專利名稱：截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，屬于康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
據(jù)相關(guān)調(diào)査顯示，我國每年有近十萬新增肢體殘疾脊髓損傷患者，對肢體 殘障者的康復(fù)訓(xùn)練是我國康復(fù)醫(yī)療的一項艱巨任務(wù)。針對這些患者除了進行手 術(shù)治療或者藥物治療外，科學(xué)合理的康復(fù)訓(xùn)練對于患者肢體運動功能的改善起 著至關(guān)重要的作用。目前，在中國和全世界對肢體康復(fù)設(shè)備都有巨大的需求， 特別是高技術(shù)含量的機電一體化康復(fù)設(shè)備嚴(yán)重短缺。隨著科技發(fā)展，越來越多 的研究者開始利用其它領(lǐng)域研究成果，結(jié)合康復(fù)醫(yī)學(xué)設(shè)計新的醫(yī)療訓(xùn)練方法。 這些學(xué)科包括機械學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、計算機學(xué)、機器人學(xué)以及材料學(xué)等多種
學(xué)科。目前對這方面的研究統(tǒng)稱為康復(fù)工程，康復(fù)機器人作為一種自動化康復(fù) 醫(yī)療設(shè)備，它以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，幫助患者進行科學(xué)而又有效的康復(fù)訓(xùn)練，可 以使患者的運動機能得到更好的恢復(fù)，其研究成果包括先進的假肢或矯形器、 踏車、功能性電刺激踏車、步態(tài)康復(fù)機器人、智能康復(fù)機器人等。但是這些康 復(fù)機器人， 一般訓(xùn)練模態(tài)單一，只能對單獨體位的病人進行訓(xùn)練，不能同時滿
足不同康復(fù)階段病人的康復(fù)訓(xùn)練要求。中國專利CN101019800是一種氣動式 多體位外骨骼下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，其可以通過調(diào)節(jié)氣體的流量來調(diào)節(jié)活塞桿 的速度，氣缸的力矩和機械主體的姿態(tài)。中國專利CN2815338是一種仰臥式 下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，它由帶傳感器的直流力矩電機、齒輪組減速機構(gòu)、齒形 帶輪副、光桿導(dǎo)軌組成的往復(fù)機構(gòu)，由曲柄連桿機構(gòu)組成的大小腿屈伸機構(gòu)以 及獨立電機和齒輪副驅(qū)動的腳姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)。中國發(fā)明專利CN1973806提出 了一種多位體外骨骼下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，采用了螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠驅(qū)動方 式。與專利CN1973806相比，本發(fā)明在機構(gòu)設(shè)計上有如下優(yōu)點(1)專利 CN1973806中，電機和絲杠螺母的重量作用在絲杠上，會使絲杠產(chǎn)生徑向力和 彎矩。本發(fā)明采用電機和絲杠螺母一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，電機和絲杠螺母繞一點轉(zhuǎn) 動，絲杠一端力的產(chǎn)生，從而可選用小尺寸絲杠，結(jié)構(gòu)緊湊。(2)專利CN1973806設(shè)計中 將電機和絲杠與構(gòu)件平行布置，整個構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸大，不便于將驅(qū)動部分封裝。 本發(fā)明電機和螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠布置在構(gòu)件夾板中間，驅(qū)動部分集中于關(guān)節(jié) 處，易于將其完全封裝，具有較高的安全性。(3)專利CN1973806中的兩個 驅(qū)動部分不能互換，本發(fā)明采用模塊化機構(gòu)設(shè)計，三個關(guān)節(jié)的驅(qū)動型式完全相 同。(4)本發(fā)明在滾珠絲杠的一端安裝有拉壓力傳感器，并在轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)安裝有 絕對位置編碼器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明集主動、被動、助力、主從訓(xùn)練為一體，結(jié)合康復(fù)學(xué)理論和人機合 作機器人原理，提供一種用于心腦血管疾病致癱或因意外事故及自然災(zāi)害等所 造成的截癱患者進行下肢及相關(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機 器人。
