CN105919776A - 一种多工况上肢康复训练机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明一种多工况上肢康复训练机器人，包括依次串联的手腕运动机构、前臂运动机构、上臂运动机构、转动机构、支柱以及移动调节支架；前臂运动机构的前端与所述后支撑板形成转动副，前臂运动机构的后端与上臂运动机构的前端铰接构成转动副，在前臂运动机构与上臂运动机构之间设置有前臂转动推杆推动前臂运动机构转动；上臂运动机构的后端与所述转动机构的一端固联，转动机构的另一端与机构悬臂固联；在支柱上端设有由前端板、后端板以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，机构悬臂与前端板固联。本发明结构简单紧凑、应用范围广泛、能应用于上肢的康复和健身训练、可实现三维空间运动的康复训练。

Description

一种多工况上肢康复训练机器人
技术领域：
本发明涉及一种多工况上肢康复训练机器人，属于康复医疗和运动健身器械领域。
背景技术：
社会老龄化程度日益加深、脑卒中、脊髓损伤等原因导致肢体运动功能降低，甚至全部丧失，严重影响了生活质量。康复治疗是恢复运动功能的有效途径，传统物理治疗师与病人一对一的康复治疗方式存在劳动强度大、治疗费用高等不足，因此，康复训练设备成为解决这一矛盾的有效途径。自上世纪中叶以来，科研人员在康复训练设备上取得了诸多成果，如单自由度式、外骨骼、悬吊式等康复训练设备的成功研制与商业化。但它们存在一些不足：操作复杂、运动形式单一、难以模拟人体三维运动等，研制一款能够实现人体上肢三维运动康复训练装置具有一定现实意义。
发明内容：
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多工况上肢康复训练机器人，是一种结构简单紧凑、应用范围广泛、能应用于上肢的康复和健身训练、可实现三维空间运动的康复训练装置。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种多工况上肢康复训练机器人，其包括：
依次串联的手腕运动机构、前臂运动机构、上臂运动机构、转动机构、支柱以及移动调节支架；
所述手腕运动机构的结构为：与前臂运动机构前端铰接构成转动副的后支撑板能相对于后支撑板转动的前支撑板，腕部托盘的撑杆通过轴承装配在所述前支撑板上；
所述前臂运动机构的前端与所述后支撑板连接形成转动副，前臂运动机构的后端与上臂运动机构的前端铰接构成转动副；
所述上臂运动机构的后端与所述转动机构的一端固联，所述转动机构的另一端与机构悬臂固联；
所述支柱，在支柱的上端设有由前端板、后端板以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，所述机构悬臂与所述前端板固联。
在前臂运动机构与上臂运动机构之间设置有前臂转动推杆推动前臂运动机构转动。
所述后支撑板的后端与前臂运动机构的前臂内支撑杆构成转动副，在后支撑板的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与腕部转动推杆下端铰接，腕部转动推杆上端与前臂内支撑杆铰接，形成四杆机构；
手腕运动机构中，后支撑板与前支撑板的转动结构为：在后支撑板与前支撑板之间设有一对啮合的齿轮，主动齿轮的转轴设在后支撑板上，由后支撑板上的电机驱动，从动齿轮的转轴两端分别连接在后支撑板和前支撑板上。
所述前臂运动机构具有前臂外支撑杆和前臂内支撑杆，两者通过滑槽连接构成滑动副，前臂内支撑杆的前端与后支撑板通过转轴铰接构成转动副，前臂外支撑杆的后端与上臂运动机构的前端铰接构成转动副；
前臂外支撑杆的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与前臂转动推杆下端铰接，前臂转动推杆上端与上臂运动机构的前端底面铰接，构成四杆机构；前臂大托盘、前臂小托盘通过夹紧装置分别固定在前臂内支撑杆和前臂外支撑杆上，前臂绑带固定在前臂大托盘的槽上。
所述上臂运动机构具有上臂前支撑杆和上臂后支撑杆，两者通过滑槽连接构成滑动副，上臂前支撑杆的前端与前臂外支撑杆、前臂转动推杆的上端铰接；上臂后支撑杆与转动机构的一端固联；
上臂小托盘、上臂大托盘通过夹紧装置分别固定在上臂前支撑杆、上臂后支撑杆上，上臂绑带固定在上臂大托盘的槽上。
所述转动机构的一端与上臂后支撑杆固联，另一端与机构悬臂固联；转动机构的两端之间能发生相对转动。
与机构悬臂连接的转动机构一端内设有电机及减速机，与上臂后支撑杆连接的转动机构的一端与所述减速机的输出轴固联。
所述移动调节支架的结构为：所述支柱与滑块固联，滑块卡在滑轨的槽内，滑轨通过螺栓与直线推杆上端固联，直线推杆底部固定在小车上，小车由支架和可锁死小轮组成，四个小轮固定在支架四角上。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明可以实现上肢三维空间运动，实现上肢主被动康复训练和同步/异步训练。
本发明应用范围广，可用于上肢在三维空间实现康复训练和锻炼。
