基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本公開是關(guān)于一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人。包括：座椅(1)、機(jī)柜(2)、顯示設(shè)備(3)、四自由度機(jī)械臂(4)和/或四自由度機(jī)械臂(5)；機(jī)柜(2)通過電源和通信線纜與四自由度機(jī)械臂(4)或(5)實(shí)現(xiàn)電氣連接；顯示設(shè)備(3)通過電源和通信線纜與機(jī)柜(2)電氣連接；四自由度機(jī)械臂(4)和/或四自由度機(jī)械臂(5)通過剛性連接(6)固定在座椅背面的支撐結(jié)構(gòu)上。本公開實(shí)現(xiàn)了基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，提供一種全新結(jié)構(gòu)的康復(fù)機(jī)器人。
【專利說明】
基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開涉及康復(fù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中，腦卒中、肢體殘疾病人對肢體康復(fù)的需求主要有:康復(fù)前期由外界帶動肢體活動，康復(fù)中期進(jìn)行自主活動，康復(fù)后期由外界在自主活動時提供一定阻尼。目前主要的康復(fù)手段仍是靠理療師手動協(xié)助病人進(jìn)行此類康復(fù)活動，需要占用大量時間并且康復(fù)效果更多取決于理療師的個人經(jīng)驗(yàn)水平，變動較大，不可預(yù)測。
[0003]目前在世界范圍內(nèi)，康復(fù)外骨骼的研發(fā)是一個大趨勢。與傳統(tǒng)人工輔助康復(fù)治療相比，康復(fù)過程中可通過外骨骼中集成的數(shù)據(jù)采集功能加以量化，從而可對康復(fù)的效果進(jìn)行較為精確的評估。國內(nèi)外陸續(xù)已有部分上肢康復(fù)外骨骼處于產(chǎn)品化的不同階段，值得一提的是，目前尚未有產(chǎn)品進(jìn)入大規(guī)模的臨床應(yīng)用。按照所提供的功能，現(xiàn)有產(chǎn)品大致可分為如下幾類:
[0004]單純提供數(shù)據(jù)采集功能的外骨骼。其并無內(nèi)置關(guān)節(jié)驅(qū)動器而只包含角度傳感器， 無法提供助力或阻尼，病人佩戴后需要自主進(jìn)行肢體活動。此類產(chǎn)品適用面較窄同時功能單一，只能提供過程中病人肢體的角度位移信息。
[0005]提供數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動功能的剛性外骨骼。其除記錄治療過程中的角度信息外還通過關(guān)節(jié)的驅(qū)動提供運(yùn)動功能，從而可以幫助病人實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)動。個別產(chǎn)品的少數(shù)關(guān)節(jié)中內(nèi)置了力傳感器作為安全保護(hù)措施。但此類產(chǎn)品運(yùn)行中，控制系統(tǒng)并不能主動針對病人手臂的實(shí)時出力和受力情況進(jìn)行主動實(shí)時調(diào)整，使用體驗(yàn)較差。
[0006]提供數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動和力度感知的半柔性外骨骼。主要區(qū)別在于部分關(guān)節(jié)采用了可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)，從而使產(chǎn)品具備了一定的安全性和實(shí)時出力測量的能力。但此類產(chǎn)品中的力量測量與控制系統(tǒng)并未整合，令其實(shí)際使用體驗(yàn)并無本質(zhì)區(qū)別。同時其使用的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)使用直線彈簧和鋼絲繩提供力矩感應(yīng)和柔性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量精度低，反應(yīng)遲緩，對位移的控制不精確。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中的康復(fù)機(jī)器人方案中，主要存在如下問題:
[0008]功能方面:各關(guān)節(jié)的阻抗無法做到精細(xì)可調(diào)，從而無法實(shí)現(xiàn)針對病人在康復(fù)不同階段，肢體不同關(guān)節(jié)各自需求的調(diào)整，無法提供個性化的康復(fù)方案和體驗(yàn)。康復(fù)初期病人肢體的移動需要外骨骼提供助力(力輸入為正)，康復(fù)中后期病人則需要外骨骼提供阻尼(力輸入為負(fù))，而現(xiàn)有產(chǎn)品的助力幅度無法隨著康復(fù)進(jìn)程的推進(jìn)針對每個關(guān)節(jié)的每個自由度進(jìn)行實(shí)時的、精細(xì)的力度調(diào)整。
