一种上肢康复训练机器人及控制方法
技术领域
本发明涉及上肢康复训练设备领域，更具体的说是，涉及一种上肢康复训练机器人及控制方法。
背景技术
目前，机器人技术的迅速发展已经引起了临床的重视。它能使神经系统损伤后的康复治疗更加有效和系统，例如中风和脊髓伤害。传统的疗法需要患者付出巨大的努力和长期的时间。
由于尺寸和成本的原因，大多数已开发出的机器人系统主要部署在康复中心和医院。康复训练设备大小和成本限制使患者无法有足够的时间训练，导致患者恢复速度慢。
发明内容
本发明提供了一种上肢康复训练机器人及控制方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种上肢康复训练机器人，包括：
康复协调机构，包括上肢放置件以及握把；
设置于所述握把内的陀螺仪传感器；
测力传感器，用于测量所述康复协调机构受到的水平合力的方向以及大小；
设置于所述测力传感器下方的移动机构，其用于带动所述康复协调机构移动；
间隔设置于所述移动机构上的距离传感器，相邻所述距离传感器的射线互成90°，所述距离传感器用于获取所述移动机构的位置及偏转角；控制模块分别与所述陀螺仪传感器、所述测力传感器、所述移动机构以及所述距离传感器电连接，所述控制模块用于根据各传感器的信号控制所述移动机构移动，其中，所述移动机构的运动速度和所述康复协调机构受到的水平合力的大小成正相关。
作为进一步改进的，所述康复协调机构进一步包括：
水平固设于所述上肢放置件下方的第一连接件；
一端铰接于所述第一连接件上的第二连接件；以及
两端分别连接于所述第二连接件和所述握把的柔性连接管；
其中，所述上肢放置件的形状与小臂弧面相适。
作为进一步改进的，所述测力传感器包括：
基板；
设置于所述基板上的移动平台，其包括：
平行间隔设置于所述基板上的第一滑轨；
设置于所述第一滑轨远离所述基板一侧且平行于所述基板的第一移动板；
平行间隔设置于所述第一移动板远离所述基板一侧的第二滑轨，其垂直于所述第一滑轨；以及
设置于所述第二滑轨远离所述第一移动板一侧且平行于所述第一移动板的第二移动板；
固设于所述基板上且垂直于所述第一滑轨的第一应变传感器，其用于检测所述第一移动板的位移量；以及
固设于所述基板上且垂直于所述第二滑轨的第二应变传感器，其用于检测所述第二移动板的位移量。
作为进一步改进的，所述第一应变传感器通过第三连接件连接于所述第一移动板上，所述第二应变传感器通过第四连接件连接于所述第二移动板上。
作为进一步改进的，所述上肢放置件上间隔设置有透气孔。
作为进一步改进的，所述第一/第二应变传感器上设置有通孔。
一种上肢康复训练机器人的控制方法，包括：
根据所述测力传感器的电信号，获取所述康复协调机构受到的水平合力的方向以及大小；
根据所述距离传感器的电信号，获取所述上肢康复训练机器人的实际偏转角；
根据所述陀螺仪传感器的信号，获取所述上肢康复训练机器人的目标偏转角；
根据所述目标偏转角和所述实际偏转角，得到修正量；
根据所述水平合力的方向以及大小以及修正量，控制所述移动机构移动。
一种如权利要求1所述的上肢康复训练机器人的控制方法，包括：
K1，设定所述上肢康复训练机器人的移动曲线，开始运动，其中，所述移动曲线被分割为多个间隔设置的中继点；
K2，获取所述上肢康复训练机器人的下一个中继点的目标位置和目标偏转角；
K3，通过所述距离传感器获取所述上肢康复训练机器人的实际位置和实际偏转角；
K4，计算所述目标位置和所述实际位置的位置偏差量，并计算所述目标偏转角和所述实际偏转角的偏转角偏差量；
K5，根据所述位置偏差量和所述偏转角偏差量控制所述移动机构移动；
K6，判断所述上肢康复训练机器人是否到达所述下个中继点；并重复步骤K2～K6直至运动到所述移动曲线的终点。
本发明的有益效果是：
1.采用康复协调机构、测力传感器、移动机构、距离传感器和控制模块的配合，实现了将上肢放置至康复协调机构上且施力至上肢放置件上，测力传感器计算得到合力方向和大小，发送信号至控制模块控制移动机构的移动方向和速度；
2.采用在握把内设置有陀螺仪传感器，将手腕运动状态讯号转化为陀螺仪传感器的偏航角、俯仰角和翻滚角数据，进而得知手腕转动状态；
3.采用在上肢康复训练机器人上分别设置有第一/第二距离传感器，结合训练平台的使用，即可计算出上肢康复训练机器人与第一挡板和第二挡板之间的距离，进而得到上肢康复训练机器人的偏转角和实时定位位置；
