CN106361539A - 一种三自由度腕关节康复机器人及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度腕关节康复机器人及其系统。所述机器人包括：基座承重机构、绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构、横梁支架机构、转盘传动机构；所述基座承重机构用于支撑整个三自由度腕关节康复机器人；所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构通过第一电机输出轴的旋转运动带动手托与连接板的摆动，从而带动手腕实现旋内旋外运动；所述横梁支架机构用于支撑固定转盘传动机构，并在第二电机的带动下实现手腕的桡偏尺偏运动；所述转盘传动机构用于将第三电机输出轴的旋转传递至手柄的旋转，从而实现手腕的掌屈背伸运动，本发明能同时实现对患者三个自由度的康复训练，并利用虚拟现实环境所提供的视觉反馈来调动患者参与康复训练的积极性。

Description

一种三自由度腕关节康复机器人及其系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及康复机器人技术，具体涉及一种三自由度腕关节康复机器人及其系统。

背景技术

由脊髓损伤、中风以及外脑受损等造成的瘫痪，使患者丧失部分运动功能，给患者及其家人的日常生活带来非常大的不便。为了恢复或改善肢体运动功能，患者需要接受大量的康复训练。目前，临床上针对偏瘫患者的康复治疗主要依赖传统康复训练方法，即在理疗师的辅助下完成训练动作。随着患者数量的日益增加，加上理疗师数量和体力上的限制，使患者很难接受到持续而有效的康复训练。费时费力的传统训练方法由于精度低可重复性差缺乏客观评价，在一定程度上限制了其康复效果。机器人辅助康复训练弥补了传统康复训练的不足。国内外已有大量研究者对康复机器人展开相关研究，并证实了康复机器人的临床康复效果。

在上肢康复机器人的临床研究中，发现针对上肢末端关节(腕、手)的康复训练能促进近端关节(肩、肘)的康复效果，并且能使康复训练效果更好地转移到患者的日常生活中，因此设计针对腕关节的康复训练设备显得尤其重要。腕关节主要涉及到的训练运动包括：旋内旋外，掌屈背伸、桡偏尺偏。目前，国内市场上的腕关节康复机器人以单关节被动式训练设备为主，如CPM机，提供的训练模式单一、自由度少，无法提高患者的训练积极性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种三自由度腕关节康复机器人及其系统，用于向患者同时提供腕关节的旋内旋外、掌屈背伸以及桡偏尺偏三个自由度的康复训练。在给患者提供康复训练的同时，通过虚拟现实环境向患者提供视觉上的反馈，从而调动患者的训练积极性。

根据本发明一方面，其提供了一种三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述三自由度腕关节康复机器人包括：基座承重机构、绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构、横梁支架机构、转盘传动机构；所述基座承重机构用于支撑整个三自由度腕关节康复机器人；所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构通过第一电机输出轴的旋转运动带动手托与连接板的摆动，从而带动手腕实现旋内旋外运动；所述横梁支架机构用于支撑固定转盘传动机构，并在第二电机的带动下实现手腕的桡偏尺偏运动；所述转盘传动机构用于将第三电机输出轴的旋转传递至手柄的旋转，从而实现手腕的掌屈背伸运动。

所述基座承重机构包括：底座、电机支架、轴承支架、轴承座、导轨支架；其中，在底座上面分别依次固定安装电机支架、轴承支架、轴承座和导轨支架；轴承支架用于支撑与安装辅助轴承；轴承座内部嵌有一轴承；电机支架与轴承座分别用于固定所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构中的第一电机和第一电机的输出轴，共同作用使第一电机保持水平；导轨支架用于垂直固定安装半圆弧导轨。

所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构包括：第一电机、第一编码器、第一电机轴套、辅助轴承、半圆绞盘、手托、连接板、滑块、半圆弧导轨；所述第一电机通过钢丝绳带动所述半圆绞盘转动，安装在第一电机尾部的第一编码器用于测量所述半圆绞盘的旋转角度；所述半圆弧导轨是由三段60度的弧形导轨拼接而成的半圆弧状导轨，所述滑块与半圆弧导轨滑动连接；所述连接板的一端连接所述滑块，另一端与所述手托连接，而所述手托的另一端与所述半圆绞盘连接；因此，在半圆绞盘转动时，通过手托、连接板带动滑块在半圆弧导轨上滑动，实现腕关节的旋内旋外运动。

