CN108836731B - 家用型索控式上肢康复训练机械手臂 - Google Patents

家用型索控式上肢康复训练机械手臂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种家用型索控式上肢康复训练机械手臂，肘关节通过肘关节夹具与上臂杆形成转动连接，肩关节通过肩关节中轴与过渡板形成转动连接；肘关节夹具内装有肘部轮
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，肘部轮
Figure 201473DEST_PATH_IMAGE002
与肘屈/伸电机通过套有线管的钢丝绳连接，从而实现肘关节屈/伸运动；过渡板上通过肩关节中轴连接肩屈伸轮
Figure 118614DEST_PATH_IMAGE002
，肩屈伸轮
Figure 836034DEST_PATH_IMAGE002
安装在上臂杆末端，肩屈/伸电机通过肩屈伸轮
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，套有线管的钢丝绳与过渡板上的肩屈伸轮
Figure 231243DEST_PATH_IMAGE002
传动连接，实现肩关节屈/伸运动；过渡板通过肩内收外展轴连接肩收展传动板，肩收展传动板的底部固定连接带轮
Figure 983299DEST_PATH_IMAGE004
，底板上安装有肩内收外展电机及带轮
Figure 805761DEST_PATH_IMAGE002
，肩内收外展电机通过带轮
Figure 72794DEST_PATH_IMAGE002
、传动带与肩收展传动板上的带轮
Figure 704983DEST_PATH_IMAGE004
带传动，实现肩关节内收外展。

Description

家用型索控式上肢康复训练机械手臂
技术领域
本发明涉及一种家用型上肢功能障碍康复训练设备，具体涉及一种主要用于由脑卒中引起的上肢功能障碍康复训练(包括上肢功能神经康复)的机械手臂；也可用于脑瘫、外伤、糖尿病等引起的上肢功能障碍康复训练。
背景技术
脑卒中是威胁人类身心健康和生命安全的主要疾病之一，随着老龄化程度的加剧，脑血管意外或脑卒中等疾病的发病率也越来越高，其中偏瘫、行走能力丧失是最主要的后遗症。据调查，85％的脑卒中患者在发病初期伴有上肢功能障碍，55％-75％在发病后的3-6个月仍伴有上肢功能障碍，研究脑卒中后上肢功能的恢复问题已成为临床康复领域中最富有挑战性的课题。
对于发明专利：可穿戴式的7自由度上肢运动康复训练外骨骼(专利号：201110076865.2)，该发明包括固定在底座上的支撑杆和外骨骼训练装置，其中外骨骼训练装置由肩部内收/外展关节、屈/伸关节、旋内/旋外关节、肘部/伸关节、旋内/旋外关节以及腕部内收/外展关节和屈/伸关节总共七个旋转关节串联而成，该发明具有更多的运动自由度，但每个旋转关节均采用电机直接驱动关节，大大增加了外骨骼的重量，导致运动惯量较大、稳定性差，也使外骨骼带动患者训练的运动空间受到限制。
对于发明专利：索控式上肢功能训练机械手臂(专利号：201110112069.X)，该发明把能实现关节运动的地方都设计为滚轮结构，并使滚轮与需要带动的手臂通过键或者焊接连接在一起，让电机放在座椅下面，通过钢丝绳带动滚轮运动，以至于控制各关节的运动。避免了由于电机和其他减速装置等直接安装在关节处所造成的机械臂体积和重量过大等问题，但由于采用的绳索传动，长时间使用所造成的钢丝绳索松动和摩擦损耗等问题却得不到很好的解决。
