CN101966116A

CN101966116A - 姿态可调的四自由度康复训练机器人

Info

Publication number: CN101966116A
Application number: CN 201010533277
Authority: CN
Inventors: 宋爱国
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: CN101966116B

Abstract

一种姿态可调的四自由度康复训练机器人，包括升降基座、U形架及运动输出组件，U形架位于升降基座的上方且U形架通过第一转动机构与升降基座转动连接，运动输出组件通过第二转动机构与U形架转动连接，第一转动机构包括设在升降基座上的第一支架、安装在第一支架上的第一蜗轮及第一蜗杆，在第一支架上设第二步进电机，第二步进电机的输出轴与第一蜗杆连接，在连接于第一蜗轮的第一转轴上设有转盘，转盘与U形架连接，第二转动机构包括设在U形架上的相互啮合的第二蜗轮及第二蜗杆、第三步进电机以及与第二蜗轮同轴安装的左旋转轴、右旋转轴，第三步进电机的输出轴与第二蜗杆连接，连接于第二蜗轮的第二转轴与右旋转轴连接。

Description

姿态可调的四自由度康复训练机器人

技术领域

本发明涉及一种可应用于各种情况所导致的肢体运动功能丢失或衰退的康复病人的康复训练机器人，尤其是姿态可调的四自由度康复训练机器人。

背景技术

对于脑卒中后遗症患者，对其偏瘫部位进行康复训练是十分关键重要的医疗手段，及早进行康复训练可以明显减少残疾的可能性。在国内传统的康复治疗中，治疗师通常手把手地对患者进行单调的一对一的康复训练，缺乏科学评价训练参数和康复效果的客观数据，难以对训练参数进行优化以获得最佳治疗效果。因此，将机器人技术运用于康复领域，研制一种满足康复需要的康复训练机器人以提高康复训练效率和效果，具有重大的应用价值和实际的紧迫性。

康复机器人技术在欧美国家得到了机器人研究者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，并取得了一些有价值的成果。国内对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究相对较多，而康复训练机器人的研究相对较少，医工跨学科的结合有待加强，国内的康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康复机器人的需求。

现在国内的多自由度康复机器人大多通过复杂的机械结构来实现多关节多自由度的训练，控制复杂，成本较高，而且容易出现故障。而单自由度的康复机器人又不能满足不同情况患者康复训练的需要。鉴于此，本发明提出了一种基于四个电机控制的四自由度上下肢康复训练机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能为患者提供各关节的单关节等速运动，实现被动训练，主动训练，阻尼训练和助力训练四种方式的姿态可调的四自由度康复训练机器人。

本发明的目的是这样实现的：一种姿态可调的四自由度康复训练机器人，包括升降基座、U形架及运动输出组件，U形架位于升降基座的上方且U形架通过第一转动机构与升降基座转动连接，运动输出组件通过第二转动机构与U形架转动连接，所述的第一转动机构包括设在升降基座上的第一支架、安装在第一支架上的第一蜗轮及第一蜗杆，在第一支架上设有第二步进电机，第二步进电机的输出轴与第一蜗杆连接，在连接于第一蜗轮的第一转轴上设有转盘，转盘与U形架连接，所述的第二转动机构包括设在U形架上的相互啮合的第二蜗轮及第二蜗杆、第三步进电机以及与第二蜗轮同轴安装的左旋转轴、右旋转轴，第三步进电机的输出轴与第二蜗杆连接，连接于第二蜗轮的第二转轴与右旋转轴连接，运动输出组件包括第二支架，在第二支架上设有力矩电机、减速箱、力矩传感器及磁流变阻尼器，在力矩电机的尾部设有光电编码器，力矩电机与减速箱的输入轴连接，减速箱的输出轴与磁流变阻尼器连接，磁流变阻尼器的输出轴与力矩传感器连接，在力矩传感器的输出轴上连接有运动末端组件。

机器人底部为升降基座，升降基座上装有直流步进电机，可以承重70kg，垂直上下调节，行程为30~50cm，可随患者身高及训练关节调节。升降基座上安装有转盘，转盘可为安装在其上的U形架提供圆周转动。U形架上安装有供调节康复机械臂俯仰角的步进电机。转盘和U形架两个转动均为全圆周转动，均可通过手动或电动调节，且有自锁功能，在训练之前调节到位，以适应对不同关节的训练。U形架中心轴上安装有力矩电机，力矩电机末端装有光电编码器，可以通过闭环准确的控制训练强度和范围，力矩电机通过减速箱可输出高达20N/m的被动训练力矩。力矩电机前端装有磁流变阻尼器，磁流变阻尼器可输出阻尼力矩，因为磁流变阻尼器是无源元件，故不会对患者肢体造成伤害。磁流变阻尼器前端装有力矩传感器，力矩传感器作为传动装置及检测装置连接磁流变阻尼器与执行机构。执行结构包括方向盘、脚蹬等，通过平键安装在力矩传感器前端，可对不同关节进行不同形式的训练。