所述横梁支架机构包括：支架、左连接件、右连接件、第二电机、左悬臂、右悬臂、横梁、伞齿轮对。

所述转盘传动机构包括：第三电机、第三电机座、第三电机轴套、转盘、调节板、手柄。

所述支架通过左连接件、右连接件、左悬臂、右悬臂把横梁支架机构和转盘传动机构固定在所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构上，使横梁支架机构和转盘传动机构随着所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构中的半圆绞盘的转动而摆动；

所述左连接件的上端外侧与第二电机相连，上端内侧与左悬臂连接，通过伞齿轮对把第二电机输出轴的旋转运动转为左悬臂和右悬臂的上下摆动，实现腕关节的桡偏尺偏运动。

所述第三电机垂直固定在第三电机座上，所述第三电机的输出轴通过第三电机轴套和钢丝绳带动所述转盘转动，从而实现腕关节的掌屈背伸运动。

所述调节板中间留有可调节槽，可根据不同患者调整手柄的安装位置。

根据本发明另一方面，提供了一种三自由度腕关节康复机器人系统，其包括：

计算机，接收下位机微控制器发送的状态信息，实时记录患者与三自由度腕关节康复机器人的状态信息，绘制虚拟现实环境向患者提供视觉反馈，向下位机微控制器发送控制指令，对患者康复训练做出客观评价；

下位机微控制器，接收计算机的控制指令，对指令进行解码，提取出各个关节电机的控制量，把控制量转为相应的控制信号传送给所述三自由度腕关节康复机器人，实时采集所述三自由度腕关节康复机器人的位置、压力等传感器信息，并传送给所述计算机。

三自由度腕关节康复机器人，接收所述下位机微控制器对电机的控制信号，在电机的驱动作用下，通过手柄与手托带动患者腕关节运动，利用传感器把患者与所述三自由度腕关节康复机器人的交互信息传递给下位机微控制器。

本发明公开的三自由度腕关节康复机器人系统，包括计算机、下位机微控制器、三自由度腕关节康复机器人。其中，计算机与下位机微控制器进行实时通讯，把患者与机器人的状态信息通过虚拟现实环境反馈给患者，在不同的训练模式下执行不同控制算法，把相应的控制指令传递给下位机微控制器。下位机微控制器接收计算机的指令，通过解码得到康复机器人的控制量，并转换成相应的控制信号传送给康复机器人；另外，下位机微控制器实时采集康复机器人的传感器信息，经过编码传输给计算机。三自由度腕关节康复机器人主要包含基座承重机构、绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构、横梁支架机构、转盘传动机构。基座承重机构为整个康复机器人机构提供支撑；绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构利用绞盘带动手托旋转运动从而带动腕关节实现旋内旋外动作；横梁支架结构固定在第一连接板上，在第二电机的带动下实现腕关节的桡偏尺偏运动；转盘传动机构把第三电机输出轴的旋转运动传输到手柄的旋转运动，从而带动患者手腕进行掌屈背伸运动。本发明可同时实现对患者腕关节旋内旋外、掌屈背伸和桡偏尺偏的三个自由度的康复训练，并可以通过虚拟现实环境提供视觉反馈，提高患者参与训练的积极性。

附图说明

图1是本发明三自由度腕关节康复机器人的总体结构示意图；

图2是本发明三自由度腕关节康复机器人的绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构的结构示意图；

图3是本发明三自由度腕关节康复机器人的横梁支架机构的结构示意图；

图4是本发明三自由度腕关节康复机器人的转盘传动机构的结构示意图；

图5是本发明三自由度腕关节康复机器人系统功能模块示意图；

图中符号说明：

底座1，电机支架2，轴承支架3，轴承座4，导轨支架5，第一电机6，第一编码器7，第一电机轴套8，辅助轴承9，半圆绞盘10，手托11，连接板12，半圆弧导轨13，滑块14，支架15，左连接件16，右连接件17，第二电机18，第二编码器19，左悬臂20，右悬臂21，横梁22，伞齿轮对23，第三电机24，第三编码器25，第三电机座26，第三电机轴套27，转盘28，压力传感器29，调节板30，手柄31，计算机32，下位机微控制器33，三自由度腕关节康复机器人34，患者35。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术法案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参考附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种三自由度腕关节康复机器人系统，其包括：