鉴于目前上肢康复训练机械手臂的研究现状，存在的主要问题表现为：大多采用串联机构，将电机和齿轮机构安装在机器人的各关节处，这不可避免会大大增加机械臂的体积和重量，同时也降低了机器人的有效载荷而且影响美观，噪声较大。另外，此类大型康复器械一般只会出现在医院或者大型康复中心，维修和使用费用昂贵。因此研发一种结构简单、功能齐全、适用于家庭康复使用的上肢功能障碍康复训练手臂，对于提高脑卒中患者上肢功能障碍康复水平、促进上肢康复训练设备的创新与产业发展具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、功能齐全、适用于家庭康复使用的上肢功能障碍康复训练机械臂，以解决现有上肢康复训练机械臂体积庞大、运动柔性差、装置稳定性差、维修和使用费用昂贵，以及绳索驱动易松动等问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种家用型索控式上肢康复训练机械手臂，包括肘关节、肩关节，过渡板、肩收展传动板、底板、带轮、钢丝绳、电机，所述肘关节通过肘关节夹具与上臂杆形成转动连接，所述肩关节通过肩关节中轴与过渡板形成转动连接；所述肩收展传动板上安装有肩屈/伸电机和肘屈/伸电机，肩屈/伸电机和肘屈/伸电机上分别安装有肩屈伸轮II和肘部轮II，其中肩屈伸轮II和肘部轮II具有双轨道，肘关节夹具内通过肘关节中轴连接肘部轮I，肘部轮I与前臂后杆固定连接，肘部轮I与肘屈/伸电机上的肘部轮II通过套有线管的钢丝绳连接，从而实现肘关节屈/伸运动；所述过渡板上通过肩关节中轴连接肩屈伸轮I，肩屈伸轮I安装在上臂杆末端，肩屈/伸电机通过肩屈伸轮II，套有线管的钢丝绳与过渡板上的肩屈伸轮I传动连接，实现肩关节屈/伸运动；所述过渡板通过肩内收外展轴连接肩收展传动板，肩内收外展轴下端通过推力球轴承连接基座下层底板，所述肩收展传动板的底部固定连接带轮II，且带轮II与肩内收外展轴固定连接，基座下层底板上安装有肩内收外展电机及带轮I，肩内收外展电机通过带轮I、同步带与肩收展传动板上的带轮II带传动，实现肩关节内收外展。
所述肘关节包括霍尔手持器、托板、前臂前杆、前臂后杆，霍尔手持器与托板均安装固定在手杆上，并通过连接板安装固定到前臂前杆上，前臂前杆套接在前臂后杆中，并通过前臂端盖进行固定。
所述肩关节包括上臂杆、过渡板，肩屈伸轮I通过螺栓与上臂杆末端U型结构固定连接，肩关节中轴与过渡板之间设有一对深沟球轴承，并通过键贯穿连接肩屈伸轮I和过渡板；过渡板前后两端分别安装有肩关节线夹I和线夹II，并通过固定轴与下端的肩内收外展轴螺纹连接。
所述肩收展传动板上安装固定肘关节线夹，肘关节线夹与肘关节夹具之间连接线管，两段钢丝绳索在肘部轮II上固定后由相反的方向引出，经由肘关节线夹，穿过线管，再到肘部轮I上固定；过渡板两端对称安装有肩关节线夹I和肩关节线夹II，肩关节线夹I和肩关节线夹II之间连接线管，两段钢丝绳索在肩屈伸轮I上固定后由相反方向引出，经过肩关节线夹I和肩关节线夹II和线管再到肩屈伸轮II上固定。
本发明的有益效果是：本发明采用的是钢丝绳索传动，即通过钢丝绳索将电机同各关节相互连接，避免了以往的串联式结构设计，有效减小了机械臂的体积和重量；为了克服传统钢丝绳传动易打滑的缺点，本发明采用了双轨道设计，即通过两根钢丝绳分别从相反的方向绕行形成传动回路；采用线夹和线管张紧装置，在减小钢丝绳传动摩擦力的同时，还可以有效避免由于长期使用而导致的钢丝绳松动等问题；同时将电机等装置安装在远离患者的机箱内，有效减小了整个装置的体积和重量，使得整个装置结构简单，功能齐全，适用于家庭康复。
附图说明
图1是本发明的上肢康复机械臂的立体示意图；
图2是图1的展开平面图；
图3是肘关节局部放大图；
图4是肩关节局部放大图；
