CN103417361A

CN103417361A - 二自由度上肢康复训练机器人系统

Info

Publication number: CN103417361A
Application number: CN201310392998XA
Authority: CN
Inventors: 李会军; 王茜; 宋爱国
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了一种二自由度上肢康复训练机器人系统，其包括：康复机器人机构、机构支撑台、肘部支撑架。所述的康复机器人机构包括机构外框、可以进行两个自由度运动的双并行连杆机构、驱动所述双并行连杆机构进行x方向运动的第一驱动机构和驱动所述双并行连杆机构进行y方向运动的第二驱动机构。所述的肘部支撑架包括固定用的底座、固定在所述底座上的支撑轴、转动设置在所述支撑轴上的旋转轴、固定在所述旋转轴上的带有凹槽的导轨和沿着导轨凹槽自由滑动的滑块。本发明结构简单，运动灵活，能够帮助具有上肢运动功能障碍的患者进行上肢康复训练，以达到提高康复效果的目的。

Description

二自由度上肢康复训练机器人系统

技术领域

本发明属于康复机器人技术领域，尤其涉及一种二自由度上肢康复训练机器人系统。

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，许多机构都开展了相应的研究工作，并取得了一些有价值的成果。肢体运动功能康复的机器人最早的设想来自Dijkers，他设计了一种简单的机器人帮助脑卒中患者进行上肢锻炼，并记录患者锻炼的结果。1998年美国麻省理工学院的Hogan等研制出一种称作MIT-MANUS的康复机器人，但由于该机器人自由度较少，仅局限于平面运动，因而康复训练效果非常有限。2000年美国的Reinkensmeyer等研制了另一种辅助康复和测量导向器（ARM Guide），主要针对抓取时上臂的动作进行设计。同年，美国的Lum等研制了镜像运动使能器（MIME），在临床实验中表现出了较好的康复效果。但由于该机器人系统是以工业机器人为载体的，不仅惯性质量大，而且训练中患者的安全性难以保证。英国Reading大学为首的欧洲跨国研究小组，于2002年研制出一种叫做GENTLE/S的上肢康复训练机器人，机械臂为三自由度的升降式摇臂结构，可实现手臂的三维运动。瑞士的Nef等人研制的手臂康复机器人ARMin采用不完全外骨骼结构，可提供预记录轨迹、指定运动治疗、示教和患者主动力等四种控制模式。日本的Noritsugu等人用四根人造肌肉构造了一个2自由度的治疗机器人。这些康复机器人系统虽然在一定程度上证明了机器人辅助康复训练的有效性，但这些康复设备也存在一些亟待解决的问题，如：机器人系统比较复杂、康复训练模式比较简单、部分训练模式需要康复医师的参与等，目前还不能完全实现人－机之间的主被动协调运动。

90年代末以来，随着我国人口老龄化趋势的加快，康复训练机器人的研究得到了一些高校和科研院所的重视，东南大学、清华大学、哈尔滨工业大学等先后开展了康复训练机器人技术的研究工作。清华大学研制了肩肘复合运动康复机器人，肩关节康复机器人和手的康复训练器等多种康复机器人，在陈旧性偏瘫患者的康复方面观察到初步效果。浙江大学通过动力学建模与仿真以及机械结构的设计及仿真，开发研制出一套下肢外骨骼康复机器人的原型机构。哈尔滨工程大学的下肢康复训练机器人实现对下肢各个关节的运动训练。哈尔滨工业大学研制的5自由度外骨骼式上肢康复机器人，也属于辅助型康复机器人的范畴。东南大学从2003年起开展了康复机器人技术的研究，并同美国西北大学智能机械机构实验室合作，将力反馈遥操作机器人应用于康复医学工程中，针对肢体康复训练系统做了大量研究工作。

康复机器人的研究已引起了各国的重视，发展较快；康复机器人的控制方法不断完善，结构各式各样，驱动方式由最先的外力控制，变为现在的肌电控制和脑电控制等，康复效果得到了改善。然而其普遍存在几点关键问题：

