CN100398273C - 康复训练机器人的关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种康复训练机器人的关节机构，包括电机、机架、机械臂和减速装置，电机固定在机架上，减速装置的输入端与电机的转动轴相连，在减速装置与机械臂之间设有一个离合-阻尼器，离合-阻尼器的主动轴与减速装置的输出端相连，从动轴与机械臂相连，在离合-阻尼器的外壳内设有分别与主动轴和从动轴固定连接的主动盘和从动盘，主动盘和从动盘相对安置，主动盘和从动盘的相对表面上分别设有极性相反的电极板，在主动盘和从动盘相邻侧的外壳内壁上分别设有与其上的电极板极性一致的壁内电极板，外壳内腔填满了电流变液。本关节机构具有结构简单、控制准确、多种训练模式易于实现并且切换方便、运行安全可靠的优点。

Description

康复训练机器人的关节机构

技术领域

本发明涉及一种应用于因中风、脊髓损伤和各种事故引起的肢体偏瘫患者的康复训练机器人的关节机构。

背景技术

康复医学工程是随着现代康复医学的发展而诞生的一个新兴研究领域，而康复医疗机器人技术则是康复医学工程中最为重要的技术。康复医疗机器人技术不仅是当前机器人领域研究的前沿和热点，也是康复医学和机器人学相结合的高技术。

现代神经康复医学最重要的研究成果之一就是发现了中枢神经系统具有高度的可塑性，康复医学临床研究表明，对中风患者患侧肢体进行康复训练是十分重要和关键的医疗手段。对于因中风、脊髓损伤和各种事故引起的肢体功能残障的患者来说，及时进行康复训练，尤其是在病损后的前三个月内进行正确的康复训练，大体上就可以有效恢复神经肌肉的功能，大大减轻残疾的程度，提高其生活质量。目前我国肢体残疾者中的大多数属于后天残疾，而其中相当一部分人的残疾则是因为未能得到及时、正确的康复训练而造成的。因此，肢体康复训练机器人的研究将为这些患者带来福音，具有极其重要的社会意义。

现有的康复训练装置主要是各种类型的CPM(Continuous Passive Motion，连续被动运动)机，CPM机主要以被动模式工作，即机械臂带动人手关节进行往复的运动。少量的CPM机可以以主动模式工作，即恢复到一定程度的人手带动机械臂进行往复的运动。最新的研究表明：对因中风、脊髓损伤和各种事故引起的肢体运动功能残障患者的康复训练通常需要有四种训练模式，即被动训练模式、助力训练模式、主动训练模式、阻尼训练模式。而目前的康复训练机器人通常采用的是电机、减速器与机械臂组合的关节结构，通过电机在正向或反向上输出大小方向不同的力矩，实现四种康复训练模式。但是，由于电机是一种有源器件，利用电机直接提供阻尼力，对于康复训练可能会存在一定的安全隐患，因此，需要进行复杂的安全性设计和控制。

发明内容

本发明针对因中风、脊髓损伤和各种事故引起的肢体偏瘫患者的肢体康复训练的需要，设计了一种结构简单、控制准确并且运行安全可靠的康复训练机器人的关节机构。

本发明提供了一种康复训练机器人的关节机构，包括电机、机架、机械臂和减速装置，电机固定在机架上，减速装置的输入端与电机的转动轴相连，其特征在于，在减速装置与机械臂之间设有一个离合-阻尼器，所述离合-阻尼器包括主动轴、从动轴、外壳，离合-阻尼器的主动轴与减速装置的输出端相连，离合-阻尼器的从动轴与机械臂相连，在离合-阻尼器的外壳内设有分别与主动轴和从动轴固定连接的主动盘和从动盘，主动盘和从动盘相对安置并且两者之间存在间隙，主动盘和从动盘的相对表面上分别设有极性相反的电极板，在主动盘相邻侧的外壳内壁上设有与其上的电极板极性一致的壁内电极板，在从动盘相邻侧的外壳内壁上设有与其上的电极板极性一致的壁内电极板，外壳内腔填满了电流变液。另外，减速装置由蜗杆和蜗轮啮合组成，蜗杆与电机的转动轴相连，蜗轮与离合-阻尼器的主动轴相连。

本发明的康复训练机器人的关节机构具有以下优点：

(1)采用基于电流变液的离合-阻尼器，通过电压控制实现阻尼器和离合器功能的切换，从而使本发明具有结构简单的优点。

(2)采用蜗轮蜗杆减速装置，实现了大的减速比并且实现了自锁特性，从而提高了安全性。

(3)对基于电流变液的离合-阻尼器施加高于给定阈值的电压，实现离合器功能，将电机输出力矩平稳地传递给机械臂，从而实现被动训练模式和助力训练模式，特别适用于处于恢复初期的患者。

(4)让电机停止工作，对基于电流变液的离合-阻尼器施加低于给定阈值的电压，利用蜗轮蜗杆的自锁特性，实现阻尼器功能，控制施加电压，实现阻尼的准确控制，从而实现阻尼训练模式，在此训练模式下，患者的上下肢康复运动受到本关节机构的保护，安全性得到极大提高。