本发明康复训练模式多样，使用过程中把两对装置对称布置于左/右手旁，可以实现同步/异步训练。
本发明结构紧凑灵活，可以自由收放，不使用时可以折叠，占用空间小。
本发明具有可拆卸性，手腕、前臂和上臂三部分可实现串联组合也可以拆开进行分别对腕、肘、肩关节的康复训练。
本发明可使下肢在三维空间中实现不同轨迹、不同幅度的运动训练，使其既能适应同一位训练者在不同的康复期和训练状态的锻炼的情况，又能满足不同身高的训练者进行康复和健身锻炼的需求。
主动训练时，通过调节电机自身的控制电流可阻力环节，能够实现主动训练，不仅可以作为康复锻炼器使用来康复肢体，而且能够作为健身器械使用来增强体质。
附图说明：
图1为本发明的内部整体结构示意图；图2为本发明的外部整体结构示意图；图2A、2B、2C为图2的三视图；图3为图1、2中手腕运动机构的放大图。
图中标号：1支柱，2前臂转动推杆，3机构悬臂，4小车，5直线推杆，6六角旋钮，7滑轨，8滑块，9移动调节支架，10上臂运动机构，11前端板，12后端板，20前臂运动机构，30手腕运动机构，105上臂绑带，106上臂大托盘，107上臂后支撑杆，108上臂小托盘，109上臂前支撑杆，201前臂小托盘，202前臂外支撑杆，203前臂大托盘，204前臂绑带，205前臂内支撑杆，301腕部托盘，303后支撑板，304前支撑板，22腕部转动推杆。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式：
实施例：参见附图，本实施例的多工况三维运动上肢康复训练机，其包括：
依次串联的手腕运动机构30、前臂运动机构20、上臂运动机构10、转动机构13、支柱1以及移动调节支架9；
具体结构中，手腕运动机构30的结构为：与前臂运动机构20前端铰接构成转动副的后支撑板303、能相对于后支撑板303转动的前支撑板304，腕部托盘301的撑杆通过轴承装配在前支撑板304上，能够转动；腕部托盘的顶面为半球面(或者呈蘑菇冠部形状，便于手掌舒适地放置在上面，符合人体工学)。
其中，后支撑板303的后端与前臂运动机构20的前臂内支撑杆205通过转轴连接构成转动副，在后支撑板303的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与腕部转动推杆22下端铰接，腕部转动推杆上端与前臂内支撑杆205铰接，形成四杆机构；腕部转动推杆22的伸缩带动手腕运动机构30作俯仰动作，也即手腕做招手动作锻炼腕部。
手腕运动机构中，后支撑板与前支撑板的转动结构为：在后支撑板303与前支撑板304之间设有一对啮合的齿轮，主动齿轮的转轴设在后支撑板303上，由后支撑板上的电机驱动，从动齿轮的转轴两端分别连接在后支撑板和前支撑板上。主动齿轮转动时带动从动齿轮转动，从而带动前支撑板304绕从动齿轮的轴线做左右摆动动作，锻炼腕部做左右摆动的动作。
前臂运动机构20的前端与后支撑板通过轴承连接形成转动副，前臂运动机构20的后端与上臂运动机构10的前端铰接构成转动副，在前臂运动机构与上臂运动机构之间设置有前臂转动推杆2推动前臂运动机构转动；该推杆伸缩可带动肘部做屈伸动作。
前臂运动机构20具有前臂外支撑杆202和前臂内支撑杆205，两者通过滑槽连接构成滑动副，适应不同臂长的群体，前臂内支撑杆205的前端与后支撑板303通过转轴铰接构成转动副，前臂外支撑杆202的后端与上臂运动机构10的前端铰接构成转动副；
前臂外支撑杆202的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与前臂转动推杆2下端铰接，前臂转动推杆2上端与上臂运动机构的前端底面铰接，构成四杆机构；前臂大托盘203、前臂小托盘201通过夹紧装置分别固定在前臂内支撑杆205和前臂外支撑杆202上，前臂绑带204固定在前臂大托盘203的槽上。
上臂运动机构的后端与转动机构的一端固联，转动机构的另一端与机构悬臂3固联；具体结构中，转动机构13的一端与上臂后支撑杆107固联，另一端与机构悬臂3固联；转动机构的两端之间能发生相对转动。其中，与机构悬臂连接的转动机构13一端内设有电机及减速机，与上臂后支撑杆107连接的转动机构的一端与减速机的输出轴固联。上臂运动机构及其下游部件由减速机输出轴支撑并带动转动，锻炼上臂做转动运动。
上臂运动机构10具有上臂前支撑杆109和上臂后支撑杆107，两者通过滑槽连接构成滑动副，可以伸缩适应不同人群，上臂前支撑杆109的前端与前臂外支撑杆202、前臂转动推杆2的上端铰接；上臂后支撑杆107与转动机构的一端固联；
上臂小托盘108、上臂大托盘106通过夹紧装置分别固定在上臂前支撑杆109、上臂后支撑杆107上，上臂绑带105固定在上臂大托盘106的槽上。
在支柱的上端设有由前端板11、后端板12以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，机构悬臂3与前端板11固联。三根直线推杆同时伸缩，则带动胳膊做拉伸运动，一根或两根直线推杆伸缩，则带动腕部做摆动动作。
移动调节支架9的结构为：支柱1与滑块8固联，滑块8卡在滑轨7的槽内，滑轨7通过螺栓与直线推杆5上端固联，直线推杆底部固定在小车4上，小车4由支架和可锁死小轮组成，四个小轮固定在支架四角上；滑轨7的侧部开有长条形通槽，通槽外部设有与滑块8固联的六角旋钮6，用于将滑块锁紧在滑轨中。