本發(fā)明的下肢康復(fù)醫(yī)療機器人基于機構(gòu)學(xué)、人體運動學(xué)的機器人機構(gòu)綜合 與機械設(shè)計，具有多種訓(xùn)練模態(tài)(主動、被動、助力、主從訓(xùn)練)的機器人控 制系統(tǒng)以及智能控制方法。本下肢康復(fù)醫(yī)療機器人由計算機控制，并配有相應(yīng) 的傳感器和安全系統(tǒng)，康復(fù)訓(xùn)練在設(shè)定的程序下自動進行，具有智能化、定量 化、個性化等特點，不同的病人在不同康復(fù)階段機器人能夠設(shè)計最優(yōu)運動牽引 軌跡和規(guī)劃智能路徑，并可以自動評價康復(fù)訓(xùn)練效果，根據(jù)病人的實際情況調(diào) 節(jié)運動參數(shù)，實現(xiàn)最佳訓(xùn)練。同時，本下肢康復(fù)醫(yī)療機器人針對截癱患者的特 點，設(shè)計了運動副連接傳感器的形式，傳感器既當(dāng)作運動副的一部分，又作為 測量受力部件。整個康復(fù)機器人末端分別安裝在座椅的兩側(cè)，患者坐在座椅上 進行康復(fù)訓(xùn)練，設(shè)計時充分考慮了人體下肢數(shù)據(jù)，連桿長度可以在規(guī)定的范圍 內(nèi)進行調(diào)節(jié)，符合人性化設(shè)計要求。
本發(fā)明的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人包括底座、康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置、 計算機控制系統(tǒng)。
底座系統(tǒng)最底部，用于支撐整個系統(tǒng)。包括座椅、承載整個機器的底盤 以及在底盤后端固定的支架。座椅是整個訓(xùn)練過程的載體，能夠進行上下、前 后調(diào)節(jié)，靠背可進行前傾、后仰調(diào)節(jié)，以適用于不同的患者。康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置包括髖部件、大腿桿、小腿桿和腳踏板。髖部件的末 端與座椅固聯(lián)，
髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)分別由髖部件與大腿桿、大腿桿與小腿桿、小腿 桿與腳踏板鉸接構(gòu)成。這三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由三個相同模塊的曲柄搖塊機構(gòu)組成， 曲柄搖塊機構(gòu)由螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠作為直線副驅(qū)動曲柄運動，帶動人體下肢 進行康復(fù)訓(xùn)練。電機通過同步帶與滾珠絲杠的螺母相連傳遞運動，螺母的旋轉(zhuǎn) 帶動絲杠傳動，有利于減小執(zhí)行機構(gòu)的復(fù)雜程度，便于實現(xiàn)計算機控制。本下 肢康復(fù)醫(yī)療機器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)裝有絕對位置編碼器，在每次啟動電源后不必進 行原點復(fù)歸就可獲得當(dāng)前的絕對位置。采用電機和絲杠螺母一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計， 電機和絲杠螺母繞一點轉(zhuǎn)動，三個滾珠絲杠的一端是裝有拉壓型壓電式力傳感 器的轉(zhuǎn)動副，另一端不固定，避免了滾珠絲杠徑向力和彎矩的產(chǎn)生。拉壓型壓 電式力傳感器用于測量機器人關(guān)節(jié)的受力，實現(xiàn)動力反饋康復(fù)訓(xùn)練。力矩控制 器根據(jù)壓電式力傳感器測量的信息，經(jīng)過相關(guān)控制算法產(chǎn)生力矩控制信號，并 將此信號傳遞給電機控制模塊；電機控制模塊根據(jù)速度、力矩控制信號，經(jīng)過 相關(guān)處理產(chǎn)生電機控制信號控制康復(fù)醫(yī)療機器人各個執(zhí)行部件，從而得到需要 的訓(xùn)練模式對患者進行下肢康復(fù)訓(xùn)練。通過檢測壓電式力傳感器的受力狀態(tài)來 判斷人體下肢的運動趨勢，為控制系統(tǒng)提供參數(shù)，從而控制電機產(chǎn)生相應(yīng)的運 動，實現(xiàn)主動、被動、助力、主從訓(xùn)練模式。
