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CN111110509A - 一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人 - Google Patents

一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人 Download PDF

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CN111110509A
CN111110509A CN201911358597.6A CN201911358597A CN111110509A CN 111110509 A CN111110509 A CN 111110509A CN 201911358597 A CN201911358597 A CN 201911358597A CN 111110509 A CN111110509 A CN 111110509A
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CN
China
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guide rail
exoskeleton
upper limb
training
joint
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Pending
Application number
CN201911358597.6A
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English (en)
Inventor
王浩平
徐辉
田杨
韩帅帅
郭一达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,由肩部外展内收和屈曲伸展、大臂旋内旋外、肘部屈曲伸展、小臂旋内旋外、腕部外展内收和屈曲伸展七个关节组成。关节采用电机直驱,其中大臂和小臂旋转关节采用齿轮驱动。通过紧固件配合滑动槽实现了臂杆长度和双臂外骨骼间距的无极调节;本发明拆装方便,自由度配置符合人体生理学,尺寸可调,关节避奇异,支持移动式坐姿和固定式站姿训练,分别采用轮椅和固定安装架来安装外骨骼;单臂外骨骼具备左右手可互换训练的特点,降低了使用成本;针对不同的康复阶段支持被动、主动和抗阻三大训练模式,被动训练支持镜像训练和示教训练,实用性强,可供医疗机构使用。

Description

一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人
技术领域
本发明属于医疗康复器械领域,特别是一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人。
背景技术
由于康复训练外骨骼机器人需要适于穿戴,根据对人体上肢关节运动生理学的研究,人体上肢可以分为肩部外展/内收、肩部屈曲/伸展、大臂旋内/旋外、肘部屈曲/伸展、小臂旋内/旋外、腕部外展/内收、腕部屈曲/伸展7自由度多刚体串联运动链,因此外骨骼的关节要尽量严格地与人体上肢进行匹配,关节轴心要相互匹配;此外,偏瘫患者有时需要训练不同的手臂,因此外骨骼需要满足双臂训练的要求;最后,由于机械臂关节之间如果共轴容易引发关节奇异性,这会导致自由度缺失或者关节的速度失控,这样对患者会造成伤害,因此外骨骼需要针对最容易引发关节奇异性的肩关节进行避奇异设计。