[0009]安全方面:現(xiàn)有技術(shù)的安全性主要是靠如下幾種手段來保證:硬性動限，預(yù)先輸入的力、力矩傳感器測量極值，以及關(guān)節(jié)內(nèi)置彈簧的柔性。由于現(xiàn)有產(chǎn)品中大多數(shù)關(guān)節(jié)不具有力感知功能，當(dāng)關(guān)節(jié)負(fù)載或者角度突然發(fā)生較大變化的時候這些關(guān)節(jié)的安全性并不能獲得充分的保證。同時即使是配備了力、力矩傳感器的關(guān)節(jié)，由于其關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)閉環(huán)中并不包括傳感器數(shù)據(jù)，針對額外負(fù)載和突然加速的實(shí)時反應(yīng)速度也相應(yīng)較低。因此現(xiàn)有產(chǎn)品的理論安全性較為有限，有一定的危險(xiǎn)性，特別是對肢體強(qiáng)度尚未恢復(fù)、尚處于康復(fù)早期的病人來說更加明顯。
[0010]結(jié)構(gòu)方面:現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)受限于如下幾個方面:人體結(jié)構(gòu)，工藝，材料，力傳感器集成，可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的種類選擇。上述限制造成現(xiàn)有產(chǎn)品零件總數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，調(diào)整困難，對病人肢體適應(yīng)性差，佩戴體驗(yàn)較差。
[0011]成本方面:結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來的副作用就是技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本較高，直接導(dǎo)致了如下后果: 國內(nèi)所有外骨骼均為單側(cè)使用，當(dāng)病人雙側(cè)上肢均有康復(fù)需求時要占用多一倍的康復(fù)時間和成本。產(chǎn)品單價較高，直接導(dǎo)致康復(fù)外骨骼產(chǎn)品遲遲無法普及。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為克服相關(guān)技術(shù)中存在的問題，本公開實(shí)施例提供一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人。
[0013]根據(jù)本公開實(shí)施例的第一方面，提供一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，包括:
[0014]座椅1、機(jī)柜2、顯示設(shè)備3、四自由度機(jī)械臂4和/或四自由度機(jī)械臂5;[〇〇15] 機(jī)柜2通過電源和通信線纜與四自由度機(jī)械臂4或5實(shí)現(xiàn)電氣連接;顯示設(shè)備3通過電源和通信線纜與機(jī)柜2電氣連接；四自由度機(jī)械臂4和/或四自由度機(jī)械臂5通過剛性連接 6固定在座椅背面的支撐結(jié)構(gòu)上。[〇〇16]所述顯示設(shè)備3為外接顯示屏或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。[0〇17]所述四自由度機(jī)械臂4和/或四自由度機(jī)械臂5,包括:
[0018]第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8、肩部剛性連接件9、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10、肩部剛性連接件11、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12、上臂剛性連接件13、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器14、小臂連接件15和扶手16;
[0019]第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8通過剛性連接件6與座椅1背面支架連接;第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10與第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8通過肩部剛性連接件9連接;第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12與第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10通過肩部剛性連接件11連接;第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器14與第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12通過上臂剛性連接件13連接;扶手16與第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器14通過小臂連接件15連接;扶手16與小臂連接件15之間通過滑塊凹槽的方式連接。
[0020]所述第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器 14分別為可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)驅(qū)動器。[〇〇21] 所述第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器 14,分別包括:[〇〇22]伺服電機(jī)17、諧波減速機(jī)18、環(huán)形力矩傳感器19、轉(zhuǎn)矩輸出盤20、初級減速齒輪組 26；[〇〇23] 伺服電機(jī)17驅(qū)動初級減速齒輪組26，初級減速齒輪組26驅(qū)動諧波減速機(jī)18;諧波減速機(jī)18的輸出端通過剛性連接與環(huán)形力矩傳感器19相連接;環(huán)形力矩傳感器19通過剛性連接與轉(zhuǎn)矩輸出盤20相連接。