(5)让电机停止工作，利用蜗轮蜗杆的自锁特性，对基于电流变液的离合-阻尼器施加零电压，从而实现主动训练模式。

综上，本发明的康复训练机器人的关节机构具有结构简单、控制准确、多种训练模式易于实现并且切换方便、运行安全可靠的优点。

附图说明

图1是本发明的康复训练机器人的关节机构的立体示意图。

图2是根据本发明的基于电流变液的离合-阻尼器的结构示意图。

图3是根据本发明的上肢康复训练机器人的关节机构的立体示意图。

图4是根据本发明的下肢康复训练机器人的关节机构的立体示意图。

具体实施方式

下文结合附图以及具体实施例对本发明的康复训练机器人的关节机构进行详细描述。

康复训练机器人的关节机构包括电机1、机架2、由蜗杆3和蜗轮4组合构成的减速装置、基于电流变液的离合-阻尼器5以及机械臂6。其中，电机1固定在机架2上，电机1的转动轴与蜗杆3相连，蜗轮4的转动轴与离合-阻尼器5的主动轴51联结，离合-阻尼器5的从动轴56与机械臂6联结。电机1的转动带动蜗杆3转动，随着蜗杆3的转动，其上的蜗轮4会产生与蜗杆3转动方向相垂直的转动，蜗杆每转动一圈，蜗轮转动一个齿的角度。

在离合-阻尼器5的外壳521内设有分别与主动轴51和从动轴56固定连接的主动盘54和从动盘58，主动盘54与从动盘58相对安置并且两者之间存在间隙。在主动盘54与从动盘58的相对表面上分别设有阳极板55和阴极板59。在主动盘54相应侧的外壳内壁上设有壁内阳极板53，在从动盘58相应侧的外壳内壁上设有壁内阴极板57。离合-阻尼器5的内部空腔522填满了电流变液。离合-阻尼器5的壁内阳极板53和主动盘54上的阳极板55共同连接在电源的正端，离合-阻尼器5的壁内阴极板57和从动盘上的阴极板59共同连接在电源的负端。

本发明的康复训练机器人的关节机构的工作和控制原理如下：对于基于电流变液的离合-阻尼器5而言，由于壁内阳极板53和主动盘54上的阳极板55共同连接在电源的正端，壁内阴极板57和从动盘58上的阴极板59共同连接在电源的负端，因此当电源电势不为0时，外加电场E主要施加在主动盘54和从动盘58之间，而主动盘和从动盘外部的空腔中电场强度几乎为0。因此只有主动盘54和从动盘58之间的电流变液才受到外在电压E的影响，从而发生电流变作用。随着外在电压E的逐渐增大，主动盘54和从动盘58之间的电流变液变得越来越粘稠，主动盘54和从动盘58之间的相对运动阻尼也逐渐增大；当外在电压E大于某个阈值E_h时，主动盘54和从动盘58之间的电流变液完全固化，主动盘54和从动盘58成为固联。因此，当外在电压处于0电压或E_h以上时，基于电流变液的离合-阻尼器5以离合器方式工作；当外在电压处于0电压和E_h之间时，基于电流变液的离合-阻尼器5以阻尼器方式工作。

设主动盘54和从动盘58的外径都为r，主动盘54和从动盘58之间的间距为h，则主动盘54和从动盘58之间相对运动的剪切应力可以根据以下公式计算：

τ＝τ_c+η·ν(1)

式中，τ_c为屈服应力，η为电流变液的塑性粘度，ν为剪切速率。

设主动盘54和从动盘58的转速差为Δn，则剪切速率为：

$v=\frac{d\left(\mathrm{r\ωx}\right)}{\mathrm{dx}}=\frac{r}{h}\mathrm{\Δn}---\left(2\right)$

那么，由于电流变效应而产生的力矩T为：

$T={{\∫}_0^{r}2\mathrm{\π\τx}}^2\mathrm{dx}=\frac{{2\mathrm{\π\τ}}_c{r}^3}{3}+\frac{{\mathrm{\π\η\Δnr}}^4}{2h}---\left(3\right)$

根据电流变效应的原理，屈服应力τ_c可表达为：

${\mathrm{\τ}}_c=K_c\frac{E^2}{h^2}---\left(4\right)$

K_c为屈服应力电场系数。则从动盘58的输出力矩：

$T=\frac{{2\mathrm{\πK}}_c{E}^2{r}^3}{{3h}^2}+\frac{{\mathrm{\π\η\Δnr}}^4}{2h}---\left(5\right)$

