本公開(kāi)涉及康復(fù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，腦卒中、肢體殘疾病人對(duì)肢體康復(fù)的需求主要有：康復(fù)前期由外界帶動(dòng)肢體活動(dòng)，康復(fù)中期進(jìn)行自主活動(dòng)，康復(fù)后期由外界在自主活動(dòng)時(shí)提供一定阻尼。目前主要的康復(fù)手段仍是靠理療師手動(dòng)協(xié)助病人進(jìn)行此類(lèi)康復(fù)活動(dòng)，需要占用大量時(shí)間并且康復(fù)效果更多取決于理療師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)水平，變動(dòng)較大，不可預(yù)測(cè)。

目前在世界范圍內(nèi)，康復(fù)外骨骼的研發(fā)是一個(gè)大趨勢(shì)。與傳統(tǒng)人工輔助康復(fù)治療相比，康復(fù)過(guò)程中可通過(guò)外骨骼中集成的數(shù)據(jù)采集功能加以量化，從而可對(duì)康復(fù)的效果進(jìn)行較為精確的評(píng)估。國(guó)內(nèi)外陸續(xù)已有部分上肢康復(fù)外骨骼處于產(chǎn)品化的不同階段，值得一提的是，目前尚未有產(chǎn)品進(jìn)入大規(guī)模的臨床應(yīng)用。按照所提供的功能，現(xiàn)有產(chǎn)品大致可分為如下幾類(lèi)：

單純提供數(shù)據(jù)采集功能的外骨骼。其并無(wú)內(nèi)置關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器而只包含角度傳感器，無(wú)法提供助力或阻尼，病人佩戴后需要自主進(jìn)行肢體活動(dòng)。此類(lèi)產(chǎn)品適用面較窄同時(shí)功能單一，只能提供過(guò)程中病人肢體的角度位移信息。

提供數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)功能的剛性外骨骼。其除記錄治療過(guò)程中的角度信息外還通過(guò)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)提供運(yùn)動(dòng)功能，從而可以幫助病人實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)動(dòng)。個(gè)別產(chǎn)品的少數(shù)關(guān)節(jié)中內(nèi)置了力傳感器作為安全保護(hù)措施。但此類(lèi)產(chǎn)品運(yùn)行中，控制系統(tǒng)并不能主動(dòng)針對(duì)病人手臂的實(shí)時(shí)出力和受力情況進(jìn)行主動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整，很多情況下無(wú)法調(diào)整驅(qū)動(dòng)力。即使可對(duì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整，精度也較低，使用體驗(yàn)較 差。

提供數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動(dòng)和力度感知的半柔性外骨骼。主要區(qū)別在于部分關(guān)節(jié)采用了可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)，從而使產(chǎn)品具備了一定的安全性和實(shí)時(shí)出力測(cè)量的能力。但此類(lèi)產(chǎn)品中的力量測(cè)量與控制系統(tǒng)并未整合，令其實(shí)際使用體驗(yàn)并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。同時(shí)其使用的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)使用直線(xiàn)彈簧和鋼絲繩提供力矩感應(yīng)和柔性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量精度低，反應(yīng)遲緩，對(duì)位移的控制不精確。

現(xiàn)有技術(shù)中的康復(fù)機(jī)器人方案中，主要存在如下問(wèn)題：

功能方面：各關(guān)節(jié)的阻抗無(wú)法做到精細(xì)可調(diào)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)針對(duì)病人在康復(fù)不同階段，肢體不同關(guān)節(jié)各自需求的調(diào)整，無(wú)法提供個(gè)性化的康復(fù)方案和體驗(yàn)?？祻?fù)初期病人肢體的移動(dòng)需要外骨骼提供助力，康復(fù)中后期病人則需要外骨骼提供阻尼，而現(xiàn)有產(chǎn)品的助力幅度無(wú)法隨著康復(fù)進(jìn)程的推進(jìn)針對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的每個(gè)自由度進(jìn)行實(shí)時(shí)的、精細(xì)的調(diào)整。

