CN100998536A - 三自由度康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度康复训练机器人，包括平行四边形机构，该机构由头尾连接的2根长杆(13、16)及2根短杆(14、17)组成，在其中1根长杆(13)的一端连接有延长杆且该延长杆连于垂直运动机构的垂直运动输出端，在与连接有延长杆的长杆(13)另一端相连的短杆(14)上连接有康复训练术端(18)，与连接有延长杆的长杆(13)一端相连的短杆(17)的另一端连于水平运动机构的水平运动输出端，上述垂直运动机构及水平运动机构设在转盘(2)上，该转盘(2)连于转动机构的转动输出端，本发明有主边和从边两部分，因此可以实现有医护人员参与的康复训练方案，也可以实现由机器人自主完成的康复训练方案。

Description

三自由度康复训练机器人

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功能障碍患者的康复训练器械，尤其涉及一种三自由度康复训练机器人。

背景技术

康复医学是四大医学学科之一，随着康复医学工程的发展，患者的完全康复越来越受重视，运动康复训练是目前应用最广泛的康复医疗项目，康复医学临床研究表明，中风患者进行患侧肢体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，人人享有康复服务也因此成为我国“十一五”规划的一个重要目标。

这个领域的一个重要特点是康复训练的方法对康复训练的效果影响很大，而康复训练的方法又依赖于康复训练所采用的器械，因此，智能机器人技术在康复医疗机器人技术成为康复医学工程中极为重要的技术之一，另一方面，作为医学和工程技术结晶的康复医疗机器人技术也成为当前机器人领域研究的前沿和热点。

康复训练通常需要有四种训练模式或过程，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。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机可以实现被动模式，即机械臂带动人手关节进行往复的运动，少量的CPM机可以实现主动训练模式，但总的来说，CPM机结构过于简陋，功能单一，不能进行多种模式的康复训练，也远远不能满足康复医学临床的要求；现在有较多研究的康复训练机器人还处于探索阶段，大多数都考虑了多种康复训练模式，但结构多以工业机器人的串联关节为蓝本，没有很好地考虑康复训练过程的特点。首先，病人的康复训练首先是在专业医生的指导和参与下完成的，多数情形下是从专业医生手把手地指导下开始的，而后由病人的健康上肢或其家属、护士人工对病肢反复牵引运动，这一过程漫长而且劳动强度很大，其二，此过程的一个重要特点医生在指导病人训练时要靠“感觉”获知病人的“反馈”以对训练方法做出评估，因此人式方式的被动康复训练难以针对病人的训练方法作定量的、精确的评估，也不能针对病人的个体差异制定有针对性的康复训练方案；其三，由上这两点可知，被动训练模式下应当有医生的参与指导，而不仅仅是机器人按一定的路径对病人的肢体作牵引，而目前的康复训练机器人是单边的结构，无法体现这一特点；其四，工业机器人的串联结构具有很好的灵活性，但应用于康复训练就显得比较笨重，控制复杂，成本也较高，只能实现四种模式中的部分模式或功能，最后，基于工业机器人的串联或部分关节串联的结构，其逆向运动存在多解性，因此从原理上，这种结构不适合于病人的主动训练模式。综上所述，目前的康复训练器械存在多种欠缺，有必要研究新的多功能综合康复器械来满足康复训练的要求。

发明内容

本发明针对康复训练的特点，提供一种可用于上肢康复训练的三自由度康复训练机器人，它可以实现空间任意轨迹的运动，并且具有结构简单，成本低廉，功能齐全，适应性强的特点。

本发明采用如下技术方案：

一种用于肢体康复训练的三自由度康复训练机器人，包括平行四边形机构，该平行四边形机构由头尾连接的2根长杆及2根短杆组成，在其中1根长杆的一端连接有延长杆且该延长杆连于垂直运动机构的垂直运动输出端，在与连接有延长杆的长杆另一端相连的短杆上连接有康复训练末端，与连接有延长杆的长杆一端相连的短杆的另一端连于水平运动机构的水平运动输出端，上述垂直运动机构及水平运动机构设在转盘上，该转盘连于转动机构的转动输出端。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明有主边和从边两部分，因此可以实现有医护人员参与的康复训练方案，也可以实现由机器人自主完成的康复训练方案；

