CN106109165B - 一种六自由度自适应腕关节康复装置 - Google Patents
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Abstract
一种六自由度自适应腕关节康复装置，该装置采用串—并联的结构形式，具有三个主动转动自由度和三个被动移动自由度。由基座，手臂旋转台，主动支链，弧形连杆，X方向的被动移动结构，Y方向的被动移动结构，Z方向的被动移动结构等组成。其中，所述的手臂旋转台通过齿轮的外啮合与电机相连，可以实现在基座上转动(即绕X轴方向的转动)；所述的弧形连杆通过轴承与手臂旋转台的左、右臂连接，可以实现绕Y轴方向的转动；X方向的移动构件通过轴承与弧形连杆连接，可以实现绕Z轴方向的转动；本发明使人在康复训练过程中更加自然、更加舒适，具有结构简单、驱动平稳、使用方便、占用体积小、制造成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及康复医疗器械领域，具体涉及一种辅助腕关节康复训练的六自由度自适应的串-并联康复装置。
背景技术
手腕关节是人体上肢最复杂的力学关节之一，是人体连接手和前臂的最重要的关节，在日常生活中(例如：刷牙、拿东西、吃饭、穿衣服等)扮演着重要角色。然而，随着人口老龄化加剧，交通事故频发，以及先天缺陷等因素很容易造成腕关节的损伤，此外，随着人们生活水平的提高，由心脑血管疾病引起的上肢偏瘫，进而导致手腕关节损伤的人数也越来越多，并且在年龄上呈现年轻化的趋势，这些问题都在很大程度上影响着他们的生活质量。因此，腕关节损伤后，需要针对受损的腕关节进行及时的康复治疗。传统的治疗方式是在专业的康复治疗师的指导下进行一对一的训练，这种治疗方式耗时长，价格昂贵，如果在一些缺乏专业治疗经验的治疗师的指导下进行康复训练，由于康复训练方式不够准确以及训练强度的无法掌控，使患者错过了最有利康复治疗时间从而得不到理想的康复效果，甚至造成二次损伤。因此，手腕康复机构在腕关节康复训练过程中的应用，不仅可以提高康复效率、减少花费、减轻治疗师的工作量，还可以通过有规律的、适宜的康复运动，使手腕关节尽快的康复。
早期的腕关节康复装置，较为简单，仅考虑其能够实现在三个方向的旋转运动，并没有考虑到人机交互舒适性这一重要问题。而根据人体解剖学可知：人手腕关节是一个比较复杂的关节，在实现手腕的前屈/后伸，桡偏/尺偏，以及前臂的内旋/外旋运动的过程中，其转动中心并不是固定不变的，而是一个运动的瞬心，如果在设计康复装置时仍把其转动中心看成固定不变，则在康复训练过程中必会导致舒适性变差，严重时可能会导致腕关节的二次损伤。因此，设计一个能够较好的解决了人机的相容性问题，使人在康复训练过程中更加自然、更加舒适的手腕关节康复装置是非常有意义的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能完全满足腕关节康复运动需要(即手腕的前屈/后伸，桡偏/尺偏，以及前臂的内旋/外旋运动)，且结构简单、使用方便，占用体积小，驱动平稳，制造成本低的六自由度自适应腕康复装置，该装置由三个主动转动自由度和三个被动移动自由度构成，由于人手腕在运动过程中其转动中心并不是固定，而是有一定的运动路径，因此，通过设计三个被动移动结构保证了手腕转动中心与机构转动中心的动态重合，较好的解决了人机的相容性问题，使人在康复训练过程中更加自然、更加舒适。
本发明解决技术问题所采用的方案是：
一种腕关节康复装置，其特征在于：包括基座(1)、手臂旋转台(6)、主动支链、弧形连杆(7)、X方向被动移动结构、Y方向的被动移动结构、Z方向的被动移动结构；所述手臂旋转台(6)可在基座(1)上转动。
进一步地，所述手臂旋转台(6)的第一圆弧(6-1)通过钢球(15)、固定钢片(14)与第一固定外环(2-1)连接，而第一固定外环(2-1)被固定连接在基座(1)上；手臂旋转台(6)的第二齿形圆弧(6-2)通过钢球(15)、固定钢片(14)分别与第二固定外环(2-2)、第三固定外环(2-3)连接，并且第二固定外环(2-2)、第三固定外环(2-3)也都被固定在基座(1)上。
