CN102805697A - 一种十字万向摇杆式上肢康复机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十字万向摇杆式上肢康复机械装置，包括基座、顶部设有把手的摇杆，还设有：定位座，通过固接的第一转轴与基座转动配合，定位座通过第二转轴与摇杆铰接；第一电机，安装在基座上，其输出轴通过第一传动部件连接所述第一转轴；弧形臂，通过第三转轴铰接在基座上，沿该弧形臂的内侧面设有导向槽，摇杆的底端与导向槽滑动配合；第二电机，安装在基座上，其输出轴通过第二传动部件连接弧形臂；第二转轴和第三转轴具有相同的轴线，且与第一转轴相垂直布置。上肢固定于把手上，通过第一电机实现上肢绕第一转轴轴向的摆动，通过第二电机实现上肢绕第三转轴轴向的摆动。本发明不仅结构紧凑，而且动作灵敏，精度高，易于装配。

Description

一种十字万向摇杆式上肢康复机械装置

技术领域

本发明涉及一种康复机械装置，尤其是一种十字万向摇杆式上肢康复机械装置。

背景技术

康复机器人的研究始于上世纪80年代，自1990年以前，主要是欧美及日本从事此方面的研究；自1990年以后，康复机器人的研究进入到全面发展时期。国际上，康复机器人的研究开发越来越自动化与智能化。

在国内，康复机器人的研究水准有逐年递增的趋势，中国专利中公开号为CN101347380，公开日为2009年1月21日，专利名称为“一种训练平面可调式上肢偏瘫康复机器人装置”中公开了一种上肢康复机器人装置，该装置包括座椅、训练平面、训练平面调节装置，以及安装在训练平面上的机械臂、腕部固定托架和肘部托架。训练平面调节装置可通过调节训练平面相对于地面的高度，以及训练平面与水平面的夹角，以适应不同患者在多平面内完成康复训练的需要。该康复机器人装置结构简单，通过作业面位姿调整，可以满足患者在各种斜面上做大幅度的主被动训练，并且有针对性的调节斜面，可以有目的的对受损关节以及相应肌群进行专项训练，达到更好的康复效果。但是，该专利本质上只是一种平面训练装置，故在三维空间中的康复训练时仍受限于各个平面，无法实现三维空间中任意轨迹的运动。

中国专利中专利申请公布号为CN102283761，申请公布日为2011年12月21日，专利名称为“上肢康复机器人”中公开了一种上肢康复机器人装置，该装置包括底座；固定在所述底座上的直线导轨，滑动设置在所述直线导轨上的滑块，驱动所述滑块的第一驱动机构；固定在所述滑块上的机架，转动设置在所述机架上的摇杆，驱动所述摇杆的第二驱动机构；沿着所述摇杆的延伸方向运动的绑手器，驱动所述绑手器的第三驱动机构。该康复机器人拥有三个方向的运动自由度，并且三个方向的运动既可以同时进行，也可以分别单独进行，保证了康复运动的充分性。但是由于该康复机器人采用了串联式的结构设计，其消耗的功率较大，控制精度难以保障。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单，动作灵敏，精度高，及可在三维空间里任意移动的十字万向摇杆式上肢康复机械装置。

本发明技术方案是：一种十字万向摇杆式上肢康复机械装置，包括基座、顶部设有把手的摇杆，还设有：

定位座，通过固接的第一转轴与基座转动配合，定位座通过第二转轴与摇杆铰接；

第一电机，安装在基座上，其输出轴通过第一传动部件连接所述第一转轴；

弧形臂，通过第三转轴铰接在基座上，沿该弧形臂的内侧面设有导向槽，所述摇杆的底端与导向槽滑动配合；

第二电机，安装在基座上，其输出轴通过第二传动部件连接弧形臂；

其中，所述的第二转轴和第三转轴具有相同的轴线，且与第一转轴相垂直布置。

进一步设置为：所述第一转轴与第二转轴的轴线方向均位于水平面上。

采用上述技术方案，因为第一转轴与第二转轴的轴线方向均位于水平面上，故摇杆绕两轴线旋转时，也即始终是绕位于水平面上的轴线进行转动，那么位于摇杆上的把手也将绕以摇杆底部的支点进行摆动。当上肢固定于把手上并进行康复训练时，上肢的小臂部分大多处于水平状态，而此时小臂放置状态将是最舒适平稳，由此可才能保证上肢做康复训练时以轻松舒缓的节奏进行。

