CN104666049A - 一种新型便携式上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为一种新型便携式上肢康复机器人，有5个自由度，能同时带动肩部、臂部、手腕和手部进行运动康复，既可用于单关节运动康复，又可多个关节同时进行运动康复。该上肢康复机器人包括直流电机及电动推杆驱动模块、机械臂执行模块、机械臂长度调节模块、限位模块和手部和腕部连接模块，所述直流电机及电动推杆驱动模块和机械臂执行模块相连，机械臂长度调节模块根据患者手臂长度进行调节，限位模块保证康复运动过程的安全，手部和腕部连接模块保证手腕运动的同时能驱动手部进行康复训练。该便携式上肢康复机器人结构简单，重量小，易于携带，生产成本低，操作方便可靠，发展前景广阔。

Description

一种新型便携式上肢康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，特别是一种带有限位装置，大小臂长度可调且能同时带动肩部、臂部、手腕和手部进行运动的便携式上肢康复机器人。

背景技术

心脑血管疾病对人类来说是一个严重的威胁，尤其是对50岁以上的中老年人，即使应用目前最先进的综合治疗，仍然有超过一半中风幸存者生活不能自理，而由于我国正在向老龄化快速迈进，这种情况显得尤为突出。针对心脑血管疾病的发病率逐年上升、偏瘫上肢康复训练存在弊端、理疗师治疗效率较低的情况，开发一种能为偏瘫患者恢复上肢活动能力、维持上肢关节及神经活力、减少并发症的上肢康复机器人非常必要。

目前已提出的一些上肢康复机器人，主要通过带动肩部和臂部的关节来实施上肢功能康复，大多缺少同时带动手腕和手部关节进行功能康复的功能，且可便携的上肢康复机器人，如专利申请号为201110176549.2的发明专利“上肢康复机器人”和专利申请号为201010218016.1的发明专利“外骨骼式上肢康复机器人”等。此外，还有少数上肢康复机器人同时考虑肩部、臂部和腕部关节，但结构过于复杂且需要专用支架安装，如专利申请号为200810064878.6的发明专利“五自由度外骨骼式上肢康复机器人”和专利申请号为201110352097.9的发明专利“外骨骼可穿戴式上肢康复机器人”等。从上肢的神经恢复和活动能力康复考虑，手腕和手部关节作为上肢最灵活的关节、其运动对整个上肢的功能康复非常重要。尚无可同时带动肩部、臂部、腕部和手部进行运动来实施上肢康复，同时结构简单可便携使用的上肢康复机器人。

发明内容

本发明提供了一种新型便携式上肢康复机器人，该新型康复机器人结构简单，可以直接捆绑在背部进行康复训练，方便携带，也可安装固定在任意底座，具有限位装置，可以保证大小臂及手部结构运动位置的准确，肩关节、肘关节、腕关节及手部关节的运动分别用电机及三个电动推杆驱动，拥有其独立的驱动模块，可以实现关节单独及同时运动。

实现本发明的技术解决方案为：一种新型便携式上肢康复机器人，包括直流驱动电机、电机支撑架、机器人固定支撑座、电机及手臂联轴器、定位销、肩部延伸连接臂、第一旋转轴、第一电动推杆、大臂上半部分、第一推杆固定支撑座、第二推杆固定支撑座、大臂连接导向件、第三推杆固定支撑座、大臂下半部分、第二电动推杆、第四推杆固定支撑座、第二旋转轴、小臂下半部分、小臂连接导向件、第五推杆固定支撑座、小臂上半部分、第三电动推杆、大齿轮轴、第三旋转轴、腕部旋转件、手指支撑件、腕部及手指连接部件；

所述直流驱动电机固定在电机支撑架上，直流驱动电机和电机支撑架同时固定在机器人固定支撑座上，直流驱动电机的输出轴通过电机及手臂联轴器架在机器人固定支撑座上，肩部延伸连接臂和电机及手臂联轴器通过定位销固定在一起；肩部延伸连接臂通过第一旋转轴与大臂上半部分连接在一起，第一电动推杆末端通过第一推杆固定支撑座固定在肩部延伸连接臂上，第一电动推杆输出端通过第二推杆固定支撑座固定在大臂上半部分上；大臂下半部分通过第二旋转轴与小臂下半部分连接在一起，第二电动推杆末端通过第三推杆固定支撑座固定在大臂下半部分上，第二电动推杆输出端通过第四推杆固定支撑座固定在小臂下半部分上；小臂上半部分通过第三旋转轴与腕部旋转件连接在一起，第三电动推杆末端通过第五推杆固定支撑座固定在小臂上半部分上，第三电动推杆输出端通过大齿轮轴偏心伸出部分固定在腕部及手指连接部件上；

