CN107307972A - 一种用于上肢康复机器人的新型机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械臂元件技术领域，公开了一种用于上肢康复机器人的新型机械臂，用于上肢康复机器人的新型机械臂包括：第一电机、第二电机、第三电机、第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器、控制器。本发明在关节组件中结合多个感应器，能够使得力测量变得更容易，确保机器人的柔性、安全性、灵活性并且提高上肢康复训练灵敏操作的力量，采用多个旋转关节组件串联构成机械臂的设计结构，每个关节组件都带有电机减速器的驱动机构，能够带动手臂主动运动，从而有效地实现康复训练。
Description
技术领域
本发明属于机械臂元件技术领域，尤其涉及一种用于上肢康复机器人的新型机械臂。
背景技术
事实证明，正崛起的康复机器人技术通过上下肢康复训练帮助患者康复的潜力是巨大的，它们能够代替并减轻理疗师们重体力、高强度的工作负担。机器人适于重复性的工作，这使得机器人康复训练程序得到更好的实施，这类程序的设计主要为了帮助神经受损的患者恢复其运动机能。由神经系统损伤导致的功能性残障中最影响患者功能的便是上肢系统的功能性障碍，上肢系统功能性障碍导致的残障，对患者生活的独立性和质量的影响是非常显著的，对患者运动机能的康复，尤其上肢功能的恢复，被认为是脑外伤及脊髓损伤患者神经康复训练中最重要的目标之一。
目前，国内外上肢康复训练机器人在用于上肢运动功能障碍患者进行治疗和康复训练时存在诸多缺点和不足，主要有：支持活动的关节单一或较少、尤其是未把小臂旋转和腕部指部等关节的运动集成于系统和装置中；个体适应性差，不能根据不同患者进行装置的调整或调整不方便；支持的运动模式单一，只能进行被动运动或者装置不具备驱动功能；舒适性较差，不能较好地实现人机协调和统一；不能激发患者训练的兴趣；不能较好地解决力量和位置过载等安全问题。CN101357097A公布了一种五自由度外骨骼式上肢康复机器人，该机器人包括安装架、控制柜、康复机械臂本体，康复机械臂由横肩、上臂、前臂和手柄构成，5个自由度关节，提供患者各关节的单关节运动与三维空间多关节复合运动。该发明的机械臂结构单一、不够轻巧紧凑，转动惯量大；调整很不方便，个体适应性差；不能支持患者上肢较多关节的康复运动，尤其是不能实现患者指关节的康复训练；在安全设计方面存在不足。
在上肢康复机器人的机械结构中，一个非常重要的部件就是康复机器人的机械臂。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术中，上肢康复机器人的机械臂不能通过直接操作、交互式监控以及远程临境控制等方式在训练场合安全稳健地智能运行；而且现有技术不能满足其运动范围要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于上肢康复机器人的新型机械臂。
本发明是这样实现的，一种用于上肢康复机器人的新型机械臂，所述用于上肢康复机器人的新型机械臂包括：
铰接在上肢康复肩关节壳体上，用于在180°范围内围绕肩关节来回转动的大臂；
与大臂焊接，用于容纳小臂自由运动的圆弧导轨；
与大臂通过肘关节铰接，用于围绕肘关节做屈伸和摆动的小臂；
与小臂通过腕关节铰接，用于围绕腕关节做摆动的手腕；
与大臂通过转轴连接，用于带动大臂运动的第一电机；
与小臂通过转轴连接，用于带动小臂运动的第二电机；
与手腕通过转轴连接，用于带动手腕运动的第三电机；
镶嵌在大臂上的第一位置感应器；
镶嵌在小臂上的第二位置感应器；
镶嵌在手腕上的第三位置感应器；
镶嵌在大臂上的第一加速度感应器；
镶嵌在小臂上的第二加速度感应器；
镶嵌在手腕上的第三加速度感应器；
分别通过导线连接第一电机、第二电机、第三电机、第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器，用于接受第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器的传感信息，控制第一电机、第二电机、第三电机进行相应动作的控制器；
所述第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器的数字调制信号x(t)的分数低阶模糊函数表示为：
其中，τ为时延偏移，f为多普勒频移，0＜a,b＜α/2，x*(t)表示x(t)的共轭，当x(t)为实信号时，x(t)＜p＞＝|x(t)|＜p＞sgn(x(t))；当x(t)为复信号时，[x(t)]＜p＞＝|x(t)|p-1x*(t)；
所述第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器的接收信号y(t)表示为：
y(t)＝x(t)+n(t)；
其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：
