CN104622668A - 一种肩关节运动仿生康复训练装置 - Google Patents

Abstract

一种肩关节运动仿生康复训练装置，它的底座支撑系统放置于地面上，肩胛骨左右直线运动仿生机构与底座支撑系统固定连接，与肩胛骨旋转运动仿生机构为转动副连接，盂肱关节运动仿生机构与肩胛骨旋转运动仿生机构为转动副连接，上臂辅助支撑系统与盂肱关节运动仿生机构为固定连接；本发明能实现肩关节康复训练的各种必须动作，除包括肩关节的前屈后伸、外展内收以及内旋外旋外，还实现了肩关节训练时所需的肩胛骨的左右直线运动和旋转运动，并能实现各种训练动作的较大运动范围，该装置结构简单、穿戴舒适、调节灵活，运动柔顺、安全可靠，可以对肩关节运动功能障碍患者作全方位的康复训练。

Description

一种肩关节运动仿生康复训练装置

技术领域

本发明涉及辅助医疗康复训练设备技术领域，属于一种人体运动功能康复训练装置，具体为一种辅助人体肩关节进行康复训练的装置，适用于中风、肩周炎以及由于工伤、体育运动损伤、交通事故等原因造成的肩关节运动障碍患者的康复训练。

背景技术

脑血管疾病、肌骨损伤等很容易导致人体的肢体运动功能障碍，经过临床治疗后，康复治疗一般要早期介入，由于人体上肢比下肢动作精细，其功能恢复的难度较大。85％的脑卒中患者在发病一开始就表现有上肢功能的损害，到了病后3～6个月，仍然有55％～75％的患者存在有上肢的问题，影响了患者的日常生活能力。对于偏瘫患者、尤其是急性期偏瘫患者来说，为了维持关节活动度，临床上通常都需要进行尽可能大范围的单关节运动。上肢运动功能主要涉及三个关节：肩关节、肘关节和腕关节，肩关节的运动是人体上臂完成各种动作的基础，肩关节本身稳定性较差，是人体中最易损伤的关节。根据有关运动创伤流行病学调查结果，上肢部分的运动创伤占22.18％，其中肩部创伤为主，占8.47％。在机械化程度提高的背景下，一些手工劳动工作还是必不可少的，会引起一些职业性的肌肉骨骼损伤流行病，其中肩部损伤约占10％。另外，肩周炎疾病在我国的发病率也很高，约为15.9％，人体肌骨机能有所下降以及其它慢性病导致的牵涉肩痛，都会引发肩周炎。同时临床上通常强调由近端关节到远端关节的逐步康复，因此肩的康复是患者上臂运动功能康复的前提；因此研制针对肩关节康复训练的设备是非常必要的。

对于肩关节或上肢多关节的运动康复，传统的康复训练方式主要由治疗师根据经验手动辅助患者进行训练，训练效果受到治疗师水平的影响，治疗师的工作强度也非常大。近年20多年来，国内外的一些研究机构开展了上肢康复训练技术的研究，研制出多种功能各异的上肢康复机器人和康复训练设备但真正能在临床推广应用的并不多。存在的主要问题主要表现在：

(1)目前大多数康复机器人或训练设备仅仅限于单关节的某些简单活动或平面复合运动，而康复的最基本要求是使患者恢复简单的日常生活的能力。这些运动虽从一定意义上达到了活动关节防止肌肉萎缩的功效，却与日常功能性动作相差甚远，不能刺激患者保持正确运动的感觉，对恢复日常生活能力帮助也不大。

(2)康复机器人一般以完成某种功能而设计，设计时受机器人的限制不能完成较大范围的活动，不能满足关节活动度训练的要求，尤其对肩关节这种活动范围较大的关节，因而也就不能充分提供中枢神经康复所需的运动刺激。

(3)实际的肩关节并不只是一个球窝关节，而是一个肩部多关节复合体，一般的上肢运动学模型中只考虑了肱骨、尺骨和桡骨三根骨骼的运动，而没有考虑肩胛骨、锁骨和胸骨之间的关节运动，忽略了它们在肩关节运动过程中起到的作用。

(4)无论是并联式还是串联式运动康复训练装置，其结构一般较为复杂，输入驱动太多，不符合辅助医疗康复训练设备结构简易、重量轻、舒适性好等要求。

上肢肩关节在人体运动系统中是一个比较复杂的结构，其复杂之处不仅在于其具有三个方向(前屈后伸、外展内收、内外旋)的大范围运动能力，而且肩关节并不是理想的定轴关节，生理解剖学表明人体的肩关节复合体是由多块骨骼以及交错相连的肌肉包络而成，其复杂的几何结构导致了关节轴线在运动过程中会发生摆动；另外,由于康复机器人不是绝对刚性地固定在患肢上，因而在康复运动过程中康复机器人与患肢之间还存在相对滑动，这几个方面的因素造成了康复机器人在做某些康复动作时，康复机器人与患肢之间存在运动轴线的错位，由此导致康复训练过程中患肢所受刺激形式的改变，并使患者在训练过程中产生不适感，当康复机器人驱动器的刚性比较大时，这种错位与干涉还会对人体产生长久性的伤害。考虑到以上几个方面的原因，在设计上肢肩关节康复训练装置时必须保证该机构在运动时能主动顺应人体肩部的动作，不致对人体肩关节产生有害的压迫以及过度的牵引。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足和缺陷，在充分考虑人体肩关节运动生物力学、临床训练需要和安全性的基础上，提供一种新型的肩关节运动仿生康复训练装置，以满足肩关节康复训练时的较大运动范围，能够实现日常所需的肩关节运动要求，本发明还考虑到该装置的人机耦合性、柔顺性、舒适性等要求，使肩关节康复训练系统与人体肩关节达到人机协调运动。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种肩关节运动仿生康复训练装置，其特征在于：它包括底座支撑系统(1)、肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)、肩胛骨旋转运动仿生机构(3)、盂肱关节运动仿生机构(4)、上臂辅助支撑系统(5)；

