CN104523400B - 穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理 - Google Patents

Abstract

本发明公开了穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理，电机与左右旋一体丝杆连接，电机固定于电机固定基座上；上臂托和前臂托分别套设于手臂的上臂和前臂上；左旋螺母下侧具有同步带固定装置，右旋螺母的上侧设有同步带调整装置，同步带固定装置和同步带调整装置通过同步带连接，同步带绕设于同步带轮上；本发明沿上臂轴线方向，在上臂体外侧布置驱动电机和传动机构，减少运动过程中与外界环境的干涉；使用左右旋一体滚珠丝杆加滑块机构作为传动系，具备了很好的自锁性能，可控性好，左旋和右旋螺母都有确定的行程，保证了整体机构具备限位功能。整体实现机构多使用现有标准件，与使用减速器实现同样功能的方案比较，经济成本降低。

Description

穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理

技术领域

本发明涉及一种医学机械用具的技术领域，尤其涉及穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理。

背景技术

上肢康复训练矫形器是协助上肢各自由度运动不灵活的病患进行康复训练的医疗设备。人体上肢包括肘部和肩部多个自由度，而肘部自由度是实现前臂相对上臂的屈曲与舒张运动，是日常生活和工作中拿取、移动、提举物体的重要运动枢纽。肘部自由度的缺陷将会给患者生活带来巨大的不便。现有的上肢康复训练器大部分是非穿戴式的上肢康复训练器，即康复训练器须固定到墙壁、立柱或天花板上，肘部自由度的实现是将前臂固定到连杆型肘部自由度实现机构的末端执行器上，由机构的转动带动前臂相对于上臂的转动，典型的是MIT MANUS[1]和清华大学设计的偏瘫上肢复合运动康复训练机器人[2]。对于可穿戴式的肘部自由度的实现机构，如韩国汉阳大学的HEXA可穿戴式机器人[3]，其技术方案是在肘部的体外侧布置电机和盘式减速器，电机通过盘式减速器来降低转速和提高扭矩。减速器的输出轴线与肘部运动轴线重合，继而带动前臂相对于上臂转动。

由于非穿戴式的上肢康复训练矫形器固定在体外，如墙壁、立柱或天花板上，肘部自由度实现机构也由体外伸到上肢，其主要问题是移动性较差，限制了病患和医生的可移动性。针对可穿戴式的肘部自由度实现机构，其传统实现方案存在的问题有：第一，机构臃肿，穿戴不便。传统方案使用电机叠加减速器的设计，为满足前臂和手部训练任务所需的扭矩要求，此种机构方案须采用输出扭矩大的电机和大减速比(前臂托举重物时需要减速比超过100)的减速器(或多级减速器)，根据现有产品的选型情况，此种机构沿着肘部轴线方向的尺寸偏大，封装性差，致使穿戴不便。此外，向外突出的电机和减速器还易与外界环境干涉，造成难以预料的风险。第二，使用钢制的大减速比或多级减速器，材料不可改变，重量较重，增加病患的训练负担；第三，须另行设计自锁和限位装置，保证肘部运动的范围不超过限制范围，提高康复训练器的可控性与安全性；第四，经济成本高，使用大减速比或多级减速器产品，价格昂贵，增加了机构的经济成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提出穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理，以解决上述机构臃肿，重量大，穿戴不便，自锁与限位装置复杂以及价格昂贵的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，包括电机、左右旋一体丝杆、螺母、固定板、连接轴、上臂托和前臂托，所述螺母包括左旋螺母和右旋螺母，所述固定板包括内侧固定板和外侧固定板，其中，

所述电机固定基座设于所述内侧固定板和所述外侧固定板之间并连接所述内侧固定板和所述外侧固定板，所述电机与所述左右旋一体丝杆的一端通过联轴器连接，所述电机固定于电机固定基座上；

同步带轮通过连接轴和轴承安装在内外侧固定板之间，所述连接轴通过键和紧定螺钉与所述同步带轮固定，并于所述内侧固定板的外部连接所述上臂托和所述前臂托；所述上臂托和所述前臂托分别套设于手臂的上臂和前臂上；

所述左旋螺母下侧设有同步带固定装置，所述右旋螺母的上侧设有同步带调整装置，保证同步带处于张紧状态。所述同步带固定装置和所述同步带调整装置通过同步带连接，所述同步带绕设于所述同步带轮上。

上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述上臂托上设置上臂托绑带，所述前臂托上设置前臂托绑带，绑带将所述上臂托和所述前臂托牢固固定于手臂上。

上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述内侧固定板外部还安装有肩肘部连接板，所述肩肘部连接板与外设的肩部机构固定。

上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述内侧固定板和所述外侧固定板的相对面各设置有安装槽，所述左旋螺母和所述右旋螺母旋设于所述左右旋一体丝杆上，螺母两侧的凸出部分嵌入到所述安装槽，由所述安装槽限制其运动时不翻转。