现存的上肢外骨骼机器人的设计方案很多,大多数较为笨重,固定在固定基座上的,不便于移动。且少有能够支持双臂训练的上肢外骨骼机器人,这不利于市场化的推广。专利申请号201410855081.3公开了一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人,将单臂上肢外骨骼安装在固定座椅上,通过皮带轮驱动关节转动,结构复杂,控制精度不如电机直接驱动,也导致了结构上复杂度提高,自由度配置与人体上肢关节匹配性不高,且不支持双臂训练,对于关节避奇异的问题没有提出解决方案。专利申请号201710032680.9公开了一种穿戴式外骨骼上肢康复机器人,其包括6个自由度,采用了绳索驱动,具有轻量化的优点,但是整体机构移动不方便,自由度与人体不匹配,穿戴不方便,不支持双臂训练,且训练模式有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,以便为患者提供更加安全、低成本、多样化的双臂康复训练。
实现本发明目的的技术解决方案为:
一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,包括肩关节基座、第一驱动机构、肩关节连杆、第二驱动机构、大臂连杆、第三驱动机构、第一半圆形导轨、第四驱动机构、小臂连杆、第五驱动机构、第二半圆形导轨、第六驱动机构、腕关节连杆、第七驱动机构、手部连杆、握把;
所述肩关节基座包括相连接的水平杆、斜杆;所述斜杆与水平杆之间设有夹角,且斜杆向下倾斜;所述肩关节连杆一端通过第一驱动机构与斜杆下端相连;所述第一驱动机构用于驱动肩关节连杆绕斜杆进行外展和内收的运动;所述大臂连杆上端通过第二驱动机构与肩关节连杆另一端相连,所述第二驱动机构用于驱动大臂连杆绕肩关节连杆摆动,从而带动肩关节进行屈曲伸展运动;所述第一半圆形导轨通过第三驱动机构与大臂连杆下端相连;所述第三驱动机构用于驱动第一半圆形导轨转动,从而带动大臂进行内旋和外旋运动;所述小臂连杆后端通过第四驱动机构连接在第一半圆形导轨下端;所述第四驱动机构用于驱动小臂连杆上下摆动,从而带动肘关节进行屈曲伸展运行;所述第二半圆形导轨通过第五驱动机构与小臂连杆前端相连;所述第五驱动机构用于驱动第二半圆形导轨转动,从而带动小臂进行内旋和外旋运动;所述腕关节连杆通过第六驱动机构连接在第二半圆形导轨下端,所述第六驱动机构用于驱动腕关节连杆转动,从而带动腕关节进行外展内收运动;所述手部连杆通过第七驱动机构与腕关节连杆相连,所述第七驱动机构用于驱动手部连杆左右摆动,从而带动腕关节屈曲伸展运动;所述握把固定在手部连杆末端,用于人手握持。
本发明与现有技术相比,其显著优点是:
(1)结合技术方案:通过使肩关节基座的斜杆与水平杆之间成一定的夹角能够实现使得肩关节外展内收自由度的转动轴线成与水平面向上30°,这样大臂也要运动到与水平面成30°的角度才能达到奇异构型,因而这种设计可以使奇异构型出现在外骨骼工作空间的边缘,避开运动频繁的工作空间区域,而腕关节由于关节运动范围较小,本身就无法达到奇异构型,因而无需考虑避奇异设计,只在肩关节进行避奇异设计就能够实现外骨骼的避奇异;可以避免在康复训练时,外骨骼达到奇异构型,造成自由度缺失或者关节旋转过快而危害患者安全。
(2)通过简单地翻转外骨骼的肩关节、肘关节和腕关节,能够实现右手外骨骼转换为左手外骨骼,即外骨骼既可以用于左手的康复训练,又可以通过转换用于右手外骨骼的康复训练,成为一种可互换上肢外骨骼。
(3)本发明在使用方面具有多模式的优点,可以通过肩关节基座的套筒设计方便地安装在改装轮椅和支架上,当安装于改装轮椅上时,可以进行坐姿康复训练,当安装于固定支架上,可以进行站姿康复训练,且外骨骼既可以采用双臂外骨骼又可以采用单臂外骨骼;康复训练模式包括被动训练和主动训练,其中被动康复训练包括单关节重复训练模式、自主镜像训练模式和示教训练模式,主动训练包括主动辅助康复训练和渐进式抗阻康复训练。其中自主式镜像训练只能用于双臂外骨骼。
附图说明
图1为本发明一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人本体结构。
图2为本发明的第一半圆形导轨。