图5是肩关节张紧装置示意图；
图6是肘关节张紧装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明
如图1,2所示，本发明的家用型索控式上肢康复训练机械手臂，主要包括前臂前杆5、前臂后杆7、肘关节夹具11、上臂杆12、过渡板14、肩收展传动板25、底板26、带轮、钢丝绳、电机等。肘关节通过肘关节夹具11和肘关节中轴10与上臂杆12形成转动连接，肩关节通过肩关节中轴15与过渡板14形成转动连接。肘关节通过肘关节夹具11与上臂杆12形成转动连接，肘部轮19通过螺栓8安装固定在前臂后杆7上，并用肘关节中轴10与肘关节夹具11贯穿连接，肘部轮19与肘屈/伸电机23通过套有线管的钢丝绳连接，从而完成肘关节屈/伸运动。肩屈伸轮I13通过螺栓与上臂杆12的末端，并用肩关节中轴15与过渡板14贯穿连接，肩屈/伸电机21通过套有线管的钢丝绳直接将动力传递给肩屈伸轮I13，即可实现肩关节屈/伸运动。过渡板14通过肩内收外展轴27连接肩收展传动板25，肩内收外展电机29通过同步带带动肩内收外展轴27转动，从而完成肩关节内收/外展运动。
该机械手臂利用钢丝绳将各个关节和电机连在一起，通过三个电机分别驱动肘关节屈/伸、肩关节屈/伸和内收外展，同时采用中央驱动式设计，即将所有电机、减速箱和驱动器等动力提供装置和控制系统都安装于远离患者的基座上，这样能够有效地减小机械臂体积和质量，同时可以留出足够的空间对电机产生的噪声和辐射进行屏蔽处理。传动方式上采用了双绳索逆向绕行传动回路，配合线夹、线管张紧装置的使用在减小摩擦力的同时，可以有效避免由于长期使用而造成的钢丝绳索松动等问题。
如图3所示，肘关节主要包括霍尔手持器1、托板4、前臂前杆5、前臂后杆7、肘部轮I9、肘关节夹具11。霍尔手持器1与托板4均安装固定在手杆3上，并通过连接板2安装固定到前臂前杆5上，前臂前杆5套接在前臂后杆7中，并通过前臂端盖6固定，可以进行收缩以满足不同臂长的患者使用。肘关节中轴10通过键贯穿连接肘部轮I9和肘关节夹具11，其中肘部轮I9通过螺栓与前臂后杆7固定连接。
如图4所示，肩关节主要包括上臂杆12、过渡板14等。肩屈伸轮I13通过螺栓与上臂杆12的末端U型结构固定连接。肩关节中轴15与过渡板14之间设有一对深沟球轴承，并通过键贯穿连接肩屈伸轮I13和过渡板14。过渡板14前后两端分别安装有肩关节线夹I17和肩关节线夹II18，同时与固定轴用螺栓固定连接。固定轴与下端肩内收外展轴27由螺纹相互连接。基座上层的肩收展传动板25上安装有肩屈/伸电机21和肘屈/伸电机23，肩屈/伸电机21和肘屈/伸电机23上分别安装有肩屈伸轮II20和肘部轮II22，其中肩屈伸轮II20和肘部轮II22均采用双轨道设计，即由双绳绕行完成一个回路。肩内收外展轴27与基座下层的底板26之间设有推力球轴承，且与带轮I28通过键连接。带轮I28用螺钉固定连接在肩收展传动板25的底部。底板26上安装有肩内收外展电机29及带轮I24，肩内收外展电机29通过带轮I24、传动带与肩收展传动板25上的带轮II28带传动，实现肩关节内收外展。
如图5、6所示，本发明所设计的张紧装置，主要包括线夹和线管30两部分。线夹上的通孔为台阶孔，线管30两端装有金属接头，传动时金属接头插在线夹孔径较大的小孔内。以肘关节屈伸运动为例，一条钢丝绳的一端固定在肘部轮II22上，在肘部轮II22上顺时针绕行，然后通过肘关节线夹19的下台阶小孔，穿过中间固定线管，经由肘关节夹具11台阶小孔到肘部轮I9上顺时针绕行最后固定。另一条钢丝绳则在固定后逆时针在肘部轮II22上绕行，然后通过肘关节线夹19的台阶小孔，穿过固定线管，经过肘关节夹具11台阶小孔到肘部轮I9上逆时针绕行固定，这样两根钢丝绳分别从不同的方向绕行形成传动回路，当装在电机上的肘部轮II22被电机驱动顺时针转过一定角度时，由于钢丝绳长度是一定的，所以同一时间穿过线管的钢丝绳长度一定，则肘部轮I9顺时针转过相同的角度。该张紧装置不仅能够避免传动钢丝绳混乱的情况发生，防止松动，使传动平稳，还能减小钢丝绳同机械臂零件之间的摩擦，延长使用寿命。