进一步设置为：所述定位座为环状结构，摇杆穿设于定位座内，第一转轴一端与定位座外壁固定，另一端与基座转动配合，第二转轴分别与定位座内壁和摇杆转动配合。

采用上述技术方案，定位座的中心为通孔，定位座通过通孔套设于摇杆上，其中，第二转轴位于定位座内壁和摇杆间，这样可以相应减少第二转轴安装时的空间，同时也能提高摇杆和定位座间转动配合时的稳定性；另外，第一转轴固定于定位座外壁上，且与基座转动配合，从而构成摇杆、定位座和基座间的配合关系。该技术方案，不仅使得整体结构简凑，节约了安装空间，而且提高了安装时的稳定性。

进一步设置为：所述弧形臂为U型结构，该弧形臂开口处的两端部分别与基座转动配合。

采用上述技术方案，弧形臂的两端部均和基座间形成同轴布置的转动配合，也即弧形臂在基座上转动时更加稳定，弧形臂内侧的导向槽引导摇杆底部滑动时更加稳定，不宜受其他外力作用而发生偏转。

进一步设置为：所述摇杆包括通过第二转轴与定位座转动配合的固定管；与固定管相互套接的伸缩管；用于驱动伸缩管沿固定管轴向伸缩的伸缩驱动件。

采用上述技术方案，摇杆为可伸缩结构，通过伸缩驱动件即可实现伸缩管沿固定管轴向的伸长或缩短，这样则可保证固定于把手上的上肢随伸缩管的运动而一起运动，且该运动是通过伸缩驱动件来控制实现的。

进一步设置为：所述伸缩驱动件包括与固定管同轴设置的伸缩电机；与伸缩电机输出轴联动的螺杆；与伸缩管固定连接，且与螺杆相适配的螺母；所述伸缩管与固定管间转动配合，且沿固定管轴向滑动配合。

采用上述技术方案，通过伸缩电机输出端固定的螺杆，实现螺母沿螺杆轴向的移动，由于螺母和伸缩管固定，所以带动伸缩管沿固定管轴向的平移，该结构所带来的伸缩杆伸缩运动时的速度较缓慢，且运动稳定，从而保证位于把手上的上肢做训练时舒缓平稳。本发明中，伸缩驱动件除了采用伸缩电机，还可以采用气缸，气缸的活塞杆沿固定管轴向布置且与伸缩管固定，当活塞杆做伸缩运动时，即可实现伸缩管的伸缩运动。其中，螺杆和螺母组成的联动结构也即滚珠丝杆配合，该配合将螺杆的回转运动转化为螺母的直线运动，该结构不仅传动简单，而且运动精度高，减少了传动时的阻力。

进一步设置为：所述摇杆沿竖直方向布置。

采用上述技术方案，由于上肢做康复训练时，手臂主要是需要在竖直方向上进行上下运动，从而实现上臂和肩部肌肉的锻炼，因此摇杆沿竖直方向布置的话，也即摇杆上伸缩管将沿竖直方向进行伸缩运动，从而满足上肢对训练运动的需要。

进一步设置为：所述伸缩管上设有用于感应把手受力方向并产生相应感应信号的力感应器，设有用于接收相应感应信号并产生相应执行信号的控制单元，该控制单元分别向第一电机、第二电机和伸缩电机发送相应执行信号。

采用上述技术方案，由于需要康复的上肢力量很弱，很难通过自身力量实现相应的上肢动作，因此，为了实现康复训练的智能化，通过安设于把手处的力感应器去感应上肢微弱的运动，该微弱的力被力传感器感应并产生力运动方向的感应信号，该感应信号被传输至控制单元处，该控制单元根据感应信号的方向，然后通过控制第一电机、第二电机和伸缩电机来实现上肢在三维空间上的任意方向运动，从而实现对上肢肌肉的康复训练。由于第一电机、第二电机和伸缩电机能带动把手分别实现三维空间里沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的运动，因此能保证把手在三维空间里任意点的运动。

再进一步设置为：所述第一传动部件包括与第一转轴联动的带轮，及与带轮和第一电机输出轴联动的皮带；第二传动部件包括与第三转轴联动的带轮，及与带轮和第二电机输出轴联动的皮带。

采用上述技术方案，由于带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振，可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且具有造价低廉、不需润滑、维护容易的特点，所以第一电机和第二电机分别通过带传动实现第一转轴和第三转轴的转动，进而保证上肢做康复训练时更加稳定舒适。