1、以串联结构居多，支链长，占用空间大，重量大，需要较大的驱动力。

2、大多数康复机器人结构复杂、对控制方法和安全性的要求也相对较高。

3、缺乏对克服自身重力存在难度的患者进行必要的支撑和保护措施。

4、患者训练动作种类相对较少且仅限于某些单一的动作，难以提高患者康复训练的积极性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二自由度康复训练机器人系统，该机器人系统可以帮助具有上肢运动功能障碍的患者进行上肢康复训练，促进上肢运动功能得到良好的恢复，有效避免肢体运动功能退化。

本发明提供的二自由度康复训练机器人系统，包括康复机器人机构、机构支撑台、肘部支撑架，所述的康复机器人机构包括机构外框、进行两个自由度运动的双并行连杆机构、驱动所述双并行连杆机构进行x方向运动的第一驱动机构、驱动所述双并行连杆机构进行y方向运动的第二驱动机构。

所述双并行连杆机构由四根连杆构成，连杆下端分别通过连接件与配重轴相连，配重轴上设有螺纹，用于连接不同重量的配重；连杆上端分别通过万向节与手部托盘相连接。

所述第一驱动机构包括固定在机构外框上的第一电机组、通过第一联轴器与第一电机组相连的第一旋转轴和设置在机构外框中的与第一旋转轴平行的从动旋转轴，第一旋转轴和从动旋转轴分别通过第一连接件和第二连接件与双并行连杆机构的第一、第二连杆转动相连。

所述第二驱动机构包括固定在机构外框上的第二电机组和通过第二联轴器与第二电机组相连的第二旋转轴，所述第二旋转轴分别通过第三连接件和第四连接件与双并行连杆机构的第三、第四连杆转动相连。

所述的肘部支撑架包括固定用的底座、固定在所述底座上的支撑轴、转动设置在所述支撑轴上的旋转轴、固定在所述旋转轴上的带有凹槽的导轨和沿着导轨凹槽自由滑动的滑块。

本发明的二自由度康复训练机器人系统的优点是：该机器人系统采用双并行连杆机构，体积小，重量轻，易于驱动；结构简单，运行平稳，易于控制；同时提供了相应的肘部支撑机构，用于对克服自身重力存在难度的患者的肘部进行支撑和保护；康复机器人机构具有两个自由度，两个方向的运动可以单独进行，也可以同时进行，增加了上肢的训练范围。

附图说明

图1是本发明二自由度康复机器人系统的正视图；

图2是本发明二自由度康复机器人机构的斜视图；

图3是本发明二自由度康复机器人机构的正视图；

图4是本发明二自由度康复机器人机构的俯视图；

图5是本发明肘部支撑架的正视图；

图6是本发明肘部支撑架的俯视图；

图7是本发明肘部支撑架的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，一种二自由度康复训练机器人系统，其包括康复机器人机构、机构支撑台35和肘部支撑架，所述机构支撑台中间固定有康复机器人机构，所述康复机器人机构包括机构外框1、进行两个自由度运动的双并行连杆机构、驱动所述双并行连杆机构进行x方向运动的第一驱动机构和驱动所述双并行连杆机构进行y方向运动的第二驱动机构。

如图2所示，所述双并行连杆机构由四根连杆15、16、17、18构成，连杆下端分别通过连接件19、20、21、22与配重轴25、26、27、28相连，配重轴上设有螺纹，用于连接不同重量的配重；连杆15、16、17、18上端分别通过万向节与手部托盘23相连接，手部托盘上设有手柄24，用于康复训练时牵引受训者的患肢。