底座支撑系统(1)放置于地面上，肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)与底座支撑系统(1)固定连接，肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)与肩胛骨旋转运动仿生机构(3)为转动副连接，盂肱关节运动仿生机构(4)与肩胛骨旋转运动仿生机构(3)为转动副连接，上臂辅助支撑系统(5)与盂肱关节运动仿生机构(4)为固定连接；

所述底座支撑系统(1)主要包括：底板(11)、配重(12)、电动升降柱(13)以及支撑立座(15)；底板(11)下部安装有四个地脚(14)，用于支撑在水平地面上，电动升降柱(13)包括定柱(131)和动柱(132)，通过动柱(132)的电动升降控制来调节康复训练机构的高低，以适应坐姿和站姿时的人体肩关节高度；支撑立座(15)上设有调节孔，用于固定联接肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)，安装时可以变换固定孔位，以适合不同人体肩关节的高度；

所述肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)包括直线滑动机构和齿轮齿条传动触发机构；

该直线滑动机构包括导轨支撑座(201)、直线导轨(202)、滑块(203)、丁字板座(204)、齿条(205)、直线移位齿轮(206)，导轨支撑座(201)与支撑立座(15)通过螺栓连接固定，直线导轨(202)与导轨支撑座(201)通过螺钉连接固定，丁字板座(204)与滑块(203)通过螺钉连接固定，丁字板座(204)上设有直线移位齿轮(206)，直线移位齿轮(206)通过齿轮固定轴(224)、第一滚动轴承(225)、螺钉(226)、轴挡圈(227)安装在丁字板座(204)上，齿条(205)通过螺钉连接固定在导轨支撑座(201)上，直线移位齿轮(206)始终与齿条(205)处于啮合状态；

该齿轮齿条传动触发机构包括曲柄(207)、上连板(208)、滑座(209)、拉轴(214)、伸缩杆(215)、托架(216)、导板(219)、丁字摇板(222)，曲柄(207)与直线移位齿轮(206)上端连接固定，上连板(208)的两端分别与曲柄(207)和滑座(209)的上部铰接，滑座(209)的下部铰接在支撑轴(212)上，能沿其轴向进行滑动，支撑轴(212)安装在轴架(210)上，轴架的两端装有小压板(213)，限制轴的轴向移动和周向转动，轴架(210)与丁字板座(204)连接固定，支撑轴(212)上套装有两个第一压簧(211)，分别位于滑座(209)的两侧，使滑座(209)在静止状态下自动回位到中间位置，托架(216)与主固定座(301)连接固定，伸缩杆(215)与托架(216)为圆柱副铰接，相互之间能轴向滑动，拉轴(214)上端与伸缩杆(215)的一端垂直固定，拉轴(214)下部插入滑座(209)的长槽(228)内配合，伸缩杆(215)的另一端与导板(219)固定连接，丁字摇板(222)的一端与半圆支座(401)上的定位螺柱(223)铰接，另一端通过螺柱(220)、顶套(221)与导板(219)接触连接，在肩屈伸90度时，前拉板(408)从垂直位置向上转到水平位置，在此位置做肩关节内收外展运动时，前拉板(408)上的两个压转套(409)通过触碰丁字摇板(222)的侧边来带动导板(219)和伸缩杆(215)的前后移动，在托架(216)两侧的伸缩杆(215)上，对称安装有第二压簧(217)和定位套(218)，使伸缩杆在不伸缩状态下保持中间位置，伸缩杆(215)的轴向移动使拉轴(214)拉动滑座(209)沿支撑轴(212)来回左直线移动，从而带动直线移位齿轮(206)的转动，通过与齿条(205)的啮合运动，实现肩胛骨仿生机构的左右直线运动。

其中，所述肩胛骨旋转运动仿生机构(3)包括齿轮单摆机构和齿轮转动触发机构；

该齿轮单摆机构包括主固定座(301)、肩胛骨旋转固定齿轮(302)、肩胛骨旋转动齿轮(303)、摆轴(304)、限位轴(307)、第二滚动轴承(308)，肩胛骨旋转固定齿轮(302)通过转轴(309)与丁字板座(204)为固定连接，主固定座(301)与转轴(309)之间为转动副铰接结构；肩胛骨旋转动齿轮(303)与摆轴(304)为固定连接，摆轴(304)以转动副铰接的形式安装在主固定座(301)上，肩胛骨旋转动齿轮(303)与肩胛骨旋转固定齿轮(302)为标准齿轮传动啮合状态，摆轴(304)带动肩胛骨旋转动齿轮(303)旋转时，肩胛骨旋转固定齿轮(302)静止不动，肩胛骨旋转动齿轮(303)在旋转的同时，带动摆轴(304)及主固定座(301)向上旋转摆动，限位轴(307)与丁字板座(204)为固定连接，第二滚动轴承(308)安装于限位轴(307)的端部，并于主固定座(301)上的弧形槽孔(310)接触配合，其作用为限制主固定座(301)的运动范围，以使该机构与人体肩胛骨的旋转运动范围相匹配；

