脑卒中防治工程委员会统计，我国每年新发脑卒中病例约为150万，其中死亡或致残率高于75%，40岁～64岁的患者占近60%，发病率和死亡率随年龄增加而迅速上升，而且有逐渐年轻化趋势，约85%的幸存者会由于运动神经受损而出现不同程度偏瘫。偏瘫给患者的工作和生活带来了极大阻碍，严重危害身心健康，而且还造成沉重的经济和医疗负担。因此，脑卒中后偏瘫的康复治疗已经成为现代康复医学和康复工程的研究重点和热点。基于中枢神经系统的脑可塑性理论的康复训练运动疗法，其有效性已被近几十年的医学理论和临床治疗所证明。传统的医师徒手康复治疗方式存在诸多缺点，例如治疗效果有限、作业强度大、护理成本高昂以及医疗资源不足等。

利用上肢康复机器人系统来辅助偏瘫病人进行上肢康复训练已经在在临床试验中显示出了相对于传统治疗手段的优越性，但现有的上肢康复机器人往往采用金属材料来进行加工，并将驱动装置安装在机器人关节，导致机构整体体积庞大、负重大、功耗高，降低了康复训练过程协调性和舒适性，甚至会对患者造成不必要的伤害。此外，现有的上肢康复机器人往往只能实现单侧患肢的康复训练，要进行双侧患肢的训练则需要两套康复系统，增大了医疗康复设备成本。因此，上述现有技术中存在的问题，有必要设计具有优化结构的上肢康复机器人。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于套索驱动的结构轻巧、可穿戴的柔性上肢康复机器人，能辅助偏瘫患者进行左/右上肢的肘关节和腕关节进行康复训练。

一种基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人，其特征在于，该机器人包括依次连接的柔性手部模块、柔性前臂模块、柔性上臂模块、以及套索驱动模块，所述套索驱动模块还分别与柔性手部模块和柔性前臂模块连接；

所述套索驱动模块包括第一腕部驱动单元、第二腕部驱动单元、第三腕部驱动单元、第四腕部驱动单元、第一肘部驱动单元以及第二肘部驱动单元；所述6个驱动单元结构完全相同，具体结构如下：

包括驱动电机、底座、丝杠、第一光轴、第二光轴、第一压缩弹簧、第二压缩弹簧、滑块、预紧螺栓、移动台、力传感器以及联轴器；所述丝杠安装在底座中部，第一光轴和第二光轴安装于丝杠两侧，所述驱动电机固定安装在底座的第一端，电机转轴通过联轴器与丝杠固定连接，所述移动台中间开有螺纹孔，并与丝杠相互旋合，移动台和滑块两侧开有光孔，并与第一光轴、第二光轴相配合的，所述第一压缩弹簧穿过第一光轴后安装在滑块和移动台之间，第二压缩弹簧穿过第二光轴后安装在滑块和移动台之间；所述力传感器的一端与滑块固定连接，另一端与预紧螺栓相互旋合；

所述柔性上臂模块包括柔性上臂环、第一上臂套管固定件、第一上臂套管、第二上臂套管固定件、第二上臂套管以及上臂惯性传感器；

所述第一上臂套管固定件和第二上臂套管固定件分别固定安装在柔性上臂环的左侧和右侧；

所述第一上臂套管的一端与第一上臂套管固定件连接，另一端与上述第一肘部驱动单元中底座的第二端相连；所述第二上臂套管的一端与第二上臂套管固定件连接，另一端与上述第二肘部驱动单元中底座的第二端相连；

所述上臂惯性传感器固定安装在柔性上臂环的前侧；

所述柔性前臂模块包括柔性前臂环、第一前臂钢丝索固定件、第一前臂钢丝索、第二前臂钢丝索固定件、第二前臂钢丝索、第一前臂套管固定件、第一前臂套管、第二前臂套管固定件、第二前臂套管、第三前臂套管固定件、第三前臂套管、第四前臂套管固定件、第四前臂套管以及前臂惯性传感器；