进一步地，所述手臂旋转台(6)的第二齿形圆弧(6-2)通过齿轮的外啮合与小齿轮(3)连接，小齿轮(3)通过平键(18)与电机(4)的传动轴连接，电机的(4)传动轴依次通过第三固定外环轴承(20)、第三固定外环轴承端盖(19)与第三固定外环(2-3)连接，并且依次通过减速器(31)、基座轴承(16)、基座轴承端盖(17)与基座(1)固定连接。
进一步地，手臂袖口(5)通过螺钉(13)与手臂旋转台(6)固定连接在一起。
进一步地，弧形连杆(7)左端通过右端轴承(22-1)、右端锁紧螺母(23-1)、右端轴承端盖(21-1)与手臂旋转台(6)的右臂连接，弧形连杆(7)左端与手臂旋转台(6)左臂的连接与右端具有相同的连接方式。
进一步地，上平台移动构件(8)通过上端轴承(25)、上端锁紧螺母(26)、上端轴承端盖(24)与弧形连杆(7)连接，并且与上滑动导轨(12-1)相连；上滑动导轨(12-1)两端与滑动导轨挡板(11)相连接，并且还与上滑块(27-1)连接；下平台移动构件(10)通过第一主动支链(A)、第二主动支链(B)与手臂旋转台(6)相连，并且与下滑动导轨(12-2)连接；下滑动导轨(12-2)的两端也与滑动导轨挡板(11)相连接，并且与下滑块(27-2)连接；手柄杆(29)通过抱箍(28)与上滑块(27-1)、下滑块(27-2)连接；手柄套筒(30)直接连接在手柄杆(29)上，可以上下移动，构成移动副；圆柱海绵套筒(9)则紧贴在手柄套筒(30)上。
进一步地，所述第一主动支链(A)包括依次连接的第一主动支链下方轴承座(A-1)、第一主动支链U副连接件(A-2)、第一主动支链U副连杆(A-3)、第一主动支链线性驱动器(A-4)、第一主动支链S副连杆(A-5)、第一主动支链S副组件一(A-6)、第一主动支链S副组件二(A-7)、第一主动支链上方轴承座(A-8)。
进一步地，第一主动支链上方轴承座(A-8)与下平台移动构件(10)固定连接，第一主动支链下方轴承座(A-1)与手臂旋转台第一圆弧(6-1)固定连接。其中，第一主动链下方轴承座(A-1)、第一主动支链U副连接件(A-2)、第一主动支链U副连杆(A-3)组成虎克副，第一主动支链上方轴承座(A-8)、第一主动支链S副组件一(A-6)、第一主动支链S副组件二(A-7)、第一主动支链S副连杆(A-5)组成球副，第一主动支链S副连杆(A-5)与第一主动支链U副连杆(A-3)连接在第一主动支链线性驱动器(A-4)上，构成移动副。
进一步地，所述第二主动支链(B)包括依次连接的第二主动支链下方轴承座(B-1)、第二主动支链U副连接件(B-2)、第二主动支链U副连杆(B-3)、第二主动支链线性驱动器(B-4)、第二主动支链S副连杆(B-5)、第二主动支链S副组件一(B-6)、第二主动支链S副组件二(B-7)、第二主动支链上方轴承座(B-8)。
进一步地，第二主动支链上方轴承座(B-8)与下平台移动构件(10)固定连接，第二主动支链下方轴承座(B-1)与手臂旋转台第一圆弧(6-1)固定连接。其中，第二主动链下方固定座(B-1)、第二主动支链U副连接件(B-2)、第二主动支链U副连杆(B-3)组成虎克副，第二主动支链上方轴承座(B-8)、第二主动支链S副组件一(B-6)、第二主动支链S副组件二(B-7)、第二主动支链S副连杆(B-5)组成球副，第二主动支链S副连杆(B-5)与第二主动支链U副连杆(B-3)连接在第二主动支链线性驱动器(B-4)上，构成移动副。
本发明由于采用以上技术方案，创新设计出能完全满足腕关节康复运动需要，且结构简单、使用方便，驱动平稳，占用体积小，制造成本低的机构装置。不仅保证了腕关节转动中心与机构旋转中心在康复训练过程中的动态重合，较好的解决了人机的相容性问题，并且该康复装置与串联的手腕康复装置相比可以明显改善机构的运动学性能和刚度性能。
下面结合附图对本发明的一种六自由度自适应腕关节康复装置作进一步说明。
附图说明
图1为本发明一种腕关节康复装置的总体结构三维示意图；
图2为本发明一种腕关节康复装置的总体结构俯视图；
图3为本发明一种腕关节康复装置的手臂袖口与手臂旋转台连接示意图；
图4为本发明一种腕关节康复装置的第二、三固定外环与手臂旋转台连接示意图；