图3为本发明的第二半圆形导轨。
图4为本发明的移动式坐姿康复训练示意图。
图5为本发明的座椅架。
图6为本发明的固定式站姿康复训练示意图。
图7为本发明的右上肢外骨骼单臂训练示意图。
图8为本发明的转换后左上肢外骨骼单臂训练示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-3,本发明的一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,包括肩关节基座1、第一驱动机构2、肩关节连杆3、第二驱动机构4、大臂连杆5、第三驱动机构7、第一半圆形导轨8、第四驱动机构9、小臂连杆10、第五驱动机构12、第二半圆形导轨13、第六驱动机构14、腕关节连杆15、第七驱动机构16、手部连杆17、握把20;
所述肩关节基座1包括相连接的水平杆1-1、斜杆1-2;所述斜杆1-2与水平杆1-1之间设有夹角,且斜杆1-2向下倾斜。优选的实施方式中,斜杆1-2与水平杆1-1之间的夹角为120°,使得肩关节基座1采用了与垂直方向成30°角的设计方案,这样可以使得肩关节外展内收自由度的转动轴线成与水平向上30°,这样大臂也要运动到与水平面成30°的角度才能达到奇异构型,因而这种设计可以使奇异构型出现在外骨骼工作空间的边缘,避开运动频繁的工作空间区域,而腕关节由于关节运动范围较小,本身就无法达到奇异构型,因而无需考虑避奇异设计,只在肩关节进行避奇异设计就能够实现外骨骼的避奇异。通过这种设计,可以避免在康复训练时,外骨骼达到奇异构型,造成自由度缺失或者关节旋转过快而危害患者安全。
所述肩关节连杆3一端通过第一驱动机构2与斜杆1-2下端相连;所述第一驱动机构2用于驱动肩关节连杆3绕斜杆1-2进行外展和内收的运动;所述大臂连杆5上端通过第二驱动机构4与肩关节连杆3另一端相连,所述第二驱动机构4用于驱动大臂连杆5绕肩关节连杆3摆动,从而带动肩关节进行屈曲伸展运动;所述第一半圆形导轨8通过紧固件与大臂连杆5下端相连;所述第三驱动机构7用于驱动第一半圆形导轨8转动,从而带动大臂进行内旋和外旋运动;所述小臂连杆10后端通过第四驱动机构9连接在第一半圆形导轨8下端;所述第四驱动机构9用于驱动小臂连杆10上下摆动,从而带动肘关节进行屈曲伸展运动;所述第二半圆形导轨13通过紧固件与小臂连杆10前端相连;所述第五驱动机构12用于驱动第二半圆形导轨13转动,从而带动小臂进行内旋和外旋运动;所述腕关节连杆15通过第六驱动机构14连接在第二半圆形导轨13下端;所述第六驱动机构14用于驱动腕关节连杆15转动,从而带动腕关节进行外展内收运动;所述手部连杆17通过第七驱动机构16与腕关节连杆15相连,所述第七驱动机构16用于驱动手部连杆17左右摆动,从而带动腕关节屈曲伸展运动;所述握把20固定在手部连杆17末端,用于人手腕握持。
进一步的,所述握把20上还设有六维力传感器19,用于准确检测人手力和力矩的大小,从而感知人手的运动意图,从而根据人手的意图来控制外骨骼进行运动,辅助患者进行主动康复训练。
进一步的,所述第一半圆形导轨8内侧也设有六维力传感器8-5。
进一步的,所述第一驱动机构2、第二驱动机构4、第四驱动机构9、第六驱动机构14、第七驱动机构16结构相同,均包括带编码器的驱动电机和谐波减速器和连接轴。以第一驱动机构2为例,所述第一驱动机构2的驱动电机和谐波减速器固定在肩关节基座1内;所述谐波减速器通过连接轴和肩关节连杆3相连。
所述第三驱动机构7包括带编码器的驱动电机、齿轮8-3和谐波减速器;所述第一半圆形导轨8包括上级固定导轨8-1、下级转动导轨8-2;所述上级固定导轨8-1与大臂连杆5下端固定;所述下级转动导轨8-2可沿上级固定导轨8-1转动;所述下级转动导轨8-2上设有与主动齿轮8-3啮合的被动齿8-4;所述旋转电机和谐波减速器通过法兰盘与下级转动导轨8-2相连;旋转电机通过减速器与齿轮8-3相连,齿轮8-3与被动齿8-4啮合;旋转电机旋转带动主动齿轮8-3旋转,主动齿轮8-3旋转带动被动齿8-4旋转,从而带动下级转动导轨8-2旋转。