大臂连接导向件的一端固定在大臂下半部分上，大臂连接导向件的另一端位于大臂上半部分内部并可沿大臂上半部分的中心轴移动，小臂连接导向件的一端固定在小臂下半部分上，小臂连接导向件的另一端位于小臂上半部分内部并可沿小臂上半部分的中心轴移动。

本发明与现有技术相比,其显著优点为：1)本发明为5-DOF便携式上肢康复机器人，机器人主体模拟上肢的主要运动功能，可同时带动肩部、臂部、手腕和手部进行运动康复，能更好地起到上肢康复的效果；2)本发明可直接捆绑在背部进行康复训练，方便携带，也可安装固定在任意底座，且机械臂长度可调，可适用于不同身高的患者，同时可根据患者手臂的长度及运动障碍的程度对用机械臂长度和不同关节康复运动强度进行调解，适用人群范围更广，针对性更强；3)本发明机械限位与电气限位相结合，通过机械限位来保证康复运动的安全，通过限位开关来保证各结构运动位置的准确，使康复治疗更加安全；4)本发明结构简单，组成零件少，重量小，易于携带，生产成本低，易于生产加工并实现产品化，且为电动控制，操作方便可靠，发展前景广阔。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明一种便携式上肢康复机器人的三维结构图。

图2为本发明一种便携式上肢康复机器人中将腕部屈伸和手指运动连接在一起的机构的结构图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种新型便携式上肢康复机器人，包括直流驱动电机1、电机支撑架2、机器人固定支撑座3、电机及手臂联轴器4、定位销6、肩部延伸连接臂8、第一旋转轴9、第一电动推杆10、大臂上半部分11、第一推杆固定支撑座13、第二推杆固定支撑座12、大臂连接导向件16、第三推杆固定支撑座17、大臂下半部分18、第二电动推杆19、第四推杆固定支撑座20、第二旋转轴21、小臂下半部分22、小臂连接导向件23、第五推杆固定支撑座24、小臂上半部分25、第三电动推杆26、大齿轮轴27、第三旋转轴28、腕部旋转件29、手指支撑件30、腕部及手指连接部件A；

所述直流驱动电机1固定在电机支撑架2上，直流驱动电机1和电机支撑架2同时固定在机器人固定支撑座3上，直流驱动电机1的输出轴通过电机及手臂联轴器4架在机器人固定支撑座3上，肩部延伸连接臂8和电机及手臂联轴器4通过定位销6固定在一起；肩部延伸连接臂8通过第一旋转轴9与大臂上半部分11连接在一起，第一电动推杆10末端通过第一推杆固定支撑座13固定在肩部延伸连接臂8上，第一电动推杆10输出端通过第二推杆固定支撑座12固定在大臂上半部分11上；大臂下半部分18通过第二旋转轴21与小臂下半部分22连接在一起，第二电动推杆19末端通过第三推杆固定支撑座17固定在大臂下半部分18上，第二电动推杆19输出端通过第四推杆固定支撑座20固定在小臂下半部分22上；小臂上半部分25通过第三旋转轴28与腕部旋转件29连接在一起，第三电动推杆26末端通过第五推杆固定支撑座24固定在小臂上半部分25上，第三电动推杆26输出端通过大齿轮轴27偏心伸出部分固定在腕部及手指连接部件A上；

大臂连接导向件16的一端固定在大臂下半部分18上，大臂连接导向件16的另一端位于大臂上半部分11内部并可沿大臂上半部分11的中心轴移动，小臂连接导向件23的一端固定在小臂下半部分22上，小臂连接导向件23的另一端位于小臂上半部分25内部并可沿小臂上半部分25的中心轴移动。