[0024]所述關(guān)節(jié)驅(qū)動器中內(nèi)置角度編碼器;角度編碼器和環(huán)形力矩傳感器19的信號數(shù)據(jù)由機(jī)柜2中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并與環(huán)形力矩傳感器19所在關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)交聯(lián)。
[0025]所述關(guān)節(jié)驅(qū)動器中內(nèi)置緊急剎車機(jī)構(gòu)22;剎車機(jī)構(gòu)22在通電時處于解鎖狀態(tài)，關(guān)節(jié)驅(qū)動器可以在電機(jī)驅(qū)動下轉(zhuǎn)動；當(dāng)剎車機(jī)構(gòu)22斷電時，鎖死初級減速齒輪組26，關(guān)節(jié)驅(qū)動器無法再繼續(xù)轉(zhuǎn)動；剎車機(jī)構(gòu)22的電源由外置緊急剎車按鈕或機(jī)械臂控制軟件接通與切斷。[〇〇26]關(guān)節(jié)驅(qū)動器輸入端內(nèi)殼25和輸出端外殼26之間設(shè)置剛性干涉21，作為硬性動限， 限制每個對應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍。
[0027]所述基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人用于包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)或上述任意組合的上肢關(guān)節(jié)康復(fù);或
[0028]髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)或上述任意組合的下肢關(guān)節(jié)治療;或 [〇〇29]上述任意關(guān)節(jié)的組合治療。
[0030] —種康復(fù)操作方法，基于如上所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，包括:[0031 ]康復(fù)患者坐于座椅1中，四自由度機(jī)械臂4和/或四自由度機(jī)械臂5通過綁帶和扶手與康復(fù)患者的手臂實(shí)現(xiàn)物理連接;扶手16與小臂連接件15之間通過滑塊凹槽的方式連接以提供一個被動旋轉(zhuǎn)自由度，其旋轉(zhuǎn)軸線與康復(fù)患者腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線重合;第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12的轉(zhuǎn)動軸線之間在活動時能夠?yàn)橛残?軟性動限允許的任意夾角，其交點(diǎn)一直位于康復(fù)患者的肩關(guān)節(jié)活動中心；第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器14的轉(zhuǎn)動軸線與康復(fù)患者的肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸線重合；剛性連接件的選擇為至少一個可調(diào)螺桿，或者為通過增材制造手段生產(chǎn)的更符合康復(fù)患者輪廓的不可調(diào)連接件;康復(fù)患者上臂通過一條或數(shù)條剛性連接環(huán)或柔性綁帶與四自由度機(jī)械臂4或5固定;康復(fù)患者小臂通過至少一條剛性連接環(huán)或柔性綁帶與四自由度機(jī)械臂4或5固定;康復(fù)患者手掌通過扶手16與小臂連接件固定。
[0032]本公開的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果:[〇〇33]提供數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動，力矩感知和各關(guān)節(jié)柔性單獨(dú)可調(diào)的柔性外骨骼。使用內(nèi)置的環(huán)形力矩傳感器作為測量手段，所有負(fù)載均通過該傳感器傳遞，提高測量的精確性。實(shí)時測量每個關(guān)節(jié)的力矩并與控制系統(tǒng)閉環(huán)交聯(lián)，每個關(guān)節(jié)的阻抗均為單獨(dú)實(shí)時可調(diào)，可令部分關(guān)節(jié)提供阻抗的同時剩余關(guān)節(jié)提供零重力或者助力。每個關(guān)節(jié)均有外置硬性動限和內(nèi)置過載保護(hù)，保證使用的安全性。
[0034]應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本公開。【附圖說明】[〇〇35]此處的附圖被并入說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，示出了符合本公開的實(shí)施例，并與說明書一起用于解釋本公開的原理。
[0036]圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖；
