一种模块化康复机器人及康复机器人系统的制作

本发明涉及康复机器人技术，特别是一种可以灵活组合出不同方案，从而适应不同康复部位和康复方法的模块化康复机器人及康复机器人系统。背景技术：1、康复机器人是机器人技术与医疗研究结果结合的先进医疗设备，能够帮助脑卒中、脑损伤、脊柱损伤、骨科疾病或者手术、神经损伤、肌肉损伤、运动损伤等原因造成的身体运动功能障碍恢复，在康复医师和康复训练师的指导下，帮助用户通过强制运动、镜像运动等方法对大脑进行重塑，恢复大脑对身体上肢和下肢的控制，提高或者恢复用户的日常生活能力和工作能力。2、康复机器人按照功能康复方式分类，可以分为功能替代型、 功能辅助型、功能恢复型、以及功能恢复与辅助复合型等4 种类别（按照《上海康复机器人路线图研究报告》的分类），本专利关于功能恢复型康复机器人；根据自由度数量分类，可以分为单关节康复机器人，如肩、肘、腕膝、踝等关节康复机器人（例如专利cn213130626u和cn305822308s），2关节康复机器人（例如专利cn 206063380 u）及多关节康复机器人（例如专利cn 101972196 b和专利cn 104800043 b）；根据和用户的固定方式可以分为穿戴式和非穿戴式（末端固定式）。3、康复机器人是融合了传感、控制、信息软件、机械、电气、医学知识等交叉学科综合技术产品。4、康复机器人一般可以提供主动和被动训练模式，主动模式包括主动助力训练，抗阻训练等等。5、在康复早期，用户通常失去运动操作能力（也称为零肌力状态或者低肌张力状态），此时康复机器人可以执行特定的运动轨迹，带动用户的肢体运动，去激发用户大脑活动，促进偏瘫侧肢体肌张力的恢复和主动活动的出现，这种模式称为被动训练。6、在康复中期，用户肢体带动机器人进行运动训练，机器人系统能够感知用户期望运动，并提供一定的助力运动，为用户主动参与运动提供支持，这种模式成为主动助力训练；7、在康复后期，在肢体带动机器人运动的过程中，康复机器人能够产生阻尼或者弹力，这种肢体抵抗此外力而进行的恢复和锻炼肌力为目的的训练称为抗阻训练。8、当前康复机器人或者康复产品都是以单产品多功能为特点，即一个产品通过设计尽量多的功能来覆盖不同部位的康复，这种设计有效提高了康复器材的多功能性，但是对于产品价格降低没有影响，反而提高了单个产品的价格，提高了购买门槛，不利于康复产品家庭普及。技术实现思路1、为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种模块化的康复机器人及康复机器人系统，能够灵活调整安装位置和姿态，可灵活组合出不同康复方案，从而实现用户不同部位的康复运动。本发明提供一种模块化康复机器人，包括机器人本体模块、基座固定模块、用户固定模块、电源模块，机器人本体模块包括机器人本体、关节模块、控制系统、电源模块，机器人本体上设有快速接口，关节模块包括一个或者多个电机、电机码盘、减速机，用于输出转动控制信号；基座固定模块包括环境的连接部分和与本体模块的连接部分，本体模块的连接部分与快速接口连接，环境的连接部分提供用于与环境连接的接口；用户固定模块包括连接法兰、快换机构，连接法兰与关节模块的输出端连接，快换机构用于提供与用户连接的接口，用户固定模块用于将关节模块输出的转动控制信号转换为输出力；电源模块包括电源系统或蓄电池，用于为模块化康复机器人提供电力。本发明的模块化康复机器人体型灵巧，易于便携，尤其适合家庭应用场景。2、进一步的，机器人本体为四边形和/或三角形组成的多面体形状，多面体的至少一个面上设有快速接口，用于与基座固定装置可拆卸连接，关节模块的输出端穿过多面体的至少一个面或者顶点与连接法兰连接。通过将机器人本体的形状设计成多面体，以及通过多面体的面或定点作为与用户固定模块的连接端，可使模块化康复机器人灵活变形，具有多种安装模式，例如既可以安装在桌面上，也可以固定在墙面上，并且具备多个角度的安装方式，包括但不限于0度、45度、90度等等，从而适应更多的康复动作。3、进一步的，机器人本体为正四面体，立方体，正八面体，正十二面体中的任一种形状。4、进一步的，基座固定模块为负压吸盘固定装置或者电磁吸盘固定装置，具备快速固定和解除功能，将基座固定模块牢牢与环境固定在一起。5、进一步的，基座固定模块为负压吸盘固定装置，环境的连接部分包括吸盘、吸盘安装座，本体模块的连接部分上设有楔形槽，快速接口可拆卸地容纳在楔形槽内。同样的，通过快速接口可拆卸连接，可以快速改变模块康复机器人的安装方式。6、进一步的，用户固定模块还包括转动连杆，快换机构包括快换座和末端组件，连接法兰、转动连杆、快换座、末端组件依次连接。