4.本发明结构设计巧妙，小尺寸和低成本的机器人，可以实现从临床到家庭康复的跨越，使患者得到好处，康复训练强度更高，效果更佳。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的上肢康复训练机的整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的机器人和距离传感器的位置示意图。
图3是本发明实施例提供的上肢康复训练机器人的整体结构图。
图4是本发明实施例提供的康复协调机构的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的测力传感器的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的移动平台的结构示意图。
图7是本发明实施例提供的移动机构结构示意图。
图8是本发明实施例提供的距离定位计算图。
图9是本发明实施例提供的用户主动模式步骤图。
图10是本发明实施例提供的用户被动模式步骤图。
图中：1.训练平台 11.水平面 12.第一挡板 13.第二挡板
2.上肢康复训练机器人 21.康复协调机构 211.上肢放置件
2111.透气孔 212.第一连接件 213.第二连接件 214.握把
215.柔性连接管 22.测力传感器 221.基板 222.移动平台
2221.第一滑轨 2222.第一移动板 2223.第二滑轨
2224.第二移动板 223.第一应变传感器 224.第二应变传感器
225.第三连接件 226.第四连接件 23.移动机构
231.麦克纳姆轮 24.控制模块 3.第一距离传感器
4.第二距离传感器 5.显示模块
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1至图8所示，一种上肢康复训练机器人2，包括：康复协调机构21，包括上肢放置件211以及握把214；设置于所述握把214内的陀螺仪传感器；测力传感器22，用于测量所述康复协调机构21受到的水平合力的方向以及大小；设置于所述测力传感器22下方的移动机构23，其用于带动所述康复协调机构21移动；间隔设置于所述移动机构23上的距离传感器，相邻所述距离传感器的射线互成90°，所述距离传感器用于获取所述移动机构23的位置及偏转角；控制模块24分别与所述陀螺仪传感器、所述测力传感器22、所述移动机构23以及所述距离传感器电连接，所述控制模块24用于根据各传感器的信号控制所述移动机构23移动，其中，所述移动机构23的运动速度和所述康复协调机构21受到的水平合力的大小成正相关。
参照图3至图4所示，所述康复协调机构21包括：上肢放置件211，其形状与小臂弧面相适；水平固设于所述上肢放置件211下方的第一连接件212；一端铰接于所述第一连接件212上的第二连接件213；握把214；以及两端分别连接于所述第二连接件213和所述握把214的柔性连接管215。所述上肢放置件211上间隔设置有透气孔2111，提升上肢放置件211的使用舒适性。由于第二连接件213铰接于第一连接件212上，且采用柔性连接管215，使得用户握住握把214，实现手腕关节全方位的活动；由于握把214内装有陀螺仪传感器，因此握把214的运动信息转换为陀螺仪传感器的偏航角、俯仰角和翻滚角数据。
参照图5至图6所示，所述测力传感器22包括：基板221；设置于所述基板221上的移动平台222，其包括：平行间隔设置于所述基板221上的第一滑轨2221；设置于所述第一滑轨2221远离所述基板221一侧且平行于所述基板221的第一移动板2222；平行间隔设置于所述第一移动板2222远离所述基板221一侧的第二滑轨2223，其垂直于所述第一滑轨2221；以及设置于所述第二滑轨2223远离所述第一移动板2222一侧且平行于所述第一移动板2222的第二移动板2224；固设于所述基板221上且垂直于所述第一滑轨2221的第一应变传感器223，其用于检测所述第一移动板2222的位移量；以及固设于所述基板221上且垂直于所述第二滑轨2223的第二应变传感器224，其用于检测所述第二移动板2224的位移量。所述第一应变传感器223通过第三连接件225连接于所述第一移动板2222上，所述第二应变传感器224通过第四连接件226连接于所述第二移动板2224上。所述第一/第二应变传感器223/224上设置有通孔，使得应变传感器受到微小力也能产生形变，提升了应变传感器对微小受力的敏感度。通过康复协调机构21的水平运动，带动移动平台222在水平位置的位移，进而使得第一应变传感器223和第二应变传感器224产生形变，从而产生应力数据。根据第一应变传感器223的受力和第一应变传感器223的受力，合成合力大小和方向，进而发送至控制模块24控制移动机构23的移动方向和速度。