所述第一前臂套管固定件、第二前臂套管固定件、第三前臂套管固定件和第四前臂套管固定件分别固定安装在柔性前臂环的前侧、后侧、左侧和右侧；

所述第一前臂套管的一端与第一前臂套管固定件连接，另一端与上述第一腕部驱动单元中底座的第二端相连；

所述第二前臂套管的一端与第二前臂套管固定件连接，另一端与上述第二腕部驱动单元中底座的第二端相连；

所述第三前臂套管的一端与第三前臂套管固定件连接，另一端与上述第三腕部驱动单元中底座的第二端相连；

所述第四前臂套管的一端与第四前臂套管固定件连接，另一端与上述第四腕部驱动单元中底座的第二端相连；

所述第一前臂钢丝索固定件和第二前臂钢丝索固定件分别固定安装在柔性前臂环的左侧和右侧；所述第一前臂钢丝索的一端与第一前臂钢丝索固定件连接，另一端穿过柔性上臂模块中的第一上臂套管后与第一肘部驱动单元中的预紧螺栓连接；

所述第二前臂钢丝索的一端与第二前臂钢丝索固定件连接，另一端穿过柔性上臂模块中的第二上臂套管后与第二肘部驱动单元中的预紧螺栓连接；

所述前臂惯性传感器固定安装在柔性前臂环的前侧；

所述柔性手部模块包括柔性手套、第一手部钢丝索固定件、第一手部钢丝索、第二手部钢丝索固定件、第二手部钢丝索、第三手部钢丝索固定件、第三手部钢丝索、第四手部钢丝索固定件、第四手部钢丝索以及手部惯性传感器；

所述第一手部钢丝索固定件、第二手部钢丝索固定件、第三手部钢丝索固定件和第四手部钢丝索固定件分别固定安装在柔性手套的前侧、后侧、左侧和右侧；

所述第一手部钢丝索的一端与第一手部钢丝索固定件连接，另一端穿过柔性前臂模块中的第一前臂套管后，与第一腕部驱动单元的预紧螺栓连接；

所述第二手部钢丝索的一端与第二手部钢丝索固定件连接，另一端穿过柔性前臂模块中的第二前臂套管后，与第二腕部驱动单元的预紧螺栓连接；

所述第三手部钢丝索的一端与第三手部钢丝索固定件连接，另一端穿过柔性前臂模块中的第三前臂套管后，与第三腕部驱动单元的预紧螺栓连接；

所述第四手部钢丝索的一端与第四手部钢丝索固定件连接，另一端穿过柔性前臂模块中的第四前臂套管后，与第四腕部驱动单元的预紧螺栓连接；

所述手部惯性传感器固定安装在柔性手套的前侧。

所述的基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人的工作方法，其特征在于：上述驱动单元工作时，通过调整预紧螺栓的旋进深度改变相连钢丝索的有效长度，进而改变套索预紧力；驱动电机通过控制丝杠的转动来调整移动台的位置，压缩弹簧在移动台的作用下被压缩，并推动滑块沿着光轴运动，滑块将驱动力传递到钢丝索，钢丝索将驱动力沿着相应套管的轴向传递到柔性前臂模块或柔性手部模块；利用第一腕部驱动单元和第二腕部驱动单元相互配合可以完成腕部背屈/掌屈运动；利用第三腕部驱动单元和四腕部驱动单元相互配合可以完成腕部尺屈/桡屈运动；利用第一肘部驱动单元和第二肘部驱动单元相互配合可以完成肘部前屈/后伸运动。

本发明的优选方案中，所述柔性手套、柔性前臂环和柔性上臂环采用可充气柔性轻质材料，可通过充气减小内部尺寸，并穿戴于人体手部、前臂和上臂。

本发明的优选方案中，所述上肢康复机器人可以穿戴于人体左上肢或右上肢进行康复训练。

本发明的优选方案中，所述手部惯性传感器、前臂惯性传感器、以及上臂惯性传感器集成了三轴加速度计、三轴磁力计、以及三轴陀螺仪，可以实施检测人体肘关节和腕关节的关节角度。

本发明的优选方案中，所述各驱动单元的力传感器可以实时检测驱动力的大小，结合肘关节和腕关节的关节角度信息可以实现被动训练模式、阻抗训练模式、以及助力训练模式等多种康复训练模式。

