[发明专利]一种具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人

说明书

一种具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人，在康复训练中将人体上肢看作具有三个自由度的二连杆机构并将其动力学模型与外骨骼式上肢康复机器人动力学模型相结合，形成具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人，该机器人可根据关节力矩估计值与实测力矩值的比较判断患者的运动意图。本发明所述外骨骼式上肢康复机器人在工程应用中能准确识别出患者上肢的运动意图，数据稳定可靠，辨识与判断的结果准确，其具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。

技术领域

本发明涉及上肢康复机器人的运动控制和延伸应用技术领域，特别提供了一种具有人机交互动力学模型的外骨骼式上肢康复机器人。

背景技术

脑卒中是老年人发病率较高的疾病之一，其导致的肢体运动功能障碍严重影响了老年人的健康生活。传统的治疗方法需要专业康复医师一对一地进行物理治疗，其治疗效率有限，极大浪费治疗资源，对患者的家庭和社会也是不小的经济负担。适当的康复运动训练可以促进脑卒中患者发病后肢体活动功能的恢复。机器人参与辅助上肢康复运动训练更具有针对性，持续时间也更长，可重复性更高。许多研究表明，机器人辅助的康复训练比传统方法的疗效显著（参见文献1：Kwakkel G,Kollen BJ,Krebs HI. Effects of Robot-assisted Therapy on Upper Limb Recovery After Stroke: a Systematic Review[J].Neurorehabilitation and Neural Repair, 2007, 22(2): 111-121；同时参见文献2：Fazekas G,Horvath M,Troznai T, et al. Robot-mediated Upper Limb Physiotherapyfor Patients with Spastic Hemiparesis: a Preliminary Study[J]. Journal ofRehabilitation Medicine, 2007, 39(7): 580-582.）。（译文：参考文献1：Kwakkel G,Kollen BJ,Krebs HI.脑卒中后机器人辅助上肢治疗康复效果综述[J].神经康复与神经修复，2007, 22(2): 111-121；参考文献2：Fazekas G,Horvath M,Troznai T, et al.上肢痉挛偏瘫辅理疗康复机器人的研究.康复器械[J] , 2007, 39(7): 580-582.），现在很多机构都在研究上肢康复机器人用于辅助康复医师进行上肢康复训练，从而将康复医师从繁重的体力劳动中解脱出来，提高康复效率，减轻患者经济负担。申请号为2014101552790、2014101591028、2014201927316、2014201927354的专利申请文件中提及一种外骨骼式上肢康复训练系统（如图1所示），它是辅助康复医师完成康复训练的一种医疗设备，可以实现从大关节到小关节的大范围单关节运动及多关节复合运动，真实再现患者的日常生活动作训练。它由两部分组成：一台带有显示器的PC机和一组上肢可穿戴外骨骼式机械设备。外骨骼式机械设备具有五个自由度，分别是：肩部外展/内收，肩部俯/仰，肘部俯/仰，腕部外展/内收，腕部俯/仰。基座和五根不规则的刚性连杆通过活动关节连接而成，每个关节通过电机驱动。每个连杆的结构并不规则，其质心在杆件外部，活动关节连接两个连杆的旋转方向也不一致，其运行空间为X-Y-Z三维 (triaxial) 坐标系。考虑康复训练的安全因素，每个关节的旋转角度也有一定的限制。

在外骨骼式上肢康复机器人进行康复训练的过程中，腕部两个自由度活动范围较小，对整个动力学模型影响也不大，所以在动力学建模过程中忽略腕部的两个自由度。在仿真验证时，为确保上肢的活动范围与外骨骼康复器械运动相匹配，保证腕部两个关节固定不变，同时，取肩部外展/内收和肩部屈/伸两个自由度实现在三维空间中的活动，再加上肘部屈/伸，这样人体上肢在动力学建模中就可以看作是一个具有三个自由度的两个连杆。五自由度外骨骼式康复机器人变成了具有三个大范围运动自由度的不规则外骨骼式康复器械。