本发明康复训练装置可应用于上肢运动功能下降或丧失人群的康复训练，帮助使用者实现三维空间下运动轨迹的康复训练。对于上肢体功能健全的普通人群来说，也可以进行健康训练，帮助其增强身体运动能力，本发明康复训练装置能够使患者上肢完成更加复杂的空间运动，应用范围广，具有非常大的产业化应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于包括：
依次串联的手腕运动机构(30)、前臂运动机构(20)、上臂运动机构(10)、转动机构(13)、支柱(1)以及移动调节支架(9)；
所述手腕运动机构(30)的结构为：与前臂运动机构(20)前端铰接构成转动副的后支撑板(303)、能相对于后支撑板(303)转动的前支撑板(304)，腕部托盘(301)的撑杆通过轴承装配在所述前支撑板(304)上；
所述前臂运动机构(20)的前端与所述后支撑板连接形成转动副，前臂运动机构(20)的后端与上臂运动机构(10)的前端铰接构成转动副；
所述上臂运动机构的后端与所述转动机构的一端固联，所述转动机构的另一端与机构悬臂(3)固联；
所述支柱(1)，在支柱的上端设有由前端板(11)、后端板(12)以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，所述机构悬臂(3)与所述前端板(11)固联。
2.根据权利要求1所述的一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于，在前臂运动机构与上臂运动机构之间设置有前臂转动推杆(2)推动前臂运动机构转动。
3.根据权利要求1所述的一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于，所述后支撑板(303)的后端与前臂运动机构(20)的前臂内支撑杆(205)构成转动副，在后支撑板(303)的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与腕部转动推杆(22)下端铰接，腕部转动推杆上端与前臂内支撑杆(205)铰接，形成四杆机构；
手腕运动机构中，后支撑板与前支撑板的转动结构为：在后支撑板与前支撑板之间设有一对啮合的齿轮，主动齿轮的转轴设在后支撑板上，由后支撑板上的电机驱动，从动齿轮的转轴两端分别连接在后支撑板和前支撑板上。
4.根据权利要求1所述的一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于，所述前臂运动机构(20)具有前臂外支撑杆(202)和前臂内支撑杆(205)，两者通过滑槽连接构成滑动副，前臂内支撑杆(205)的前端与后支撑板(303)通过转轴铰接构成转动副，前臂外支撑杆(202)的后端与上臂运动机构(10)的前端铰接构成转动副；
前臂外支撑杆(202)的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与前臂转动推杆(2)下端铰接，前臂转动推杆上端与上臂运动机构的前端底面铰接，构成四杆机构；前臂大托盘(203)、前臂小托盘(201)通过夹紧装置分别固定在前臂内支撑杆(205)和前臂外支撑杆(202)上，前臂绑带(204)固定在前臂大托盘(203)的槽上。
5.根据权利要求4所述的一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于，所述上臂运动机构(10)具有上臂前支撑杆(109)和上臂后支撑杆(107)，两者通过滑槽连接构成滑动副，上臂前支撑杆(109)的前端与前臂外支撑杆(202)、前臂转动推杆(2)的上端铰接；上臂后支撑杆(107)与转动机构的一端固联；
上臂小托盘(108)、上臂大托盘(106)通过夹紧装置分别固定在上臂前支撑杆(109)、上臂后支撑杆(107)上，上臂绑带(105)固定在上臂大托盘(106)的槽上。
6.根据权利要求5所述的一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于，所述转动机构(13)的一端与上臂后支撑杆(107)固联，另一端与机构悬臂(3)固联；转动机构的两端之间能发生相对转动。
7.根据权利要求6所述的一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于，与机构悬臂连接的转动机构(13)一端内设有电机及减速机，与上臂后支撑杆(107)连接的转动机构的一端与所述减速机的输出轴固联。
8.根据权利要求1所述的一种多工况上肢康复训练机器人，其特征在于，所述移动调节支架(9)的结构为：所述支柱(1)与滑块(8)固联，滑块(8)卡在滑轨(7)的槽内，滑轨(7)通过螺栓与直线推杆(5)上端固联，直线推杆底部固定在小车(4)上，小车(4)由支架和可锁死小轮组成，四个小轮固定在支架四角上。
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