2、主从边的采用机械耦合的方式，仅由滑块、小连杆及滑块实现，使两边的运动相似，比之于电气联接更易于实现并且造价低廉，具有结构简单，操作方便、直观特点；

3、由于结构和运动都完全对称，可以保证处于主边的医护人员能准确、直接地体会患者感觉。便于医生直接指导或参与病人的康复训练，采用计算机记录医生的动作后，可以完全复现医生指导下的训练方案，可根据患者特点制定有针对性的康复训练方案，并在三维空间内实现自动的被动康复训练模式，大大减轻医护人员的劳动强度；

4、本发明的垂直方向运动与水平方向运动分别由滑块控制，两个自由度互不影响，因此是运动解耦的，便于控制；

5、本发明避免了质量较大的动力源器件(如电机、减速器、气缸等)作三维的空间运动，也因此大大降低了对各连杆的强度要求，这就使整个机构的机械惯性很小，有很好的动力学特性；

6、本发明的连杆机构，其末端的运动速度(水平、垂直)数倍于(水平运动、垂直运动)滑块的速度，倍数由长连杆和短连杆的长度比决定，这个数值一定大于1，因此是一个增速的机构，便于用行程较小的直线运动器件实现末端较大的工作空间，减小了体积和成本，同时，在主动训练模式下(逆向运动时)，又是一个省力的机构，适合于病人康复初期体能较差的特征，逆向运动即人工操作时也能轻松自如；

7、本发明采用分层的塔式结构，每一层都是一块结构简单的平板，各层由距离套分隔定位，避免了复杂的箱体加工，有十分优越的工艺性。

8、发明的机器人不仅可以采用上述电机+减速器+离合器螺旋副的驱动模式，还可以采用气缸或液压缸、轮+柔索等多种方法实现滑块的直线运动，且不需改变机器人的主体结构，因此对动力源有很好的适应性。

9、采用本发明的一个单边，也可以构成一个更简单经济的康复臂，适合于远程康复但它的被动康复训练模式只能是程控的，其它特点如上所述。

综上，本发明的康复训练机器人的机构具有结构简单、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是根据本发明由电机驱动的单边结构的三自由度多功能康复训练机器人结构示意图。

图2是根据本发明的双边结构的三自由多功能康复训练机器人结构示意图。

图3是根据本发明由电机驱动的双边结构的三自由多功能康复训练机器人结构示意图。

图4是根据本发明由气缸驱动的双边结构的三自由多功能康复训练机器人结构示意图。

具体实施方式

参照图1，一种用于肢体康复训练的三自由度康复训练机器人，包括平行四边形机构，该平行四边形机构由头尾连接的2根长杆13、16及2根短杆14、17组成，在其中1根长杆13的一端连接有延长杆且该延长杆连于垂直运动机构的垂直运动输出端，在与连接有延长杆的长杆13另一端相连的短杆17上连接有康复训练末端18，与连接有延长杆的长杆13一端相连的短杆17的另一端连于水平运动机构的水平运动输出端，上述垂直运动机构及水平运动机构设在转盘2上，该转盘2连于转动机构的转动输出端。

上述垂直运动机构由导柱15和垂直滑块21组成，垂直滑块21设在导柱15上且与导柱15滑动连接，导柱15设在转盘2上，在导柱15上设有电机23，在电机23的输出轴上连接有滚珠丝杆25，在垂直滑块21设有螺孔，丝杆25与螺孔相啮合。

上述水平运动机构由导轨19和水平滑块20组成，水平滑块20设在导轨19上且与导轨19滑动连接，在水平滑块20上设有连杆22且水平滑块20与连杆22的一端连接，在转盘2上设有电机27，在电机27的输出轴上连接有滚珠丝杠4，在滚珠丝杠4上啮合有螺母3，该螺母3与上述连杆22的另一端连接。

在上述转盘2的下方设有底座1，在底座1上设有电机28，电机28的输出轴与转盘2连接。

上述机构可以作为康复训练机器人的从边，用同样的机构可以形成康复训练机器人的主边，并通过滑块、连杆相联，保证机构运动的对称。

以下是形成康复训练机器人主边的机构，即：

参照图2，在垂直滑块21上连接有另一平行四边形机构，该平行四边形机构由头尾连接的2根长杆9、11及2根短杆10、12组成，在其中1根长杆11的一端连接有延长杆且该延长杆与垂直滑块21相连，在与连接有延长杆的长杆11另一端相连的短杆10上连接有工作端6，与连接有延长杆的长杆11一端相连的短杆12的另一端连于另一水平运动机构的水平运动输出端。该另一水平运动机构由导轨7和滑块8组成，滑块8设在导轨7上且滑块8与导轨7滑动连接，在该滑块8与上述螺母3之间设有连杆5且连杆5的两端分别与滑块8及螺母3连接。

