名称:      一种绳牵引上肢康复机器人及其控制方法

申请（专利）号:       CN201210052562.1     申请日:       2012.03.01

授权（公告）号:       CN102525712B     授权（公告）日:       2013.10.02

申请（专利权）人:       中山大学

地址:       510275 广东省广州市海珠区新港西路135号

发明（设计）人:       宋嵘;周伟;汤启宇;燕铁斌;孙睿


摘要:

本发明公开了一种绳牵引上肢康复机器人及其控制方法，其中康复机器人包括中央控制装置、控制方式选择开关、伺服电机，牵引绳，托板和支架，可分为支架式和立柱式结构。控制方法包括被动控制与主动控制，两种控制方法之间可以相互切换。支架式中M4电机连接主支架和副支架，控制副支架水平旋转。副支架的三个悬臂梁连接三个伺服电机分别通过绳子牵引托板在三维空间中运动，患者前臂放置于托板上随托板一起在三维空间中运动。立柱式中立柱上固定的三个伺服电机分别通过绳子牵引托板在三维空间中运动，患者前臂放置于托板上随托板一起运动。康复机器人可辅助患者牵引上肢，方便患者在更大的运动空间开展康复训练，实现最优化的运动功能恢复。     

主权项:

一种绳牵引上肢康复机器人，其特征在于，包括中央控制装置、控制方式选择开关、主支架和副支架，所述主支架上的伺服电机M4连接副支架，通过中央控制装置控制副支架水平旋转；副支架上具有多个前端设置有伺服电机的悬臂梁, 多个所述伺服电机分别接收中央控制装置的控制信号，通过绳子牵引同一个托板在三维空间中运动，患者前臂放置于所述托板上随托板一起在三维空间中运动；多个所述伺服电机上的绳子在悬臂梁的引出位置，以及悬臂梁的方向可根据每个人的具体人体参数进行匹配调整；还包括肌电信号采集装置，其一端通过电极检测患者的肌电信号，另一端连接中央控制装置，将采集的肌电信号反馈给所述中央控制装置，控制伺服电机M1、M2、M3、M4运动；所述肌电信号采集装置记录上肢体与肩肘关节运动相关的肌肉的肌电信号，上肢运动轨迹和绳牵引力也被同步记录并输入至中央控制装置；所述中央控制装置对采集的所述肌电信号进行预处理，将每个通道的肌电信号按照对应肌肉的肌电信号最大张收缩的包络幅值进行归一化，根据所述肌电信号，采用主元分析算法进行降维，估计所采集的肌电信号选择前四维的信息进行实时计算康复机器人所需提供的辅助力和关节角度参数，实时计算康复机器人的四个伺服电机M1、M2、M3、M4所需提供的辅助力和关节角度参数，从而得到控制康复机器人运动的命令，牵引托板在三维空间中运动。2. 根据权利要求1所述绳牵引上肢康复机器人，其特征在于，所述副支架上至少具有三个悬臂梁，三个悬臂梁前端分别设置的所述伺服电机为M1，M2，M3，伺服电机M1，M2，M3分别接收中央控制装置的控制信号，通过绳子牵引同一个托板在三维空间中运动，伺服电机M4牵引托板带动肩关节在水平面做内收外展运动。3. 一种绳牵引上肢康复机器人，其特征在于，包括中央控制装置、控制方式选择开关和至少三个立柱，所述立柱位于患者周围，每个立柱上设置有伺服电机，所述伺服电机接收中央控制装置控制信号，通过绳子直接牵引或匹配滑轮组牵引同一个托板，控制放置有患者前臂的所述托板在三维空间中运动；所述伺服电机上的绳子的引出位置，以及伺服电机的固定位置可根据每个人的具体人体参数进行匹配调整；还包括肌电信号采集装置，其一端通过电极检测患者的肌电信号，另一端连接中央控制装置，将采集的肌电信号反馈给所述中央控制装置，控制伺服电机运动；所述肌电信号采集装置记录上肢体与肩肘关节运动相关的肌肉的肌电信号，上肢运动轨迹和绳牵引力也被同步记录并输入至中央控制装置；所述中央控制装置用于对采集的所述肌电信号进行预处理，将每个通道的肌电信号按照对应肌肉的肌电信号最大张收缩的包络幅值进行归一化，根据所述肌电信号，实时计算康复机器人所需提供的辅助力和关节角度参数，结合中央控制装置中设置康复训练程序，建立控制模型，从而得到控制康复机器人运动的命令；所述中央控制装置还用于结合采集到的上肢运动轨迹，控制伺服电机提供辅助力牵引托板在三维空间中运动。4. 一种绳牵引上肢康复机器人的控制方法，其特征在于，包括步骤：A、在康复机器人的中央控制装置中设置康复训练程序和训练参数；B、根据康复机器人的中央控制装置中设置的康复训练程序和训练参数，选择被动控制方式或主动控制方式，由中央控制装置控制至少三个伺服电机，分别通过绳子牵引放置有患者前臂的托板，在三维空间中运动；在步骤B中，当采用被动控制方式时，伺服电机通过绳子牵引放置有前臂的托板沿着固定轨迹在三维空间做外展、内收、屈曲、伸展的肩关节肘关节运动，以及复合协同运动；当采用主动控制方式时，通过与中央控制装置连接肌电信号采集装置， 根据患者患侧肩关节肘关节肌电信号，实时计算康复机器人所需提供的辅助力和关节角度参数，结合中央控制装置控制伺服电机提供辅助力来牵引托板在三维空间中运动。5. 根据权利要求4所述控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：在控制运动的过程中，记录测试者的上肢运动轨迹和绳牵引力，并同步记录上肢体与肩肘关节运动相关的肌肉的肌电信号。