[发明专利]外骨骼式上肢康复机器人

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种上肢康复机器人。

背景技术

脑卒中患者偏瘫后，身体部分运动功能丧失。临床试验证明，偏瘫后尽早进行康复训练可促进大脑皮层运动功能神经细胞的可塑性发展，促进患病部位神经组织的重组与代偿，提高相关神经系统的兴奋性与对外界刺激的快速性，从而有利于恢复丧失运动功能的部位，并具有保持关节的活动度、防止患者肌肉萎缩的作用，最大限度的提高患者运动功能的恢复程度。

传统的上肢康复训练方法是医生对患者一对一进行的康复训练。这种训练方式存在诸多问题。第一，康复效率低下：医患之间一对一的训练方式以及医生体力的限制使一位医生每天只能接待为数不多的病人；第二，无法保证训练效果：由于医师自身的原因，训练的力度和强度的一致性无法得到充分的保证，训练的效果取决于医师的水平和经验，医生忙于康复训练，分身乏术，缺少足够的精力治疗效果进行改进；最后，康复过程枯燥乏味，患者被动接受训练，不利于增强患者参与治疗的主动性。

使用康复机器人对患者进行康复训练，可解决传统康复训练中存在的诸多问题。首先，机器人可以全天工作，满足康复训练过程中对训练强度的要求；其次，治疗的数据方便采集、分析与整理，方便医师对康复效果进行量化评价，对康复过程进行改进和创新；再进一步而言，康复技术与多媒体技术的融合将为患者提供更加丰富的训练内容，模拟更真实的训练环境，使患者更加积极的参与治疗，从而提高治疗效果。

现有的上肢康复机器人，人机交互方式单一，并没有将对日常生活常用动作与虚拟现实技术进行有效的融合，不利于最大限度地调动患者的康复积极性。另外，相对人体肩关节三个自由度数量而言，现有上肢康复机器人只有两个自由度，限制了训练的范围，如中国专利CN101357097A中所述的五自由度外骨骼式上肢康复机器人，其肩关节自由度数小于人体肩关节的自由度数目，故康复功能比较局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够帮助脑卒中患者进行上肢康复训练的外骨骼式上肢康复机器人。

本发明的外骨骼式上肢康复机器人包括外骨骼式康复机械臂、辅助机构及控制系统。

机械臂采用模块化结构，康复医师可根据患者的病情和不同训练阶段的要求快速将机械臂装配为五自由度机械臂或三自由度机械臂。

五自由度机械臂由横臂、大臂和小臂组成。伺服立柱、横臂、大臂、小臂依次串联，构成了肩关节的外展/内收自由度，肩关节的屈/伸自由度，肘关节屈/伸自由度。大臂与小臂分别被弧形滚珠滑轨截断，其旋转中心线分别穿过患者的肩关节运动中心点和肘关节运动中心点，并分别构成肩关节内旋/外旋，腕关节内旋/外旋自由度。

横臂安装于位于伺服立柱上的涡轮蜗杆减速电机减速器输出轴上，此电机控制肩关节的外展/内收自由度。此运动自由度与涡轮蜗杆减速器输出轴同轴，并且，轴线穿过康复对象肩关节旋转中心。位于涡轮蜗杆减速器上方并安装于横臂上的行星轮减速器伺服电机通过同步齿形带驱动位于横臂另一端的肩关节屈伸自由度连接轴，构成肩关节的屈/伸自由度。上述连接轴的另一端与大臂相连，大臂为铝镁合金套筒式结构，套筒上有标尺，记录大臂针对不同患者的调节长度。套筒一端与弧形导轨滑块固定，由此构成的封闭空间中安装有一个伺服电机，此伺服电机行星轮减速器输出轴通过齿轮机构驱动弧形导轨运动，构成肩关节内旋/外旋自由度。弧形导轨下方通过肘关节伺服电机与小臂相连，小臂上有类似于大臂的弧形导轨与齿轮机构，构成腕关节的内旋/外旋自由度。

当采用五自由度机械臂进行康复时，患者的肩关节具有三个自由度，肘关节有一个自由度，腕关节有一个自由度。这种自由度安排的主要依据是：临床试验证明，患者的瘫软期主要以单关节肌力训练为主，痉挛期主要以单关节分离运动为主，恢复期主要以肩、肘关节复合运动为主，其中，肩关节是最复杂并且是最容易引起并发症的部位。故本外骨骼式康复机械臂将肩关节设计成具有肩部外展/内收、肩部屈/伸、肩部内旋/外旋三个自由度，这三个自由度的旋转中心线相交于一点，并重合于患者肩关节的旋转中心。这种设计方式完全模拟人体肩关节的所有自由度，可带动患者完成健康人完成的所有肩关节动作。机械臂肘关节具有肘部屈/伸自由度。机械臂腕关节只具有一个内旋/外旋自由度，而无腕关节的其余两个自由度。这种设计方式一方面可以完成大多数肩、肘、腕三关节复合运动；另一方面也避免由于设计腕关节其余两个自由度导致的小臂过长，转动惯量过大，造成的安全问题。