上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述左右旋一体丝杆与所述连接轴相对垂直的设置。

上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述连接轴与所述内侧固定板连接处安装有涡卷弹簧，所述连接轴与所述外侧固定板连接处安装有所述涡卷弹簧。

还包括一种自由度实现装置的工作原理，其中，所述工作原理如下：

所述电机旋转，通过所述联轴器带动所述左右旋一体丝杆旋转，所述右旋螺母和所述左旋螺母顺着所述左右旋一体丝杆上的螺纹方向分别做方向相反的直线运动，同时所述同步带带动所述同步带轮旋转，所述同步带轮转动的同时带动所述连接轴旋转，所述连接轴最终带动所述前臂托做转动。

本发明由于采用了上述技术，产生的积极效果是：

(1)本发明的肘部自由度实现装置为可穿戴式设计，整体机构固定在上肢，背部将携带动力源，可以解决移动性差的弊端，使患者可以随时随地进行相应的康复训练，并完成生活中必要的上肢动作。

(2)本发明的肘部自由度实现装置沿上臂轴线(如图1中标识A所示)方向，在上臂体外侧布置驱动电机和传动机构，可以避免肘部自由度轴线(如图1中标识B所示)方向尺寸过大造成的封装问题，同时减少运动过程中与外界环境的干涉。显著减小了机构沿着肘部自由度轴线方向的尺寸(小于50mm，远小于单个电机加减速器的厚度)，让整体传动机构沿着对尺寸不敏感的上臂轴线布置。

(3)本发明的肘部自由度实现装置减轻了重量且避免了重量的集中，减小肘部自由度实现机构的重量，便于穿戴。整体机构的重量为800g以下，而使用传统的电机加减速器方案的重量要超过900g。更重要的是，让整体传动机构沿着对尺寸不敏感的上臂轴线布置，可以让重量分布更加平均，而非集中在肘部轴线附近。

(4)本发明的肘部自由度实现装置使用左右旋一体滚珠丝杆加滑块机构作为传动系，具备了很好的自锁性能，可控性好，左旋和右旋螺母都有确定的行程，保证了整体机构具备限位功能。这样，即便在训练时电机失控，该实现机构也能在机械上保证不会让提升物体的前臂马上掉下，给患者带来二次伤害。

(5)本发明的肘部自由度实现装置整体实现机构多使用现有标准件，较昂贵的盘式减速器而言，经济成本降低。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的结构示意图；

图2为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的侧视图；

图3为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的结构简图；

图4为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的前臂舒张状态示意图；

图5为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的前臂屈曲状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例

请结合图1至图3所示，本发明的一种穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置100，包括电机1、左右旋一体丝杆4、螺母、固定板、连接轴10、上臂托13和前臂托14，螺母包括左旋螺母5和右旋螺母6，固定板包括内侧固定板11和外侧固定板12，其中，

电机固定基座2设于内侧固定板11和外侧固定板12之间并连接内侧固定板11和外侧固定板12，电机1与左右旋一体丝杆4的一端通过联轴器3连接，电机1固定于电机固定基座2上；

左右旋一体丝杆4的另一端的外部安装有同步带轮91，连接轴10将同步带轮91通过轴承固定在内外侧固定板之间，并于内侧固定板11的外部连接上臂托13和前臂托14；上臂托13和前臂托14分别套设于手臂的上臂和前臂上；

左旋螺母5下侧具有同步带固定装置7，右旋螺母6的上侧设有同步带调整装置8，保证同步带处于张紧状态。同步带固定装置7和同步带调整装置8通过同步带9连接，同步带9绕设于同步带轮91上。

本发明在上述基础上还具有以下实施方式，请继续参见图1至图3所示，

本发明的进一步实施例中，上臂托13上设置上臂托绑带17，前臂托14上设置前臂托绑带18，绑带将上臂托13和前臂托14牢固固定于手臂上。

本发明的进一步实施例中，内侧固定板11外部还安装有肩肘部连接板15，肩肘部连接板15与上臂固定连接。

本发明的进一步实施例中，内侧固定板11和外侧固定板12的相对面各设置有安装槽，左旋螺母5和右旋螺母6旋设于左右旋一体丝杆4上并位于安装槽内。

本发明的进一步实施例中，左右旋一体丝杆4与连接轴10相对垂直的设置。

本发明的进一步实施例中，连接轴10与内侧固定板11连接处安装有涡卷弹簧16，连接轴10与外侧固定板12连接处安装有涡卷弹簧16。

还包括一种自由度实现装置的工作原理，其中，工作原理如下：

电机1旋转，通过联轴器3带动左右旋一体丝杆4旋转，右旋螺母6和左旋螺母5顺着左右旋一体丝杆4上的螺纹方向分别做方向相反的直线运动，同时同步带9带动同步带轮91旋转，同步带轮91转动的同时带动连接轴10旋转，连接轴10最终带动前臂托14相对于上臂托13做转动。

