一種非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，特別是一種基于多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的手腕康復(fù)治療機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示:我國(guó)每年手腕關(guān)節(jié)疾病患者數(shù)量呈遞增趨勢(shì)，手腕關(guān)節(jié)疾病、運(yùn)動(dòng)損傷和手腕部術(shù)后的康復(fù)治療，除了使用藥物治療外，進(jìn)行腕部康復(fù)訓(xùn)練更是一項(xiàng)必不可少的治療手段。而手腕的康復(fù)訓(xùn)練需要專業(yè)的醫(yī)生引導(dǎo)患者進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作練習(xí)，這是一項(xiàng)專業(yè)技術(shù)要求高、重復(fù)性大的任務(wù)，而且專業(yè)醫(yī)生的定期治療也會(huì)增加患者的治療成本。手腕康復(fù)治療系統(tǒng)可以用于手腕關(guān)節(jié)疾病、運(yùn)動(dòng)損傷和手腕部術(shù)后的康復(fù)治療。通過(guò)一定的技術(shù)手段采集存儲(chǔ)手腕康復(fù)治療運(yùn)動(dòng)軌跡信息，再據(jù)此對(duì)患者進(jìn)行手腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。手腕康復(fù)治療設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到多自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)、精確控制、信號(hào)的采集處理和存儲(chǔ)等技術(shù)難題。目前有關(guān)手腕關(guān)節(jié)康復(fù)治療的專利，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軌跡復(fù)現(xiàn)精度低等缺點(diǎn)。本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)精確控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一個(gè)基于三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，可以用于手腕關(guān)節(jié)疾病、運(yùn)動(dòng)損傷和手腕部手術(shù)后的康復(fù)治療?？蓪?shí)現(xiàn)手腕關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)；可錄入醫(yī)生對(duì)病人康復(fù)治療時(shí)手腕的運(yùn)動(dòng)軌跡；錄入的運(yùn)動(dòng)軌跡可以自動(dòng)施加到手腕關(guān)節(jié)，帶動(dòng)手腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方案是:一種非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人，其特征在于:該機(jī)器人包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、三條驅(qū)動(dòng)支腿、立柱，六維力傳感器、手柄和一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中
[0005]所述下平臺(tái)固定在地面或者其他固定平面上，用于支撐整個(gè)機(jī)器人，并作為各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的參考基準(zhǔn)；所述三條驅(qū)動(dòng)支腿的下端都通過(guò)球鉸和所述下平臺(tái)連接，上端都通過(guò)球鉸和所述上平臺(tái)連接；所述上平臺(tái)在三條驅(qū)動(dòng)支腿的支撐和驅(qū)動(dòng)下，能實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)，所述上平臺(tái)的上表面安裝有所述六維力傳感器，用于檢測(cè)上平臺(tái)的位姿和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，所述六維力傳感器上表面連接所述手柄。
[0006]所述立柱下端與下平臺(tái)固定連接，上端通過(guò)球鉸和上平臺(tái)連接；
[0007]所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于獲取六維力傳感器采集的信息，并存儲(chǔ)獲取的信息，所述信息包括上平臺(tái)位姿和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，
[0008]所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還用于控制三條驅(qū)動(dòng)支腿的運(yùn)動(dòng)，在需要時(shí)，可根據(jù)所述存儲(chǔ)的信息控制驅(qū)動(dòng)支腿運(yùn)動(dòng)，以再現(xiàn)上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1:本發(fā)明非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖2、圖3:本發(fā)明機(jī)器人的使用操作示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示，本發(fā)明包括具有固定支撐的下平臺(tái)、可帶動(dòng)手柄按照既定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的上平臺(tái)，并作為各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的參考基準(zhǔn)；三條主動(dòng)驅(qū)動(dòng)支腿，用于限制上平臺(tái)三個(gè)移動(dòng)自由度的支柱，三條支腿的上下鉸鏈以及立柱的上鉸鏈構(gòu)成的三自由度運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，以及用于檢測(cè)錄入手柄運(yùn)動(dòng)規(guī)律的六維力傳感器和用于連接固定患者手部的手柄。三條主動(dòng)驅(qū)動(dòng)支腿與上下平臺(tái)的連接均采用球鉸，立柱和下平臺(tái)是固定連接，和上平臺(tái)是球鉸連接，去除三條主動(dòng)驅(qū)動(dòng)支腿繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)局部自由度，上平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。六維力傳感器的兩面分別和上平臺(tái)的上表面以及手柄的下表面接觸，可以檢測(cè)手柄的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。手柄可以隨著上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)空間的三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)患者手腕實(shí)現(xiàn)空間三自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。精確復(fù)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。
[0012]本發(fā)明還具有一個(gè)計(jì)算機(jī)，可以獲取六維力傳感器的信號(hào)并存儲(chǔ)，還可以控制三條驅(qū)動(dòng)支腿的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)上平臺(tái)和手柄運(yùn)動(dòng)。
[0013]手腕康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)規(guī)律的錄制:醫(yī)生手握手柄，根據(jù)自己的專業(yè)知識(shí)做手腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的動(dòng)作，此時(shí)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)支腿處于隨動(dòng)狀態(tài)，六維力傳感器采集手柄運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)病人康復(fù)治療時(shí)手腕康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡的錄制。
