CN103948485A - 外骨骼式上肢康复机器人 - Google Patents

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程秀芳
徐文墨
陈晖�
陶然
侯伟民
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Abstract

一种外骨骼式上肢康复机器人，涉及医疗器械领域，用于辅助脑卒中患者完成肘关节屈伸，前臂内、外旋两种运动，模拟运动疗法进行康复训练。其结构主要由伺服电机、减速器、联轴器、一对直齿轮、一对锥齿轮、电磁离合器、轴、套筒、上臂支撑板、调节螺栓、前臂支撑板、联接销、限位销、限位挡板组成，所述联轴器与减速器、第一传动轴联接；所述电磁离合器与第三传动轴、第四传动轴联接；所述套筒通过连接销联接第一传动轴、第二传动轴；所述圆柱齿轮二和齿轮支撑板构成铰链联接；所述前臂支撑板一和前臂支撑板二用调节螺栓联接；所述前臂支撑板二与第三传动轴固定联接。本装置结构紧凑，可穿戴，安全，成本低，可用于医院和家庭使用。

Description

外骨骼式上肢康复机器人
技术领域
本发明属于医疗器械领域，它涉及一种上肢康复训练机器人，特别适用于脑卒中病人的上肢康复训练。
背景技术
根据全国脑血管病防治办公室的估计，在存活的脑卒中患者中，75％左右的患者不同程度地丧失劳动能力，40％重度致残，给家庭和社会造成了沉重的负担。临床医学证明，训练开始越早，脑的可塑性越大，运动功能恢复的潜力越大。人体上肢从事各种复杂、精细活动，它的运动功能直接影响人类的日常生活能力。在临床康复中，医师通常以徒手方式或机械器具对患肢进行一对一的连续被动训练，反复的引导患者患肢运动直到其能够复现正常的动作。我国患者数量多、治疗师资源缺乏，同时很多家属因不能协同完成这种高强度训练而放弃治疗，使病人错过了康复的最好时机。为此，设计安全、定量、有效、可以进行重复训练的上肢康复机器人具有实际意义。人体上肢康复主要涉及肘关节屈伸和前臂内、外旋两个自由度。目前，已存在几种训练上肢康复的机构，但结构笨重，对于脑卒中患者康复效果不佳。
发明内容
本发明针对脑卒中病人上肢康复训练过程中所遇到的问题，提供了一种结构简单、可穿戴、能够辅助患者完成肘关节屈伸，前臂内、外旋两种运动的外骨骼式上肢康复机器人，模拟运动疗法进行康复训练。
实现上述目的采用的技术方案是：一种外骨骼式上肢康复机器人，包括驱动部分、传动部分、执行部分，所述驱动部分采用交流伺服电机；所述传动部分由减速器、联轴器、一对锥齿轮、一对直齿轮、电磁离合器、四根轴、套筒、二根联接销组成，所述联轴器与减速器、第一传动轴联接；所述电磁离合器与第三传动轴、第四传动轴联接；所述套筒使用联接销一、联接销二分别与第一传动轴、第二传动轴联接；所述圆锥齿轮一和第一传动轴固定联接；所述圆锥齿轮二和第四传动轴固定联接；所述圆柱齿轮一和第二传动轴固定联接；所述执行部分由齿轮支撑板、前臂支撑板一、前臂支撑板二、限位销一、限位销二、限位挡板、上臂支撑板组成，所述齿轮支撑板和圆柱齿轮二构成铰链联接，与前臂支撑板一固定联接；所述前臂支撑板一和前臂支撑板二用调节螺栓联接，通过调节螺栓以及联接销一的位置协同变化来调节上臂长度；所述前臂支撑板二与第三传动轴固定联接；所述限位销一与圆柱齿轮二固定联接；所述限位销二与上臂支撑板固定联接；所述限位挡板与第三传动轴固定联接；所述上臂支撑板和人体上臂固定。
本发明的有益效果是：本发明模拟了人体肘关节屈伸，前臂内、外旋两种康复运动，当分离电磁离合器、连接套筒与第二传动轴时，进行前臂内、外旋康复训练，当接合电磁离合器、断开套筒与第二传动轴时，进行肘关节屈伸康复训练，本装置结构紧凑，可穿戴，安全，成本低，可用于医院和家庭的康复训练。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是肘关节屈伸安全限位示意图。