本发明的姿态可调的四自由度康复训练机器人有以下优点：

1.机器人有四个自由度可调节，可适应于不同病人不同关节的康复训练。

2.可通过手动、电动两种方式调节康复机器人的训练姿态。

3.除用于康复训练的力矩电机外，其他用于姿态调整的电机均用蜗轮蜗杆传动，具有自锁功能，机器人的姿态一旦调整好便不再变动，以防训练过程中对患者造成伤害。

4. 康复机器人的末端康复组件是可拆卸的，可针对不同的关节选择合适的组件。

5.通过简单可靠的训练达到恢复运动机能的目的。

附图说明

图1是本发明的结构图（上肢训练）。

图2是本发明的第一转动机构剖视图。

图3是本发明的U形架剖视图。

图4是本发明的U形架局部剖视图。

图5是本发明的运动输出组件的结构图。

图6是本发明的下肢训练示意图。

具体实施方式

一种姿态可调的四自由度康复训练机器人，包括升降基座2、U形架5及运动输出组件36，U形架5位于升降基座2的上方且U形架5通过第一转动机构与升降基座2转动连接，运动输出组件36通过第二转动机构与U形架5转动连接，所述的第一转动机构包括设在升降基座2上的第一支架4、安装在第一支架4上的第一蜗轮22及第一蜗杆21，在第一支架4上设有第二步进电机3，第二步进电机3的输出轴与第一蜗杆21连接，在连接于第一蜗轮22的第一转轴20上设有转盘24，转盘24与U形架5连接，所述的第二转动机构包括设在U形架5上的相互啮合的第二蜗轮29及第二蜗杆26、第三步进电机6以及与第二蜗轮29同轴安装的左旋转轴35、右旋转轴7，第三步进电机6的输出轴与第二蜗杆26连接，连接于第二蜗轮29的第二转轴28与右旋转轴7连接，运动输出组件36包括第二支架27，在第二支架27上设有力矩电机14、减速箱13、力矩传感器9及磁流变阻尼器11，在力矩电机14的尾部设有光电编码器15，力矩电机14与减速箱13的输入轴连接，减速箱13的输出轴与磁流变阻尼器11连接，磁流变阻尼器11的输出轴与力矩传感器9连接，在力矩传感器9的输出轴上连接有运动末端组件8，运动末端组件8包括上肢康复组件和下肢康复组件。

下文结合附图以及具体实施例对本发明的四自由度上下肢康复训练机器人的结构进行详细描述。

姿态可调的四自由度上下肢康复训练机器人的主要硬件硬件机构包括：1、第一步进电机，2、升降基座，3、第二步进电机，4、第一支架，5、U形架，6、第三步进电机，7、右旋转轴，8、方向盘，9、力矩传感器，10、第二支撑板，11、磁流变阻尼器，12、第一支撑板，13、减速箱，14、力矩电机，15、光电编码器，16、手轮，17、电机输出轴，18、滚动轴承（含轴承座），19、滚动轴承（含轴承座），20、第一转轴，21、第一蜗杆，22、第一蜗轮，23、滚动轴承（含轴承座），24、转盘，25、滚动轴承（含轴承座），26、第二蜗杆，27、第二支架，28、第二转轴，29、第二蜗轮，30、滚动轴承（含轴承座），31、手轮，32、电机支架，33、电机支杆，34、力矩输出轴，35、左旋转轴。

