一種欠驅動上肢康復機器人控制系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明屬于醫(yī)療康復設備領域，更具體地，涉及一種欠驅動上肢康復機器人控制系統(tǒng)。

背景技術：

人類的上肢以其強大的運動能力在日常生活中的各種操作任務中起到了不可替代的作用，然而由中風或脊髓損傷造成的運動神經(jīng)損傷可能導致上肢運動功能障礙，這些運動功能障礙的患者往往生活難以自理，給患者及其家屬的身心造成極大的打擊，對社會的發(fā)展也帶了沉重的壓力與負擔。

傳統(tǒng)的上肢康復訓練是由康復治療師一對一進行的，這種訓練方法時間長，效率低，訓練強度與精度難以保證，整個康復過程患者的參與度低，缺乏趣味性。而在上肢康復訓練中引入康復機器人技術不僅可以將康復治療師從繁重的康復訓練中解放出來，還能針對不同患者采用不同的訓練方法與訓練強度，并將康復相關的數(shù)據(jù)記錄下來供康復治療師或醫(yī)生分析。

目前已知的上肢康復機器人有以下缺點：1)、絕大多數(shù)采用關節(jié)驅動的控制模式，控制難度高，機構笨重不靈活；2)、訓練方法單一，只能針對某一特定康復期的患者；3)、人機接口單一，不能有效識別患者意圖，患者的自主度與參與度低；4)、智能化程度低，無法客觀記錄或只能部分記錄患者康復過程中的相關數(shù)據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種訓練模式豐富、智能化程度高、具有多種人機接口的欠驅動上肢康復機器人的控制系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種欠驅動上肢康復機器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括微型計算機和分別與所述微型計算機連接的電源分配模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和運動控制模塊，其中，

所述電源分配模塊用于將市電轉化成數(shù)據(jù)采集模塊、運動控制模塊與微型計算機所需的電壓；

所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集體現(xiàn)人體運動意圖的相關數(shù)據(jù)傳遞給微型計算機，微型計算機處理所述相關數(shù)據(jù)并識別人的運動意圖，再將運動意圖輸出為運動數(shù)據(jù)傳遞給運動控制模塊，運動控制模塊的動力輸出至康復機器人，康復機器人通過綁帶與患者固定，按規(guī)劃的軌跡或跟隨人的運動意圖運動，從而實現(xiàn)康復運動

所述數(shù)據(jù)采集模塊包括眼動儀、圖像采集卡、關節(jié)力矩傳感器、六維力傳感器、握力傳感器、位移傳感器、肌電電極、拉力傳感器與數(shù)據(jù)采集卡，其中，

所述眼動儀由患者佩戴于頭部，實時監(jiān)測患者瞳孔位置，并將圖像數(shù)據(jù)通過圖像采集卡經(jīng)usb傳輸至微型微型計算機；

所述關節(jié)力矩傳感器安裝于康復機器人機體肘關節(jié)與肩關節(jié)處，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將關節(jié)力矩數(shù)據(jù)傳輸至微型計算機；

所述六維力傳感器安裝于康復機器人機體手柄根部，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將手柄處六維力/力矩數(shù)據(jù)傳輸至微型計算機；

所述握力傳感器安裝于康復機器人機體的手柄內(nèi)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將患者握力數(shù)據(jù)傳輸至微型計算機；

所述位移傳感器安裝與康復機器人前臂與手腕之間，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將前臂與手腕間自由伸縮的距離數(shù)據(jù)傳輸至微型計算機；

所述肌電電極貼附在患者指定肌肉皮膚表面，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將患者指定肌肉的表面肌電信號數(shù)據(jù)傳輸至微型計算機；

所述拉力傳感器安裝于康復機器人機體鋼絲繩動力輸出處，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將鋼絲繩拉力數(shù)據(jù)傳輸至微型計算機；

所述運動控制模塊包括運動控制卡、限位開關、急停開關、伺服電機、電磁離合器和關節(jié)編碼器，其中，

所述運動控制卡安裝于微型計算機內(nèi)，以pci總線與微型計算機通信，運動控制卡將電機控制信號發(fā)送給伺服電機，伺服電機安裝于康復機器人機箱內(nèi)，電磁離合器與伺服電機相連，用以控制動力輸出；所述限位開關安裝于康復機器人機體的運動極限位置，繼電器分別伺服電機和電磁離合器相連，在緊急情況下接受運動控制卡緊急停止命令或者安裝于康復機器人外殼上的急停開關信號切斷伺服電機與電磁離合器電源，關節(jié)編碼器安裝于康復機器人機體的肩肘關節(jié)處。

優(yōu)選地，在康復運動過程中，微型計算機實時記錄由數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)于后臺數(shù)據(jù)庫，并通過交互界面展示給患者。

優(yōu)選地，還包括液晶電視，所述液晶電視作為人機交互界面，并且其通過hdmi接口與所述微型計算機相連。

優(yōu)選地，還包括鍵盤鼠標，所述鍵盤鼠標通過usb接口與所述微型計算機相連。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果：