[0037]圖2是根據(jù)另一示例性實(shí)施例示出的一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖3是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖4是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的關(guān)節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖5是根據(jù)另一示例性實(shí)施例示出的關(guān)節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖6是根據(jù)另一示例性實(shí)施例示出的關(guān)節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0042]這里將詳細(xì)地對示例性實(shí)施例進(jìn)行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本公開相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本公開的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
[0043]圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖，包括:
[0044]本發(fā)明的主要結(jié)構(gòu)由座椅1、機(jī)柜2、顯示設(shè)備3、四自由度機(jī)械臂4或5組成。其中座椅1，用于在康復(fù)訓(xùn)練過程中支撐病人身體，同時作為整臺儀器的底座，所有其他結(jié)構(gòu)均固定在其上，起到支撐和穩(wěn)定的作用。機(jī)柜2通過電源和通信線纜與四自由度機(jī)械臂4或5實(shí)現(xiàn)電氣連接，用于實(shí)時數(shù)據(jù)采集、反饋、針對病人操作輸入做出反應(yīng)、對四自由度機(jī)械臂4或5 進(jìn)行實(shí)時控制并在系統(tǒng)層面保護(hù)病人安全的作用。顯示設(shè)備3既可以是固定在底座上的單獨(dú)顯示屏，也可以是頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。當(dāng)為顯示屏?xí)r，其通過可調(diào)支架固定在地面上， 通過電源和通信線纜與機(jī)柜2實(shí)現(xiàn)電氣連接，實(shí)現(xiàn)視頻信號的實(shí)時通訊。當(dāng)為頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備時，其通過有線或無線通信方式與機(jī)柜2實(shí)現(xiàn)視頻信號的實(shí)時通信。四自由度機(jī)械臂 4或5通過剛性連接6固定在座椅背面的支撐結(jié)構(gòu)上，并通過綁帶和扶手與康復(fù)患者的手臂實(shí)現(xiàn)物理連接。
[0045]特別的，上述的機(jī)械臂4或5可以同時安裝，也可以僅根據(jù)需要安裝一側(cè)的機(jī)械臂4 或5。本實(shí)施例中，不僅包括單側(cè)機(jī)械臂的解決方案，還包括雙側(cè)機(jī)械臂的解決方案。用戶可以根據(jù)需要選擇單側(cè)或雙側(cè)機(jī)械臂的康復(fù)機(jī)器人，在使用雙側(cè)機(jī)械臂時，顯然比單側(cè)機(jī)械臂有著更高的康復(fù)效率。[〇〇46]本公開的顯示設(shè)備可以是外接顯示設(shè)備，如平板顯示器，或頭戴式顯示設(shè)備如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡。
[0047]如圖2所示，為本公開實(shí)施例提供的一個具體康復(fù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)裝置，其中，沒有包含顯示設(shè)備，僅包含了座椅、機(jī)械臂，并且包含了雙側(cè)機(jī)械臂。
[0048]如圖3所示，為本公開實(shí)施例提供的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖，此處以右側(cè)機(jī)械臂5為例，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)布置如下:
[0049]第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8通過剛性連接件6與座椅背面支架連接。第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10與第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器8通過肩部剛性連接件9連接。第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12與第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器10通過肩部剛性連接件11連接。第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器14與第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器12通過上臂剛性連接件13連接。