进一步的,所述大臂连杆5沿竖直方向设有滑动槽6,所述上级固定导轨8-1通过紧固件与大臂连杆5的滑动槽6固定,通过滑动槽6可调节大臂长度。
所述第五驱动机构12包括带编码器的驱动电机、齿轮13-3和谐波减速器;所述第二半圆形导轨13包括上级固定导轨13-1、下级转动导轨13-2;所述上级固定导轨13-1与小臂连杆10下端固定;所述下级转动导轨13-2可沿上级固定导轨13-1转动;所述下级转动导轨13-2上设有与主动齿轮13-3啮合的被动齿13-4;所述驱动电机和谐波减速器通过法兰盘与上级固定导轨13-1相连,驱动电机通过谐波减速器与齿轮13-3相连,齿轮13-2与被动齿13-4啮合;所述旋转电机旋转带动主动齿轮13-3旋转,主动齿轮13-3旋转带动被动齿13-4旋转,从而带动下级转动导轨13-2旋转。
进一步的,所述小臂连杆10沿水平方向设有滑动槽11,所述上级固定导轨13-1通过紧固件与小臂连杆10的滑动槽11固定,通过滑动槽11可调节小臂长度。
进一步的,所述手部连杆17沿水平方向设有滑动槽18,所述握把20通过紧固件与手部连杆17的滑动槽18固定,通过滑动槽18可调节手掌长度。
结合图4、图5,本发明的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人可用于移动式坐姿康复训练,作为移动式坐姿康复训练系统,包括轮椅底盘21、座椅架22、座椅垫23、背部连接板24、左上肢外骨骼25和右上肢外骨骼26;
所述座椅架22通过螺钉与轮椅底盘21上端连接;所述座椅垫23通过螺钉与轮椅底盘上端连接;所述背部连接板24通过螺孔与座椅架22连接;所述左上肢外骨骼27与右上肢外骨骼28通过紧固件与背部连接板24相连。
进一步的,座椅架22沿高度方向上设有8个安装孔,用于调节背部连接板24的高度。
进一步的,背部连接板24两端设有滑动槽,通过左滑动槽25和右滑动槽26可调节左上肢外骨骼27与右上肢外骨骼28之间的距离。
结合图6,本发明的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人还可用于固定式站姿康复训练,作为固定式站姿康复训练系统,包括固定安装架29、背部连接板24、左上肢外骨骼25和右上肢外骨骼26;
所述背部连接板24通过螺孔与固定安装架29连接;所述左上肢外骨骼27与右上肢外骨骼28通过紧固件与背部连接板24相连。
结合图7、图8,本发明的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人还可用于左右手互换训练,作为左右手互换训练系统,包括右上肢外骨骼28或转换左上肢外骨骼30。
所述转换左上肢外骨骼30是右上肢外骨骼28经过关节简单翻转后所得到的构型。通过单个上肢外骨骼康复机器人可实现左右手互换训练。
本发明的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其使用方法如下;
(1)训练模式:本七自由度外骨骼式双臂康复训练机器人支持多种模式的训练方法,可以分为被动康复训练、主动康复训练和抗阻康复训练模式。
所述被动康复训练模式可以分为单关节重复训练模式、自主镜像训练模式和示教训练模式。单关节重复训练模式为外骨骼带动患者上肢进行某一关节的重复性运动;如果患者只有一只上肢偏瘫,可以让患者的健侧上肢穿戴的外骨骼作为主外骨骼,患侧上肢穿戴的外骨骼作为从外骨骼,健侧运动时带动主外骨骼运动,其关节运动轨迹作为从外骨骼对应关节的跟踪轨迹,使从外骨骼跟随主外骨骼运动,实现健侧上肢带动患侧上肢运动,达到一种自主式镜像训练的效果,从而提高被动康复训练的效果;示教训练模式是为了给患者的康复训练提供一种更加标准的动作,即让康复训练师或健康人穿戴外骨骼进行标准的日常生活活动动作的演示,外骨骼各个关节电机的编码器会记录下该示教动作中各个关节的角度随时间变化的数据,对数据进行处理后生成关节空间轨迹,该轨迹可以作为患者穿戴外骨骼时的训练动作,这样的标准示教动作更有利于患者各个关节的充分训练,提高康复训练效果。