1)通過眼動儀、六維力傳感器、肌電電極等多種手段識別患者意圖，可適用于不同患者的各種生理狀態(tài)，也適用于同一患者的不同康復期。

2)傳感器豐富，智能化程度高?？祻蜋C器人機體上安裝的扭矩傳感器，握力傳感器，拉力傳感器，位移傳感器，與上述眼動儀、六維力傳感器、肌電電極等傳感器可同時采集患者在康復過程中的各項數(shù)據(jù)，并進行整理歸檔方便康復醫(yī)師進行分析。

3)控制模式多樣，康復運動種類豐富。

4)欠驅動結構，減少了驅動器數(shù)量，并將驅動器后置，使整個康復機器人的執(zhí)行機構輕便靈活，能完成復雜的動作。

5)采用一體化控制箱設計，可以將微型計算機集成放入控制箱內(nèi)，康復機器人外表無多余線纜，體積緊湊，安全性高。

附圖說明

圖1是按照本發(fā)明的控制系統(tǒng)結構框圖；

圖2是本發(fā)明的各部件位置安裝示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

參照圖1、圖2，圖1是按照本發(fā)明構建的欠驅動康復機器人控制系統(tǒng)結構框圖。如圖2所示，該欠驅動康復機器人控制系統(tǒng)主要包括電源分配模塊1、數(shù)據(jù)采集模塊2、液晶電視3、微型計算機4、鍵盤鼠標5和運動控制模塊6，其中，數(shù)據(jù)采集模塊2包括眼動儀2-1、圖像采集卡2-2、多個關節(jié)力矩傳感器2-3、數(shù)據(jù)采集卡2-4、六維力傳感器2-5、多個拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7、位移傳感器2-8和肌電電極2-9。運動控制模塊6包括多個限位開關6-1、運動控制卡6-2、多個伺服電機6-3、多個關節(jié)編碼器6-4、繼電器6-5、多個電磁離合器6-6和急停開關6-7。

實施例一：

在使用被動模式進行康復運動時具體過程如下：

患者的手臂通過綁帶固定于康復機器人的機械臂上，手掌握于機械臂的手柄處，康復醫(yī)師通過微型計算機4上連接的鍵盤鼠標5選擇所需要的康復訓練動作，并修改相應參數(shù)，微型計算機4通過pci總線將康復動作對應的運動軌跡參數(shù)發(fā)送給運動控制卡6-2，運動控制卡6-2的數(shù)字輸出口控制繼電器6-5細合，進而繼電器6-5使電磁離合器6-6與伺服電機6-3上電，同時運動控制卡6-2將運動指令轉換為伺服驅動器6-3能識別的模擬量指令控制電機運動，這時伺服電機6-3帶動鋼絲繩運動，進而使整個康復機器人帶動患者進行康復運動。在運動過程中，關節(jié)編碼器6-4實時監(jiān)測關節(jié)角度并反饋給運動控制卡6-2，實現(xiàn)閉環(huán)控制提高了運動控制精度。

在整個運動過程中，關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7監(jiān)測患者與康復機器人之間交互力大小，限位開關6-1監(jiān)測康復機器人運動行程范圍，若出現(xiàn)異常即可立即通知運動控制卡6-2停止運動指令的發(fā)送并切斷繼電器6-5使康復機器人停止運動。同時微型計算機會將關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7與關節(jié)編碼器6-4采集到的實施數(shù)據(jù)儲存至后臺以備康復醫(yī)師調閱分析。

在整個康復過程中，液晶電視3可以顯示康復機器人的軟件界面，并將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在軟件界面中，康復醫(yī)師可以通過鍵盤鼠標5來調節(jié)參數(shù)，以適應不同患者的要求。

在整個過程中患者或者康復醫(yī)師可以隨時使用急停開關6-7停止整個康復運動，以保證患者的安全。

在使用被動模式進行康復時，可以根據(jù)需要添加新的康復訓練動作，這時，康復醫(yī)師需要選擇相應功能，并用人工牽引機械臂完成動作，此時，關節(jié)編碼器6-4會將整個運動過程的運動軌跡通過運動控制卡6-2發(fā)送給微型計算機4并保存為新的運動軌跡，以便以后使用。

實施例二：

在使用眼動模式康復運動時具體過程如下：

患者的手臂通過綁帶固定于康復機器人的機械臂上，手掌握于機械臂的手柄處，眼動儀2-1為患者所佩戴，通過安裝在眼動儀上的微型攝像機實時監(jiān)測瞳孔位置，并通過圖像采集卡2-2發(fā)送給微型計算機4，通過微型計算機4中的圖像算法計算出康復機器人所需的運動參數(shù)并通過pci總線發(fā)送給運動控制卡6-2，運動控制卡6-2的數(shù)字輸出口控制繼電器6-5細合，進而繼電器6-5使電磁離合器6-6與伺服電機6-3上電，同時運動控制卡6-2將運動指令轉換為伺服驅動器6-3能識別的模擬量指令控制電機運動，這時伺服電機6-3帶動鋼絲繩運動，進而使整個康復機器人帶動患者進行康復運動。在運動過程中，關節(jié)編碼器6-4實時監(jiān)測關節(jié)角度并反饋給運動控制卡6-2，實現(xiàn)閉環(huán)控制提高了運動控制精度。