快换机构可适应固定不同部位康复的形状设计，并实现根据不同部位康复的需求快速更换末端组件。例如，末端组件可以是手柄，用于人手握持；可以是臂托，用于托起人胳膊的小臂或者小腿。7、模块化康复机器人的机器人本体模块可以输出转动力矩或者转动速度或者转动位置，通过用户固定模块的转动连杆和快换机构转换为输出力，最终作用到用户，根据用户不同康复阶段的需求提供助力或者阻力，或者弹力，结合不同的安装方式，从而实现从康复早期、中期、后期的全阶段康复训练支持。8、进一步的，模块化康复机器人，还包括云端服务器，控制系统与云端服务器通信连接，用于数据的传送，因此康复数据可以与医生、用户、用户家属共享，同时训练康复数据被打包成为有价值的文件。9、进一步的，控制系统包括计算模块、驱动电机模块，计算模块，包括计算机，用于接收信号并结合预设参数进行计算，确定关节模块的运动范围，并输出至驱动电机模块；驱动电机模块，用于驱动关节模块运动，并用于根据关节模块的运动范围，在运动范围边界处输出反向运动控制信号控制关节模块，以通过用户固定模块输出反向驱动力，实现控制用户固定模块在运动范围内运动。也就是说，关节模块能够实现关节虚拟墙功能，即能够根据示教结果确定运动范围，在范围边界处将会给用户提供更大的反向驱动力从而避免操作超出边界，实现对不同部位的往复训练效果。优选的，关节模块还包括力矩传感器。虚拟墙通过调整刚度系数k来调整墙的硬度，虚拟墙的反馈力/力矩计算公式如下：10、  （1）11、其中，是虚拟墙反馈的作用力/力矩，为虚拟墙的刚度系数，和分别为虚拟墙的两个边界角度值，为当前的角度值。12、进一步的，控制系统包括安全模块，机器人本体和/或基座固定模块安装有姿态和/或加速度传感器，当基座固定模块固定失效时，控制系统可接收传感器信号，并将关节模块的控制模式切换至阻尼模式，，从而避免过大的力输出给操作者，避免二次伤害。13、进一步的，机器人本体模块包含痉挛检测功能。具体的，关节模块的电机上安装有电流传感器和/或力矩传感器，安全模块根据电流传感器检测到的电机电流变化或者力矩传感器的数据检测模块化康复机器人接收和发送的力交互数据，当力交互数据异常时，驱动电机模块将关节模块的控制模式切换至纯阻尼模式，避免电机主动输出过大力量，造成二次伤害。14、进一步的，控制系统还包括输入模块、显示模块，输入模块用于接收用户的命令，并将用户的命令传送至计算模块或显示模块；计算模块根据接收的用户的命令，以及接收的传感器信号，并结合预设参数进行计算，并将输出信号传送至驱动电机模块或显示模块；显示模块，用于显示输入模块接收的用户的命令或计算模块的输出信号。15、本发明还提供一种康复机器人系统，包括至少两个上述的模块化康复机器人。16、进一步的，模块化康复机器人的用户固定模块可直接或通过机械传动装置连接至其它模块化康复机器人，使康复机器人系统具有多个自由度。即，模块化康复机器人可以与另一个模块化康复机器人或者其他固定装置组合成不同功能的康复系统，用于用户不同部位以及不同关节运动范围的康复，例如上肢的肩部、肘部、腕部以及下肢的膝关节、踝关节等部位。当需要将模块化康复机器人与其它模块化康复机器人或者其他固定装置组合成不同功能的康复系统时，机器人本体模块可以通过基座固定模块与其它的模块化康复机器人或者固定装置实现快速固定和解除，方便快速更换康复配置。17、本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优点：18、1.本发明模块化康复机器人，不同于当前绝大多数产品都是以多功能为特点，即一个产品通过设计尽量多的功能来覆盖不同部位的康复，本发明采用模块化设计，通过对相同模块的不同组合来实现不同部位的康复，大大提高了产品模块的复用率，通过复用模块降低了用户切换不同功能的操作难度，同时大大降低了生产成本。同时，本发明在具备被动训练模式、主动助力训练模式、抗阻训练模式的情况下，结合创新性的环境固定模块，无需本体重量来保证稳定性，因此体积和重量都明显小于现有技术产生的产品，极大的降低了对环境的占用率；19、2. 本发明具备多种安装模式，既可以安装在桌面上，也可以固定在墙面上，并且具备多个角度的安装方式，包括但不限于0度、45度、90度等等，以实现不同康复运动的需求；20、3. 本发明的模块化设计，使得本发明的康复机器人可以组合使用，因此具备对双侧上肢或者下肢的同时康复，有助于实现镜像康复模式，提高康复效率和效果。21、4. 本发明可实现与多种虚拟游戏，例如划船游戏，攀岩游戏等等的应用接口，并且能够结合元宇宙游戏，实现一边康复健身一边虚拟旅行的效果，增加了本产品的趣味性，从而能够提高用户康复积极性以及一定的用户粘性。