所述主动康复训练模式为主动辅助康复训练,即外骨骼通过大臂六维力传感器和腕部六维力传感器来检测患者与外骨骼之间的人机交互力,从而识别患者的运动意图,根据运动意图来辅助患者完成康复动作,这对于神经中枢的重塑作用具有重要意义。
所述抗阻康复训练模式为渐进式抗阻康复训练,即根据患者的运动意图,给患者上肢提供一个反向抗阻力,力的大小根据手臂位置变化,以加快肌肉和神经康复并增强关节运动协调性,增强上肢力量。
(2)患者穿戴:康复训练前,患者先坐在改装轮椅上或者站立,通过魔术绑带将患者大臂绑在第一半圆形导轨8上,通过滑动槽6来调节外骨骼大臂长度,再通过魔术绑带将患者小臂绑在第二半圆形导轨13上,再通过调节滑动槽11来调节外骨骼小臂长度,最后患者手握橡胶握把20,调节手部连杆滑动槽18来调节外骨骼手部长度,使患者抓握更加舒适;对于另外一只手臂也偏瘫的患者,通过滑动槽调节双臂外骨骼间的距离,使人体与外骨骼的肩关节轴心对准,双臂外骨骼间的距离符合人体肩宽,最后采用同样的方式穿戴完毕即可。也可以采用左右手互换的单臂外骨骼进行轮流穿戴训练。
(3)患者训练:对于康复训练初期的患者,即软瘫期患者,先进行被动康复训练,根据患者不同的情况从上述被动康复训练方式中选取合适的训练方法;对于痉挛期的患者,上肢活动能力有所恢复,可以进行主动辅助康复训练,使外骨骼根据人体意图辅助患者完成康复动作;对于恢复期的患者,上肢的活动能力恢复较大,可以采取渐进式抗阻康复训练,以便进一步增强患者的康复程度,增强患者上肢力量。
患者可以根据自身身体状况选择坐姿康复训练和站姿康复训练,其中站姿康复训练的工作空间更大,可以完成更加复杂的康复训练动作。对于想要降低使用成本的患者,也可以采用可左右手互换的单臂外骨骼进行训练,在进行被动康复训练时,只能使用单关节重复训练模式和示教训练模式。

Claims (10)

1.一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,包括肩关节基座、第一驱动机构、肩关节连杆、第二驱动机构、大臂连杆、第三驱动机构、第一半圆形导轨、第四驱动机构、小臂连杆、第五驱动机构、第二半圆形导轨、第六驱动机构、腕关节连杆、第七驱动机构、手部连杆、握把;
所述肩关节基座包括相连接的水平杆、斜杆;所述斜杆与水平杆之间设有夹角,且斜杆向下倾斜;所述肩关节连杆一端通过第一驱动机构与斜杆下端相连;所述第一驱动机构用于驱动肩关节连杆绕斜杆进行外展和内收的运动;所述大臂连杆上端通过第二驱动机构与肩关节连杆另一端相连,所述第二驱动机构用于驱动大臂连杆绕肩关节连杆摆动,从而带动肩关节进行屈曲伸展运动;所述第一半圆形导轨通过第三驱动机构与大臂连杆下端相连;所述第三驱动机构用于驱动第一半圆形导轨转动,从而带动大臂进行内旋和外旋运动;所述小臂连杆后端通过第四驱动机构连接在第一半圆形导轨下端;所述第四驱动机构用于驱动小臂连杆上下摆动,从而带动肘关节进行屈曲伸展运行;所述第二半圆形导轨通过第五驱动机构与小臂连杆前端相连;所述第五驱动机构用于驱动第二半圆形导轨转动,从而带动小臂进行内旋和外旋运动;所述腕关节连杆通过第六驱动机构连接在第二半圆形导轨下端,所述第六驱动机构用于驱动腕关节连杆转动,从而带动腕关节进行外展内收运动;所述手部连杆通过第七驱动机构与腕关节连杆相连,所述第七驱动机构用于驱动手部连杆左右摆动,从而带动腕关节屈曲伸展运动;所述握把固定在手部连杆末端,用于人手腕握持。
2.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,所述握把上还设有六维力传感器,用于检测人手力和力矩的大小。
3.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,所述第一半圆形导轨内侧也设有六维力传感器。