本发明的优选方案中，所述各驱动单元的压缩弹簧可以增加康复训练过程的柔顺性和舒适性，并通过压缩量的自调整来降低由于人机间的运动偏差而导致的牵扯感，消除安全隐患。

本发明能辅助偏瘫患者进行左/右上肢肘关节和腕关节的康复训练，该机器人可以穿戴于人体上肢，并采用套索驱动的形式实现驱动装置与机器人可穿戴部分的有效分离，可穿戴部分主要由轻质柔性材料组成，减小了机器人执行机构的体积、质量和惯量，实现了轻量化设计，提升了训练过程的舒适性和安全性。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）传统的上肢康复机器人往往采用金属材料来进行加工，并将驱动装置安装在机器人关节，导致机构整体庞大笨重、功耗高。本发明采用套索驱动的形式实现驱动装置与机器人可穿戴部分的分离，可穿戴部分主要由轻质柔性材料组成，有效减小了体积和负重，实现了系统轻量化设计。

（2）传统的上肢康复机器人与人体上肢之间的连接多为刚性连接，驱动方式多为刚性驱动，导致人机之间出现运动偏差时会产生牵扯感，甚至直接伤害患肢。本发明采用可充气的轻质柔性材料来实现人机连接，而且驱动装置串联了弹簧，可以实现人机间运动偏差的自适应调整，有效提高了康复训练过程的柔顺性、舒适性和安全性。

（3）传统的上肢康复机器人往往只能实现单侧患肢的康复训练，如果要分别进行双侧患肢的康复训练则需要配备两套康复系统，增加了医疗康复设备成本和占地空间。本发明适用于左右两侧患肢的康复训练，只需要根据需要进行穿戴即可。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的柔性手部模块示意图；

图3是本发明的柔性手部模块示意图（与图2的视图角度不同）；

图4是本发明中的柔性前臂模块示意图；

图5是本发明中的柔性前臂模块示意图（与图4的视图角度不同）；

图6是本发明中的柔性上臂模块示意图；

图7是本发明中的套索驱动模块示意图；

图8是本发明中的第一腕部驱动单元示意图；

图中有：柔性手部模块1、柔性前臂模块2、柔性上臂模块3、套索驱动模块4、柔性手套11、第四手部钢丝索固定件12、第四手部钢丝索13、第二手部钢丝索14、第一手部钢丝索15、第三手部钢丝索16、第三手部钢丝索固定件17、第一手部钢丝索固定件18、手部惯性传感器19、以及第二手部钢丝索固定件110、第四前臂套管固定件21、第二前臂钢丝索固定件22、第四前臂套管23、第二前臂钢丝索24、柔性前臂环25、第二前臂套管26、第二前臂套管固定件27、第一前臂钢丝索固定件28、第一前臂钢丝索29、第三前臂套管210、第三前臂套管固定件211、前臂惯性传感器212、第一前臂套管213、第一前臂套管固定件214、柔性上臂环31、第二上臂套管32、第二上臂套管固定件33、上臂惯性传感器34、第一上臂套管固定件35、第一上臂套管36、第一腕部驱动单元41、第三腕部驱动单元42、第一肘部驱动单元43、第二肘部驱动单元44、第二腕部驱动单元45、第四腕部驱动单元46、驱动电机4101、底座4102、第一光轴4103、滑块4104、预紧螺栓4105、移动台4106、第一压缩弹簧4107、力传感器4108、丝杠4109、联轴器4110、第二光轴4111、第二压缩弹簧4112。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图，详细说明本发明的技术方案。

如图1至图8所示，一种基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人，该机构包括依次连接的柔性手部模块1、柔性前臂模块2、柔性上臂模块3、以及套索驱动模块4，套索驱动模块4还分别与柔性手部模块1和柔性前臂模块2连接。