该齿轮转动触发机构包括主固定座(301)、摆轴(304)、联板(305)、摆臂(306)以及触发部件压转套(409)、后拉板(410)，主固定座(301)、摆轴(304)、联板(305)、摆臂(306)组成平面四连杆机构，通过摆臂(306)的摆动，可驱动摆轴(304)及肩胛骨旋转动齿轮(303)做旋转运动，当肩关节做外展运动训练时，后拉板(410)上端的压转套(409)向内摆动，通过触压摆臂(306)的外侧面，使摆臂(306)摆动，从而驱动肩胛骨旋转动齿轮(303)旋转，并绕肩胛骨旋转固定齿轮(302)的轴线作旋转摆动，从而达到肩胛骨旋转运动康复训练的目的。

其中，所述盂肱关节运动仿生机构(4)包括肩屈伸运动机构、肩收展运动机构和肩内外旋运动机构；

该肩屈伸运动机构为1个自由度的转动副机构，主要由半圆支座(401)、下轴承瓦(402)、屈伸转座(403)、肩屈伸齿轮(404)、肩屈伸驱动电机(405)、肩屈伸半齿轮(406)组成；半圆支座(401)与主固定座(301)为固定连接，半圆支座(401)与下轴承瓦(402)通过螺栓固定连接，它们分别相当于轴承的外圈和内圈，屈伸转座(403)与半圆支座(401)和下轴承瓦(402)均为滚珠滑动连接的方式，半圆支座(401)的内圆周上设有双排滚珠，与屈伸转座(403)上部圆弧表面上的凹槽相配合，凹槽也起到了轴向定位的作用，防止屈伸转座(403)轴向脱出，下轴承瓦(402)的外圆周表面上也设有双排滚珠，与屈伸转座(403)下部圆弧表面直接接触配合，此结构保证了屈伸转座(403)相对于半圆支座(401)的顺畅转动，肩屈伸齿轮(404)与肩屈伸半齿轮(406)为齿轮传动机构，肩屈伸半齿轮(406)固定连接在屈伸转座(403)上，肩屈伸半齿轮(406)和屈伸转座(403)的圆周角度均为230度，不但能达到肩关节前屈运动的最大180度角度，而且能够最大作50度的后伸运动，与人体的肩前屈后伸活动度范围相符，肩关节屈伸运动被动训练时，由肩屈伸驱动电机(405)来驱动肩屈伸齿轮(404)转动，并带动屈伸转座(403)旋转，实现了肩屈伸运动；

该肩收展运动机构为1个自由度的转动副机构，连接座柱(407)与后拉板(410)及前拉板(408)为铰链连接，此机构运动时，由肩收展驱动电机(411)直接驱动后拉板(410)及前拉板(408)，一同绕连接座柱(407)的外凸轴的轴线转动，实现肩收展运动训练；

该肩内外旋运动机构包括肩内外旋驱动电机(412)、U型座(413)、外圈座(414)、肩旋转半齿圈(416)、肩旋转小齿轮(417)、齿圈固定座(418)，两个外圈座(414)由螺钉分别安装在U型座(413)的上下支撑面上，并保证两外圈座(414)的圆弧中心上下同心，两外圈座的侧面上下通过加强块(415)由螺钉固定连接，起到了支撑加强作用，并且前拉板(408)及后拉板(410)也连接在加强块(415)上，肩旋转半齿圈(416)安装在齿圈固定座(418)的凹槽上，并通过螺钉紧固连接，通过滚珠保持架(419)将滚动滚珠固定在齿圈固定座(418)的上下平面上，最终通过滚珠与外圈座(414)的凹槽接触配合，肩旋转小齿轮(417)通过齿轮轴安装固定在U型座(413)上，肩旋转小齿轮(417)与齿轮轴为固定连接，并与肩旋转半齿圈(416)啮合，肩内外旋被动运动训练时，肩内外旋驱动电机(412)直接驱动齿轮轴及肩旋转小齿轮(417)转动，并带动齿圈固定座(418)转动。

其中，所述上臂辅助支撑系统(5)，包括连接座(51)、调节上臂(52)、肘关节上支架(53)、肘关节下支架(54)、调节前臂(55)、前臂板(56)、手支架(57)、手固定器(58)、肘关节转轴(59)；连接座(51)通过螺钉安装在齿圈固定座(418)的内部弧形面上，调节上臂(52)的上部设有长槽孔，通过螺栓与连接座(51)连接固定，连接长度可根据人体上臂的长度来调节，调节上臂(52)的下端与肘关节上支架(53)通过螺栓固定连接，肘关节上支架(53)和肘关节下支架(54)由肘关节转轴(59)连接为铰链结构，其相对转动角度能达到人体肘关节活动度范围；肘关节下支架(54)通过螺栓与调节前臂(55)的上端连接固定，调节前臂(55)的下部长槽孔端与前臂板(56)的上端由螺栓固定连接，连接长度可根据人体前臂的长度来调节，前臂板(56)的下端与手支架(57)通过螺栓固定连接，手固定器(58)的两端通过螺钉与手支架(57)连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