其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位是在[0,2π]内均匀分布的随机数。
进一步，所述第一电机、第二电机、第三电机均通过螺栓固定在上肢康复肩关节壳体上。
进一步，所述第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器均设置有多个。
进一步，所述控制器上镶嵌有执行不同动作的提示按钮。
进一步，所述控制器还通过无线连接用于对训练信息进行数据共享的手机终端。
进一步，所述大臂、圆弧导轨、小臂、手腕上均扣结有缚束带。
本发明的优点及积极效果为：
本发明在关节组件中结合多个感应器，能够使得力测量变得更容易，确保机器人的柔性、安全性、灵活性并且提高上肢康复训练灵敏操作的力量，采用多个旋转关节组件串联构成机械臂的设计结构，每个关节组件都带有电机减速器的驱动机构，能够带动手臂主动运动，从而有效地实现康复训练。本发明的数据信号处理方法中，得到的数据准确，相比于现有技术提高进5个百分点，保证了智能化控制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于上肢康复机器人的新型机械臂示意图。
图中：1、大臂；2、圆弧导轨；3、小臂；4、手腕；5、第一电机；6、第二电机；7、第三电机；8、第一位置感应器；9、第二位置感应器；10、第三位置感应器；11、第一加速度感应器；12、第二加速度感应器；13、第三加速度感应器；14、控制器；15、上肢康复肩关节壳体；16、手机终端；17、缚束带。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明使得穿戴上该康复治疗机器人的患者，大臂可以在约180°范围内围绕肩关节来回转动，同时辅助小臂运动的部分可在该圆弧导轨的支撑下围绕肘关节做屈伸和摆动。使得该上肢功能康复机器人的辅助治疗过程更加符合生物力学要求，不仅穿戴更加舒适，而且治疗效果也更好，患者康复治疗的过程更加主动自然。本发明还对机械臂的圆弧导轨进行机械创新设计，找到设计参数的最优解。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的用于上肢康复机器人的新型机械臂，包括：
铰接在上肢康复肩关节壳体上，用于在180°范围内围绕肩关节来回转动的大臂1；
与大臂焊接，用于容纳小臂自由运动的圆弧导轨2；
与大臂通过肘关节铰接，用于围绕肘关节做屈伸和摆动的小臂3；
与小臂通过腕关节铰接，用于围绕腕关节做摆动的手腕4；
与大臂通过转轴连接，用于带动大臂运动的第一电机5；
与小臂通过转轴连接，用于带动小臂运动的第二电机6；
与手腕通过转轴连接，用于带动手腕运动的第三电机7；
镶嵌在大臂上的第一位置感应器8；
镶嵌在小臂上的第二位置感应器9；
镶嵌在手腕上的第三位置感应器10；
镶嵌在大臂上的第一加速度感应器11；
镶嵌在小臂上的第二加速度感应器12；
镶嵌在手腕上的第三加速度感应器13；
分别通过导线连接第一电机、第二电机、第三电机、第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器，用于接受第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器的传感信息，控制第一电机、第二电机、第三电机进行相应动作的控制器14。
所述第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器的数字调制信号x(t)的分数低阶模糊函数表示为：
其中，τ为时延偏移，f为多普勒频移，0＜a,b＜α/2，x*(t)表示x(t)的共轭，当x(t)为实信号时，x(t)＜p＞＝|x(t)|＜p＞sgn(x(t))；当x(t)为复信号时，[x(t)]＜p＞＝|x(t)|p-1x*(t)；
所述第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器的接收信号y(t)表示为：
y(t)＝x(t)+n(t)；
其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：
其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位是在[0,2π]内均匀分布的随机数。
作为本发明实施例的优选方案，所述第一电机、第二电机、第三电机均通过螺栓固定在上肢康复肩关节壳体15上。
作为本发明实施例的优选方案，所述第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器均设置有多个。
作为本发明实施例的优选方案，所述控制器上镶嵌有执行不同动作的提示按钮。
作为本发明实施例的优选方案，所述控制器还通过无线连接用于对训练信息进行数据共享的手机终端16。