4.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,所述第三驱动机构包括带编码器的驱动电机、齿轮和谐波减速器;所述第一半圆形导轨包括上级固定导轨、下级转动导轨;所述上级固定导轨与大臂连杆下端固定;所述下级转动导轨可沿上级固定导轨转动;所述下级转动导轨上设有被动齿;所述旋转电机和谐波减速器下级转动导轨相连;旋转电机通过减速器与齿轮相连,齿轮与被动齿啮合。
5.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,所述大臂连杆沿竖直方向设有滑动槽,所述上级固定导轨通过紧固件与大臂连杆的滑动槽固定。
6.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,所述第五驱动机构包括带编码器的驱动电机、齿轮和谐波减速器;所述第二半圆形导轨包括上级固定导轨、下级转动导轨;所述上级固定导轨与小臂连杆下端固定;所述下级转动导轨可沿上级固定导轨转动;所述下级转动导轨上设有与主动齿轮啮合的被动齿;所述驱动电机和谐波减速器通过法兰盘与上级固定导轨相连,驱动电机通过谐波减速器与齿轮相连,齿轮与被动齿啮合。
7.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,所述小臂连杆沿水平方向设有滑动槽,所述上级固定导轨通过紧固件与小臂连杆的滑动槽固定。
8.根据权利要求1所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,所述手部连杆沿水平方向设有滑动槽,所述握把通过紧固件与手部连杆的滑动槽固定。
9.根据权利要求1-9任一项所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,可用于移动式坐姿康复训练;作为移动式坐姿康复训练系统,包括轮椅底盘、座椅架、背部连接板;所述座椅架与轮椅底盘上端连接;所述背部连接板与座椅架连接;所述背部连接板左右两侧对称的设有上肢外骨骼康复机器人;
所述外骨骼康复机器人还可用于固定式站姿康复训练;作为固定式站姿康复训练系统,固定安装架、背部连接板;所述背部连接板与固定安装架连接;所述背部连接板左右两侧对称的设有上肢外骨骼康复机器人;
所述外骨骼康复机器人还可用于左右手互换训练,作为左右手互换训练系统,将外骨骼康复机器人翻转后得到另一只手的上肢外骨骼,实现左右手互换训练。
10.根据权利要求1-9任一项所述的可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人,其特征在于,支持被动康复训练、主动康复训练和抗阻康复训练模式:
所述被动康复训练模式可以分为单关节重复训练模式、自主镜像训练模式和示教训练模式;单关节重复训练模式:单关节重复训练模式为外骨骼带动患者上肢进行某一关节的重复性运动;自主镜像训练模式:患者的健侧上肢穿戴的外骨骼作为主外骨骼,患侧上肢穿戴的外骨骼作为从外骨骼,健侧运动时带动主外骨骼运动,健侧关节运动轨迹作为从外骨骼对应关节的跟踪轨迹,使从外骨骼跟随主外骨骼运动,实现健侧上肢带动患侧上肢运动;示教训练模式:让康复训练师或健康人穿戴外骨骼进行标准的日常生活活动动作的演示,外骨骼各个关节电机的编码器记录下该示教动作中各个关节的角度随时间变化的数据,生成关节空间轨迹,该轨迹可以作为患者穿戴外骨骼时的训练动作;
所述主动康复训练模式:外骨骼通过大臂六维力传感器和腕部六维力传感器来检测患者与外骨骼之间的人机交互力,从而识别患者的运动意图,根据运动意图来辅助患者完成康复动作;
所述抗阻康复训练模式:根据患者的运动意图,给患者上肢提供一个反向抗阻力。
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