计算机，接收下位机微控制器发送的状态信息，实时记录患者与三自由度腕关节康复机器人的状态信息，绘制虚拟现实环境向患者提供视觉反馈，向下位机微控制器发送控制指令，对患者康复训练做出客观评价；

下位机微控制器，接收计算机的控制指令，对指令进行解码，提取出各个关节电机的控制量，把控制量转为相应的控制信号传送给所述三自由度腕关节康复机器人，实时采集所述三自由度腕关节康复机器人的位置、压力等传感器信息，并传送给所述计算机。

三自由度腕关节康复机器人，接收所述下位机微控制器对电机的控制信号，在电机的驱动作用下，通过手柄与手托带动患者腕关节运动，利用位置、压力等传感器把患者与所述三自由度腕关节康复机器人的交互信息传递给下位机微控制器。

图1为本发明所提出的三自由度腕关节康复机器人的总体结构示意图。所述三自由度腕关节康复机器人包括基座承重机构、绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构、横梁支架机构、转盘传动机构；所述基座承重机构用于支撑整个三自由度腕关节康复机器人；所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构通过第一电机输出轴的旋转运动带动手托与连接板的摆动，从而带动手腕实现旋内旋外运动；所述横梁支架机构用于支撑固定转盘传动机构，并在第二电机的带动下实现手腕的桡偏尺偏运动；所述转盘传动机构用于将第三电机输出轴的旋转传递至手柄的旋转，从而实现腕关节的掌屈背伸运动。

如图1所示，所述基座承重机构包括：

底座1、电机支架2、轴承支架3、轴承座4、导轨支架5。

其中，底座1为方形金属平板，在底座1上面分别依次固定安装电机支架2、轴承支架3，轴承座4和导轨支架5；轴承支架3用于支撑与安装辅助轴承9；轴承座4内部嵌有一轴承；电机支架2与轴承座4分别用于固定第一电机6和第一电机6的输出轴，因此电机支架2与轴承座4的过孔同轴，共同作用使第一电机6保持水平；导轨支架5用于垂直固定安装半圆弧导轨；

图2为本发明三自由度腕关节康复机器人绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构。

如图2所示，所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构包括：

第一电机6、第一编码器7、第一电机轴套8、辅助轴承9、半圆绞盘10、手托11、连接板12、半圆弧导轨13、滑块14。

其中，第一电机6机身通过电机支架2水平固定在底座1上方，第一编码器7安装在第一电机6尾部；第一电机6的输出轴穿过电机支架2上的过孔与第一电机轴套8的一端相连；第一电机轴套8的另一端通过内嵌于轴承座4内的轴承安装在轴承座4；半圆绞盘10与第一电机轴套8相切；半圆绞盘10上面的左右端各有一个安装孔，钢丝绳一端固定在半圆绞盘10左端的安装孔处，紧贴外圆弧面并缠绕第一电机轴套8一圈，紧贴外圆弧面，钢丝绳的另一端固定在半圆绞盘10的右端安装孔处；第一电机6通过所述钢丝绳带动半圆绞盘10转动，所述第一编码器7用于测量所述半圆绞盘10的旋转角度，半圆绞盘10旋转的范围为180度；为减小第一电机6轴所承受的径向压力，辅助轴承9安装在轴承支架3上，并与半圆绞盘10相切，起到辅助分担压力的作用；半圆弧导轨13是由三段60度弧形导轨拼接而成，通过螺丝垂直固定安装在导轨支架5侧面；滑块14安装在半圆弧导轨13外侧，并能沿半圆弧导轨13滑动；连接板12内侧竖直固定在滑块14外侧；弧形手托11两端分别与连接板12、半圆绞盘10相连；半圆绞盘10通过所述弧形手托11和连接板12带动滑块14在半圆弧导轨13上进行滑动，从而实现腕关节的旋内旋外运动；

图3为本发明三自由度腕关节康复机器人的横梁支架机构。

如图3所示，所述横梁支架机构包括：

支架15、左连接件16、右连接件17、第二电机18、第二编码器19、左悬臂20、右悬臂21、横梁22、伞齿轮对23。所述支架通过左连接件16、右连接件17、左悬臂20、右悬臂21把横梁支架机构和转盘传动机构固定在连接板12上，使横梁支架机构和转盘传动机构随着半圆绞盘10的转动而摆动。