作为本发明实施例的优选方案，所述大臂、圆弧导轨、小臂、手腕上均扣结有缚束带17。
本发明在关节组件中结合多个感应器，能够使得力测量变得更容易，确保机器人的柔性、安全性、灵活性并且提高上肢康复训练灵敏操作的力量，采用多个旋转关节组件串联构成机械臂的设计结构，每个关节组件都带有电机减速器的驱动机构，能够带动手臂主动运动，从而有效地实现康复训练。
所述控制器为：EPC520，EPC320纠偏控制器。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
本发明在圆弧导轨参数设计过程中需要选择的主要参数有圆弧导轨圆心角角度n，轨道外径R1、轨道内径R2、轨槽宽度D、导轨高度H、导轨槽深h、导轨壁厚d等。通过对比分析可知，轨道外径R1、导轨壁材料厚度d是圆弧导轨优化设计的关键，在R1和d之间应有一最佳组合值，使得圆弧导轨能承受足够的应力情况下，导轨质量最小。基于人体上臂活动的实际范围，初步机械臂导轨的活动范围，n＝180°。为使导轨体积尽可能小，选用NSK686深沟球轴承，轴承参数为：外径13mm，内径26mm，厚度3.5mm，故设定导轨槽宽D＝13mm，导轨厚度H＝20mm。
本发明通过选用合理的材料——铸铝，提高导轨的使用可靠性；通过选用合理的设计参数，增加了使用者的舒适度，降低了制造成本。本发明设计的上肢康复机器人用机械臂，不仅降低了产品的制造成本，保障了关键零部件的强度，同时降低了产品的总质量，最大程度地保障了使用者的舒适性，提高了产品的性价比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于上肢康复机器人的新型机械臂，其特征在于，所述用于上肢康复机器人的新型机械臂包括：
铰接在上肢康复肩关节壳体上，用于在180°范围内围绕肩关节来回转动的大臂；
与大臂焊接，用于容纳小臂自由运动的圆弧导轨；
与大臂通过肘关节铰接，用于围绕肘关节做屈伸和摆动的小臂；
与小臂通过腕关节铰接，用于围绕腕关节做摆动的手腕；
与大臂通过转轴连接，用于带动大臂运动的第一电机；
与小臂通过转轴连接，用于带动小臂运动的第二电机；
与手腕通过转轴连接，用于带动手腕运动的第三电机；
镶嵌在大臂上的第一位置感应器；
镶嵌在小臂上的第二位置感应器；
镶嵌在手腕上的第三位置感应器；
镶嵌在大臂上的第一加速度感应器；
镶嵌在小臂上的第二加速度感应器；
镶嵌在手腕上的第三加速度感应器；
分别通过导线连接第一电机、第二电机、第三电机、第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器，用于接受第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器的传感信息，控制第一电机、第二电机、第三电机进行相应动作的控制器；
所述第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器的数字调制信号x(t)的分数低阶模糊函数表示为：
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其中，τ为时延偏移，f为多普勒频移，0＜a,b＜α/2，x*(t)表示x(t)的共轭，当x(t)为实信号时，x(t)＜p＞＝|x(t)|＜p＞sgn(x(t))；当x(t)为复信号时，[x(t)]＜p＞＝|x(t)|p-1x*(t)；
所述第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器的接收信号y(t)表示为：
y(t)＝x(t)+n(t)；
其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：
其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位是在[0,2π]内均匀分布的随机数。
2.如权利要求1所述的用于上肢康复机器人的新型机械臂，其特征在于，所述第一电机、第二电机、第三电机均通过螺栓固定在上肢康复肩关节壳体上。
3.如权利要求1所述的用于上肢康复机器人的新型机械臂，其特征在于，所述第一位置感应器、第二位置感应器、第三位置感应器、第一加速度感应器、第二加速度感应器以及第三加速度感应器均设置有多个。
4.如权利要求1所述的用于上肢康复机器人的新型机械臂，其特征在于，所述控制器上镶嵌有执行不同动作的提示按钮。
5.如权利要求1所述的用于上肢康复机器人的新型机械臂，其特征在于，所述控制器还通过无线连接用于对训练信息进行数据共享的手机终端。
6.如权利要求1所述的用于上肢康复机器人的新型机械臂，其特征在于，所述大臂、圆弧导轨、小臂、手腕上均扣结有缚束带。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171103 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |