[发明专利]基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统

说明书

本发明是关于一种基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统。包括：座椅(1)、机柜(2)、显示设备(3)、四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)；机柜(2)通过电源和通信线缆与四自由度机械臂(4)或(5)实现电气连接；显示设备(3)通过电源和通信线缆与机柜(2)电气连接；四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)通过刚性连接件(6)固定在座椅背面的支撑结构上。本公开实现了基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统，提供一种全新结构的康复机器人。

技术领域

本公开涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实手臂外骨骼康复系统。

背景技术

现有技术中，脑卒中、肢体残疾病人对肢体康复的需求主要有：康复前期由外界带动肢体活动，康复中期进行自主活动，康复后期由外界在自主活动时提供一定阻尼。目前主要的康复手段仍是靠理疗师手动协助病人进行此类康复活动，需要占用大量时间并且康复效果更多取决于理疗师的个人经验水平，变动较大，不可预测。

目前在世界范围内，康复外骨骼的研发是一个大趋势。与传统人工辅助康复治疗相比，康复过程中可通过外骨骼中集成的数据采集功能加以量化，从而可对康复的效果进行较为精确的评估。国内外陆续已有部分上肢康复外骨骼处于产品化的不同阶段，值得一提的是，目前尚未有产品进入大规模的临床应用。按照所提供的功能，现有产品大致可分为如下几类：

单纯提供数据采集功能的外骨骼。其并无内置关节驱动器而只包含角度传感器，无法提供助力或阻尼，病人佩戴后需要自主进行肢体活动。此类产品适用面较窄同时功能单一，只能提供过程中病人肢体的角度位移信息。

提供数据采集和驱动功能的刚性外骨骼。其除记录治疗过程中的角度信息外还通过关节的驱动提供运动功能，从而可以帮助病人实现辅助运动。个别产品的少数关节中内置了力传感器作为安全保护措施。但此类产品运行中，控制系统并不能主动针对病人手臂的实时出力和受力情况进行主动实时调整，很多情况下无法调整驱动力。即使可对驱动力进行调整，精度也较低，使用体验较差。

提供数据采集，驱动和力度感知的半柔性外骨骼。主要区别在于部分关节采用了可变柔性关节，从而使产品具备了一定的安全性和实时出力测量的能力。但此类产品中的力量测量与控制系统并未整合，令其实际使用体验并无本质区别。同时其使用的可变柔性关节使用直线弹簧和钢丝绳提供力矩感应和柔性，结构复杂，测量精度低，反应迟缓，对位移的控制不精确。

现有技术中的康复机器人方案中，主要存在如下问题：

功能方面：各关节的阻抗无法做到精细可调，从而无法实现针对病人在康复不同阶段，肢体不同关节各自需求的调整，无法提供个性化的康复方案和体验。康复初期病人肢体的移动需要外骨骼提供助力，康复中后期病人则需要外骨骼提供阻尼，而现有产品的助力幅度无法随着康复进程的推进针对每个关节的每个自由度进行实时的、精细的调整。

安全方面：现有技术的安全性主要是靠如下几种手段来保证：硬性动限，预先输入的力、力矩传感器测量极值，以及关节内置弹簧的柔性。由于现有产品中大多数关节不具有力感知功能，当关节负载或者角度突然发生较大变化的时候这些关节的安全性并不能获得充分的保证。同时即使是配备了力、力矩传感器的关节，由于其关节控制系统闭环中并不包括传感器数据，针对额外负载和突然加速的实时反应速度也相应较低。因此现有产品的理论安全性较为有限，有一定的危险性，特别是对肢体强度尚未恢复、尚处于康复早期的病人来说更加明显。

结构方面：现有产品的结构受限于如下几个方面：人体结构，工艺，材料，力传感器集成，可变柔性关节的种类选择。上述限制造成现有产品零件总数多，结构复杂，重量大，调整困难，对病人肢体适应性差，佩戴体验较差。

成本方面：结构复杂带来的副作用就是技术实现成本较高，直接导致了如下后果：国内所有外骨骼均为单侧使用，当病人双侧上肢均有康复需求时要占用多一倍的康复时间和成本。产品单价较高，直接导致康复外骨骼产品迟迟无法普及。

发明内容