在整個運動過程中，關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7監(jiān)測患者與康復機器人之間交互力大小，限位開關6-1監(jiān)測康復機器人運動行程范圍，若出現(xiàn)異常即可立即通知運動控制卡6-2停止運動指令的發(fā)送并切斷繼電器6-5使康復機器人停止運動。同時微型計算機會將關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7與關節(jié)編碼器6-4采集到的實施數(shù)據(jù)儲存至后臺以備康復醫(yī)師調閱分析。

在整個康復過程中，液晶電視3可以顯示康復機器人的軟件界面，并將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在軟件界面中，康復醫(yī)師可以通過鍵盤鼠標5來調節(jié)參數(shù)，以適應不同患者的要求。

在整個過程中患者或者康復醫(yī)師可以隨時使用急停開關6-7停止整個康復運動，以保證患者的安全。

實施例三：

在使用主動助力模式進行康復運動時具體過程如下：

患者的手臂通過綁帶固定于康復機器人的機械臂上，手掌握于機械臂的手柄處，患者微微對手柄施力，力的方向為患者想要運動的方向，六維力傳感器2-5即可采集到手柄處的六維力信息，并通過數(shù)據(jù)采集卡2-4發(fā)送給微型計算機4，微型計算機4通過相應算法計算出康復機器人所需的運動參數(shù)并通過pci總線發(fā)送給運動控制卡6-2，運動控制卡6-2的數(shù)字輸出口控制繼電器6-5細合，進而繼電器6-5使電磁離合器6-6與伺服電機6-3上電，同時運動控制卡6-2將運動指令轉換為伺服驅動器6-3能識別的模擬量指令控制電機運動，這時伺服電機6-3帶動鋼絲繩運動，進而使整個康復機器人帶動患者進行康復運動。在運動過程中，關節(jié)編碼器6-4實時監(jiān)測關節(jié)角度并反饋給運動控制卡6-2，實現(xiàn)閉環(huán)控制提高了運動控制精度。

在整個運動過程中，關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7監(jiān)測患者與康復機器人之間交互力大小，限位開關6-1監(jiān)測康復機器人運動行程范圍，若出現(xiàn)異常即可立即通知運動控制卡6-2停止運動指令的發(fā)送并切斷繼電器6-5使康復機器人停止運動。同時微型計算機會將關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7與關節(jié)編碼器6-4采集到的實施數(shù)據(jù)儲存至后臺以備康復醫(yī)師調閱分析。

在整個康復過程中，液晶電視3以游戲的形式展現(xiàn)人機交互界面，通過激勵患者對手柄施力使機器人幫助患者到達指定位置完成游戲，此時握力傳感器2-7也可參與整個人機互動，康復醫(yī)師可以通過鍵盤鼠標5來調節(jié)參數(shù)，以適應不同患者的要求。

在整個過程中患者或者康復醫(yī)師可以隨時使用急停開關6-7停止整個康復運動，以保證患者的安全。

實施例四：

在使用肌電模式進行康復運動時具體過程如下：

患者的手臂通過綁帶固定于康復機器人的機械臂上，手掌握于機械臂的手柄處，肌電電極2-9粘貼在患者特定肌肉表面皮膚上，肌電電極2-9采集的肌電信號通過數(shù)據(jù)采集卡2-4傳輸至微型計算機4中，通過特定的算法識別患者想要進行的運動模式，并將相應的運動軌跡參數(shù)通過pci總線發(fā)送給運動控制卡6-2，運動控制卡6-2的數(shù)字輸出口控制繼電器6-5細合，進而繼電器6-5使電磁離合器6-6與伺服電機6-3上電，同時運動控制卡6-2將運動指令轉換為伺服驅動器6-3能識別的模擬量指令控制電機運動，這時伺服電機6-3帶動鋼絲繩運動，進而使整個康復機器人帶動患者進行康復運動。在運動過程中，關節(jié)編碼器6-4實時監(jiān)測關節(jié)角度并反饋給運動控制卡6-2，實現(xiàn)閉環(huán)控制提高了運動控制精度。

在整個運動過程中，關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7監(jiān)測患者與康復機器人之間交互力大小，限位開關6-1監(jiān)測康復機器人運動行程范圍，若出現(xiàn)異常即可立即通知運動控制卡6-2停止運動指令的發(fā)送并切斷繼電器6-5使康復機器人停止運動。同時微型計算機會將關節(jié)力矩傳感器2-3、六維力傳感器2-5、拉力傳感器2-6、握力傳感器2-7與關節(jié)編碼器6-4采集到的實施數(shù)據(jù)儲存至后臺以備康復醫(yī)師調閱分析。

在整個康復過程中，液晶電視3顯示患者實時的肌電水平，以及當前運動狀態(tài)，康復醫(yī)師可以通過鍵盤鼠標5來調節(jié)參數(shù)，以適應不同患者的要求。

在整個過程中患者或者康復醫(yī)師可以隨時使用急停開關6-7停止整個康復運動，以保證患者的安全。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。