Claims (3)

1.一种家用型索控式上肢康复训练机械手臂，包括肘关节、肩关节，过渡板(14)、肩收展传动板(25)、底板(26)、带轮、钢丝绳、电机，其特征在于：所述肘关节通过肘关节夹具与上臂杆形成转动连接，所述肩关节通过肩关节中轴(15)与过渡板(14)形成转动连接；所述肩收展传动板(25)上安装有肩屈/伸电机(21)和肘屈/伸电机(23)，肩屈/伸电机(21)和肘屈/伸电机(23)上分别安装有肩屈伸轮II(20)和肘部轮II(22)，其中肩屈伸轮II(20)和肘部轮II(22)具有双轨道，肘关节夹具(11)内通过肘关节中轴(10)连接肘部轮I(9)，肘部轮I(9)与前臂后杆固定连接，肘部轮I(9)与肘屈/伸电机上的肘部轮II(22)通过套有线管的钢丝绳连接，从而实现肘关节屈/伸运动；所述过渡板(14)上通过肩关节中轴(15)连接肩屈伸轮I(13)，肩屈伸轮I(13)安装在上臂杆末端，肩屈/伸电机(21)通过肩屈伸轮II(20)、套有线管的钢丝绳与过渡板(14)上的肩屈伸轮I(13)传动连接，从而实现肩关节屈/伸运动；所述过渡板(14)通过肩内收外展轴(27)连接肩收展传动板(25)，肩内收外展轴(27)下端通过推力球轴承连接基座下层底板(26)，所述肩收展传动板(25)的底部固定连接带轮II(28)，且带轮II(28)与肩内收外展轴(27)固定连接，底板(26)上安装有肩内收外展电机(29)及带轮I(24)，肩内收外展电机(29)通过带轮I(24)、同步带与肩收展传动板(25)上的带轮II(28)传动连接，从而实现肩关节内收外展；所述肩收展传动板(25)上安装固定肘关节线夹(19)，肘关节线夹(19)与肘关节夹具(11)之间连接线管(30)，两段钢丝绳索在肘部轮II(22)上固定后由相反的方向引出，经由肘关节线夹(19)，穿过线管(30)，再到肘部轮I(9)上固定；过渡板(14)两端对称安装有肩关节线夹I(17)和肩关节线夹II(18)，肩关节线夹I(17)和肩关节线夹II(18)之间连接线管(30)，两段钢丝绳索在肩屈伸轮I(13)上固定后由相反方向引出，经过肩关节线夹I(17)和肩关节线夹II(18)和线管(30)再到肩屈伸轮II(20)上固定。
2.根据权利要求1所述的家用型索控式上肢康复训练机械手臂，其特征在于：所述肘关节霍尔手持器(1)、托板(4)、前臂前杆(5)、前臂后杆(7)、肘部轮I(9)、肘关节夹具(11)，霍尔手持器(1)与托板(4)均安装固定在手杆(3)上，并通过连接板安装固定到前臂前杆(5)上，前臂前杆(5)套接在前臂后杆(7)中，并通过前臂端盖(6)进行固定。
3.根据权利要求1所述的家用型索控式上肢康复训练机械手臂，其特征在于：所述肩关节包括上臂杆(12)、过渡板(14)，肩屈伸轮I(13)通过螺栓与上臂杆末端U型结构固定连接，肩关节中轴(15)与过渡板(14)之间设有一对深沟球轴承，并通过键贯穿连接肩屈伸轮I(13)和过渡板(14)；过渡板(14)前后两端分别安装有肩关节线夹I(17)和肩关节线夹II(18)，并通过固定轴与下端的肩内收外展轴(27)螺纹连接。
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