安全方面：現(xiàn)有技術(shù)的安全性主要是靠如下幾種手段來(lái)保證：硬性動(dòng)限，預(yù)先輸入的力、力矩傳感器測(cè)量極值，以及關(guān)節(jié)內(nèi)置彈簧的柔性。由于現(xiàn)有產(chǎn)品中大多數(shù)關(guān)節(jié)不具有力感知功能，當(dāng)關(guān)節(jié)負(fù)載或者角度突然發(fā)生較大變化的時(shí)候這些關(guān)節(jié)的安全性并不能獲得充分的保證。同時(shí)即使是配備了力、力矩傳感器的關(guān)節(jié)，由于其關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)閉環(huán)中并不包括傳感器數(shù)據(jù)，針對(duì)額外負(fù)載和突然加速的實(shí)時(shí)反應(yīng)速度也相應(yīng)較低。因此現(xiàn)有產(chǎn)品的理論安全性較為有限，有一定的危險(xiǎn)性，特別是對(duì)肢體強(qiáng)度尚未恢復(fù)、尚處于康復(fù)早期的病人來(lái)說(shuō)更加明顯。

結(jié)構(gòu)方面：現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)受限于如下幾個(gè)方面：人體結(jié)構(gòu)，工藝，材料，力傳感器集成，可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的種類(lèi)選擇。上述限制造成現(xiàn)有產(chǎn)品零件總數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，調(diào)整困難，對(duì)病人肢體適應(yīng)性差，佩戴體驗(yàn)較差。

成本方面：結(jié)構(gòu)復(fù)雜帶來(lái)的副作用就是技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本較高，直接導(dǎo)致了如下后果：國(guó)內(nèi)所有外骨骼均為單側(cè)使用，當(dāng)病人雙側(cè)上肢均有康復(fù)需求時(shí)要占用多一倍的康復(fù)時(shí)間和成本。產(chǎn)品單價(jià)較高，直接導(dǎo)致康復(fù)外骨骼產(chǎn)品遲遲無(wú) 法普及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服相關(guān)技術(shù)中存在的問(wèn)題，本公開(kāi)實(shí)施例提供一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人。

根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的第一方面，提供一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人，包括：

座椅1、機(jī)柜2、顯示設(shè)備3、四自由度機(jī)械臂4和/或四自由度機(jī)械臂5；

機(jī)柜2通過(guò)電源和通信線(xiàn)纜與四自由度機(jī)械臂4或5實(shí)現(xiàn)電氣連接；顯示設(shè)備3通過(guò)電源和通信線(xiàn)纜與機(jī)柜2電氣連接；四自由度機(jī)械臂4和/或四自由度機(jī)械臂5通過(guò)剛性連接件6固定在座椅背面的支撐結(jié)構(gòu)上。

所述顯示設(shè)備3為外接顯示屏或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

所述四自由度機(jī)械臂4和/或四自由度機(jī)械臂5，包括：

第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8、肩部剛性連接件9、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器10、肩部剛性連接件11、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器12、上臂剛性連接件13、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14、小臂連接件15和扶手16；

第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8通過(guò)剛性連接件6與座椅1背面支架連接；第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器10與第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8通過(guò)肩部剛性連接件9連接；第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器12與第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器10通過(guò)肩部剛性連接件11連接；第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14與第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器12通過(guò)上臂剛性連接件13連接；扶手16與第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14通過(guò)小臂連接件15連接；扶手16與小臂連接件15之間通過(guò)滑塊凹槽的方式連接。

所述第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器10、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器12、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14分別為可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。

所述第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8、第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器10、第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器12、第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14，分別包括：

伺服電機(jī)17、諧波減速機(jī)18、環(huán)形力矩傳感器19、轉(zhuǎn)矩輸出盤(pán)20、初級(jí) 減速齒輪組26；

伺服電機(jī)17驅(qū)動(dòng)初級(jí)減速齒輪組26，初級(jí)減速齒輪組26驅(qū)動(dòng)諧波減速機(jī)18；諧波減速機(jī)18的輸出端通過(guò)剛性連接件與環(huán)形力矩傳感器19相連接；環(huán)形力矩傳感器19通過(guò)剛性連接件與轉(zhuǎn)矩輸出盤(pán)20相連接。