参照图7所示，所述移动机构23包括4个麦克纳姆轮231，每个麦克纳姆轮231具有单独的电机，实现了移动平台23在水平面上的全方位移动。
参照图1至图2所示，一种带有定位跟踪功能的上肢康复训练机，包括：训练平台1；上肢康复训练机器人2；设置于所述上肢康复训练机器人2上的第一距离传感器3和第二距离传感器4；显示模块5；以及设置于所述上肢康复训练机器人2上的定位模块。训练平台1包括：水平面11、垂直于所述水平面11的第一挡板12、以及垂直于所述水平面11且垂直于所述第一挡板12的第二挡板13。上肢康复训练机器人2在所述水平面11上运动。其中，所述第一距离传感器3的射线和所述第二距离传感器4的射线互成直角，所述第一距离传感器3用于测量所述上肢康复训练机器人2与所述第一挡板12之间的距离，所述第二距离传感器4用于测量所述上肢康复训练机器人2与所述第二挡板13之间的距离。显示模块5用于显示所述上肢康复训练机器人2的运动轨迹、速度等参数。定位模块分别与所述上肢康复训练机器人2、所述第一距离传感器3、所述第二距离传感器4和所述显示模块5电性连接，所述定位模块用于将所述第一距离传感器3和所述第二距离传感器4的信号转换为位置信号展示在所述显示模块5上，所述定位模块用于将所述上肢康复训练机器人2的运动方向和速度转化为运动参数展示在所述显示模块5上。
参照图9至图10所示，一种上肢康复训练机器人2的控制方法，包括主动模式和被动模式，所述主动模式包括：
根据所述测力传感器22的电信号，获取所述康复协调机构21受到的水平合力的方向以及大小；
根据所述距离传感器的电信号，获取所述上肢康复训练机器人2的实际偏转角；
根据所述陀螺仪传感器的信号，获取所述上肢康复训练机器人2的目标偏转角；
根据所述目标偏转角和所述实际偏转角，得到修正量；
根据所述水平合力的方向以及大小以及修正量，控制所述移动机构23移动。
所述被动模式包括：
K1，设定所述上肢康复训练机器人2的移动曲线，开始运动，其中，所述移动曲线被分割为多个间隔设置的中继点；
K2，获取所述上肢康复训练机器人2的下一个中继点的目标位置和目标偏转角；
K3，通过所述距离传感器获取所述上肢康复训练机器人2的实际位置和实际偏转角；
K4，计算所述目标位置和所述实际位置的位置偏差量，并计算所述目标偏转角和所述实际偏转角的偏转角偏差量；
K5，根据所述位置偏差量和所述偏转角偏差量控制所述移动机构23移动；
K6，判断所述上肢康复训练机器人2是否到达所述下个中继点；并重复步骤K2～K6直至运动到所述移动曲线的终点。
参照图8所示，第一距离传感器3的数量为2个，第二距离传感器4的数量为1个。第一距离传感器3与第一挡板12之间的距离分别为d1和d2，得到距离d1和d2之差Δd，由于已知第一距离传感器3和第二距离传感器4的间距e，根据三角函数公式tan(c)＝(Δd)/e，可以求得偏转角c＝arctan((Δd)/e)。根据求得的偏转角c，结合第二距离传感器4和第二挡板13之间的距离为a，即可求得上肢康复训练机器人2的左端距离第二挡板13的垂直距离x；结合d1和d2的平均值(d1+d2)/2，即可求得上肢康复训练机器人2的前端距离第一挡板12的垂直距离y，即，得到上肢康复训练机器人2的定位位置(x，y)。
本发明提供的一种上肢康复训练机器人2的工作原理为：通过将小臂放置至上肢放置件211上，将手掌握住握把214，手腕的运动数据被陀螺仪传感器采集，小臂在水平面11上的移动，通过康复协调机构21传导信号至应变传感器上，第一/第二应变传感器223/224合成合力的方向和大小，发送信号至控制模块24控制移动机构23的移动方向和速度。
另一方面，上肢康复训练机器人2结合训练平台1的使用，通过在上肢康复训练机器人2上设置用于测量与第一挡板12之间距离的第一距离传感器3和用于测量与第二挡板13之间距离的第二距离传感器4，通过定位模块与后台通讯，在显示模块5上显示上肢康复训练机器人2的运行轨迹，进一步的，可以比对上肢康复训练机器人2的运行轨迹是否按显示模块5上的目标轨迹进行，并比对运行轨迹与目标轨迹之间的偏差量，计算出小臂康复训练成绩。相对应的，由于握把214内装备有陀螺仪传感器，在显示模块5上显示握把214的活动数据，即手腕的运动状态，进一步的，可以比对手腕的运动状态是否按显示模块5上的目标动作有序进行，并实时比对运动状态与目标动作之间的偏差量、每次完成时间，计算出手腕转动成绩，得知该用户的上肢康复情况。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