計算機控制系統(tǒng)包括高性能計算機、控制器、傳感器、人機操作界面等 部分構(gòu)成。高性能計算機用于康復(fù)訓(xùn)練過程中圖像處理、數(shù)據(jù)儲存等，對整個 系統(tǒng)統(tǒng)一控制，通過人機操作界面的屏幕顯示實時訓(xùn)練狀態(tài)及結(jié)果。醫(yī)務(wù)人員 可以通過訓(xùn)練過程顯示分析訓(xùn)練效果，給出進一步訓(xùn)練意見，患者通過屏幕可 以看到自己的訓(xùn)練成績，增強訓(xùn)練的信心。人機操作界面分兩部分醫(yī)生操作 界面和患者操作界面。醫(yī)生操作界面設(shè)有密碼保護，由專業(yè)醫(yī)務(wù)人員操作，可 以控制康復(fù)運動的主要技術(shù)參數(shù)?；颊卟僮鹘缑婵梢栽卺t(yī)生允許的范圍內(nèi)調(diào)節(jié) 運動參量，并通過患者操作可以顯示訓(xùn)練過程中的對比效果。
計算機控制系統(tǒng)用于控制所有的驅(qū)動系統(tǒng)，為了適應(yīng)主動、被動、助力、 主從等多種訓(xùn)練模態(tài)，采用位置、速度、電流隨時可變的伺服控制模式。它不
6同于傳統(tǒng)的固定控制模式，能夠使機器人根據(jù)不同的外部環(huán)境采取不同的控制 模式。主動訓(xùn)練時，采用電流控制方法，根據(jù)關(guān)節(jié)的力矩和肌電信號進行反饋
控制，以實現(xiàn)關(guān)節(jié)的主動訓(xùn)練；被動訓(xùn)練時，采用速度和位置控制的方法，根 據(jù)腳部運動軌跡規(guī)劃實現(xiàn)髖、膝、踝等關(guān)節(jié)的運動；助力訓(xùn)練時，采用腳部力 反饋、髖、膝、踝關(guān)節(jié)力反饋和下肢肌電信號反饋的電流控制方法；主從訓(xùn)練 時，由一條"好腿"帶動一條"壞腿"，"好腿"采用主動訓(xùn)練，"壞腿"根據(jù) "好腿"的運動產(chǎn)生與"好腿"相同的運動軌跡訓(xùn)練。另夕卜，也可以單獨對每 個關(guān)節(jié)進行主動、助力、被動和主從康復(fù)訓(xùn)練。
本發(fā)明的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人可用于因心腦血管疾病致癱或 因意外事故及自然災(zāi)害等造成的截癱患者進行下肢及相關(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。


圖l、截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2、截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人腿部機構(gòu)示意圖； 圖3、截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面給出本發(fā)明實施的優(yōu)選方案，并結(jié)合附圖加以說明。 本發(fā)明的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包 括底座20、計算機控制系統(tǒng)、康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置等。整個康復(fù)機器人末端通過 固定連接件19分別安裝在座椅18的兩側(cè)，并且以座椅18的縱向軸線為對稱 軸，對稱布置，患者可坐在座椅上進行主動、被動、助力、主從訓(xùn)練多訓(xùn)練模 態(tài)下肢康復(fù)訓(xùn)練，座椅18能夠根據(jù)不同患者的特點進行上下、前后調(diào)節(jié)，靠 背可進行前傾和后仰調(diào)節(jié)，符合人性化設(shè)計要求。計算機系統(tǒng)控制箱21安裝 在底座20上，安裝于箱內(nèi)的控制器用于控制實現(xiàn)主動、被動、助力、主從多 種訓(xùn)練模態(tài)所需的所有驅(qū)動系統(tǒng)。本康復(fù)醫(yī)療機器人可進行腿屈伸運動和單關(guān) 節(jié)運動。在腿屈曲過程中，腿部各關(guān)節(jié)均可得到鍛煉；單關(guān)節(jié)運動可針對某個 關(guān)節(jié)的損傷程度，有效地對某個關(guān)節(jié)進行重點訓(xùn)練。