所述腕部及手指连接部件A包括小齿轮轴A-1、大齿轮轴27、拉伸弹簧A-3、弹性带A-4、柔性手套A-5、传动带A-6、滚动轮A-7和齿轮盖A-8；

所述小齿轮轴A-1与大齿轮轴27均位于小臂上半部分25和齿轮盖A-8之间，小齿轮轴A-1与大齿轮轴27相互啮合，小齿轮轴A-1上套有两个滚动轴承，其中一个靠近小臂上半部分25，另一个位于齿轮盖A-8内侧，大齿轮轴27两侧各设置一个滚动轴承，拉伸弹簧A-3的一端固定在小臂上半部分25靠近腕部的位置，拉伸弹簧A-3的另一端固定在手指支撑件30上；柔性手套A-5的后端固定在手指支撑件30上，前端不固定，弹性带A-4的两端分别固定在柔性手套A-5前端以及手指支撑件30的前侧，滚动轮A-7固定在小齿轮轴A-1的伸出端上，传动带A-6一端绕在滚动轮A-7上，另一端固定在柔性手套A-5前端。

所述大齿轮轴27的偏心伸出轴固定在第三电动推杆26的输出端，大齿轮轴27和小齿轮轴A-1的传动比为3：1，大齿轮轴27的行程为120°。

本发明的新型便携式上肢康复机器人，还包括用于限制肩部的外展内收角度的肩部限位装置7，该肩部限位装置7固定在机器人固定支撑座3上。

本发明的新型便携式上肢康复机器人，还包括大臂固定螺钉14、大臂导向螺钉组15、小臂导向螺钉组31和小臂固定螺钉32，大臂连接导向件16、小臂连接导向件23均有未打通的U形槽，大臂导向螺钉组15卡在大臂连接导向件16的U形槽中起导向作用，大臂固定螺钉14卡在大臂连接导向件16的U形槽中将U形槽的底面压紧，小臂导向螺钉组31卡在小臂连接导向件23的U形槽中起导向作用，小臂固定螺钉32卡在小臂连接导向件23的U形槽中将U形槽的底面压紧。

下面进行更详细的描述：

结合图1和图2，本发明为一种便携式上肢康复机器人，包括直流驱动电机1、电机支撑架2、机器人固定支撑座3、电机及手臂联轴器4、大滚动轴承5、定位销6、肩部限位装置7、肩部延伸连接臂8、第一旋转轴9、第一电动推杆10、大臂上半部分11、第一推杆固定支撑座12、第二推杆固定支撑座13、大臂固定螺钉14、大臂导向螺钉组15、大臂连接导向件16、第三推杆固定支撑座17、大臂下半部分18、第二电动推杆19、第四推杆固定支撑座20、第二旋转轴21、小臂下半部分22、小臂连接导向件23、第五推杆固定支撑座24、小臂上半部分25、第三电动推杆26、大齿轮轴27、第三旋转轴28、腕部旋转件29、手指支撑件30、腕部及手指连接部件A、小臂导向螺钉组31和小臂固定螺钉32，其中所述直流驱动电机1固定在电机支撑架2上，同时固定在机器人固定支撑座3上，肩部延伸连接臂8和直流驱动电机1的输出轴通过电机及手臂联轴器4架在机器人固定支撑座3上，肩部延伸连接臂8和电机及手臂联轴器4通过定位销6固定在一起；肩部延伸连接臂8通过第一旋转轴9与大臂上半部分11连接在一起，第一电动推杆10末端通过第一推杆固定支撑座13固定在肩部延伸连接臂8上，第一电动推杆10输出端通过第二推杆固定支撑座12固定在大臂上半部分11上；大臂下半部分18通过第二旋转轴21与小臂下半部分22连接在一起，第二电动推杆19末端通过第三推杆固定支撑座17固定在大臂下半部分18上，第二电动推杆19输出端端通过第四推杆固定支撑座20固定在小臂下半部分22上；小臂上半部分25通过第三旋转轴28与腕部旋转件29连接在一起，第三电动推杆26末端通过第五推杆固定支撑座24固定在小臂上半部分25上，第三电动推杆26输出端端通过大齿轮轴27偏心伸出部分固定在腕部及手指连接部件A上；通过上述直流驱动电机1、第一电动推杆10、第二电动推杆19和第三电动推杆26进行运动控制，分别对肩部延伸连接臂8、大臂上半部分11、小臂下半部分22及大齿轮轴27的转速和转向进行调节，从而实现肩部的外展内收、肩部的屈伸、肘部的屈伸以及腕部的屈伸包括手指的部分握紧及松开功能。大滚动轴承[5]位于机器人固定支撑座3伸出的轴承槽中。