所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器中內(nèi)置角度編碼器；角度編碼器和環(huán)形力矩傳感器19的信號(hào)數(shù)據(jù)由機(jī)柜2中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并與環(huán)形力矩傳感器19所在關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)交聯(lián)。

所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器中內(nèi)置緊急剎車(chē)機(jī)構(gòu)22；剎車(chē)機(jī)構(gòu)22在通電時(shí)處于解鎖狀態(tài)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)剎車(chē)機(jī)構(gòu)22斷電時(shí)，鎖死初級(jí)減速齒輪組26，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器無(wú)法再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；剎車(chē)機(jī)構(gòu)22的電源由外置緊急剎車(chē)按鈕或機(jī)械臂控制軟件接通與切斷。

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸入端內(nèi)殼25和輸出端外殼23之間設(shè)置剛性干涉21，作為硬性動(dòng)限，限制每個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍。

所述基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人用于包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)或上述任意組合的上肢關(guān)節(jié)康復(fù)；或

髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)或上述任意組合的下肢關(guān)節(jié)治療；或

上述任意關(guān)節(jié)的組合治療。

本公開(kāi)的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

提供數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動(dòng)，力矩感知和各關(guān)節(jié)柔性單獨(dú)可調(diào)的柔性外骨骼。使用內(nèi)置的環(huán)形力矩傳感器作為測(cè)量手段，所有負(fù)載均通過(guò)該傳感器傳遞，提高測(cè)量的精確性。實(shí)時(shí)測(cè)量每個(gè)關(guān)節(jié)的力矩并與控制系統(tǒng)閉環(huán)交聯(lián)，每個(gè)關(guān)節(jié)的阻抗均為單獨(dú)實(shí)時(shí)可調(diào)，可令部分關(guān)節(jié)提供阻抗的同時(shí)剩余關(guān)節(jié)提供零重力或者助力。每個(gè)關(guān)節(jié)均有外置硬性動(dòng)限和內(nèi)置過(guò)載保護(hù)，保證使用的安全性。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本公開(kāi)。

附圖說(shuō)明

此處的附圖被并入說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分，示出了符合本公開(kāi)的實(shí)施例，并與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本公開(kāi)的原理。

圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2是根據(jù)另一示例性實(shí)施例示出的一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖；

圖3是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是根據(jù)另一示例性實(shí)施例示出的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是根據(jù)另一示例性實(shí)施例示出的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

這里將詳細(xì)地對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本公開(kāi)相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書(shū)中所詳述的、本公開(kāi)的一些方面相一致的裝置和方法的例子。

圖1是根據(jù)一示例性實(shí)施例示出的一種基于可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的康復(fù)外骨骼機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖，包括：

本實(shí)用新型的主要結(jié)構(gòu)由座椅1、機(jī)柜2、顯示設(shè)備3、四自由度機(jī)械臂4或5組成。其中座椅1，用于在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中支撐病人身體，同時(shí)作為整臺(tái)儀器的底座，所有其他結(jié)構(gòu)均固定在其上，起到支撐和穩(wěn)定的作用。機(jī)柜2通過(guò)電源和通信線(xiàn)纜與四自由度機(jī)械臂4或5實(shí)現(xiàn)電氣連接，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、反饋、針對(duì)病人操作輸入做出反應(yīng)、對(duì)四自由度機(jī)械臂4或5進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并在系統(tǒng)層面保護(hù)病人安全的作用。顯示設(shè)備3既可以是固定在底座上的單獨(dú)顯示屏，也可以是頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。當(dāng)為顯示屏?xí)r，其通過(guò)可調(diào)支架固定在地面上，通過(guò)電源和通信線(xiàn)纜與機(jī)柜2實(shí)現(xiàn)電氣連接，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)通 訊。當(dāng)為頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備時(shí)，其通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信方式與機(jī)柜2實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)通信。四自由度機(jī)械臂4或5通過(guò)剛性連接件6固定在座椅背面的支撐結(jié)構(gòu)上，并通過(guò)綁帶和扶手與康復(fù)患者的手臂實(shí)現(xiàn)物理連接。

特別的，上述的機(jī)械臂4或5可以同時(shí)安裝，也可以?xún)H根據(jù)需要安裝一側(cè)的機(jī)械臂4或5。本實(shí)施例中，不僅包括單側(cè)機(jī)械臂的解決方案，還包括雙側(cè)機(jī)械臂的解決方案。用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇單側(cè)或雙側(cè)機(jī)械臂的康復(fù)機(jī)器人，在使用雙側(cè)機(jī)械臂時(shí)，顯然比單側(cè)機(jī)械臂有著更高的康復(fù)效率。

本公開(kāi)的顯示設(shè)備可以是外接顯示設(shè)備，如平板顯示器，或頭戴式顯示設(shè)備如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡。

如圖2所示，為本公開(kāi)實(shí)施例提供的一個(gè)具體康復(fù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)裝置，其中，沒(méi)有包含顯示設(shè)備，僅包含了座椅、機(jī)械臂，并且包含了雙側(cè)機(jī)械臂。

如圖3所示，為本公開(kāi)實(shí)施例提供的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖，此處以右側(cè)機(jī)械臂5為例，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)布置如下：

第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8通過(guò)剛性連接件6與座椅背面支架連接。第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器10與第一關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8通過(guò)肩部剛性連接件9連接。第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器12與第二關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器10通過(guò)肩部剛性連接件11連接。第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14與第三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器12通過(guò)上臂剛性連接件13連接。扶手16與第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14通過(guò)小臂連接件15連接。扶手16與小臂連接件15之間通過(guò)滑塊凹槽的方式連接以提供一個(gè)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)自由度，其旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與康復(fù)患者腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)重合。第一、二、三關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器8、10、12的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)之間在活動(dòng)時(shí)可能為硬性/軟性動(dòng)限允許的任意夾角，但其交點(diǎn)一直位于康復(fù)患者的肩關(guān)節(jié)活動(dòng)中心。第四關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器14的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)與康復(fù)患者的肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(xiàn)重合。剛性連接件的選擇可能為一個(gè)或多個(gè)可調(diào)螺桿，或者為通過(guò)增材制造手段生產(chǎn)的更符合康復(fù)患者輪廓的不可調(diào)連接件?？祻?fù)患者上臂通過(guò)一條或數(shù)條剛性連接件環(huán)或柔性綁帶與機(jī)械臂5固定?？祻?fù)患者小臂通過(guò)一條或數(shù)條剛性連接件環(huán)或柔性綁帶與機(jī)械臂固定。康復(fù)患者手掌通過(guò)扶手16與小臂連接件固定。

本公開(kāi)實(shí)施例的扶手16所提供的腕關(guān)節(jié)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)自由度可由關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器提供的主動(dòng)自由度代替。

本公開(kāi)實(shí)施例中，主要特點(diǎn)如下：肩部可實(shí)現(xiàn)三自由度，軸線(xiàn)交點(diǎn)；肘部：?jiǎn)巫杂啥?，軸線(xiàn)位置；連接件選擇：螺桿或3D打?。粰C(jī)械臂與手臂的連接機(jī)構(gòu)。

具體的，如圖4所示，為本公開(kāi)實(shí)施例提供的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖，具體如下：

本公開(kāi)實(shí)施例關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)。其主要結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)17驅(qū)動(dòng)初級(jí)減速齒輪組26，初級(jí)減速齒輪組26驅(qū)動(dòng)諧波減速機(jī)18。諧波減速機(jī)18的輸出端通過(guò)剛性連接件與環(huán)形力矩傳感器19相連。環(huán)形力矩傳感器19則通過(guò)剛性連接件與轉(zhuǎn)矩輸出盤(pán)20相連接。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器中同時(shí)內(nèi)置角度編碼器。角度編碼器和環(huán)形力矩傳感器19的信號(hào)數(shù)據(jù)由機(jī)柜2中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并與環(huán)形力矩傳感器19所在關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)交聯(lián)。