使用者可根据以下说明进一步的认识本发明的特性及功能，

请参见图4和图5所示，整体机构沿着右上臂轴线布置在右上臂的外侧，安装时使连接轴10的轴线与肘部转动的轴线重合，上臂托13与前臂托14通过绑带分别与上臂和前臂固定。左右旋一体滚珠丝杆4与伺服驱动电机1通过联轴器3连接并随电机轴旋转，此时左右旋一体滚珠丝杆4带动左旋螺母5、右旋螺母6发生相反方向的沿丝杆轴线的直线进给运动，且左旋螺母5、右旋螺母6两侧嵌入到内侧固定板11与外侧固定板12之间，不会发生转动。

左右旋一体滚珠丝杆被固定在固定机座上，而固定机座与内外固定板固结。左旋螺母5下侧安装有同步带固定装置7、右旋螺母6上侧安装有同步带调整装置8，一条非闭合的同步带一端与同步带固定装置7和左旋螺母5固定，另一端与同步带调整装置8和右旋螺母6固定。左右旋滑块的直线进给运动，将带动同步带使得同步带轮9沿着一个方向顺时针或逆时针转动。

同步带轮9内部与连接轴10通过紧定螺钉和平键连接，带动连接轴10转动，连接轴10两端固定在内侧固定板11与外侧固定板12之间。连接轴10与前臂托14一侧固定并带动前臂托14转动，而前臂托14的另一侧与上臂托13为销钉连接。连接轴10与内侧固定板11和外侧固定板12之间都安装有涡卷弹簧作为能量储存装置。

在前臂屈曲的时候，涡卷弹簧16将释放弹性势能，提供一定扭矩辅助前臂动作，而在前臂舒张时，涡卷弹簧16将吸收弹性势能，防止前臂放下的速度太快，对患者造成二次伤害。内侧固定板11与外侧固定板12同肩肘部连接板15固定，而上臂托13与前臂托14通过绑带分别与上臂和前臂固定。

综上，左右旋一体滚珠丝杆4加左右旋滑块，将电机输出轴绕着上臂轴线方向的转动运动转化为沿着上臂轴线的直线运动，而同步带9与同步带轮91机构则把沿着上臂轴线的直线运动转化为绕肘部自由度轴线的转动运动，如图3的机构简图所示。这使得整体机构沿着上臂轴线布置在体外侧成为可能。传动系的替代方案可以为使用大减速比的减速器或多级减速器，减速器输出端与90°布置的锥齿轮相连，也可以使电机转动方向转换到肘部自由度轴线上。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，包括电机、左右旋一体丝杆、螺母、固定板、连接轴、上臂托和前臂托，所述螺母包括左旋螺母和右旋螺母，所述固定板包括内侧固定板和外侧固定板，其特征在于，

电机固定基座设于所述内侧固定板和所述外侧固定板之间并连接所述内侧固定板和所述外侧固定板，所述电机与所述左右旋一体丝杆的一端通过联轴器连接，所述电机固定于电机固定基座上；

同步带轮通过连接轴和轴承安装在内外侧固定板之间，所述连接轴通过键和紧定螺钉与所述同步带轮固定，并于所述内侧固定板的外部连接所述上臂托和所述前臂托；所述上臂托和所述前臂托分别套设于手臂的上臂和前臂上；

所述左旋螺母下侧设有同步带固定装置，所述右旋螺母的上侧设有同步带调整装置，所述同步带固定装置和所述同步带调整装置通过同步带连接，并保证同步带处于张紧状态，所述同步带绕设于所述同步带轮上。

2.根据权利要求1所述的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其特征在于，所述上臂托上设置上臂托绑带，所述前臂托上设置前臂托绑带，绑带将所述上臂托和所述前臂托牢固固定于手臂上。

3.根据权利要求1所述的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其特征在于，所述内侧固定板外部还安装有肩肘部连接板，所述肩肘部连接板与外设的肩部机构固定。

4.根据权利要求1所述的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其特征在于，所述内侧固定板和所述外侧固定板的相对面各设置有安装槽，所述左旋螺母和所述右旋螺母旋设于所述左右旋一体丝杆上，螺母两侧的凸出部分嵌入到所述安装槽，由所述安装槽限制其运动时不翻转。

5.根据权利要求1所述的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其特征在于，所述左右旋一体丝杆与所述连接轴相对垂直的设置。

6.根据权利要求1所述的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其特征在于，所述连接轴与所述内侧固定板连接处安装有涡卷弹簧，所述连接轴与所述外侧固定板连接处安装有所述涡卷弹簧。