1、能够实现肩关节康复训练的各种必须动作，除了可以实现临床上肩关节康复训练的3个单一自由度的康复动作：肩前屈后伸、肩外展内收以及肩内旋外旋之外，还可以实现肩关节肩胛骨-胸关节的两个自由度的运动：肩胛骨左右直线运动、肩胛骨旋转运动，有效提高了肩关节康复运动的柔顺性，使人体肩关节复合体的大部分肌群都能得到有效的康复训练。

2、本发明的仿生机构与人体肩关节的各运动中心重合度高，运动柔顺性好，使用安全，避免了对人体肩关节运动造成过度牵拉或压迫，可以辅助患肢肩关节进行单自由度动作训练和多自由度复合运动的康复训练。

3、本发明的仿生机构，能够达到人体肩关节康复训练所要求的运动范围，满足不同肩关节康复患者的最大运动范围要求。

附图说明

图1为本发明的总体结构立体示意图。

图2为本发明的总体结构左视图。

图3为本发明的肩关节运动仿生机构总体结构局部放大示意图。

图4为本发明的肩胛骨运动仿生结构局部放大示意图。

图5为本发明的肩胛骨直线运动装置小齿轮的安装结构图。

图6为本发明的肩胛骨旋转运动机构局部放大示意图。

图7为本发明的盂肱关节运动仿生机构的局部放大结构图。

图8为本发明的上臂辅助支撑机构主视示意图。

图9为本发明的上臂辅助支撑机构立体示意图

附图标号名称：1、底座支撑系统；2、肩胛骨左右直线运动仿生机构；3、肩胛骨旋转运动仿生机构；4、盂肱关节运动仿生机构；5、上臂辅助支撑系统；11、底板；12、配重；13、电动升降柱；14、地脚；15、支撑立座；131、定柱；132、动柱；201、导轨支撑座；202、直线导轨；203、滑块；204、丁字板座；205、齿条；206、直线移位齿轮；207、曲柄；208、上连板；209、滑座；210、轴架；211、第一压簧；212、支撑轴；213、小压板；214、拉轴；215、伸缩杆；216、托架；217、第二压簧218、定位套；219、导板；220、螺柱；221、顶套；222、丁字摇板；223、定位螺柱；224、齿轮固定轴；225、第一滚动轴承；226、螺钉；227、轴挡圈；228、长槽；301、主固定座；302、肩胛骨旋转固定齿轮；303、肩胛骨旋转动齿轮；304、摆轴；305、联板；306、摆臂；307、限位轴；308、第二滚动轴承；309、转轴；310、弧形槽孔；401、半圆支座；402、下轴承瓦；403、屈伸转座；404、肩屈伸齿轮；405、肩屈伸驱动电机；406、肩屈伸半齿轮；407、连接座柱；408、前拉板；409、压转套；410、后拉板；411、肩收展驱动电机；412、肩内外旋驱动电机；413、U型座；414、外圈座；415、加强块；416、肩旋转半齿圈；417、肩旋转小齿轮；418、齿圈固定座；419、滚珠保持架；51、连接座；52、调节上臂；53、肘关节上支架；54、肘关节下支架；55、调节前臂；56、前臂板；57、手支架；58、手固定器；59、肘关节转轴。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明所述的一种肩关节运动仿生康复训练装置的总体结构将得到详细说明。该肩关节运动仿生康复训练装置为一个典型的串联机构，包含5个自由度，用来模拟人的肩关节复合体的运动自由度，能够满足人的日常生活需要。

如图1所示，本发明总体上包括：底座支撑系统1、肩胛骨左右直线运动仿生机构2、肩胛骨旋转运动仿生机构3、盂肱关节运动仿生机构4、上臂辅助支撑系统5。其中底座支撑系统1放置于地面上，肩胛骨左右直线运动仿生机构2与底座支撑系统固定连接，与肩胛骨旋转运动仿生机构3为转动副连接，盂肱关节运动仿生机构4与肩胛骨旋转运动仿生机构3为转动副连接，上臂辅助支撑系统5与盂肱关节运动仿生机构4为固定连接。

如图1、图2所示，底座支撑系统1主要包括：底板11、配重12、电动升降柱13以及支撑立座15；底板11下部安装有四个地脚14，用于支撑在水平地面上，电动升降柱13包括定柱131和动柱132，通过动柱132的电动升降控制来调节康复训练机构的高低，以适应坐姿和站姿时的人体肩关节高度。支撑立座15上设有调节孔，用于固定联接肩胛骨左右直线运动仿生机构2，安装时可以选择合适的联接孔位，以适合不同患者康复训练所需的肩关节高度。

图3、图4是本发明的肩关节运动仿生机构总体结构局部放大示意图，对于图1、图2所示的肩胛骨左右直线运动仿生机构2，在图3、图4中进行详细说明,肩胛骨左右直线运动仿生机构2包括直线滑动机构和齿轮齿条传动触发机构。

直线滑动机构包括导轨支撑座201、直线导轨202、滑块203、丁字板座204、齿条205、直线移位齿轮206，导轨支撑座201与支撑立座15通过螺栓连接固定，直线导轨202与导轨支撑座201通过螺钉连接固定，丁字板座204与滑块203通过螺钉连接固定，丁字板座204上设有直线移位齿轮206，具体如图5所示，直线移位齿轮206通过齿轮固定轴224、第一滚动轴承225、螺钉226、轴挡圈227安装在丁字板座204上。齿条205通过螺钉连接固定在导轨支撑座201上，直线移位齿轮206始终与齿条205处于啮合状态。