图3是齿轮支撑板和圆柱齿轮二连接示意图。
图中：1-伺服电机；2-减速器；3-联轴器；4-圆锥齿轮一；5-第一传动轴；6-下极限定位销；7-联接销一；8-套筒；9-联接销二；10-第二传动轴；11-圆柱齿轮一；12-齿轮支撑板；13-圆柱齿轮二；14-限位销一；15-前臂支撑板一；16-调节螺栓；17-前臂支撑板二；18-限位销二；19-限位挡板；20-第三传动轴；21-电磁离合器；22-第四传动轴；23-圆锥齿轮二；24-上臂支撑板；25-前臂内、外旋运动；26-肘关节屈伸运动。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见附图1、附图2和附图3，本发明的外骨骼式上肢康复机器人，包括驱动部分、传动部分、执行部分。其结构由伺服电机1、减速器2、联轴器3、圆锥齿轮一4、圆锥齿轮二23、圆柱齿轮一11、圆柱齿轮二13、电磁离合器21、前臂支撑板一15、调节螺栓16、前臂支撑板二17、齿轮支撑板12、套筒8、第一传动轴5、第二传动轴10、第三传动轴20、第四传动轴22、联接销一7、联接销二9、下极限定位销6、限位挡板19、限位销一14、限位销二18、上臂支撑板24组成。
联轴器3，一端联接减速器2，一端联接第一传动轴5；电磁离合器21安装在第三传动轴20和第四传动轴22之间，其结合和分离用于控制在肘关节屈伸和前臂内、外旋两种运动之间的切换；机构中的四根传动轴5、10、20、22由耐磨轴套支撑，其中传动轴5、20、22的轴套安装在上臂支撑板24的轴孔中，第二传动轴10的轴套安装在前臂支撑板一15的轴孔中；套筒8一端与第一传动轴5用联接销一7联接，另一端与第二传动轴10用联接销二9联接，套筒8与第二传动轴10通过联接销二9的联接和断开用于控制在前臂内、外旋和肘关节屈伸两种运动之间的切换；前臂支撑板二17与第三传动轴20固定联接；前臂支撑板一15与前臂支撑板二17用调节螺栓16固定联接，通过调节螺栓16以及联接销一7的位置协同变化来调节上臂长度；下极限定位销6和第一传动轴5固定联接，用于限定套筒8的下极限位置；前臂支撑板一15与齿轮支撑板12固定联接；圆柱齿轮二13与齿轮支撑板12构成铰链联接；圆锥齿轮一4和第一传动轴5固定联接；圆锥齿轮二23和第四传动轴22固定联接；圆柱齿轮一11和第二传动轴10固定联接；限位销一14与圆柱齿轮二13固定联接，用于前臂内、外旋运动的安全限位；限位销二18与上臂支撑板24固定联接，用于肘关节屈伸的安全限位；限位挡板19与第三传动轴20固定联接；上臂支撑板24和人体上臂固定。
本发明的具体工作过程：
调整调节螺栓16，实现前臂支撑板一15与前臂支撑板二17之间的相对位置变化，同时调整联接销一7，实现第一传动轴5与第二传动轴10之间的相对位置变化，且这两者相对位置变化的调节刻度相同，以适应不同患者个体的前臂长度，下极限定位销6为调节的下极限位置。
当电磁离合器21接合，通过拔出联接销一7、联接销二9来断开套筒8和第二传动轴10的联接时，伺服电机1通过减速器2、联轴器3驱动第一传动轴5转动，通过圆锥齿轮一4和圆锥齿轮二23啮合实现第四传动轴22的90°运动转换，通过电磁离合器21把运动传给第三传动轴20，经过第三传动轴20带动前臂支撑板二17、前臂支撑板一15和齿轮支撑板12一起运动，人的手腕固定在圆柱齿轮二13的齿圈内，即实现肘关节的屈伸运动。
当电磁离合器21断开，套筒8通过联接销一7、联接销二9分别和第一传动轴5与第二传动轴10联接时，伺服电机1通过减速器2、联轴器3驱动第一传动轴5，通过联接销一7把运动传给套筒8，经过联接销二9带动第二传动轴10转动，圆柱直齿轮一11和第二传动轴10固定联接，通过圆柱直齿轮一11和圆柱直齿轮二13啮合，实现前臂的内、外旋运动。