本下肢康復(fù)醫(yī)療機器人腿部機構(gòu)示意圖如圖2所示，康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置主 要包括髖部件2、大腿桿5、小腿桿10和腳踏板15。髖部件2的末端通過固定連接件19與座椅18固聯(lián)，髖部件2與大腿桿5鉸接構(gòu)成髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)由大 腿桿5與小腿桿IO鉸接構(gòu)成，踝關(guān)節(jié)由小腿桿10與腳踏板15鉸接構(gòu)成，這 三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由三個相同模塊的曲柄搖塊機構(gòu)組成。曲柄搖塊機構(gòu)由螺母旋轉(zhuǎn) 式第一滾珠絲杠1作為直線副驅(qū)動第一曲柄4運動，第二滾珠絲杠7作為直線 副驅(qū)動第二曲柄9運動，第三滾珠絲杠11作為直線副驅(qū)動第三曲柄13運動， 帶動人體下肢進行康復(fù)訓(xùn)練。第一直流伺服電機3通過同步帶與第一滾珠絲杠 1的旋轉(zhuǎn)螺母相連，第二直流伺服電機6通過同步帶與第二滾珠絲杠7的旋轉(zhuǎn) 螺母相連，第三直流伺服電機12通過同步帶與第三滾珠絲杠11的旋轉(zhuǎn)螺母相 連傳遞運動。為了避免滾珠絲杠徑向力和彎矩的產(chǎn)生，采用電機和絲杠螺母一 體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，電機和絲杠螺母繞一點轉(zhuǎn)動，三個滾珠絲杠的一端是裝有拉壓 型壓電式力傳感器的轉(zhuǎn)動副，另一端不固定。螺母的旋轉(zhuǎn)帶動絲杠傳動，有利 于減小執(zhí)行機構(gòu)的復(fù)雜程度，便于實現(xiàn)計算機控制。本下肢康復(fù)醫(yī)療機器人針 對截癱患者的特點，設(shè)計了運動副連接傳感器的形式，傳感器既當(dāng)作運動副的 一部分，又作為測量受力部件。三個拉壓型壓電式力傳感器8分別安裝在第一 滾珠絲杠1、第二滾珠絲杠7和第三滾珠絲杠11的一端，用于測量機器人關(guān)節(jié) 的受力，實現(xiàn)動力反饋康復(fù)訓(xùn)練，第一滾珠絲杠l、第二滾珠絲杠7和第三滾 珠絲杠11的另一端不固定，不承受徑向力。三個絕對位置編碼器14分別安裝 在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上，在每次啟動電源后不必進行原點復(fù)歸就可獲得 當(dāng)前的絕對位置。
使用時，患者可仰臥在座椅18上，兩腳踏在腳踏板15上，大腿、小腿分 別放在大腿桿5和小腿桿10上。本康復(fù)醫(yī)療機器人在設(shè)計時充分考慮了人體 下肢數(shù)據(jù)，大腿桿5和小腿桿10的長度可以在規(guī)定的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，符合 人性化設(shè)計要求。患者在人機操作界面22上自主設(shè)定控制指令，啟動第一直 流伺服電機3和第二直流伺服電機6，計算機接受來自壓電式力傳感器8的信 號，并控制第一直流伺服電機3和第二直流伺服電機6的轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)患者 的腿部屈伸運動，與此同時，腳姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)中的第三直流伺服電機12也協(xié) 同動作，并帶動踝關(guān)節(jié)運動。如果單獨啟動腳姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)中的第三直流伺服 電機12，也可以單獨進行踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。圖3所示為膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，這個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由曲柄搖塊機構(gòu)構(gòu)成，曲柄 搖塊機構(gòu)由螺母旋轉(zhuǎn)式第二滾珠絲杠7作為直線副驅(qū)動第二曲柄9運動，帶動 人體小腿進行康復(fù)訓(xùn)練，通過計算機自主設(shè)定控制指令后，啟動第二直流伺服 電機6，第二電機6通過同步帶17與第二滾珠絲杠7的螺母16相連傳遞運動， 螺母16的旋轉(zhuǎn)帶動第二滾珠絲杠7傳動。拉壓型壓電式力傳感器8既當(dāng)作運 動副的一部分，又作為測量受力部件。壓電式力傳感器8安裝在第二滾珠絲杠 7的末端，用于測量機器人膝關(guān)節(jié)的受力，實現(xiàn)動力反饋康復(fù)訓(xùn)練。第二直流 伺服電機6、第二滾珠絲杠7、旋轉(zhuǎn)式螺母16和同步帶17布置在大腿桿5的 夾板中間并集中于關(guān)節(jié)處，易于將其完全封裝，具有較高的安全性。
權(quán)利要求