扶手16與第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器14通過小臂連接件15連接。扶手16與小臂連接件15之間通過滑塊凹槽的方式連接以提供一個被動旋轉(zhuǎn)自由度，其旋轉(zhuǎn)軸線與康復(fù)患者腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線重合。第一、二、三關(guān)節(jié)驅(qū)動器8、10、12的轉(zhuǎn)動軸線之間在活動時可能為硬性/軟性動限允許的任意夾角，但其交點(diǎn)一直位于康復(fù)患者的肩關(guān)節(jié)活動中心。第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器14的轉(zhuǎn)動軸線與康復(fù)患者的肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸線重合。剛性連接件的選擇可能為一個或多個可調(diào)螺桿，或者為通過增材制造手段生產(chǎn)的更符合康復(fù)患者輪廓的不可調(diào)連接件?？祻?fù)患者上臂通過一條或數(shù)條剛性連接環(huán)或柔性綁帶與機(jī)械臂5固定。康復(fù)患者小臂通過一條或數(shù)條剛性連接環(huán)或柔性綁帶與機(jī)械臂固定。康復(fù)患者手掌通過扶手16與小臂連接件固定。
[0050]本公開實(shí)施例的扶手16所提供的腕關(guān)節(jié)被動旋轉(zhuǎn)自由度可由關(guān)節(jié)驅(qū)動器提供的主動自由度代替。
[0051]本公開實(shí)施例中，主要特點(diǎn)如下:肩部可實(shí)現(xiàn)三自由度，軸線交點(diǎn)；肘部:單自由度，軸線位置;連接件選擇:螺桿或3D打印;機(jī)械臂與手臂的連接機(jī)構(gòu)。
[0052]具體的，如圖4所示，為本公開實(shí)施例提供的關(guān)節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖，具體如下: [〇〇53]本公開實(shí)施例關(guān)節(jié)驅(qū)動器為可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)。其主要結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)17驅(qū)動初級減速齒輪組26，初級減速齒輪組26驅(qū)動諧波減速機(jī)18。諧波減速機(jī)18的輸出端通過剛性連接與環(huán)形力矩傳感器19相連。環(huán)形力矩傳感器19則通過剛性連接與轉(zhuǎn)矩輸出盤20相連接。 關(guān)節(jié)驅(qū)動器中同時內(nèi)置角度編碼器。角度編碼器和環(huán)形力矩傳感器19的信號數(shù)據(jù)由機(jī)柜2 中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并與環(huán)形力矩傳感器19所在關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)交聯(lián)。[〇〇54]關(guān)節(jié)驅(qū)動器中內(nèi)置緊急剎車機(jī)構(gòu)22。剎車機(jī)構(gòu)22在通電時處于解鎖狀態(tài)，此時關(guān)節(jié)驅(qū)動器可以在電機(jī)驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。當(dāng)剎車機(jī)構(gòu)22斷電時即鎖死初級減速齒輪組26,此時關(guān)節(jié)驅(qū)動器無法再繼續(xù)轉(zhuǎn)動。剎車機(jī)構(gòu)22的電源可由外置緊急剎車按鈕或機(jī)械臂控制軟件接通與切斷。
[0055]具體的，如圖5所示，為本公開實(shí)施例中關(guān)節(jié)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，包括了伺服電機(jī)17、諧波減速機(jī)18、環(huán)形力矩傳感器19。其中的環(huán)形力矩傳感器19是現(xiàn)有技術(shù)中所沒有實(shí)現(xiàn)的。[〇〇56]為了保證康復(fù)患者的安全，如圖6所示，關(guān)節(jié)驅(qū)動器輸入端內(nèi)殼25和輸出端外殼26 之間設(shè)計(jì)有剛性干涉21作為硬性動限，限制每個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍，保證在康復(fù)訓(xùn)練過程中每個關(guān)節(jié)的活動范圍不會超過人體關(guān)節(jié)的極限。
[0057]本公開實(shí)施例所述的機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)置為一種方式。同樣的原理設(shè)計(jì)可用于包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及任意組合的上肢關(guān)節(jié)，或者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及任意組合的下肢關(guān)節(jié)。