图5为本发明一种腕关节康复装置的第一固定外环与手臂旋转台连接示意图；
图6为本发明一种腕关节康复装置的电机与基座、第三固定外环连接示意图；
图7为本发明一种腕关节康复装置的手臂旋转台与弧形连杆连接示意图；
图8为本发明一种腕关节康复装置的弧形连杆与上平台移动构件连接示意图；
图9为本发明一种腕关节康复装置的手臂旋转台与第二主动支链连接示意图；
图10为本发明一种腕关节康复装置的下平台移动结构与主动支链连接示意图；
图11为本发明一种腕关节康复装置的第一主动支链结构示意图；
图12为本发明一种腕关节康复装置的被动移动单元的结构示意图；
图1—图12中：1—基座，2-1—第一固定外环，2-2—第二固定外环，2-3—第三固定外环，3—小齿轮，4—电机，5—手臂袖口，6—手臂旋转台，6-1—手臂旋转台第一圆弧，6-2—手臂旋转台第二齿形圆弧，7—弧形连杆，8—上平台移动构件，9—圆柱海绵套筒，10—下平台移动构件，11—滑动导轨挡板，12-1—上滑动导轨，12-2—下滑动导轨，13—螺钉，14—固定钢片，15—钢球，16—基座轴承，17—基座轴承端盖，18—键，19—第三固定外环轴承端盖，20—第三固定外环轴承，21-1—右端轴承端盖，22-1—右端轴承，23-1—右端锁紧螺母，24—上端轴承端盖，25—上端轴承，26—上端锁紧螺母，27-1—上滑块，27-2—下滑块，28—抱箍，29—手柄杆，30—手柄套筒，31—减速器，A—第一主动支链，A-1—第一主动支链下方轴承座，A-2—第一主动支链U副连接件，A-3—第一主动支链U副连杆，A-4—第一主动支链线性驱动器，A-5—第一主动支链S副连杆，A-6—第一主动支链S副组件一，A-7—第一主动支链S副组件二，A-8—第一主动支链上方轴承座，B—第二主动支链，B-1—第二主动支链下方轴承座，B-2—第二主动支链U副连接件，B-3—第二主动支链U副连杆,B-4—第二主动支链线性驱动器，B-5—第二主动支链S副连杆，B-6—第二主动支链S副组件一，B-7—第二主动支链S副组件二，B-8—第二主动支链上方轴承座。
具体实施方式
如图1—图12所示，本发明为一种六自由度自适应手腕康复装置，具有三个主动转动自由度和三个被动移动自由度，采用串—并联的结构形式：串联结构，即在手臂旋转台(6)上串联一个转动副；并联结构，即采用两个主动支链UPS的并联机构。该装置主要包括基座(1)、手臂旋转台(6)、弧形连杆(7)、两个主动支链(A、B)和X、Y、Z方向的被动移动结构，在进行康复训练过程中，首先将患者的前臂放到与手臂旋转台(6)固定连接的手臂袖口(5)中，该袖口具有弹性，并通过弹性绑带与患者前臂进行绑缚连接，然后患者手掌也通过弹性绑带与圆柱海绵套筒(9)进行绑缚连接。在进行绑缚之前要调整好患者前臂、手腕、手掌的姿势和位置，防止在康复训练过程中，人机之间出现较大位移，使患者感到不舒适，甚至造成二次损伤。
绑缚好后，开始进行康复训练，电机(4)通过减速器(31)驱动小齿轮(3)旋转，小齿轮(3)通过齿轮的外啮合带动手臂旋转台(6)旋转，实现了该装置在X轴方向的转动；由于弧形连杆(7)和手臂旋转台(6)左、右臂的约束作用，故两个主动支链(A、B)上的线性驱动器(A-4、B-4)驱动该装置进行两个方向的旋转运动，即实现了该装置在Y轴方向的转动和Z轴方向的转动；三个被动移动结构，可以被动的实现X、Y、Z三个方向的移动，保证了手腕转动中心与机构转动中心的动态重合，较好的解决了人机的相容性问题，使人在康复训练过程中更加自然、更加舒适。
由上述可知，此腕关节康复装置可以实现在三个方向上的主动转动，即手腕的前屈/后伸，桡偏/尺偏，前臂的内旋/外旋运动；也可以实现X、Y、Z三个方向的被动移动，保证了手腕转动中心与机构的转动中心动态重合。故此腕关节康复装置能够有效地实现腕关节的康复训练。
Claims (1)
1.一种六自由度自适应腕关节康复装置，其特征在于采用串—并联的结构形式，包括基座(1)、手臂旋转台(6)、第一主动支链(A)、第二主动支链(B)、弧形连杆(7)，X方向的被动移动结构、Y方向的被动移动结构和Z方向的被动移动结构；
串联结构：