下面具体描述每个自由度是如何实现的：

（1）康复机器人的垂直运动通过第一步进电机1和升降基座2来实现。第一步进电机1带动升降基座2内的丝杠来实现上下运动。

（2）康复机器人的水平旋转自由度通过第二步进电机3，第一支架4以及安装在第一支架4上的转盘24实现，具体方式如图2所示。

第一支架4内包括三个滚动轴承（含轴承座）18、19、23，第一蜗杆21，第一蜗轮22，其中第二步进电机3末端同轴安装有手轮16，即既可通过电机电动控制旋转也可通过手轮手动调节旋转。电机输出轴17与第一蜗杆21通过平键配合，同时通过滚动轴承18、23周向固定在第一支架4上。第一蜗杆21与第一蜗轮22耦合，第一转轴20与第一蜗轮22通过平键配合，末端由滚动轴承19周向固定在第一支架4上，第一支架4上方开圆孔，转盘24通过花键与第一转轴20配合安装。第一支架4通过螺栓螺母安装在升降基座2上，转盘24也通过螺栓螺母与U形架5安装。故而当第二步进电机3转动时即可通过蜗轮蜗杆的耦合带动转盘24转动，从而带动安装在其上的U形架5转动。

（3）康复机器人康复臂的俯仰角的调节将结合附图3和图4具体介绍。

U形架5上安装有第三步进电机6，其中电机支架32为其提供支撑力，第三步进电机6末端安有手轮31，可进行手动或电动调节。U形架5内部有滚动轴承（含轴承座）25、30，第二蜗杆26，第二蜗轮29，第二转轴28，右旋转轴7、左旋转轴35。其中电机输出轴与第二蜗杆26通过平键配合，并由滚动轴承30固定在U形架5上，第二蜗杆26与第二蜗轮29耦合，第二转轴28与右旋转轴7平键配合，同时滚动轴承25将其周向固定。故而第三步进电机6转动是即可通过蜗轮蜗杆的耦合带动右旋转轴7转动。

（4）康复机器人的康复末端圆周转动主要通过力矩电机14和磁流变阻尼器11的配合来实现的。下面将结合图5具体解释其结构。

本实例中的康复机器人运动输出组件36由光电编码器15，力矩电机14，减速箱13，，磁流变阻尼器11，第二支撑板10，力矩传感器9，第二支架27组成。其中第二支架27包括第一支撑板12、第二支撑板10和四个电机支杆33组成，与旋转轴7，35法兰连接，则当右旋转轴7转动时，即带动康复机器人的运动输出组件36一起转动。当训练模式为被动训练（患者由康复机器人带动训练）时，磁流变阻尼器不产生阻尼力，力矩输出轴34输出力矩电机14经减速箱13后的力矩。当训练模式为阻尼训练（患者自己带动康复机器人，康复机器人提供阻尼力）时，力矩电机14不提供任何力矩，而磁流变阻尼器11输出阻尼力，即力矩输出轴34上为阻尼力矩。，力矩输出轴34采用花键配合与康复末端机构连接。

下面将结合图6具体说明一下康复训练实现方式。首先医师根据患者的具体情况选择康复末端机构（如图为脚蹬），然后根据病人调节康复机器人的姿态，姿态调整好后选择合适的训练模式即可以进行康复训练。

Claims

1.一种姿态可调的四自由度康复训练机器人，其特征在于，包括升降基座（2）、U形架（5）及运动输出组件（36），U形架（5）位于升降基座（2）的上方且U形架（5）通过第一转动机构与升降基座（2）转动连接，运动输出组件（36）通过第二转动机构与U形架（5）转动连接，所述的第一转动机构包括设在升降基座（2）上的第一支架（4）、安装在第一支架（4）上的第一蜗轮（22）及第一蜗杆（21），在第一支架（4）上设有第二步进电机（3），第二步进电机（3）的输出轴与第一蜗杆（21）连接，在连接于第一蜗轮（22）的第一转轴（20）上设有转盘（24），转盘（24）与U形架（5）连接，所述的第二转动机构包括设在U形架（5）上的相互啮合的第二蜗轮（29）及第二蜗杆（26）、第三步进电机（6）以及与第二蜗轮（29）同轴安装的左旋转轴（35）、右旋转轴（7），第三步进电机（6）的输出轴与第二蜗杆（26）连接，连接于第二蜗轮（29）的第二转轴（28）与右旋转轴（7）连接，运动输出组件（36）包括第二支架（27），在第二支架（27）上设有力矩电机（14）、减速箱（13）、力矩传感器（9）及磁流变阻尼器（11），在力矩电机（14）的尾部设有光电编码器（15），力矩电机（14）与减速箱（13）的输入轴连接，减速箱（13）的输出轴与磁流变阻尼器（11）连接，磁流变阻尼器（11）的输出轴与力矩传感器（9）连接，在力矩传感器（9）的输出轴上连接有运动末端组件（8）。

2.根据权利要求1所述的姿态可调的四自由度康复训练机器人，其特征在于，运动末端组件（8）包括上肢康复组件和下肢康复组件。