齿轮齿条传动触发机构主要包括曲柄207、上连板208、滑座209、拉轴214、伸缩杆215、托架216、导板219、丁字摇板222，曲柄207与直线移位齿轮206上端连接固定，上连板208的两端分别与曲柄207和滑座209的上部铰接，滑座209的下部铰接在支撑轴212上，能沿其轴向进行滑动，支撑轴212安装在轴架210上，轴架的两端装有小压板213，限制轴的轴向移动和周向转动，轴架210与丁字板座204连接固定，支撑轴212上套装有两个第一压簧211，分别位于滑座209的两侧，使滑座209在静止状态下自动回位到中间位置。如图4所示，托架216与主固定座301连接固定，伸缩杆215与托架216为圆柱副铰接，相互之间能轴向滑动，拉轴214上端与伸缩杆215的一端垂直固定，拉轴214下部插入滑座209的长槽228内配合，伸缩杆215的另一端与导板219固定连接，丁字摇板222的一端与半圆支座401上的定位螺柱223铰接，另一端通过螺柱220、顶套221与导板219接触连接，在肩屈伸90度时，前拉板408从如图3的垂直位置向上转到水平位置，在此位置做肩关节内收外展运动时，前拉板408上的两个压转套409通过触碰丁字摇板222的侧边来带动导板219和伸缩杆215的前后移动，在托架216两侧的伸缩杆215上，对称安装有第二压簧217和定位套218，使伸缩杆在不伸缩状态下保持中间位置。伸缩杆215的轴向移动使拉轴214拉动滑座209沿支撑轴212来回左直线移动，从而带动直线移位齿轮206的转动，通过与齿条205的啮合运动，实现肩胛骨仿生机构的左右直线运动。

对于图1、图2所示的肩胛骨旋转运动仿生机构3，参照图3、图4中作进一步详细说明,肩胛骨旋转运动仿生机构3包括齿轮单摆机构和齿轮转动触发机构。

齿轮单摆机构主要包括主固定座301、肩胛骨旋转固定齿轮302、肩胛骨旋转动齿轮303、摆轴304、限位轴307、第二滚动轴承308(图6)，肩胛骨旋转固定齿轮302通过转轴309(图中未显示)与丁字板座204为固定连接，主固定座301与转轴309之间为转动副铰接结构。肩胛骨旋转动齿轮303与摆轴304为固定连接，摆轴304以转动副铰接的形式安装在主固定座301上，肩胛骨旋转动齿轮303与肩胛骨旋转固定齿轮302为标准齿轮传动啮合状态，摆轴304带动肩胛骨旋转动齿轮303旋转时，肩胛骨旋转固定齿轮302静止不动，肩胛骨旋转动齿轮303在旋转的同时，带动摆轴304及主固定座301向上旋转摆动，限位轴307(见图4)与丁字板座204为固定连接，第二滚动轴承308安装于限位轴307的端部，并于主固定座301上的弧形槽孔310接触配合，其作用为限制主固定座301的运动范围，以使该机构与人体肩胛骨的旋转运动范围相匹配。

齿轮转动触发机构主要包括主固定座301、摆轴304、联板305、摆臂306以及触发部件压转套409、后拉板410，主固定座301、摆轴304、联板305、摆臂306组成平面四连杆机构，通过摆臂306的摆动，可驱动摆轴304及肩胛骨旋转动齿轮303做旋转运动，在图4状态下当肩关节做外展运动训练时，后拉板410上端的压转套409向内摆动，通过触压摆臂306的外侧面，使摆臂306摆动，从而驱动肩胛骨旋转动齿轮303旋转，并绕肩胛骨旋转固定齿轮302的轴线作旋转摆动，从而达到肩胛骨旋转运动康复训练的目的。

对于图1、图2所示的盂肱关节运动仿生机构4，参照图7中作进一步详细说明,人体盂肱关节为我们日常所说的肩关节，它是一个球窝关节，具有三个自由度，本发明的盂肱关节运动仿生机构同样具有三个自由度，人机双运动链的匹配更加柔顺、自然，盂肱关节运动仿生机构4由肩屈伸运动机构、肩收展运动机构和肩内外旋运动机构组成。

如图7所示，肩屈伸运动机构为1个自由度的转动副机构，主要由半圆支座401、下轴承瓦402、屈伸转座403、肩屈伸齿轮404、肩屈伸驱动电机405、肩屈伸半齿轮406组成，半圆支座401与主固定座301为固定联接一体件，半圆支座401与下轴承瓦402通过螺栓固定连接，它们分别相当于轴承的外圈和内圈，屈伸转座403与半圆支座401和下轴承瓦402均为滚珠滑动连接的方式，半圆支座401的内圆周上设有双排滚珠(图中未显示)，与屈伸转座403上部圆弧表面上的凹槽(图中未显示)相配合，凹槽也起到了轴向定位的作用，防止屈伸转座403轴向脱出，下轴承瓦402的外圆周表面上也设有双排滚珠(图中未显示)，与屈伸转座403下部圆弧表面直接接触配合，此结构保证了屈伸转座403相对于半圆支座401的顺畅转动，肩屈伸齿轮404与肩屈伸半齿轮406为齿轮传动机构，肩屈伸半齿轮406固定连接在屈伸转座403上，肩屈伸半齿轮406和屈伸转座403的圆周角度均为230度，不但能达到肩关节前屈运动的最大180度角度，而且能够最大作50度的后伸运动，与人体的肩前屈后伸活动度范围相符，肩关节屈伸运动被动训练时，由肩屈伸驱动电机405来驱动肩屈伸齿轮404转动，并带动屈伸转座403旋转，实现了肩屈伸运动。