Claims (2)

1.一种外骨骼式上肢康复机器人，包括驱动部分、传动部分、执行部分，其特征在于：所述驱动部分采用交流伺服电机(1)；所述传动部分由减速器(2)、联轴器(3)、圆锥齿轮一(4)、圆锥齿轮二(23)、圆柱齿轮一(11)、圆柱齿轮二(13)、电磁离合器(21)、第一传动轴(5)、第二传动轴(10)、第三传动轴(20)、第四传动轴(22)、套筒(8)、联接销一(7)、联接销二(9)组成，所述执行部分由前臂支撑板一(15)、调节螺栓(16)、前臂支撑板二(17)、齿轮支撑板(12)、下极限定位销(6)、限位挡板(19)、限位销一(14)、限位销二(18)、上臂支撑板(24)组成，所述联轴器(3)与减速器(2)、第一传动轴(5)联接；所述电磁离合器(21)与第三传动轴(20)、第四传动轴(22)联接；所述套筒(8)使用联接销一(7)、联接销二(9)分别与第一传动轴(5)、第二传动轴(10)联接；所述圆锥齿轮一(4)和第一传动轴(5)固定联接；所述圆锥齿轮二(23)和第四传动轴(22)固定联接；所述圆柱齿轮一(11)和第二传动轴(10)固定联接；所述圆柱齿轮二(13)和齿轮支撑板(12)构成铰链联接；所述齿轮支撑板(12)与前臂支撑板一(15)固定联接；所述前臂支撑板一(15)和前臂支撑板二(17)用调节螺栓(16)联接；所述前臂支撑板二(17)与第三传动轴(20)固定联接；所述限位销一(14)与圆柱齿轮二(13)固定联接；所述限位销二(18)与上臂支撑板(24)固定联接；所述限位挡板(19)与第三传动轴(20)固定联接；电磁离合器(21)接合，断开套筒(8)和第二传动轴(10)的联接时，所述伺服电机(1)通过减速器(2)、联轴器(3)驱动第一传动轴(5)转动，通过圆锥齿轮一(4)和圆锥齿轮二(23)啮合实现第四传动轴(22)的90°运动转换，通过电磁离合器(21)把运动传给第三传动轴(20)，带动前臂支撑板二(17)、前臂支撑板一(15)、齿轮支撑板(12)、圆柱齿轮二(13)一起运动，即实现肘关节的屈伸运动；电磁离合器(21)断开，套筒(8)和第二传动轴(10)联接时，所述伺服电机(1)通过减速器(2)、联轴器(3)驱动第一传动轴(5)，通过联接销一(7)把运动传给套筒(8)，经过联接销二(9)带动第二传动轴(10)转动，通过圆柱直齿轮一(11)和圆柱直齿轮二(13)啮合，实现前臂的内、外旋运动。
2.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于：调整所述调节螺栓(16)，实现前臂支撑板一(15)与前臂支撑板二(17)之间的相对位置变化，同时调整所述联接销一(7)，实现第一传动轴(5)与第二传动轴(10)之间的相对位置变化，且这两者相对位置变化的调节刻度相同，以适应不同患者个体的前臂长度，所述下极限定位销(6)为调节的下极限位置。
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