手臂旋转台(6)的第二齿形圆弧(6-2)，通过齿轮的外啮合与小齿轮(3)连接，小齿轮(3)通过键(18)与电机(4)传动轴连接，电机(4)传动轴依次穿过第三固定外环轴承(20)、第三固定外环轴承端盖(19)与第三固定外环(2-3)连接，电机(4)又依次通过减速器(31)、基座轴承(16)、基座轴承端盖(17)被固定连接在基座(1)上，实现了装置绕X轴方向的旋转运动；并且手臂旋转台(6)的第二齿形圆弧(6-2)的两端通过钢球、固定钢片分别与第二固定外环(2-2)、第三固定外环(2-3)连接，而第二固定外环(2-2)和第三固定外环(2-3)均被固定连接到基座(1)上；手臂旋转台(6)的第一圆弧(6-1)通过钢球、固定钢片与第一固定外环(2-1)连接，第一固定外环(2-1)被固定连接在基座(1)上；手臂袖口(5)通过螺钉(13)与手臂旋转台(6)固定连接在一起；
并联结构：
所述主动支链包括第一主动支链(A)、第二主动支链(B)，第一主动支链、第二主动支链为并列的UPS支链；所述弧形连杆(7)的左、右两端通过转动副与手臂旋转台(6)左、右臂连接，所述弧形连杆(7)的中间通过转动副与上平台移动构件(8)连接；
所述第一主动支链(A)包括依次连接的第一主动支链下方轴承座(A-1)、第一主动支链U副连接件(A-2)、第一主动支链U副连杆(A-3)、第一主动支链线性驱动器(A-4)、第一主动支链S副连杆(A-5)、第一主动支链S副组件一(A-6)、第一主动支链S副组件二(A-7)、第一主动支链上方轴承座(A-8)；第一主动支链上方轴承座(A-8)与下平台移动构件(10)固定连接，第一主动支链下方轴承座(A-1)与手臂旋转台第一圆弧(6-1)固定连接；其中，第一主动链下方轴承座(A-1)、第一主动支链U副连接件(A-2)、第一主动支链U副连杆(A-3)组成虎克副，第一主动支链上方轴承座(A-8)、第一主动支链S副组件一(A-6)、第一主动支链S副组件二(A-7)、第一主动支链S副连杆(A-5)组成球副，第一主动支链S副连杆(A-5)与第一主动支链U副连杆(A-3)连接在第一主动支链线性驱动器(A-4)上，构成移动副；
所述第二主动支链(B)包括依次连接的第二主动支链下方轴承座(B-1)、第二主动支链U副连接件(B-2)、第二主动支链U副连杆(B-3)、第二主动支链线性驱动器(B-4)、第二主动支链S副连杆(B-5)、第二主动支链S副组件一(B-6)、第二主动支链S副组件二(B-7)、第二主动支链上方轴承座(B-8)；第二主动支链上方轴承座(B-8)与下平台移动构件(10)固定连接，第二主动支链下方轴承座(B-1)与手臂旋转台第一圆弧(6-1)固定连接；其中，第二主动链下方轴承座(B-1)、第二主动支链U副连接件(B-2)、第二主动支链U副连杆(B-3)组成虎克副，第二主动支链上方轴承座(B-8)、第二主动支链S副组件一(B-6)、第二主动支链S副组件二(B-7)、第二主动支链S副连杆(B-5)组成球副，第二主动支链S副连杆(B-5)与第二主动支链U副连杆(B-3)连接在第二主动支链线性驱动器(B-4)上，构成移动副；
在第一主动支链(A)、第二主动支链(B)上的线性驱动器的驱动下，装置实现分别绕X轴方向和Y轴方向的旋转运动；
被动移动结构：
上平台移动构件(8)通过转动副与弧形连杆(7)连接，下平台移动构件(10)通过球副与第一主动支链(A)和第二主动支链(B)上端相连，实现了该装置沿X轴方向的被动移动；
上滑动导轨(12-1)与上平台移动构件(8)连接，下滑动导轨(12-2)与下平台移动构件(10)连接，两个滑动导轨的左、右两端均与滑动导轨挡板连接，并且上滑动导轨(12-1)与上滑块(27-1)连接，下滑动导轨(12-2)与下滑块(27-2)连接，手柄杆(29)通过抱箍(28)与上、下滑块连接，实现了装置沿Y轴方向的被动移动；
手柄套筒(30)与手柄杆(29)直接连接，手柄套筒(30)相对于手柄杆(29)能够上下移动，圆柱海绵套筒(9)与手柄套筒(30)连接，实现了装置沿Z轴方向的被动移动。
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