随着垂直滑块21的上下垂直运动，搭在康复训练末端18上的康复病人的待康复肢体也随之上下运动。随着水平滑块20的左右水平运动，搭在康复训练末端18上的康复病人的待康复肢体也随之在水平面内作直线运动。

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。

参照图3，由电机驱动的双边结构三自由度多功能康复训练机器人：由电机驱动的双边结构三自由度多功能康复训练机器人主要由连杆机构和转动机构组成，主边的连杆机构主要由长连杆9、11、短连杆10、12组成，主边工作末端手柄6固定在短连杆10延长线，供医护人员操作。从边连杆由长连杆13、16、短连杆14、17组成，从边工作末端18固定安装在短连杆14延长线，这个末端可以是各种各样的患者肢体固定装置，供康复训练者使用。长连杆11、13延长后，与沿导轨15作垂直运动的滑块21联接，使主从边的垂直运动完全相同，滑块21上装有大导程的滚珠丝杆的螺母，由于导轨15的约束作用，螺母不能转动，25是滚珠丝杆的螺杆，与螺母作啮合运动，实现从旋转到直线的运动变换。电机23通过离合器24与螺杆联接，当离合器24接合时，电机驱动螺杆25带动滑块21作垂直运动。主边长连杆9与短连杆12、从边长连杆16与短连杆17都通过销轴联接，销轴上安装各自的水平运动滑块8和20，滑块8沿导轨7作水平运动，滑块20沿导轨19作水平运动，这两个滑块又分别与小连杆5、22的一端联接，两个小连杆的另一端与装有螺母的滑块3联接，并约束滑块3的转动，电机27通过离合器26与滚珠丝杆副的螺杆4联接，当离合器26接合时，电机驱动螺杆4带动滑块3作垂直运动，并由小连杆5、22驱动滑块8、20作水平运动。上述机构全部安装在转盘2上，转盘2上装有滚动轴承，由安装于底座1上电机28驱动。当离合器24、26脱开时，机构作逆向运动，此时，医护人员操作手柄6通过滑块21带动从边连杆机构末端18作垂直运动，通过滑块8带动小连杆5从而驱动滑块3运动，滑块3又通过小连杆22推动滑块20实现从边连杆机构末端18的水平运动，电机28失电时，整个机构又可以绕垂直轴自由转动。由于逆向运动时，连杆机构是一个省力的机构，因此可以克服滚珠丝杆副的轻微阻力，同时由于滑块21的平衡作用使逆向运动轻松自如。

通过离合器对动力源进行切换，在本发明的康复训练机器人上可以实现多种模式多种功能康复训练方案。具体如下。

1)被动训练模式

功能1：医护人员人工康复训练或示教功能。医护人员人工操作手柄6作三维空间运动，可带动从边连杆的末端18作轨迹对称的运动，18是保护患者上肢的托架，供患者使用，从而完成医护人员指导下的康复训练，此过程离合器24、26脱开，电机28失电，滑块21兼作平衡配重，用以平衡患者上肢和机构本身的重量，可以减轻医护人员的强度。

功能2：自动的被动康复训练。如果用计算机记录功能1的运动规律，再控制电机复现医护人员的运动规律，完成自动的被动康复训练功能。

2)助力训练模式

在助力训练模式中，从端18装有力传感器，使离合器24、26接合，控制电机23、27、28的输出力矩的大小和方向，使从端力传感器的读数保持恒定，显然，当操作患者能完成连续动作时，三个电机的输出很小或为零，患者是机构的动力源；当患者在某一位置发生运动障碍不能动作，这时力传感器的读数将要变小或为零，电机将按一定输出方式工作，帮助患者完成连续运动。此模式适合于患者已经初步恢复运动知觉，要进行连续运动功能训练情形。