本发明的有益效果是：将上肢固定于把手上，然后通过第一电机驱动实现第一转轴的转动，而与第一转轴固定的定位座一起发生转动，由于定位座和摇杆通过第二转轴连接，且第二转轴与第一转轴相互垂直，那么，当第一转轴转动时，第二转轴将受到绕垂直于自身轴向的旋转力，也即第二转轴无法绕自身转轴转动，且第二转轴将带动摇杆绕第一转轴轴向转动，从而实现上肢绕第一转轴轴向的摆动；同时，通过第二电机驱动弧形臂绕第三转轴转动，弧形臂上导向槽可供摇杆绕第一转轴转动时滑动用，而此时该导向槽的内壁将限制并驱动摇杆绕第三转轴轴向转动，从而实现上肢绕第三转轴轴向的摆动；由于第一转轴和第二转轴相垂直布置，故上肢能在第一转轴和第二转轴所在平面上任意移动，从而实现上肢的在该平面上任意位置进行运动。综上所述，本发明具有结构紧凑，整体重量轻，动作灵敏，精度高，易于装配，及可在三维空间里任意移动的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的局部结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为图2的A-A剖视图。

图5为本发明实施例定位座和弧形臂的装配图。

图6为本发明实施例摇杆和把手的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1-5所示，本实施例包括基座1，基座1包括底板11和通过支柱12安装于底板11上的安装座13，该安装座13为截面方形的环状结构，该安装座13中间通过第一转轴21连接有定位座3，该第一转轴21与定位座3连接的端部为固定连接，与安装座13连接的端部为转动连接，故当第一转轴21转动时，定位座3也将随之一起转动。

定位座3为截面圆形的环状结构，该定位座3中间通过第二转轴22连接有摇杆4，该第二转轴22两端分别与定位座3和摇杆4保持转动配合。此处，由于第二转轴22的轴向和第一转轴21间保持相互垂直设置，故当第一转轴21转动时，第二转轴22将受到沿自身径向的旋转力，也即第二转轴22将不会绕自身转轴转动。在安装座13的外壁上设有U型结构的弧形臂5，该弧形臂5开口处的两端部分别位于安装座13的两侧，且通过第三转轴23和安装座13转动配合，第三转轴23和第二转轴22同轴设置。弧形臂5上朝向摇杆4的内侧设有与摇杆4底部滑动配合的导向槽51，该导向槽51所开槽的长度方向沿第三转轴23轴向，也即导向槽51所开槽的长度方向与第一转轴21垂直，故当摇杆4随第一转轴21转动时，则摇杆4底部将在导向槽51内进行滑动。为了减小滑动时的摩擦力，所以在摇杆4底部图设有一导向柱，该导向柱上固定套设有一滚动轴承，该滚动轴承的外壁与导向槽51内壁滚动配合。另外，为了保证上肢运动时的稳定，所以在摇杆4的顶部设有用于固定上肢的把手6。

当上肢固定于把手6上进行康复训练时，上肢的小臂部分大多处于水平状态，故第一转轴21和第三转轴23所在轴线均位于水平面上，只有这样，当摇杆4绕两轴向旋转时，才能实现把手6始终绕位于水平面上的轴向进行转动，那么位于摇杆4上的把手6也将绕以摇杆4底部的支点进行摆动。此时，小臂的放置也将是最舒适平稳的，也只有这样才能保证上肢做康复训练时最轻松舒缓。

为了实现第一转轴21和第三转轴23的转动，所以安装座13上还固定有第一电机71和第二电机72，第一转轴21和第三转轴23上分别固定有带轮，而第一电机71和第二电机72分别通过皮带与第一转轴21和第三转轴23上的带轮实现带传动配合。由于带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振，可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且具有造价低廉、不需润滑、维护容易的特点，所以通过带传动对上肢进行康复训练时，上肢的运动更加平稳和舒适。其中，第一传动部件或第二传动部件也可以采用传动轴的方式，如传动转轴，传动转轴至少两根，其中一传动转轴的一端与第一电机71的输出轴同轴设置，另一端与第一转轴21同轴设置；另一传动转轴的一端与第二电机72的输出轴同轴设置，另一端与第三转轴23同轴设置。当电机转动时，通过传动转轴的扭矩传输，从而实现第一转轴21或第三转轴23的转动。

如图6所示，摇杆4包括通过第二转轴22与定位座3转动配合的固定管41、与固定管41相互套接的伸缩管42，及用于驱动伸缩管42沿固定管41轴向伸缩的伸缩电机43，该伸缩电机43输出端同轴连接有螺杆44，该螺杆44上套设有螺母45，该螺母45与伸缩管42固定连接，且由于伸缩管42与固定管41间转动配合，且沿固定管41轴向滑动配合，所以螺母45能带动伸缩管42沿固定管41轴向进行伸缩运动。为了保证上肢能在竖直方向上进行康复训练，则固定管41的轴向沿竖直方向设置，也即摇杆4的伸缩方向为竖直方向。