[0058]本公開實(shí)施例記載的力矩傳感器位置，設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集方式只是一種可能的實(shí)現(xiàn)方式。任何通過力矩傳感器傳遞關(guān)節(jié)全部扭矩并通過測量傳感器形變獲取關(guān)節(jié)扭矩的實(shí)現(xiàn)方式，只要應(yīng)用于外骨骼，即在本公開保護(hù)之內(nèi)。
[0059]進(jìn)一步的，本公開實(shí)施例的運(yùn)行需要控制軟件系統(tǒng)的幫助。關(guān)節(jié)驅(qū)動器的控制軟件采集的數(shù)據(jù)包括角度編碼器提供的關(guān)節(jié)位移信號和力矩傳感器提供的關(guān)節(jié)扭矩信號。并能通過伺服電機(jī)17的輸出在關(guān)節(jié)上實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前負(fù)載，負(fù)載方向，負(fù)載變化率及歷史改變關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，角速度及角加速度，或根據(jù)當(dāng)前關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，角速度及角加速度改變前負(fù)載，負(fù)載方向，負(fù)載變化率。從而使整條外骨骼機(jī)械臂4或5在總體控制軟件綜合各個關(guān)節(jié)的輸入信號后可實(shí)現(xiàn)如下功能:助力，零重力，阻抗，過載保護(hù)，急停。
[0060]本公開實(shí)施例的關(guān)節(jié)驅(qū)動器之間、關(guān)節(jié)驅(qū)動器和扶手之間的連接件可以是螺桿、 絲杠或其他可調(diào)長度的連接方式，亦可為運(yùn)用增材制造方式生產(chǎn)的連接件。
[0061]本實(shí)施例中，與當(dāng)前類似產(chǎn)品相比，肢體力量測量與診斷，針對每個關(guān)節(jié)可定制。 通過測量每個關(guān)節(jié)驅(qū)動器上測得的輸入力矩，可獲得針對每個佩戴者每個關(guān)節(jié)不同方向上力量的精確數(shù)據(jù)，從而對病人各關(guān)節(jié)當(dāng)前的健康狀況獲得清晰的評估，便于醫(yī)護(hù)人員制定下一步的康復(fù)計(jì)劃。
[0062]肢體活動助力、零重力、阻尼，針對每個關(guān)節(jié)可定制。通過測量關(guān)節(jié)驅(qū)動器的當(dāng)前位置和輸入力矩，針對軟件模式設(shè)定的區(qū)別，可為每個關(guān)節(jié)分別提供如下三種活動模式:助力，零重力和阻尼，從而可以獲得高度定制化的康復(fù)手段。舉例來說，可以在為肩關(guān)節(jié)相關(guān)肌肉提供鍛煉的同時為康復(fù)進(jìn)程較為滯后的肘關(guān)節(jié)提供移動時的助力。
[0063]康復(fù)數(shù)據(jù)的分析與匯總，歷史記錄與云端備份?？祻?fù)訓(xùn)練過程中采集的病人所有肢體活動與力量數(shù)據(jù)均經(jīng)過軟件進(jìn)行處理、匯總，并將歷史記錄保存于云端服務(wù)器。醫(yī)護(hù)人員將可隨時隨地審閱、評估病人的康復(fù)進(jìn)程并對康復(fù)計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)修改。同時由于數(shù)據(jù)在云端備份，即使康復(fù)患者隨后前往不同的康復(fù)機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)仍可隨之迀移并由新機(jī)構(gòu)的醫(yī)護(hù)人員讀取并使用。
[0064]外置緊急停止功能。由于關(guān)節(jié)驅(qū)動器內(nèi)置剎車功能，產(chǎn)品提供外置緊急剎車功能。 當(dāng)佩戴者或醫(yī)護(hù)人員認(rèn)為必要時可激活此功能，此時機(jī)械臂電源切斷，每個關(guān)節(jié)驅(qū)動器都將鎖死。
[0065]軟性動限，過載保護(hù)與急停。通過測量關(guān)節(jié)驅(qū)動器的當(dāng)前位置和輸入力矩，控制軟件可實(shí)時監(jiān)控突然的或幅度較大的位移與負(fù)載變化，當(dāng)變化的總量或速率超出軟件內(nèi)設(shè)定的軟性動限與過載保護(hù)閾值時，軟件將自動停止機(jī)械臂的運(yùn)行或者切斷通往機(jī)械臂的電源以保證用戶的安全。閾值可針對佩戴者每個關(guān)節(jié)的具體情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，滿足不同佩戴者的潛在不同需求以保證更強(qiáng)的安全性。
[0066]關(guān)節(jié)驅(qū)動器的內(nèi)在柔順性，針對每個關(guān)節(jié)可定制。關(guān)節(jié)驅(qū)動器控制系統(tǒng)中位移與力矩交聯(lián)的控制模式令每個關(guān)節(jié)可表現(xiàn)出柔順性，從而將負(fù)載的變化率保持在佩戴者感到舒適的范圍內(nèi)，不會由于外骨骼位移或者負(fù)載的突然變化導(dǎo)致佩戴者收到損傷。[〇〇67]簡化的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器相比僅增加一個零件，即環(huán)形力矩傳感器。與現(xiàn)有應(yīng)用于康復(fù)外骨骼的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含直線彈簧、鋼絲繩以及相應(yīng)形變測量手段的結(jié)構(gòu)相比，零件總數(shù)少，控制系統(tǒng)軟件編寫難度低。[〇〇68]簡化的外骨骼自身結(jié)構(gòu)及其重量和慣性。同樣采用可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的其他外骨骼相比，簡化的驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)省略了:外置傳感器及相應(yīng)的裝配、測量、校準(zhǔn)要求，將驅(qū)動器的動作傳導(dǎo)到外骨骼活動部位的傳動機(jī)構(gòu)及其帶來的安裝、測量誤差，以提供柔性連接和提高安全性為目的的滑塊、絲桿、彈簧、尼龍繩。上述結(jié)構(gòu)及為其連接、支撐的連接件及其重量。