3)主动训练模式：患者直接操作末端18的手把作三维空间运动，此过程离合器要脱开，电机23、27、28失电，滑块7兼作平衡配重，用以平衡患者的肢体重量，从操作者的角度看这个机构是一个省力的机构，再采取一定减摩措施，可以减轻对患者肢体体能的要求，此模式适合于患者已经具有连续的运动知觉，但还不够流畅情形下的康复训练。

4)阻尼训练模式

功能1：离合器脱开，在主边安装有一定重量的物体，则患者操作机器人可以完成类似举哑铃的运动。如果安装复杂的阻尼器，则根据所产生的阻尼不同可完成各种有针对性的训练。

功能2：离合器闭合，电机模拟阻尼功能：控制电机使之输出与患者运动相反的力和不大一定阈值的速度，则可以在任意空间模拟任意的空间力，更好地训练患者的肢体体能和神经反应。

功能3：人工的阻尼训练模式，由医护人员或患者家属操作主边，人工为患者施加运动阻尼。

功能4：动力源采用限矩离合器、带自锁功能的电机和减速器，控制限矩离合器的打滑扭矩，当患者输出一定的力时机构才能运动。

此阶段的患者已经具有完整的运动知觉，但肌肉和神经系统还不协调，肌肉运动还不够有力，与采用简单器械(如哑铃)等相比，采用本机器人的优点是可以有针对性地制定康复训练方案并可以对康复训练方案进行实时评价。

参照图4，采用气动元件驱动的双边结构三自由度多功能康复训练机器人图为采用气动元件驱动的双边结构三自由度多功能康复训练机器人，主要由连杆机构和转动机构组成，主边的连杆机构主要由长连杆9、11、短连杆10、12组成，主边工作末端手柄6固定在短连杆10延长线，供医护人员操作。从边连杆由长连杆13、16、短连杆14、17组成，从边工作末端18固定安装在短连杆14延长线，这个末端可以是各种各样的患者肢体固定装置，供康复训练者使用。长连杆11、13延长后，与沿导轨15作垂直运动的滑块21联接，使主从边的垂直运动完全相同，滑块21与气缸231的活塞杆联接，实现垂直方向的往复运动。主边长连杆9与短连杆12、从边长连杆16与短连杆17都通过销轴联接，销轴上安装各自的水平运动滑块8和20，滑块8沿导轨7作水平运动，滑块20沿导轨19作水平运动，这两个滑块又分别与小连杆5、22的一端联接，两个小连杆的另一端与滑块3联接，滑块3与气缸241的活塞杆联接，气缸驱动滑块3作垂直运动，并由小连杆5、22驱动滑块8、20作水平运动。上述机构全部安装在转盘2上，转盘2上装有滚动轴承，由安装于底座1上的气马达25驱动。

通过对气缸和气马达的压力进行控制，可以实现多种模式多种功能康复训练方案。

具体如下。

1)被动训练模式

功能1：医护人员人工康复训练或示教功能。气缸231、241和气马达25卸荷，医护人员人工操作手柄6作三维空间运动，可带动从边连杆的末端18作轨迹对称的运动，18是保护患者上肢的托架，供患者使用，从而完成医护人员指导下的康复训练。滑块21兼作平衡配重，用以平衡患者上肢和机构本身的重量，可以减轻医护人员的强度。

功能2：自动的被动康复训练。如果用计算机记录功能1的运动规律，再控制气缸和气马达的运动则可以复现医护人员的运动规律，完成自动的被动康复训练功能。

2)助力训练模式

在助力训练模式中，从端18装有力传感器，气缸和气马达保持恒定的压力，使从端力传感器的读数保持恒定。由于气动元件的压力与负载有关，当操作患者能完成连续动作时，气缸和气马达的压力很小或为零，患者是机构的动力源；当患者在某一位置发生运动障碍不能动作，这时力传感器的读数将要变化为零，控制气压回路使气缸和气马达压力升高，帮助患者完成连续运动。此模式适合于患者已经初步恢复运动知觉，要进行连续运动功能训练情形。

3)主动训练模式：患者直接操作末端18的手把作三维空间运动，此过程气缸和气马达均卸荷，滑块7兼作平衡配重，用以平衡患者的肢体重量。从操作者的角度看这个机构是一个省力的机构，很小的力可以克服气缸和气马达密封件的摩擦阻尼。此模式适合于患者已经具有连续的运动知觉，但还不够流畅情形下的康复训练。