如图7所示，对于肩收展运动机构为1个自由度的转动副机构，当肩屈伸运动机构处于任何位置时，肩收展运动机构都可实现一定范围的转动，从而大大扩大了人体上肢训练的运动范围，连接座柱407与后拉板410及前拉板408为铰链连接，此机构运动时，由肩收展驱动电机411直接驱动后拉板410及前拉板408，一同绕连接座柱407的外凸轴的轴线转动，实现肩收展运动训练。

如图7所示，肩内外旋运动机构主要包括肩内外旋驱动电机412、U型座413、外圈座414、肩旋转半齿圈416、肩旋转小齿轮417、齿圈固定座418(见图3)，两个外圈座414由螺钉分别安装在U型座413的上下支撑面上，并保证两外圈座414的圆弧中心上下同心，两外圈座的侧面上下通过加强块415由螺钉固定连接，起到了支撑加强作用，并且前拉板408及后拉板410也连接在加强块415上，肩旋转半齿圈416安装在齿圈固定座418的凹槽上(图中未显示)并通过螺钉紧固连接，通过滚珠保持架419(图3)将滚动滚珠(图中未显示)固定在齿圈固定座418的上下平面上，最终通过滚珠与外圈座414的凹槽(图中未显示)接触配合，肩旋转小齿轮417通过齿轮轴(图中未显示)安装固定在U型座413上，肩旋转小齿轮417与齿轮轴为固定连接，并与肩旋转半齿圈416啮合，肩内外旋被动运动训练时，肩内外旋驱动电机412直接驱动齿轮轴及肩旋转小齿轮417转动，并带动齿圈固定座418转动。

对于图1、图2所示的上臂辅助支撑系统5，参照图8、图9作进一步详细说明,上臂辅助支撑系统5主要包括连接座51、调节上臂52、肘关节上支架53、肘关节下支架54、调节前臂55、前臂板56、手支架57、手固定器58、肘关节转轴59。如图8，连接座51通过螺钉安装在齿圈固定座418的内部弧形面上，调节上臂52的上部设有长槽孔，通过螺栓与连接座51连接固定，连接长度可根据人体上臂的长度来调节，调节上臂52的下端与肘关节上支架53通过螺栓固定连接，肘关节上支架53和肘关节下支架54由肘关节转轴59连接为铰链结构，其相对转动角度能达到人体肘关节活动度范围。肘关节下支架54通过螺栓与调节前臂55的上端连接固定，调节前臂55的下部长槽孔端与前臂板56的上端由螺栓固定连接，连接长度可根据人体前臂的长度来调节，前臂板56的下端与手支架57通过螺栓固定连接，手固定器58的两端通过螺钉与手支架57连接。

本发明在具体工作时：康复训练装置的底板11通过地脚14可靠的放置在水平地面上。根据患者的康复运动训练位姿(坐姿或站姿)，提前调节动柱132的高度，使人体的肩关节对位于该装置的盂肱关节运动仿生机构4的运动自由度中心点(肩屈伸运动机构、肩收展运动机构和肩内外旋运动机构三个运动旋转轴的交点)。调整调节上臂52、调节前臂55长槽孔处的连接螺栓固定位置，使上臂辅助支撑系统5的长度尺寸与患者上臂、前臂的长度尺寸相适应，且患者的手能自然抓握到手固定器58。通过临床实际康复训练要求设定的训练数据，由肩屈伸驱动电机405、肩收展驱动电机411、肩内外旋驱动电机412按任务程序驱动盂肱关节运动仿生机构4带动人体肩关节做被动运动训练，本发明的肩胛骨左右直线运动仿生机构2、肩胛骨旋转运动仿生机构3为两个随动自由度运动机构，其运动在肩收展被动康复训练运动条件下产生：上肢在正常下垂状态下，由肩收展驱动电机411驱动做内收外展运动到一定角度时，会同时触发肩胛骨旋转运动仿生机构3动作，使装置随同人体肩胛骨做肩胛骨旋转运动；上肢在前屈到水平位置状态下，做由肩收展驱动电机411驱动做水平内收外展运动时，会同时肩胛骨左右直线运动仿生机构2动作，使装置随同人体肩胛骨做左右直线运动。这两个随动运动机构可有效的实现肩关节运动康复训练的运动柔顺性。

本发明的肩关节运动仿生康复训练装置，包含5个关节自由度，通过这5个关节自由度可以实现各种简单和复杂的肩关节康复运动。在康复训练的早期，为了单独训练某一个动作，可以单独驱动，做单一的往返运动，促进运动功能的恢复，同时锻炼肌肉力量，避免肌肉萎缩。随着单个动作的训练，肩关节复合体附近肌肉力量的逐渐增强，当恢复到一定阶段，通过多个单一自由度的组合运动，实现复杂的肩关节运动，完成日常的简单动作，比如通过5个自由度的组合，可以完成举杯喝水、梳头等简单的日常动作。通过这样的训练过程，逐步实现患肢的康复。