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器中內(nèi)置緊急剎車(chē)機(jī)構(gòu)22。剎車(chē)機(jī)構(gòu)22在通電時(shí)處于解鎖狀態(tài)，此時(shí)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)剎車(chē)機(jī)構(gòu)22斷電時(shí)即鎖死初級(jí)減速齒輪組26，此時(shí)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器無(wú)法再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。剎車(chē)機(jī)構(gòu)22的電源可由外置緊急剎車(chē)按鈕或機(jī)械臂控制軟件接通與切斷。

具體的，如圖5所示，為本公開(kāi)實(shí)施例中關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，包括了伺服電機(jī)17、諧波減速機(jī)18、環(huán)形力矩傳感器19。其中的環(huán)形力矩傳感器19是現(xiàn)有技術(shù)中所沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的。

為了保證康復(fù)患者的安全，如圖6所示，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸入端內(nèi)殼25和輸出端外殼23之間設(shè)計(jì)有剛性干涉21作為硬性動(dòng)限，限制每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)范圍，保證在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中每個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍不會(huì)超過(guò)人體關(guān)節(jié)的極限。

本公開(kāi)實(shí)施例所述的機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)置為一種方式。同樣的原理設(shè)計(jì)可用于包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及任意組合的上肢關(guān)節(jié)，或者髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及任意組合的下肢關(guān)節(jié)。

本公開(kāi)實(shí)施例記載的力矩傳感器位置，設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集方式只是一種可能的實(shí)現(xiàn)方式。任何通過(guò)力矩傳感器傳遞關(guān)節(jié)全部扭矩并通過(guò)測(cè)量傳感器形變獲取關(guān)節(jié)扭矩的實(shí)現(xiàn)方式，只要應(yīng)用于外骨骼，即在本公開(kāi)保護(hù)之內(nèi)。

進(jìn)一步的，本公開(kāi)實(shí)施例的運(yùn)行需要控制軟件系統(tǒng)的幫助。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的控制軟件采集的數(shù)據(jù)包括角度編碼器提供的關(guān)節(jié)位移信號(hào)和力矩傳感器提供的關(guān)節(jié)扭矩信號(hào)。并能通過(guò)伺服電機(jī)17的輸出在關(guān)節(jié)上實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前負(fù)載，負(fù)載方向，負(fù)載變化率及歷史改變關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，角速度及角加速度，或根據(jù)當(dāng)前關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，角速度及角加速度改變前負(fù)載，負(fù)載方向，負(fù)載變化率。從而使整條外骨骼機(jī)械臂4或5在總體控制軟件綜合各個(gè)關(guān)節(jié)的輸入信號(hào)后可實(shí)現(xiàn)如下功能：助力，零重力，阻抗，過(guò)載保護(hù)，急停。

本公開(kāi)實(shí)施例的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器之間、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和扶手之間的連接件可以是螺桿、絲杠或其他可調(diào)長(zhǎng)度的連接方式，亦可為運(yùn)用增材制造方式生產(chǎn)的連接件。

本實(shí)施例中，與當(dāng)前類(lèi)似產(chǎn)品相比，肢體力量測(cè)量與診斷，針對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)可定制。通過(guò)測(cè)量每個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上測(cè)得的輸入力矩，可獲得針對(duì)每個(gè)佩戴者每個(gè)關(guān)節(jié)不同方向上力量的精確數(shù)據(jù)，從而對(duì)病人各關(guān)節(jié)當(dāng)前的健康狀況獲得清晰的評(píng)估，便于醫(yī)護(hù)人員制定下一步的康復(fù)計(jì)劃。

肢體活動(dòng)助力、零重力、阻尼，針對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)可定制。通過(guò)測(cè)量關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的當(dāng)前位置和輸入力矩，針對(duì)軟件模式設(shè)定的區(qū)別，可為每個(gè)關(guān)節(jié)分別提供如下三種活動(dòng)模式：助力，零重力和阻尼，從而可以獲得高度定制化的康復(fù)手段。舉例來(lái)說(shuō)，可以在為肩關(guān)節(jié)相關(guān)肌肉提供鍛煉的同時(shí)為康復(fù)進(jìn)程較為滯后的肘關(guān)節(jié)提供移動(dòng)時(shí)的助力。