4)阻尼训练模式

功能1：气缸和气马达卸荷，在主边安装有一定重量的物体，则患者操作机器人可以完成类似举哑铃的运动。如果安装复杂的阻尼器，则根据所产生的阻尼不同可完成各种有针对性的训练。

功能2：气缸和气马达模拟阻尼功能：控制气缸和气马达的压力，使之输出与患者运动相反的力，则可以在任意空间模拟任意的空间力，达到阻尼训练的目的。

功能3：人工的阻尼训练模式，气缸和气马达卸荷，由医护人员或患者家属操作主边，人工为患者施加运动阻尼。

此阶段的患者已经具有完整的运动知觉，但肌肉和神经系统还不协调，肌肉运动还不够有力，与采用简单器械(如哑铃)等相比，采用本机器人的优点是可以有针对性地制定康复训练方案并可以对康复训练方案进行实时评价。

参照图1，电机驱动的单边结构三自由度多功能康复训练机器人：本实施例是一个省去主边的机器人，如图2所示，与电机驱动的双边结构机器人相比，除去实施例1中被动训练模式中的功能1和阻尼训练模式中的功能4不能实现外，其余与实例1完全相同。这种机构占用空间更小，适合于一个远程康复训练和社区康复医疗机构，一位医护人员要照看多名患者的情形。

Claims (8)

1、一种用于肢体康复训练的三自由度康复训练机器人，其特征在于包括平行四边形机构，该平行四边形机构由头尾连接的2根长杆(13、16)及2根短杆(14、17)组成，在其中1根长杆(13)的一端连接有延长杆且该延长杆连于垂直运动机构的垂直运动输出端，在与连接有延长杆的长杆(13)另一端相连的短杆(14)上连接有康复训练末端(18)，与连接有延长杆的长杆(13)一端相连的短杆(17)的另一端连于水平运动机构的水平运动输出端，上述垂直运动机构及水平运动机构设在转盘(2)上，该转盘(2)连于转动机构的转动输出端。

2、根据权利要求1所述的三自由度康复训练机器人，其特征在于垂直运动机构由导杆(15)和垂直滑块(21)组成，垂直滑块(21)设在导柱(15)上且与导柱(15)滑动连接，导柱(15)设在转盘(2)上。

3、根据权利要求2所述的三自由度康复训练机器人，其特征在于在导柱(15)上设有电机(23)，在电机(23)的输出轴上连接有滚珠丝杆(25)，在垂直滑块(21)设有螺孔，丝杆(25)与螺孔相啮合。

4、根据权利要求1、2或3所述的三自由度康复训练机器人，其特征在于水平运动机构由导轨(19)和水平滑块(20)组成，水平滑块(20)设在导轨(19)上且与导轨(19)滑动连接。

5、根据权利要求4所述的三自由度康复训练机器人，其特征在于在水平滑块(20)上设有连杆(22)且水平滑块(20)与连杆(22)的一端连接，在转盘(2)上设有电机(27)，在电机(27)的输出轴上连接有滚珠丝杠(4)，在滚珠丝杠(4)上啮合有螺母(3)，该螺母(3)与上述连杆(22)的另一端连接。

6、根据权利要求5所述的三自由度康复训练机器人，其特征在于在转盘(2)的下方设有底座(1)，在底座(1)上设有电机(28)，电机(28)的输出轴与转盘(2)连接。

7、根据权利要求6所述的三自由度康复训练机器人，其特征在于在垂直滑块(21)上连接有另一平行四边形机构，该平行四边形机构由头尾连接的2根长杆(9、11)及2根短杆(10、12)组成，在其中1根长杆(11)的一端连接有延长杆且该延长杆与垂直滑块(21)相连，在与连接有延长杆的长杆(11)另一端相连的短杆(10)上连接有工作端(6)，与连接有延长杆的长杆(11)一端相连的短杆(12)的另一端连于另一水平运动机构的水平运动输出端。

8、根据权利要求6所述的三自由度康复训练机器人，其特征在于该另一水平运动机构由导轨(7)和滑块(8)组成，滑块(8)设在导轨(7)上且滑块(8)与导轨(7)滑动连接，在该滑块(8)与上述螺母(3)之间设有连杆(5)且连杆(5)的两端分别与滑块(20)及螺母(3)连接。

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