本发明不仅局限于这一个实施例，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种肩关节运动仿生康复训练装置，其特征在于：它包括底座支撑系统(1)、肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)、肩胛骨旋转运动仿生机构(3)、盂肱关节运动仿生机构(4)、上臂辅助支撑系统(5)；

底座支撑系统(1)放置于地面上，肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)与底座支撑系统(1)固定连接，肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)与肩胛骨旋转运动仿生机构(3)为转动副连接，盂肱关节运动仿生机构(4)与肩胛骨旋转运动仿生机构(3)为转动副连接，上臂辅助支撑系统(5)与盂肱关节运动仿生机构(4)为固定连接；

所述底座支撑系统(1)主要包括：底板(11)、配重(12)、电动升降柱(13)以及支撑立座(15)；底板(11)下部安装有四个地脚(14)，用于支撑在水平地面上，电动升降柱(13)包括定柱(131)和动柱(132)，通过动柱(132)的电动升降控制来调节康复训练机构的高低，以适应坐姿和站姿时的人体肩关节高度；支撑立座(15)上设有调节孔，用于固定联接肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)，安装时可以变换固定孔位，以适合不同人体肩关节的高度；

所述肩胛骨左右直线运动仿生机构(2)包括直线滑动机构和齿轮齿条传动触发机构；

该直线滑动机构包括导轨支撑座(201)、直线导轨(202)、滑块(203)、丁字板座(204)、齿条(205)、直线移位齿轮(206)，导轨支撑座(201)与支撑立座(15)通过螺栓连接固定，直线导轨(202)与导轨支撑座(201)通过螺钉连接固定，丁字板座(204)与滑块(203)通过螺钉连接固定，丁字板座(204)上设有直线移位齿轮(206)，直线移位齿轮(206)通过齿轮固定轴(224)、第一滚动轴承(225)、螺钉(226)、轴挡圈(227)安装在丁字板座(204)上，齿条(205)通过螺钉连接固定在导轨支撑座(201)上，直线移位齿轮(206)始终与齿条(205)处于啮合状态；

该齿轮齿条传动触发机构包括曲柄(207)、上连板(208)、滑座(209)、拉轴(214)、伸缩杆(215)、托架(216)、导板(219)、丁字摇板(222)，曲柄(207)与直线移位齿轮(206)上端连接固定，上连板(208)的两端分别与曲柄(207)和滑座(209)的上部铰接，滑座(209)的下部铰接在支撑轴(212)上，能沿其轴向进行滑动，支撑轴(212)安装在轴架(210)上，轴架的两端装有小压板(213)，限制轴的轴向移动和周向转动，轴架(210)与丁字板座(204)连接固定，支撑轴(212)上套装有两个第一压簧(211)，分别位于滑座(209)的两侧，使滑座(209)在静止状态下自动回位到中间位置，托架(216)与主固定座(301)连接固定，伸缩杆(215)与托架(216)为圆柱副铰接，相互之间能轴向滑动，拉轴(214)上端与伸缩杆(215)的一端垂直固定，拉轴(214)下部插入滑座(209)的长槽(228)内配合，伸缩杆(215)的另一端与导板(219)固定连接，丁字摇板(222)的一端与半圆支座(401)上的定位螺柱(223)铰接，另一端通过螺柱(220)、顶套(221)与导板(219)接触连接，在肩屈伸90度时，前拉板(408)从垂直位置向上转到水平位置，在此位置做肩关节内收外展运动时，前拉板(408)上的两个压转套(409)通过触碰丁字摇板(222)的侧边来带动导板(219)和伸缩杆(215)的前后移动，在托架(216)两侧的伸缩杆(215)上，对称安装有第二压簧(217)和定位套(218)，使伸缩杆在不伸缩状态下保持中间位置，伸缩杆(215)的轴向移动使拉轴(214)拉动滑座(209)沿支撑轴(212)来回左直线移动，从而带动直线移位齿轮(206)的转动，通过与齿条(205)的啮合运动，实现肩胛骨仿生机构的左右直线运动。

2.根据权利要求1中所述的肩关节运动仿生康复训练装置，其特征在于：

所述肩胛骨旋转运动仿生机构(3)包括齿轮单摆机构和齿轮转动触发机构；

该齿轮单摆机构包括主固定座(301)、肩胛骨旋转固定齿轮(302)、肩胛骨旋转动齿轮(303)、摆轴(304)、限位轴(307)、第二滚动轴承(308)，肩胛骨旋转固定齿轮(302)通过转轴(309)与丁字板座(204)为固定连接，主固定座(301)与转轴(309)之间为转动副铰接结构；肩胛骨旋转动齿轮(303)与摆轴(304)为固定连接，摆轴(304)以转动副铰接的形式安装在主固定座(301)上，肩胛骨旋转动齿轮(303)与肩胛骨旋转固定齿轮(302)为标准齿轮传动啮合状态，摆轴(304)带动肩胛骨旋转动齿轮(303)旋转时，肩胛骨旋转固定齿轮(302)静止不动，肩胛骨旋转动齿轮(303)在旋转的同时，带动摆轴(304)及主固定座(301)向上旋转摆动，限位轴(307)与丁字板座(204)为固定连接，第二滚动轴承(308)安装于限位轴(307)的端部，并于主固定座(301)上的弧形槽孔(310)接触配合，其作用为限制主固定座(301)的运动范围，以使该机构与人体肩胛骨的旋转运动范围相匹配；