所述第一驱动机构包括利用第一电机支架8固定在机构外框上的第一电机组、第一旋转轴5和设置在机构外框中的与第一旋转轴平行的从动旋转轴6。第一电机组包括第一编码器2、第一电机3和第一减速器4，所述第一减速器4通过联轴器7与第一旋转轴5相连，所述第一旋转轴5通过连接件20的中间孔与所述双并行连杆机构的第一连杆16转动相连，所述从动旋转轴6通过连接件19的中间孔与所述双并行连杆机构的第二连杆15转动相连。

所述第二驱动机构包括利用第二电机支架14固定在机构外框上的第二电机组和第二旋转轴12。第二电机组包括第二编码器9、第二电机10和第二减速器11，所述第二减速器通过联轴器13与第二旋转轴12相连，所述第二旋转轴12通过连接件22、21的中间孔与双并行连杆机构的第三连杆18、第四连杆17相连。

所述的肘部支撑架包括固定用的底座36、固定在所述底座上的支撑轴40、转动设置在所述支撑轴上的旋转轴37、固定在所述旋转轴37上的带有凹槽的导轨38和沿着导轨凹槽自由滑动的滑块39，所述肘部支撑架有两个自由度，一个是固定在旋转轴上的导轨38,其绕着支撑轴40旋转，另一个是滑块39，其沿着带有凹槽的导轨38来回滑动。使用时，用宽绑带将患者的肘部固定在肘部支撑架上，则患肢将随着康复机构牵引的方向进行运动。

以上是对本发明二自由度康复训练机器人系统的结构介绍，其运动原理是：第一电机3驱动第一减速器4运动，所述第一减速器4驱动第一旋转轴5转动，进而驱动双并行连杆机构和从动轴在x方向进行运动，从而牵引上肢进行左右方向的运动。第二电机10驱动第二减速器11运动，所述第二减速器11驱动第二旋转轴12转动，进而驱动双并行连杆机构在y方向进行运动，从而牵引上肢进行前后方向的运动。两个电机同时工作时，将牵引上肢在运动空间内进行各种不同轨迹的运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种二自由度康复训练机器人系统，其包括康复机器人机构、机构支撑台35和肘部支撑架，所述的康复机器人机构包括机构外框1、进行两个自由度运动的双并行连杆机构、驱动所述双并行连杆机构进行x方向运动的第一驱动机构和驱动所述双并行连杆机构进行y方向运动的第二驱动机构。

2.如权利要求1所述的二自由度康复训练机器人系统，其特征在于：所述双并行连杆机构由四根连杆15、16、17、18构成，连杆下端分别通过连接件19、20、21、22与配重轴25、26、27、28相连，配重轴上设有螺纹，用于连接不同重量的配重；连杆15、16、17、18上端分别通过万向节与手部托盘23相连接。

3.如权利要求1所述的二自由度康复训练机器人系统，其特征在于：所述第一驱动机构包括固定在机构外框1上的第一电机组、通过联轴器7与所述第一电机组相连的第一旋转轴5和设置在机构外框1中的与第一旋转轴平行的从动旋转轴6，所述第一旋转轴5通过连接件20的中间孔与所述双并行连杆机构的第一连杆16转动相连，所述从动旋转轴6通过连接件19的中间孔与所述双并行连杆机构的第二连杆15转动相连。

4.如权利要求1所述的二自由度康复训练机器人系统，其特征在于：所述第二驱动机构包括固定在机构外框1上的第二电机组和通过联轴器13与第二电机组相连的第二旋转轴12，所述第二旋转轴12通过连接件22、21的中间孔与所述双并行连杆机构的第三连杆18、第四连杆17转动相连。

5.如权利要求1所述的二自由度康复训练机器人系统，其特征在于：所述肘部支撑架包括固定用的底座36、固定在所述底座上的支撑轴40、转动设置在所述支撑轴上的旋转轴37、固定在所述旋转轴上的带有凹槽的导轨38和沿着导轨凹槽自由滑动的滑块39，所述肘部支撑架有两个自由度，一个是导轨38，其绕着支撑轴40旋转运动，另一个是滑块39，其沿着带有凹槽的导轨38来回滑动。