其中，支架15固定安装在连接板12的外侧，起到“承上启下”的作用；左连接件16与右连接件17分别竖直安装在支架15另一侧的两端；左悬臂20通过轴承安装在左连接件16的上端，右悬臂21通过轴承安装在右连接件17的上端；横梁22的后端分别与左悬臂20和右悬臂21的下端相连；伞齿轮对23安装在左连接件16的上端，并位于第二电机18与左悬臂20之间；第二电机18机身水平固定在左连接件16的上端，通过伞齿轮对23驱动左悬臂20上下摆动，左悬臂20经过横梁22带动右悬臂21的摆动，从而实现腕关节的桡偏尺偏运动；第二编码器19安装在第二电机18的尾部，用于测量悬臂摆动的角度；

图4为本发明三自由度腕关节康复机器人转盘传动机构。

如图4所示，所述转盘传动机构包括：

第三电机24、第三编码器25、第三电机座26、第三电机轴套27、转盘28、压力传感器29、调节板30、手柄31。

其中，第三电机座26固定安装在横梁22的前端；转盘28安装在横梁22的中部；压力传感器29固定在转盘28上，用于测量患者手腕与康复机器人的交互力；调节板30固定在压力传感器29上，调节板30的中心线经过转盘28的圆心。手柄31垂直安装在调节板30上，可以通过调节板30上的调节槽来调整手柄31的位置，从而适应不同的患者；第三电机24机身垂直安装在第三电机基座26上，第三编码器25安装在第三电机24的尾部；第三电机24的输出轴穿过第三电机座26与第三电机轴套27连接；第三电机轴套27的轴线与转盘28的轴线平行；第三电机轴套27通过钢丝绳与转盘28连接，第三电机24通过钢丝绳带动转盘28的旋转，从而带动手柄31的转动实现腕关节的掌屈背伸运动；

图5为三自由度腕关节康复机器人系统功能示意图。

如图5所示，所述三自由度腕关节康复机器人系统包括：

计算机32，用于实时记录患者与康复机器人的状态信息，绘制虚拟现实环境提供视觉反馈，根据不同的训练模式执行相应的控制算法，并向下位机微控制发送控制指令，根据记录信息对康复训练做出客观评价；

下位机微控制器33，接收计算机控制指令，对指令进行解码提取出各个关节电机的力矩或者速度控制量，把控制量转为控制信号传送给三自由度腕关节康复机器人；采集三自由度腕关节康复机器人的位置、压力等传感器信息，对传感器信息进行编码，以数据帧的形式传送给计算机。

三自由度腕关节康复机器人34，在接收到下位机微控制器33发送的控制信号后，第一电机6、第二电机18和第三电机24分别做出对应的响应；通过第一编码器7、第二编码器19、第三编码器25、压力传感器29把患者35与腕关节康复机器人的交互信息传送往下位机微控制器33；

在康复训练过程中，患者35的前臂放在手托11上，通过手柄31与康复机器人进行交互。腕关节康复机器人34利用第一编码器7、第二编码器19、第三编码器25测得腕关节的位置、速度信息，以及转盘28上安装的压力传感器29测得交互力等状态信息。下位机微控制器33对三自由度腕关节康复机器人34传来的信息进行处理并编码，然后以数据帧的形式发送给计算机32。计算机32根据患者与康复机器人的状态信息，一方面利用虚拟现实环境向患者35提供视觉反馈矫正患者35动作并促进训练的积极性，另一方面根据控制算法计算各电机的控制量以指令的形式发送给下位机微控制器33。下位机微控制器33从指令中解码出电机力矩、速度等控制量，并转化为相应的控制信号传送给三自由度腕关节康复机器人34；三自由度腕关节康复机器人34通过手柄31带动患者35的手腕完成相应的动作。其中，第一电机6通过钢丝绳带动半圆绞盘10在竖直面做旋转运动，半圆绞盘10带动手托11转动，手托11带动连接板12摆动，连接板12带动滑块14在半圆弧导轨13上滑动，横梁支架机构以及转盘传动机构在滑块14的带动下左右摆动，从而带动患者35的手腕实现旋内旋外运动；第二电机18通过伞齿轮对23带动左悬臂20与右悬臂21在竖直面内上下摆动，左悬臂20与右悬臂21一起带动横梁22上下摆动，从而带动患者35的手腕实现桡偏尺偏运动；第三电机24的输出轴通过钢丝绳带动转盘28旋转，转盘28带动压力传感器29旋转，压力传感器29带动调节板30转动，调节板30带动手柄31旋转，手柄31带动患者34的手腕实现掌屈背伸运动；从而同时完成对患者35腕关节的旋内旋外、掌屈背伸、桡偏尺偏三个自由度的康复训练运动。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述三自由度腕关节康复机器人包括：基座承重机构、绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构、横梁支架机构、转盘传动机构；所述基座承重机构用于支撑整个三自由度腕关节康复机器人；所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构通过第一电机输出轴的旋转运动带动手托与连接板的摆动，从而带动手腕实现旋内旋外运动；所述横梁支架机构用于支撑固定转盘传动机构，并在第二电机的带动下实现手腕的桡偏尺偏运动；所述转盘传动机构用于将第三电机输出轴的旋转传递至手柄的旋转，从而实现手腕的掌屈背伸运动。