该齿轮转动触发机构包括主固定座(301)、摆轴(304)、联板(305)、摆臂(306)以及触发部件压转套(409)、后拉板(410)，主固定座(301)、摆轴(304)、联板(305)、摆臂(306)组成平面四连杆机构，通过摆臂(306)的摆动，可驱动摆轴(304)及肩胛骨旋转动齿轮(303)做旋转运动，当肩关节做外展运动训练时，后拉板(410)上端的压转套(409)向内摆动，通过触压摆臂(306)的外侧面，使摆臂(306)摆动，从而驱动肩胛骨旋转动齿轮(303)旋转，并绕肩胛骨旋转固定齿轮(302)的轴线作旋转摆动，从而达到肩胛骨旋转运动康复训练的目的。

3.根据权利要求2中所述的肩关节运动仿生康复训练装置，其特征在于：

所述盂肱关节运动仿生机构(4)包括肩屈伸运动机构、肩收展运动机构和肩内外旋运动机构；

该肩屈伸运动机构为1个自由度的转动副机构，主要由半圆支座(401)、下轴承瓦(402)、屈伸转座(403)、肩屈伸齿轮(404)、肩屈伸驱动电机(405)、肩屈伸半齿轮(406)组成；半圆支座(401)与主固定座(301)为固定连接，半圆支座(401)与下轴承瓦(402)通过螺栓固定连接，它们分别相当于轴承的外圈和内圈，屈伸转座(403)与半圆支座(401)和下轴承瓦(402)均为滚珠滑动连接的方式，半圆支座(401)的内圆周上设有双排滚珠，与屈伸转座(403)上部圆弧表面上的凹槽相配合，凹槽也起到了轴向定位的作用，防止屈伸转座(403)轴向脱出，下轴承瓦(402)的外圆周表面上也设有双排滚珠，与屈伸转座(403)下部圆弧表面直接接触配合，此结构保证了屈伸转座(403)相对于半圆支座(401)的顺畅转动，肩屈伸齿轮(404)与肩屈伸半齿轮(406)为齿轮传动机构，肩屈伸半齿轮(406)固定连接在屈伸转座(403)上，肩屈伸半齿轮(406)和屈伸转座(403)的圆周角度均为230度，不但能达到肩关节前屈运动的最大180度角度，而且能够最大作50度的后伸运动，与人体的肩前屈后伸活动度范围相符，肩关节屈伸运动被动训练时，由肩屈伸驱动电机(405)来驱动肩屈伸齿轮(404)转动，并带动屈伸转座(403)旋转，实现了肩屈伸运动；

该肩收展运动机构为1个自由度的转动副机构，连接座柱(407)与后拉板(410)及前拉板(408)为铰链连接，此机构运动时，由肩收展驱动电机(411)直接驱动后拉板(410)及前拉板(408)，一同绕连接座柱(407)的外凸轴的轴线转动，实现肩收展运动训练；

该肩内外旋运动机构包括肩内外旋驱动电机(412)、U型座(413)、外圈座(414)、肩旋转半齿圈(416)、肩旋转小齿轮(417)、齿圈固定座(418)，两个外圈座(414)由螺钉分别安装在U型座(413)的上下支撑面上，并保证两外圈座(414)的圆弧中心上下同心，两外圈座的侧面上下通过加强块(415)由螺钉固定连接，起到了支撑加强作用，并且前拉板(408)及后拉板(410)也连接在加强块(415)上，肩旋转半齿圈(416)安装在齿圈固定座(418)的凹槽上，并通过螺钉紧固连接，通过滚珠保持架(419)将滚动滚珠固定在齿圈固定座(418)的上下平面上，最终通过滚珠与外圈座(414)的凹槽接触配合，肩旋转小齿轮(417)通过齿轮轴安装固定在U型座(413)上，肩旋转小齿轮(417)与齿轮轴为固定连接，并与肩旋转半齿圈(416)啮合，肩内外旋被动运动训练时，肩内外旋驱动电机(412)直接驱动齿轮轴及肩旋转小齿轮(417)转动，并带动齿圈固定座(418)转动。

4.根据权利要求3中所述的肩关节运动仿生康复训练装置，其特征在于：

所述上臂辅助支撑系统(5)，包括连接座(51)、调节上臂(52)、肘关节上支架(53)、肘关节下支架(54)、调节前臂(55)、前臂板(56)、手支架(57)、手固定器(58)、肘关节转轴(59)；连接座(51)通过螺钉安装在齿圈固定座(418)的内部弧形面上，调节上臂(52)的上部设有长槽孔，通过螺栓与连接座(51)连接固定，连接长度可根据人体上臂的长度来调节，调节上臂(52)的下端与肘关节上支架(53)通过螺栓固定连接，肘关节上支架(53)和肘关节下支架(54)由肘关节转轴(59)连接为铰链结构，其相对转动角度能达到人体肘关节活动度范围；肘关节下支架(54)通过螺栓与调节前臂(55)的上端连接固定，调节前臂(55)的下部长槽孔端与前臂板(56)的上端由螺栓固定连接，连接长度可根据人体前臂的长度来调节，前臂板(56)的下端与手支架(57)通过螺栓固定连接，手固定器(58)的两端通过螺钉与手支架(57)连接。