[发明专利]一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法

说明书

本发明公开了一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，包括模拟人体不同等级屈肘或屈膝张力的方法，模拟人体不同等级伸肘或伸膝张力的方法，所述机器人设有依次连接的基座、肩关节组件、大臂、肘关节组件、小臂及手掌，肩关节组件可带动大臂做全方位转动，肩关节组件可驱动小臂做屈伸运动。操作者可以观察和感受机器人在模拟过程中的运动状态，经反复体会，快速掌握人体张力检查方法的实践技能。

技术领域

本发明涉及机器人模拟技术领域，更具体地涉及一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法。

背景技术

人体四肢肌肉被动力学状态主要体现在人体上肢或下肢肌肉在被动拉长运动时所表现出的张力状态，在医学、运动学等相关领域，通常采用划分等级的方式来表现肌肉力量状态，参照临床医学常用的改良Ashworth量表作为人体肌肉张力分级标准，人体四肢肌肉张力可分为0级、1级、1+级、2级、3级、4级，共计六个级别。

人体神经损伤，尤其是中枢神经损伤后，由于神经控制系统发生受损，所支配的肌肉会出现不同程度的张力表现，该张力表现在被动拉长时会有不同程度的阻力反应，人体科学专业技术人员需要对肌肉在被动拉长运动过程中表现的张力进行检查测试，并综合分析后才能做出准确的诊断和合理的治疗方案。

目前，医学、运动学等人体科学相关专业的学生在进入实习阶段后才有机会接触患者，开始实际学习对人体肌肉被动运动时所表现出的张力进行检查的方法，学习和掌握该技能的时机滞后，并且，包括低年资专业技术人员在内，都需要在临床实践过程中检查大量患者后方能逐渐掌握该方法，严重影响学习进度、学习效果和学习的系统性。

发明内容

本发明的目的提供一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，为医学、运动学等相关专业学生及低年资人体科学专业技术人员掌握临床基础体格检查技术、分析医学和运动学问题等提供标准化的学习和实践平台，对提高教学水平、改进教学方法、增进教学效果等具有重要意义。

本发明采用的技术方案是：

一种机器人模拟人体四肢肌肉被动力学状态的方法，包括：机器人模拟人体不同等级屈肘或屈膝肌肉张力的方法，机器人模拟人体不同等级伸肘或伸膝肌肉张力的方法，所述机器人包括基座、肩关节组件、大臂、肘关节组件、小臂及手掌；肩关节组件包括肩关节固定件及肩关节活动件，肩关节固定件一端固定在基座上，另一端连接肩关节活动件，肩关节活动件与大臂固定连接且可带动大臂做全方位转动；肘关节组件包括驱动电机及电机减速器，电机减速器的输入端与驱动电机连接，大臂和小臂分别位于电机减速器输出轴端的两侧，电机减速器固定在大臂上，电机减速器驱动小臂绕电机轴转动，手掌固定连接在小臂末端，大臂、小臂及手掌处于同一轴线上；

所述机器人的小臂前端掌侧及背侧设有压力传感器，所述压力传感器用于检测操作者对小臂前端施加力的大小；肩关节组件设有陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器用于检测肩关节的转动角度；肘关节组件设有角度传感器，所述角度传感器用于检测小臂的转动角度；压力传感器、陀螺仪传感器及角度传感器分别与控制单元连接，驱动电机通过电机驱动器与控制单元连接，压力传感器、陀螺仪传感器、角度传感器、驱动电机及电机驱动器及控制单元组成控制系统；

模拟人体不同等级屈肘肌肉张力的方法包括：

0级：操作者将机器人置于肩关节自然下垂、肘关节自然下垂、掌心朝前的体位，启动控制系统；然后操作者一只手托在机器人大臂下端后侧，另一只手握住机器人小臂前端，轻轻抬起上肢，使机器人处于肩关节前屈角度0°～75°范围、外展角度0°～60°范围或内收0°～20°范围、内旋0°～90°范围、肘关节屈曲135°～145°体位，当控制单元检测到陀螺仪传感器及角度传感器反馈的肩关节和肘关节的角度信息，以及掌侧压力传感器反馈的压力信息后，启动驱动电机；然后操作者双手协调运动，快速伸直肘关节；操作者可顺利完成肘关节145°～0°全范围的伸展运动，全运动过程中不会感受到明显阻力；