2.如权利要求1所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述基座承重机构包括：底座、电机支架、轴承支架、轴承座、导轨支架；其中，在底座上面分别依次固定安装电机支架、轴承支架、轴承座和导轨支架；轴承支架用于支撑与安装辅助轴承；轴承座内部嵌有一轴承；电机支架与轴承座分别用于固定所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构中的第一电机和第一电机的输出轴，共同作用使第一电机保持水平；导轨支架用于垂直固定安装半圆弧导轨。

3.如权利要求1所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构包括：第一电机、第一编码器、第一电机轴套、辅助轴承、半圆绞盘、手托、连接板、滑块、半圆弧导轨；所述第一电机通过钢丝绳带动所述半圆绞盘转动，安装在第一电机尾部的第一编码器用于测量所述半圆绞盘的旋转角度；所述半圆弧导轨是由三段60度的弧形导轨拼接而成的半圆弧状导轨，所述滑块与半圆弧导轨滑动连接；所述连接板的一端连接所述滑块，另一端与所述手托连接，而所述手托的另一端与所述半圆绞盘连接；因此，在半圆绞盘转动时，通过手托、连接板带动滑块在半圆弧导轨上滑动，实现腕关节的旋内旋外运动。

4.如权利要求1所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述横梁支架机构包括：支架、左连接件、右连接件、第二电机、左悬臂、右悬臂、横梁、伞齿轮对。

5.如权利要求4所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述转盘传动机构包括：第三电机、第三电机座、第三电机轴套、转盘、调节板、手柄。

6.如权利要求5所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述支架通过左连接件、右连接件、左悬臂、右悬臂把横梁支架机构和转盘传动机构固定在所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构上，使横梁支架机构和转盘传动机构随着所述绞盘传动和半圆弧导轨滑块机构中的半圆绞盘的转动而摆动。

7.如权利要求4-6任一项所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述左连接件的上端外侧与第二电机相连，上端内侧与左悬臂连接，通过伞齿轮对把第二电机输出轴的旋转运动转为左悬臂和右悬臂的上下摆动，实现腕关节的桡偏尺偏运动。

8.如权利要求5所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述第三电机垂直固定在第三电机座上，所述第三电机的输出轴通过第三电机轴套和钢丝绳带动所述转盘转动，从而实现腕关节的掌屈背伸运动。

9.如权利要求5所述的三自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述调节板中间留有可调节槽，可根据不同患者调整手柄的安装位置。

10.一种三自由度腕关节康复机器人系统，其包括：

计算机，接收下位机微控制器发送的状态信息，实时记录患者与三自由度腕关节康复机器人的状态信息，绘制虚拟现实环境向患者提供视觉反馈，向下位机微控制器发送控制指令，对患者康复训练做出客观评价；

下位机微控制器，接收计算机的控制指令，对指令进行解码，提取出各个关节电机的控制量，把控制量转为相应的控制信号传送给所述三自由度腕关节康复机器人，实时采集所述三自由度腕关节康复机器人的位置、压力等传感器信息，并传送给所述计算机。

三自由度腕关节康复机器人，接收所述下位机微控制器对电机的控制信号，在电机的驱动作用下，通过手柄与手托带动患者腕关节运动，利用传感器把患者与所述三自由度腕关节康复机器人的交互信息传递给下位机微控制器。