柔性手部模块1包括柔性手套11、第四手部钢丝索固定件12、第四手部钢丝索13、第二手部钢丝索14、第一手部钢丝索15、第三手部钢丝索16、第三手部钢丝索固定件17、第一手部钢丝索固定件18、手部惯性传感器19、以及第二手部钢丝索固定件110，第一手部钢丝索固定件18、第二手部钢丝索固定件110、第三手部钢丝索固定件17和第四手部钢丝索固定件12分别固定安装在柔性手套11的前侧、后侧、左侧和右侧，第一手部钢丝索15的一端与第一手部钢丝索固定件18连接，另一端穿过柔性前臂模块2后与套索驱动模块4连接，第二手部钢丝索14的一端与第二手部钢丝索固定件110连接，另一端穿过柔性前臂模块2后与套索驱动模块4连接，第三手部钢丝索16的一端与第三手部钢丝索固定件17连接，另一端穿过柔性前臂模块2后与套索驱动模块4连接，第四手部钢丝索13的一端与第四手部钢丝索固定件12连接，另一端穿过柔性前臂模块2后与套索驱动模块4连接，手部惯性传感器19固定安装在柔性手套11的前侧；柔性前臂模块2包括第四前臂套管固定件21、第二前臂钢丝索固定件22、第四前臂套管23、第二前臂钢丝索24、柔性前臂环25、第二前臂套管26、第二前臂套管固定件27、第一前臂钢丝索固定件28、第一前臂钢丝索29、第三前臂套管210、第三前臂套管固定件211、前臂惯性传感器212、第一前臂套管213、以及第一前臂套管固定件214，第一前臂套管固定件214、第二前臂套管固定件27、第三前臂套管固定件211和第四前臂套管固定件21分别固定安装在柔性前臂环25的前侧、后侧、左侧和右侧，第一前臂套管213的一端与第一前臂套管固定件214连接，另一端与套索驱动模块4连接，第一手部钢丝索15分别穿过第一前臂套管固定件214与第一前臂套管213，并沿着走线路径传递驱动力，第二前臂套管26的一端与第二前臂套管固定件27连接，另一端与套索驱动模块4连接，第二手部钢丝索14分别穿过第二前臂套管固定件27与第二前臂套管26，并沿着走线路径传递驱动力，第三前臂套管210的一端与第三前臂套管固定件211连接，另一端与套索驱动模块4连接，第三手部钢丝索16分别穿过第三前臂套管固定件211与第三前臂套管210，并沿着走线路径传递驱动力，第四前臂套管23的一端与第四前臂套管固定件21连接，另一端与套索驱动模块4连接，第四手部钢丝索13分别穿过第四前臂套管固定件21与第四前臂套管23，并沿着走线路径传递驱动力，第一前臂钢丝索固定件28和第二前臂钢丝索固定件22分别固定安装在柔性前臂环25的左侧和右侧，第一前臂钢丝索29的一端与第一前臂钢丝索固定件28连接，另一端穿过柔性上臂模块3后与套索驱动模块4连接，第二前臂钢丝索24的一端与第二前臂钢丝索固定件22连接，另一端穿过柔性上臂模块3后与套索驱动模块4连接，前臂惯性传感器212固定安装在柔性前臂环25的前侧；柔性上臂模块3包括柔性上臂环31、第二上臂套管32、第二上臂套管固定件33、上臂惯性传感器34、第一上臂套管固定件35、以及第一上臂套管36，第一上臂套管固定件35和第二上臂套管固定件33分别固定安装在柔性上臂环31的左侧和右侧，第一上臂套管36的一端与第一上臂套管固定件35连接，另一端与套索驱动模块4连接，第一前臂钢丝索29分别穿过第一上臂套管固定件35与第一上臂套管36，并沿着走线路径传递驱动力，第二上臂套管32的一端与第二上臂套管固定件33连接，另一端与套索驱动模块4连接，第二前臂钢丝索24分别穿过第二上臂套管固定件33与第二上臂套管32，并沿着走线路径传递驱动力，上臂惯性传感器34固定安装在柔性上臂环31的前侧；套索驱动模块4包括第一腕部驱动单元41、第三腕部驱动单元42、第一肘部驱动单元43、第二肘部驱动单元44、第二腕部驱动单元45、以及第四腕部驱动单元46，第一腕部驱动单元41与第一手部钢丝索15和第一前臂套管213相连，第二腕部驱动单元45与第二手部钢丝索14和第二前臂套管26相连，第三腕部驱动单元42与第三手部钢丝索16和第三前臂套管210相连，第四腕部驱动单元46与第四手部钢丝索13和第四前臂套管23相连，第一肘部驱动单元43与第一前臂钢丝索29和第一上臂套管36相连，第二肘部驱动单元44与第二前臂钢丝索24和第二上臂套管32相连；第一腕部驱动单元41包括驱动电机4101、底座4102、第一光轴4103、滑块4104、预紧螺栓4105、移动台4106、第一压缩弹簧4107、力传感器4108、丝杠4109、联轴器4110、第二光轴4111、以及第二压缩弹簧4112，驱动电机4101固定安装在底座4102的一端，电机转轴通过联轴器4110与安装在底座4102中部的丝杠4109固定连接，丝杠4109安装在底座4102中部，移动台4106中间开有螺纹孔，并与丝杠4109相互旋合，移动台4106和滑块4104两侧开有光孔，并与第一光轴4103、第二光轴4111相配合，第一压缩弹簧4107穿过第一光轴4103后安装在滑块4104和移动台4106之间，第二压缩弹簧4112穿过第二光轴4111后安装在滑块4104和移动台4106之间，力传感器4108的一端与滑块4104固定连接，另一端与预紧螺栓4105相互旋合，第一前臂套管213的另一端固定安装在底座4102的另一端，第一手部钢丝索15穿过第一前臂套管213后与预紧螺栓4105固定连接，通过调整预紧螺栓4105的旋进深度可以改变第一手部钢丝索15的有效长度，进而改变套索预紧力，驱动电机4101通过控制丝杠4109的转动来调整移动台4106的位置，第一压缩弹簧4107和第二压缩弹簧4112在移动台4106的作用下被压缩，并推动滑块4104沿着第一光轴4103和第二光轴4111运动，滑块4104将驱动力传递到第一手部钢丝索15，第一手部钢丝索15将驱动力沿着第一前臂套管213的轴向传递到柔性手部模块1。