把手6固定于伸缩管42的顶部，为了控制上肢的运动，该把手6和伸缩管42间还设有用于感应把手6受力方向并产生相应感应信号的力感应器8，设有用于接收相应感应信号并产生相应执行信号的控制单元(未画出)，该控制单元接收该执行信号后可用于控制伸缩电机43的工作状态，也即伸缩管42的伸缩量。另外，控制单元接收相应执行信号后，还可以用于控制第一电机71和第二电机72的工作状态，也即控制摇杆4在水平面上的运动。当第一电机71、第二电机72和伸缩电机43三个电机相互配合时，则能带动把手6实现三维空间里沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的运动，从而能保证把手6在三维空间里任意点的运动。

本发明中，将上肢固定于把手6上，然后通过第一电机41驱动实现第一转轴21的转动，而与第一转轴21固定的定位座3一起发生转动，由于定位座3和摇杆4通过第二转轴22连接，且第二转轴22与第一转轴21相互垂直。那么，当第一转轴21转动时，第二转轴22将受到绕垂直于自身轴向的旋转力，也即第二转轴22无法绕自身转轴转动，且第二转轴22将带动摇杆绕第一转轴21轴向转动，从而实现上肢绕第一转轴21轴向的摆动；同时，通过第二电机72驱动弧形臂5绕第三转轴23转动，弧形臂5上导向槽51可供摇杆4绕第一转轴21转动时滑动用，而此时该导向槽51的内壁将限制并驱动摇杆4绕第三转轴23轴向转动，从而实现上肢绕第三转轴23轴向的摆动；由于第一转轴21和第二转轴22相垂直布置，故上肢能在第一转轴21和第二转轴22所在平面上任意移动，从而实现上肢的在该平面上任意位置进行运动。综上所述，本发明具有结构紧凑，整体重量轻，动作灵敏，精度高，易于装配，及可在三维空间里任意移动的特点。

Claims (9)

1.一种十字万向摇杆式上肢康复机械装置，包括基座、顶部设有把手的摇杆，其特征是，还设有：

定位座，通过固接的第一转轴与基座转动配合，定位座通过第二转轴与摇杆铰接；

第一电机，安装在基座上，其输出轴通过第一传动部件连接所述第一转轴；

弧形臂，通过第三转轴铰接在基座上，沿该弧形臂的内侧面设有导向槽，所述摇杆的底端与导向槽滑动配合；

第二电机，安装在基座上，其输出轴通过第二传动部件连接弧形臂；

其中，所述的第二转轴和第三转轴具有相同的轴线，且与第一转轴相垂直布置。

2.根据权利要求1所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述第一转轴与第二转轴的轴线方向均位于水平面上。

3.根据权利要求2所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述定位座为环状结构，摇杆穿设于定位座内，第一转轴一端与定位座外壁固定，另一端与基座转动配合，第二转轴分别与定位座内壁和摇杆转动配合。

4.根据权利要求3所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述弧形臂为U型结构，该弧形臂开口处的两端部分别与基座转动配合。

5.根据权利要求2所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述摇杆包括

通过第二转轴与定位座转动配合的固定管；

与固定管相互套接的伸缩管；

用于驱动伸缩管沿固定管轴向伸缩的伸缩驱动件。

6.根据权利要求5所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述伸缩驱动件包括

与固定管同轴设置的伸缩电机；

与伸缩电机输出轴联动的螺杆；

与伸缩管固定连接，且与螺杆相适配的螺母；

所述伸缩管与固定管间转动配合，且沿固定管轴向滑动配合。

7.根据权利要求6所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述摇杆沿竖直方向布置。

8.根据权利要求7所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述伸缩管上设有用于感应把手受力方向并产生相应感应信号的力感应器，设有用于接收相应感应信号并产生相应执行信号的控制单元，该控制单元分别向第一电机、第二电机和伸缩电机发送相应执行信号。

9.根据权利要求1所述的十字万向摇杆式上肢康复机械装置，其特征是：所述第一传动部件包括与第一转轴联动的带轮，及与带轮和第一电机输出轴联动的皮带；第二传动部件包括与第三转轴联动的带轮，及与带轮和第二电机输出轴联动的皮带。

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