[0069]產(chǎn)品成本、使用成本與功能。由于簡化的結(jié)構(gòu)帶來的成本下降，令本發(fā)明可在同類產(chǎn)品三分之一的價格下提供支持雙臂操作的產(chǎn)品。有雙側(cè)肢體康復(fù)需要的病人只需付出同樣的時間和經(jīng)濟(jì)成本即可獲得兩倍的收益。
[0070]本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實(shí)踐這里公開的公開后，將容易想到本公開的其它實(shí)施方案。本申請旨在涵蓋本公開的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本公開的一般性原理并包括本公開未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實(shí)施例僅被視為示例性的，本公開的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。
[0071]應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本公開的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，包括:座椅(1)、機(jī)柜(2)、顯示設(shè)備(3)、四自由度機(jī)械臂(4)和/或四自由度機(jī)械臂(5);機(jī)柜(2)通過電源和通信線纜與四自由度機(jī)械臂(4)或(5)實(shí)現(xiàn)電氣連接;顯示設(shè)備(3) 通過電源和通信線纜與機(jī)柜(2)電氣連接；四自由度機(jī)械臂(4)和/或四自由度機(jī)械臂(5)通 過剛性連接(6)固定在座椅背面的支撐結(jié)構(gòu)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，所述顯 示設(shè)備(3)為外接顯示屏或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，所述四 自由度機(jī)械臂(4)和/或四自由度機(jī)械臂(5)，包括:第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器(8)、肩部剛性連接件(9)、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器(10)、肩部剛性連接件 (11)、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器(12)、上臂剛性連接件(13)、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器(14)、小臂連接件(15) 和扶手(16);第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器(8)通過剛性連接件(6)與座椅(1)背面支架連接；第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器 (10)與第一關(guān)節(jié)驅(qū)動器(8)通過肩部剛性連接件(9)連接;第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器(12)與第二關(guān)節(jié) 驅(qū)動器(10)通過肩部剛性連接件(11)連接;第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器(14)與第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器(12)通 過上臂剛性連接件(13)連接;扶手(16)與第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器(14)通過小臂連接件(15)連接； 扶手(16)與小臂連接件(15)之間通過滑塊凹槽的方式連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，所述第 一關(guān)節(jié)驅(qū)動器(8)、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器(10)、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器(12)、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器(14)分別 為可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)驅(qū)動器。