由于康复训练机器人的运动速度很低，所以上式中的第二项可以忽略不计，即

$T=\frac{{2\mathrm{\πK}}_c{E}^2{r}^3}{{3h}^2}---\left(6\right)$

从(6)式中可知，输出力矩T与外加电压E的2次方成正比。因此我们通过控制外加电压E的大小就可以迅速准确地控制阻尼的变化。

在本发明的第一个实施例中，参照图3，根据本发明的上肢康复训练机器人的关节机构的四种工作模式可以通过以下控制实现：

(1)被动训练模式

对基于电流变液的离合-阻尼器5施加高于给定阈值E_h的电压E，则离合-阻尼器5工作在离合器状态，主动轴51和从动轴56相固联，此时，离合器将电机输出力矩平稳地传递给机械臂6，机械臂6带动患者上肢进行被动训练。

(2)助力训练模式

在被动训练模式中，通过检测患者的运动信息(如四肢神经肌肉的肌电信号)，控制电机1的输出力矩的大小和方向，离合器将电机输出力矩平稳地传递给机械臂6，机械臂6则施加和患者企图运动方向一致的力，帮助患者上肢进行康复训练。

(3)主动训练模式

让电机1停止工作，并对基于电流变液的离合-阻尼器5施加0电压，则离合-阻尼器5工作在离合器状态，主动轴51和从动轴56不相联，从动轴56可自由转动。由于蜗轮蜗杆的自锁特性，主动轴51无法自由转动。此时，患者上肢可带动机械臂6进行无阻尼的自由往复的运动。

(4)阻尼训练模式

让电机1停止工作，对基于电流变液的离合-阻尼器5施加0-E_h之间的电压，离合-阻尼器5工作在阻尼器状态。由于蜗轮蜗杆的自锁特性，主动轴51无法自由运动，而从动轴56进行有阻尼的自由转动。此时，患者上肢可带动机械臂6进行有阻尼的往复运动。根据(6)式，通过控制外加电压的大小，就可以准确控制机械臂6的阻尼。

在本发明的第二个实施例中，参照图4，根据本发明的下肢康复训练机器人的关节机构的四种工作模式可以通过以下控制实现：

(1)被动训练模式

对基于电流变液的离合-阻尼器5施加高于给定阈值E_h的电压E，则离合-阻尼器5工作在离合器状态，主动轴51和从动轴56相固联，此时，离合器将电机输出力矩平稳地传递给机械臂6，机械臂6带动患者下肢进行被动训练。

(2)助力训练模式

在被动训练模式中，通过检测患者的运动信息(如四肢神经肌肉的肌电信号)，控制电机1的输出力矩的大小和方向，离合器将电机输出力矩平稳地传递给机械臂6，机械臂6则施加和患者企图运动方向一致的力，帮助患者下肢进行康复训练。

(3)主动训练模式

让电机1停止工作，并对基于电流变液的离合-阻尼器5施加0电压，则离合-阻尼器5工作在离合器状态，主动轴51和从动轴56不相联，从动轴56可自由转动。由于蜗轮蜗杆的自锁特性，主动轴51无法自由转动。此时，患者下肢可带动机械臂6进行无阻尼的自由往复的运动。

(4)阻尼训练模式

让电机1停止工作，对基于电流变液的离合-阻尼器5施加0-E_h之间的电压，离合-阻尼器5工作在阻尼器状态。由于蜗轮蜗杆的自锁特性，主动轴51无法自由运动，而从动轴56进行有阻尼的自由转动。此时，患者下肢可带动机械臂6进行有阻尼的往复运动。根据(6)式，通过控制外加电压的大小，就可以准确控制机械臂6的阻尼。

阅读以上内容之后，不难发现本文中提到的主动盘和从动盘上的阳极板与阴极板的位置可以互换，同时相对应的外壳内壁上的壁内阳极板和壁内阴极板的位置也要进行互换，从而起到与上文描述相同的作用。

Claims (2)

1.一种康复训练机器人的关节机构，包括电机(1)、机架(2)、机械臂(6)和减速装置，电机(1)设在机架(2)上，减速装置的输入端与电机(1)的转动轴相连，其特征在于，在减速装置与机械臂(6)之间设有一个离合-阻尼器(5)，所述离合-阻尼器包括主动轴(51)、从动轴(56)、外壳(521)，离合-阻尼器(5)的主动轴(51)与减速装置的输出端相连，离合-阻尼器(5)的从动轴(56)与机械臂(6)相连，在离合-阻尼器(5)的外壳(521)内设有分别与主动轴(51)和从动轴(56)固定连接的主动盘(54)和从动盘(58)，主动盘(54)和从动盘(58)相对安置并且两者之间存在间隙，主动盘(54)和从动盘(58)的相对表面上分别设有极性相反的电极板(55、59)，在主动盘(54)相邻侧的外壳内壁上设有与其上的电极板极性一致的壁内电极板(53)，在从动盘(58)相邻侧的外壳内壁上设有与其上的电极板极性一致的壁内电极板(57)，外壳内腔(522)填满了电流变液。

2.根据权利要求1所述的康复训练机器人的关节机构，其特征在于，所述减速装置由相互啮合的蜗杆(3)和蜗轮(4)组成，其中蜗杆(3)与电机(1)的转动轴相连，蜗轮(4)与离合-阻尼器(5)的主动轴(51)相连。

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