大臂连接导向件16、小臂连接导向件23分别固定在大臂下半部分18、小臂下半部分22上，可分别在大臂上半部分11、小臂上半部分25内移动，且大臂连接导向件16、小臂连接导向件23均有未打通的U形槽，大臂导向螺钉组15、小臂导向螺钉组31分别有一端卡在U形槽中起导向作用，大臂固定螺钉14、小臂固定螺钉32分别卡在U形槽中并压在U形槽底面起固定作用，从而实现机械臂长度可调功能，已实现更好的适应锻炼功能。

肩部限位装置7固定在机器人固定支撑座3上，限制肩部的外展内收角度，以竖直方向为起点，肩部延伸连接臂8绕电机及手臂联轴器4旋转，向内45°，向外15°，就会被肩部限位装置7挡住；肩部延伸连接臂8和大臂上半部分11、大臂下半部分18和小臂下半部分22、小臂上半部分25和腕部旋转件29分别依靠其连接处凹形槽和凸台的角度来限制运动范围，以水平方向为起点，其限位角度分别为肩部向上45°，向下90°，肘部向上100°，向下0°，腕部向上30°，向下15°。

机构A将腕部屈伸和手指运动连接在一起，固定在小臂上半部分25上，所述机构A包括小齿轮轴A-1、大齿轮轴27、拉伸弹簧A-3、弹性带A-4、柔性手套A-5、传动带A-6、滚动轮A-7和齿轮盖A-8。

所述小齿轮轴A-1、大齿轮轴27分别套上两组滚动轴承组，靠近齿轮端的鼓动轴承安装在小臂上半部分25伸出来的矩形台上的凹槽内，末端的滚动轴承安装在齿轮盖A-8内侧的凹槽内，使大小齿轮轴能够在齿轮盖A-8和小臂上半部分25之间转动；拉伸弹簧A-3末端固定在小臂上半部分25前侧(小臂上半部分靠近腕部的地方)，前端固定在手指支撑件30上；弹性带A-4两端分别固定在柔性手套A-5指尖端以及手指支撑件30前侧，柔性手套A-5中后端完全固定在手指支撑件30上，前部分不固定，传动带A-6一端绕在滚动轮A-7上，一端固定在柔性手套A-5指尖端，滚动轮A-7则固定在小齿轮轴A-1的伸出端上。

上述大齿轮轴27的偏心伸出轴固定在第三电动推杆26输出端，大齿轮轴27和小齿轮轴A-1相啮合，传动比为3：1，大齿轮轴27的行程只有120°，保证在其行程内小齿轮轴A-1能转动一圈，滚动轮A-7的周长能保证手指握紧以及腕部旋转的路程；滚动轮A-7转动，带动传动带A-6运动，传动带A-6拉动柔性手套A-5，在柔性手套A-5指尖端到底时，迫使腕部旋转件29转动，带动腕部和手指的运动，手指的返程运动靠弹性带A-4的弹性力拉回，腕部旋转件29则依靠拉伸弹簧A-3的弹性拉力拉回，通过对第三电动推杆26进行运动控制，对大齿轮轴A-1的转速和转向进行调节，从而实现腕部的屈伸，并带动手指的握紧及松开。

本发明的便携式上肢康复机器人的使用功能和工作过程如下：首先将使用者的手臂通过子母带固定在机械臂上，将手指放进柔性手套A-5中，根据使用者的手臂长度手动改变机械臂的长度，机器人主体可以捆绑在患者背部，也可以安装在任意底座上；然后，通过操作面板控制外骨骼上肢康复机器人实现所有关节及自由度联动实现某种轨迹或单个关节或自由度转动控制单个关节锻炼强度等功能，根据患者行动障碍能力选择不同强度的训练，对上肢的关节与肌肉进行康复锻炼，使患者的上肢逐步恢复运动能力。

Claims (5)

1.一种新型便携式上肢康复机器人，其特征在于，包括直流驱动电机[1]、电机支撑架[2]、机器人固定支撑座[3]、电机及手臂联轴器[4]、定位销[6]、肩部延伸连接臂[8]、第一旋转轴[9]、第一电动推杆[10]、大臂上半部分[11]、第一推杆固定支撑座[13]、第二推杆固定支撑座[12]、大臂连接导向件[16]、第三推杆固定支撑座[17]、大臂下半部分[18]、第二电动推杆[19]、第四推杆固定支撑座[20]、第二旋转轴[21]、小臂下半部分[22]、小臂连接导向件[23]、第五推杆固定支撑座[24]、小臂上半部分[25]、第三电动推杆[26]、大齿轮轴[27]、第三旋转轴[28]、腕部旋转件[29]、手指支撑件[30]、腕部及手指连接部件[A]；