[0014]患者手腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練:上個(gè)階段已完成對(duì)手腕康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)規(guī)律的采集、處理和存儲(chǔ)，本階段就是利用上述信息來(lái)指導(dǎo)上平臺(tái)以及手柄的運(yùn)動(dòng)。把采集存儲(chǔ)的信號(hào)作為康復(fù)治療階段的期望信號(hào)，康復(fù)治療的過(guò)程就是機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上平臺(tái)和手柄復(fù)現(xiàn)期望運(yùn)動(dòng)信號(hào)的過(guò)程。患者需要康復(fù)治療的手緊握手柄，視作二者固定連接，三條主動(dòng)驅(qū)動(dòng)支腿處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。將計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的上平臺(tái)的期望位姿信號(hào)，通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位姿反解轉(zhuǎn)化為各條支腿運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)支腿按照給定信號(hào)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)帶動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)患者手腕的三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)位姿的精確復(fù)現(xiàn)，采用位姿閉環(huán)控制策略，通過(guò)六維力傳感器實(shí)時(shí)采集手柄及上平臺(tái)的位姿信號(hào)，獲得實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)反饋到期望信號(hào)的輸入端，二者做差，差值作為控制系統(tǒng)凈輸入量，使用該凈輸入量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)糾正，通過(guò)減小偏差來(lái)精確控制上平臺(tái)及手柄的運(yùn)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人，其特征在于:該機(jī)器人包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、三條驅(qū)動(dòng)支腿、立柱，六維力傳感器、手柄和一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中 所述下平臺(tái)固定在地面或者其他固定平面上，用于支撐整個(gè)機(jī)器人，并作為各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的參考基準(zhǔn)；所述三條驅(qū)動(dòng)支腿的下端都通過(guò)球鉸和所述下平臺(tái)連接，上端都通過(guò)球鉸和所述上平臺(tái)連接；所述上平臺(tái)在三條驅(qū)動(dòng)支腿的支撐和驅(qū)動(dòng)下，能實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)，所述上平臺(tái)的上表面安裝有所述六維力傳感器，用于檢測(cè)上平臺(tái)和手柄的運(yùn)動(dòng)，所述六維力傳感器上表面連接所述手柄。 所述立柱下端與下平臺(tái)固定連接，上端通過(guò)球鉸和上平臺(tái)連接； 所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于獲取六維力傳感器采集的信息，并存儲(chǔ)獲取的信息，所述信息包括上平臺(tái)和手柄的運(yùn)動(dòng)信號(hào)， 所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還用于控制三條驅(qū)動(dòng)支腿的運(yùn)動(dòng)，在需要時(shí)，可根據(jù)所述存儲(chǔ)的信息控制驅(qū)動(dòng)支腿運(yùn)動(dòng)，以再現(xiàn)上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人，其中三條驅(qū)動(dòng)支腿的驅(qū)動(dòng)方式是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)或者氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人，其特征在于:所述機(jī)器人具有兩種工作模式:運(yùn)動(dòng)錄入模式和康復(fù)治療模式。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人，其特征在于:在所述運(yùn)動(dòng)錄入模式下，醫(yī)生手握手柄，在各條驅(qū)動(dòng)支腿都處于隨動(dòng)的狀態(tài)下，醫(yī)生根據(jù)其專業(yè)知識(shí)做手腕康復(fù)治療的訓(xùn)練動(dòng)作，從而帶動(dòng)上平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)支腿運(yùn)動(dòng)，六維力傳感器將檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間并聯(lián)驅(qū)動(dòng)手腕康復(fù)治療機(jī)器人，其特征在于:在所述康復(fù)治療模式下，患者的手緊握手柄，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)的信息，獲得上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的期望信號(hào)，通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解該期望信號(hào)，得到各條支腿的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)該運(yùn)動(dòng)信號(hào)分別控制各條支腿的運(yùn)動(dòng)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空間并聯(lián)驅(qū)動(dòng)手腕康復(fù)治療機(jī)器人，其特征在于:所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在控制時(shí)，通過(guò)六維力傳感器檢測(cè)上平臺(tái)和手柄的運(yùn)動(dòng)，獲得實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)，將實(shí)際運(yùn)動(dòng)信號(hào)和期望信號(hào)二者做差，獲得偏差值，把得到的偏差值作為控制系統(tǒng)的凈輸入量，使用該凈輸入量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)糾正。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種非穿戴式三自由度手腕康復(fù)治療機(jī)器人，該機(jī)器人包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、三條驅(qū)動(dòng)支腿、一個(gè)立柱?？梢詫?shí)現(xiàn)空間三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的下平臺(tái)固定在地面或者其他固定平面上，上平臺(tái)上安裝有一個(gè)六維力傳感器，用于檢測(cè)醫(yī)生對(duì)病人康復(fù)治療時(shí)手腕的運(yùn)動(dòng)軌跡并存儲(chǔ)，同時(shí)還用于康復(fù)治療時(shí)對(duì)手柄運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)手柄運(yùn)動(dòng)的精確控制。六維力傳感器的另外一面連接一個(gè)手柄，用于固定患者的手部。三條支腿與上下平臺(tái)均通過(guò)球鉸連接，可以實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明用于手腕關(guān)節(jié)疾病、運(yùn)動(dòng)損傷和手腕部術(shù)后的康復(fù)治療。
【IPC分類】A61H1/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105250112
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510404895
【發(fā)明人】楊熾夫
【申請(qǐng)人】哈爾濱天愈康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人有限公司
【公開(kāi)日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年7月10日