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，所述第 一關(guān)節(jié)驅(qū)動器(8)、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器(10)、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器(12)、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動器(14)，分別 包括:伺服電機(jī)(17)、諧波減速機(jī)(18)、環(huán)形力矩傳感器(19)、轉(zhuǎn)矩輸出盤(20)、初級減速齒 輪組(26);伺服電機(jī)(17)驅(qū)動初級減速齒輪組(26)，初級減速齒輪組(26)驅(qū)動諧波減速機(jī)(18); 諧波減速機(jī)(18)的輸出端通過剛性連接與環(huán)形力矩傳感器(19)相連接;環(huán)形力矩傳感器 (19)通過剛性連接與轉(zhuǎn)矩輸出盤(20)相連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，包括:所述關(guān)節(jié)驅(qū)動器中內(nèi)置角度編碼器;角度編碼器和環(huán)形力矩傳感器(19)的信號數(shù)據(jù)由機(jī)柜(2)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并與環(huán)形力矩傳感器(19)所在關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)交聯(lián)。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，包括:所述關(guān)節(jié)驅(qū)動器中內(nèi)置緊急剎車機(jī)構(gòu)(22);剎車機(jī)構(gòu)(22)在通電時處于解鎖狀態(tài)，關(guān)節(jié)驅(qū)動器可以在電機(jī)驅(qū)動下轉(zhuǎn)動；當(dāng)剎車機(jī)構(gòu)(22)斷電時，鎖死初級減速齒輪組(26)，關(guān)節(jié) 驅(qū)動器無法再繼續(xù)轉(zhuǎn)動;剎車機(jī)構(gòu)(22)的電源由外置緊急剎車按鈕或機(jī)械臂控制軟件接通 與切斷。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，包括:關(guān)節(jié)驅(qū)動器輸入端內(nèi)殼(25)和輸出端外殼(26)之間設(shè)置剛性干涉(21)，作為硬性動限，限制每個對應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，其特征在于，包括: 所述基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人用于包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)或上述任意組合的上肢關(guān)節(jié)康復(fù);或髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)或上述任意組合的下肢關(guān)節(jié)治療;或 上述任意關(guān)節(jié)的組合治療。10.—種康復(fù)操作方法，基于如權(quán)利要求1所述的基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器 人，其特征在于，包括:康復(fù)患者坐于座椅(1)中，四自由度機(jī)械臂(4)和/或四自由度機(jī)械臂(5)通過綁帶和扶 手與康復(fù)患者的手臂實(shí)現(xiàn)物理連接;扶手(16)與小臂連接件(15)之間通過滑塊凹槽的方式 連接以提供一個被動旋轉(zhuǎn)自由度，其旋轉(zhuǎn)軸線與康復(fù)患者腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線重合;第一關(guān) 節(jié)驅(qū)動器(8)、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動器(10)、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動器(12)的轉(zhuǎn)動軸線之間在活動時能夠?yàn)?硬性/軟性動限允許的任意夾角，其交點(diǎn)一直位于康復(fù)患者的肩關(guān)節(jié)活動中心;第四關(guān)節(jié)驅(qū) 動器(14)的轉(zhuǎn)動軸線與康復(fù)患者的肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸線重合;剛性連接件的選擇為至少一個可 調(diào)螺桿，或者為通過增材制造手段生產(chǎn)的更符合康復(fù)患者輪廓的不可調(diào)連接件;康復(fù)患者 上臂通過一條或數(shù)條剛性連接環(huán)或柔性綁帶與四自由度機(jī)械臂(4)或(5)固定;康復(fù)患者小 臂通過至少一條剛性連接環(huán)或柔性綁帶與四自由度機(jī)械臂(4)或(5)固定;康復(fù)患者手掌通 過扶手(16)與小臂連接件固定。
【文檔編號】B25J19/02GK106038173SQ201610498522
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】張萌
【申請人】張萌