进一步，如图7所示，第一腕部驱动单元41、第三腕部驱动单元42、第一肘部驱动单元43、第二肘部驱动单元44、第二腕部驱动单元45、以及第四腕部驱动单元46具有相同的结构。

进一步，如图2至图6所示，柔性手套11、柔性前臂环25和柔性上臂环31采用可充气柔性轻质材料，可通过充气减小内部尺寸，并穿戴于人体手部、前臂和上臂。

进一步，如图1至图7所示，第一腕部驱动单元41和第二腕部驱动单元45相互配合可以完成腕部背屈/掌屈运动，第三腕部驱动单元42和四腕部驱动单元46相互配合可以完成腕部尺屈/桡屈运动，第一肘部驱动单元43和第二肘部驱动单元44相互配合可以完成肘部前屈/后伸运动。

进一步，如图1所示，所述基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人可以穿戴于人体左上肢或右上肢进行康复训练。

进一步，如图2、图4、图6所示，手部惯性传感器19、前臂惯性传感器212、以及上臂惯性传感器34集成了三轴加速度计、三轴磁力计、以及三轴陀螺仪，可以实施检测人体肘关节和腕关节的关节角度。

进一步，如图7、图8所示，各驱动单元的力传感器可以实时检测驱动力的大小，结合肘关节和腕关节的关节角度信息可以实现被动训练模式、阻抗训练模式、以及助力训练模式等多种康复训练模式。

进一步，如图7、图8所示，各驱动单元的压缩弹簧可以增加康复训练过程的柔顺性和舒适性，并通过压缩量的自调整来降低由于人机间的运动偏差而导致的牵扯感，消除安全隐患。

本发明能辅助偏瘫患者进行左/右上肢肘关节和腕关节的康复训练，该机器人可以穿戴于人体上肢，并采用套索驱动的形式实现驱动装置与机器人可穿戴部分的有效分离，可穿戴部分主要由轻质柔性材料组成，减小了机器人执行机构的体积、质量和惯量，实现了轻量化设计，提升了训练过程的舒适性和安全性。

上述基于套索驱动的可穿戴式柔性上肢康复机器人的工作过程为：根据患者的训练需将柔性手部模块1、柔性前臂模块2、以及柔性上臂模块3分别穿戴于患肢的手部、前臂中部和上臂中部。调整柔性手套11、柔性前臂环25以及柔性上臂环31的充气量，使其与患肢连接可靠而又不会造成不适感。调整套索驱动模块4中各驱动单元的滑块初始位置，并结合力传感器与预紧螺栓调整套索预紧力，使系统处于预期初始状态。根据患者偏瘫程度设置康复训练模式，控制系统采集、分析、处理手部惯性传感器19、前臂惯性传感器212、上臂惯性传感器34、以及各力传感器的传感信号，辅助患者完成康复训练。

本发明的创新之处在于，采用套索驱动的形式实现驱动装置与机器人可穿戴部分的分离，可穿戴部分主要由轻质柔性材料组成，有效减小了系统体积、负重和功耗，实现了系统轻量化设计。采用可充气的轻质柔性材料来实现柔性人机连接，驱动装置串联了弹簧，可以实现人机间运动偏差的自适应调整，有效提高了康复训练过程的柔顺性、舒适性和安全性。独特的穿戴式结构适用于左右两侧患肢的康复训练，降低了医疗康复设备成本，提高了系统适用性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。