康復(fù)數(shù)據(jù)的分析與匯總，歷史記錄與云端備份?？祻?fù)訓(xùn)練過(guò)程中采集的病人所有肢體活動(dòng)與力量數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行處理、匯總，并將歷史記錄保存于云端服務(wù)器。醫(yī)護(hù)人員將可隨時(shí)隨地審閱、評(píng)估病人的康復(fù)進(jìn)程并對(duì)康復(fù)計(jì)劃進(jìn)行相應(yīng)修改。同時(shí)由于數(shù)據(jù)在云端備份，即使康復(fù)患者隨后前往不同的康復(fù) 機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)仍可隨之遷移并由新機(jī)構(gòu)的醫(yī)護(hù)人員讀取并使用。

外置緊急停止功能。由于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置剎車(chē)功能，產(chǎn)品提供外置緊急剎車(chē)功能。當(dāng)佩戴者或醫(yī)護(hù)人員認(rèn)為必要時(shí)可激活此功能，此時(shí)機(jī)械臂電源切斷，每個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器都將鎖死。

軟性動(dòng)限，過(guò)載保護(hù)與急停。通過(guò)測(cè)量關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的當(dāng)前位置和輸入力矩，控制軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)控突然的或幅度較大的位移與負(fù)載變化，當(dāng)變化的總量或速率超出軟件內(nèi)設(shè)定的軟性動(dòng)限與過(guò)載保護(hù)閾值時(shí)，軟件將自動(dòng)停止機(jī)械臂的運(yùn)行或者切斷通往機(jī)械臂的電源以保證用戶(hù)的安全。閾值可針對(duì)佩戴者每個(gè)關(guān)節(jié)的具體情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，滿(mǎn)足不同佩戴者的潛在不同需求以保證更強(qiáng)的安全性。

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)在柔順性，針對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)可定制。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)中位移與力矩交聯(lián)的控制模式令每個(gè)關(guān)節(jié)可表現(xiàn)出柔順性，從而將負(fù)載的變化率保持在佩戴者感到舒適的范圍內(nèi)，不會(huì)由于外骨骼位移或者負(fù)載的突然變化導(dǎo)致佩戴者收到損傷。

簡(jiǎn)化的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器相比僅增加一個(gè)零件，即環(huán)形力矩傳感器。與現(xiàn)有應(yīng)用于康復(fù)外骨骼的可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含直線(xiàn)彈簧、鋼絲繩以及相應(yīng)形變測(cè)量手段的結(jié)構(gòu)相比，零件總數(shù)少，控制系統(tǒng)軟件編寫(xiě)難度低。

簡(jiǎn)化的外骨骼自身結(jié)構(gòu)及其重量和慣性。同樣采用可變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的其他外骨骼相比，簡(jiǎn)化的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)省略了：外置傳感器及相應(yīng)的裝配、測(cè)量、校準(zhǔn)要求，將驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作傳導(dǎo)到外骨骼活動(dòng)部位的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其帶來(lái)的安裝、測(cè)量誤差，以提供柔性連接和提高安全性為目的的滑塊、絲桿、彈簧、尼龍繩。上述結(jié)構(gòu)及為其連接、支撐的連接件及其重量。

產(chǎn)品成本、使用成本與功能。由于簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的成本下降，令本實(shí)用新型可在同類(lèi)產(chǎn)品三分之一的價(jià)格下提供支持雙臂操作的產(chǎn)品。有雙側(cè)肢體康復(fù)需要的病人只需付出同樣的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本即可獲得兩倍的收益。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說(shuō)明書(shū)及實(shí)踐這里公開(kāi)的公開(kāi)后，將容易想到本公開(kāi)的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本公開(kāi)的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本公開(kāi)的一般性原理并包括本公開(kāi)未公開(kāi)的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例僅被視為示例性的，本公開(kāi)的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開(kāi)并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本公開(kāi)的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。