所述直流驱动电机[1]固定在电机支撑架[2]上，直流驱动电机[1]和电机支撑架[2]同时固定在机器人固定支撑座[3]上，直流驱动电机[1]的输出轴通过电机及手臂联轴器[4]架在机器人固定支撑座[3]上，肩部延伸连接臂[8]和电机及手臂联轴器[4]通过定位销[6]固定在一起；肩部延伸连接臂[8]通过第一旋转轴[9]与大臂上半部分[11]连接在一起，第一电动推杆[10]末端通过第一推杆固定支撑座[13]固定在肩部延伸连接臂[8]上，第一电动推杆[10]输出端通过第二推杆固定支撑座[12]固定在大臂上半部分[11]上；大臂下半部分[18]通过第二旋转轴[21]与小臂下半部分[22]连接在一起，第二电动推杆[19]末端通过第三推杆固定支撑座[17]固定在大臂下半部分[18]上，第二电动推杆[19]输出端通过第四推杆固定支撑座[20]固定在小臂下半部分[22]上；小臂上半部分[25]通过第三旋转轴[28]与腕部旋转件[29]连接在一起，第三电动推杆[26]末端通过第五推杆固定支撑座[24]固定在小臂上半部分[25]上，第三电动推杆[26]输出端通过大齿轮轴[27]偏心伸出部分固定在腕部及手指连接部件[A]上；

大臂连接导向件[16]的一端固定在大臂下半部分[18]上，大臂连接导向件[16]的另一端位于大臂上半部分[11]内部并可沿大臂上半部分[11]的中心轴移动，小臂连接导向件[23]的一端固定在小臂下半部分[22]上，小臂连接导向件[23]的另一端位于小臂上半部分[25]内部并可沿小臂上半部分[25]的中心轴移动。

2.根据权利要求1所述的新型便携式上肢康复机器人，其特征在于，腕部及手指连接部件[A]包括小齿轮轴[A-1]、大齿轮轴[27]、拉伸弹簧[A-3]、弹性带[A-4]、柔性手套[A-5]、传动带[A-6]、滚动轮[A-7]和齿轮盖[A-8]；

所述小齿轮轴[A-1]与大齿轮轴[27]均位于小臂上半部分[25]和齿轮盖[A-8]之间，小齿轮轴[A-1]与大齿轮轴[27]相互啮合，小齿轮轴[A-1]上套有两个滚动轴承，其中一个靠近小臂上半部分[25]，另一个位于齿轮盖[A-8]内侧，大齿轮轴[27]两侧各设置一个滚动轴承，拉伸弹簧[A-3]的一端固定在小臂上半部分[25]靠近腕部的位置，拉伸弹簧[A-3]的另一端固定在手指支撑件[30]上；柔性手套[A-5]的后端固定在手指支撑件[30]上，前端不固定，弹性带[A-4]的两端分别固定在柔性手套[A-5]前端以及手指支撑件[30]的前侧，滚动轮[A-7]固定在小齿轮轴[A-1]的伸出端上，传动带[A-6]一端绕在滚动轮[A-7]上，另一端固定在柔性手套[A-5]前端。

3.根据权利要求2所述的新型便携式上肢康复机器人，其特征在于，大齿轮轴[27]的偏心伸出轴固定在第三电动推杆[26]的输出端，大齿轮轴[27]和小齿轮轴[A-1]的传动比为3：1，大齿轮轴[27]的行程为120°。

4.根据权利要求1或2所述的新型便携式上肢康复机器人，其特征在于，还包括用于限制肩部的外展内收角度的肩部限位装置[7]，该肩部限位装置[7]固定在机器人固定支撑座[3]上。

5.根据权利要求1或2所述的新型便携式上肢康复机器人，其特征在于，还包括大臂固定螺钉[14]、大臂导向螺钉组[15]、小臂导向螺钉组[31]和小臂固定螺钉[32]，大臂连接导向件[16]、小臂连接导向件[23]均有未打通的U形槽，大臂导向螺钉组[15]卡在大臂连接导向件[16]的U形槽中起导向作用，大臂固定螺钉[14]卡在大臂连接导向件[16]的U形槽中将U形槽的底面压紧，小臂导向螺钉组[31]卡在小臂连接导向件[23]的U形槽中起导向作用，小臂固定螺钉[32]卡在小臂连接导向件[23]的U形槽中将U形槽的底面压紧。