1、一種截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，其特征在于它包括底座裝置和位于底座兩側(cè)相同的康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置，所述底座裝置和康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置均與計算機控制系統(tǒng)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，其特征在于: 所述底座裝置包括座椅(18)、計算機系統(tǒng)控制箱(21)、承載整個機器的底盤以及在底盤后端固定的支架，控制箱(21)安裝在底座(20)上，康復(fù)下肢訓(xùn) 練裝置通過固定連接件(19)分別安裝在座椅(18)的兩側(cè)，并且以座椅(18) 的縱向軸線為對稱軸，對稱布置，座椅(18)可進行上下、前后、前傾和后仰 調(diào)節(jié)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，其特征 在于康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，所述髖關(guān)節(jié)由髖部件(2)與大腿桿(5)鉸接構(gòu)成，膝關(guān)節(jié)由大腿桿(5)與小腿桿(10)鉸接構(gòu) 成，踝關(guān)節(jié)由小腿桿(10)與腳踏板(15)鉸接構(gòu)成，所述髖部件(2)的末 端與座椅(18)固聯(lián)，大腿桿(5)和小腿桿(10)的長度可以在規(guī)定的范圍 內(nèi)進行調(diào)節(jié)，符合人性化設(shè)計要求，所述髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)由三個相同 模塊的曲柄搖塊機構(gòu)組成，曲柄搖塊機構(gòu)由螺母旋轉(zhuǎn)式第一滾珠絲杠(1)作 為直線副驅(qū)動第一曲柄(4)運動，第二滾珠絲杠(7)作為直線副驅(qū)動第二曲 柄(9)運動，第三滾珠絲杠(11)作為直線副驅(qū)動第三曲柄(13)運動，帶 動人體下肢進行康復(fù)訓(xùn)練。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，其特征在于 所述第一滾珠絲杠(1)的旋轉(zhuǎn)螺母通過同步帶與第一直流伺服電機(3)相連， 所述第二滾珠絲杠(7)的旋轉(zhuǎn)螺母通過同步帶與第二直流伺服電機(6)相連， 所述第三滾珠絲杠(11)的旋轉(zhuǎn)螺母通過同步帶與第三直流伺服電機(12)相 連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，其特征 在于所述第一滾珠絲杠(1)、第二滾珠絲杠(7)和第三滾珠絲杠(11)的 一端均安裝拉壓型壓電式力傳感器(8)，既當(dāng)作運動副的一部分，又作為測量 受力部件，第一滾珠絲杠(1)、第二滾珠絲杠(7)和第三滾珠絲杠(11)的另一端不固定，不承受徑向力。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，其特征 在于所述髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)均安裝絕對位置編碼器(14),在每次啟 動電源后不必進行原點復(fù)歸就可獲得當(dāng)前的絕對位置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，其特征 在于所述計算機控制系統(tǒng)包括高性能計算機、控制器、傳感器、人機操作界 面(22)等部分，人機操作界面(22)固定在座椅(18)左側(cè)的連接板上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種截癱患者用下肢康復(fù)醫(yī)療機器人，屬于康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域。它包括底座、康復(fù)下肢訓(xùn)練裝置、計算機控制系統(tǒng)。該機器人結(jié)合康復(fù)學(xué)理論和人機合作機器人原理，集主動、被動、助力、主從訓(xùn)練為一體，可用于心腦血管疾病致癱或因意外事故及自然災(zāi)害等所造成的截癱患者進行下肢及相關(guān)關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。本下肢康復(fù)醫(yī)療機器人由計算機控制，并配有相應(yīng)的傳感器和安全系統(tǒng)，康復(fù)訓(xùn)練在設(shè)定的程序下自動進行，具有智能化、定量化、個性化特點，不同的病人在不同康復(fù)階段機器人能夠設(shè)計最優(yōu)運動牽引軌跡和規(guī)劃智能路徑，并可以自動評價康復(fù)訓(xùn)練效果，根據(jù)病人的實際情況調(diào)節(jié)運動參數(shù)，從而實現(xiàn)最佳康復(fù)訓(xùn)練。
文檔編號A63B23/04GK101623547SQ200910075068
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月5日
發(fā)明者侯增廣, 劉洪濤, 史小華, 王洪波, 鄭曉倩 申請人:燕山大學(xué)