CN109260669A - 一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，包含支架、驱动控制箱以及康复训练机器人本体，整个系统由七个直流电机通过绳索驱动，能够实现上肢肩关节内收/外展、内旋/外旋、屈/伸以及肘关节的屈/伸共四个自由度的主被动康复训练，绳索驱动以及树脂材料的应用能够降低康复训练机器人本体的运动惯性，增加康复训练的舒适度，提高康复训练效率。

Description

一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人
技术领域
本发明涉及一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，用于上肢受伤患者的上肢主被动康复训练，属于医疗保健器械。
背景技术
医学理论实践证明，对上肢受伤患者，进行康复训练是恢复其上肢运动功能的有效途径。在国内外传统康复治疗中，通常由治疗师一对一对患者进行康复训练，缺乏科学评价训练参数以及康复效果的客观有效评估，且通常容易对患者产生较大经济负担。因此研制一种满足上肢主被动康复训练装置可以提高康复训练效率和效果，具有重要的应用价值和实际的紧迫性。
发明内容
发明目的：本发明提供一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，能够实现上肢肩关节内收/外展、内旋/外旋、屈/伸以及肘关节的屈/伸共四个自由度的主被动康复训练。
技术方案：本发明的一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，包括支架、驱动控制箱以及康复训练机器人本体，所述支架支撑康复训练机器人本体与患者手臂；所述驱动控制箱通过绳索驱动康复训练机器人本体带动患者手臂运动，驱动控制箱中的各个直流电机通过固定在电机轴上的驱动轮收紧或放松绳索组件，绳索组件通过驱动控制箱上的支撑梁经过套索及支撑圆环连接到康复训练机器人本体上的对应绳索连接点上；所述康复训练机器人本体包括从上到下依次相连的上臂模块、前臂模块以及手套。
其中，所述包括支撑底座和支撑圆环，支撑底座立于地面，支撑圆环通过支架悬挂于支撑底座；
所述驱动控制箱整体呈立方体，驱动控制箱内的底部安装有若干直流电机、驱动控制模块和电源模块，所述支撑梁横架于驱动控制器顶部；所述上臂模块包括上臂内环以及嵌套于上臂内环顶端外周的上臂外环；
所述绳索组件中的各个绳索通过对应的直流电机、绳索连接点和套索来驱动臂模块、前臂模块以及手套。
进一步的，所述绳索组件包括七个绳索，其中第一驱动绳索一端缠绕在对应直流电机上，通过支撑梁以及连接在支撑梁和支撑圆环第一连接点之间的套索，第一驱动绳索的另一端固定于上臂模块第一连接点处；第二驱动绳索一端缠绕在对应直流电机上，通过支撑梁以及连接在支撑梁和支撑圆环第二连接点之间的套索，第二驱动绳索另一端固定于上臂模块第二连接点处；第三驱动绳索一端缠绕在对应直流电机上，通过支撑梁以及连接在支撑梁和支撑圆环第三连接点之间的套索，第三驱动绳索另一端固定于上臂模块第三连接点处；第四驱动绳索一端缠绕在对应直流电机上，通过支撑梁以及连接在支撑梁和支撑圆环第四连接点之间的套索，第四驱动绳索另一端固定于上臂模块第四连接点处；第五驱动绳索整体呈闭环结构，第五驱动绳索主体在上臂内环的绳槽(32)上缠绕一周后，其首末两端分别通过上臂外环的第一绳索连接点和第二绳索连接点以及在绳索连接点和支撑梁之间的套索后，与缠绕在电机驱动轮上的绳索两端通过拉力传感器结合在一起，形成一根闭环绳索，且在驱动控制箱内的绳索平行(即第五驱动绳索在对应驱动箱内的部分自身平行)；第六驱动绳索一端缠绕在电机上，通过支撑梁以及连接在支撑梁和上臂模块第五连接点之间的套索，第六驱动绳索另一端固定于前臂模块第一连接点处；第七驱动绳索一端缠绕在电机上，通过支撑梁以及连接在支撑梁和上臂模块第六连接点之间的套索，第七驱动绳索另一端固定于前臂模块第二连接点处。
上述前臂模块上还设有前臂模块第三连接点和前臂模块第四连接点；另设有两根绳索连接前臂模块第三连接点、前臂模块第四连接点与手套第一连接点、手套第二连接点之间，这两根绳索一根在手掌正面一根在手掌背面，固定手套与前臂模块；上臂外环内侧以及上下表面均开有凹槽，凹槽中均内置有小钢珠，保证内外环之间相对转动的顺滑，上臂内环内侧壁装有气囊，确保使用时与患者手臂固定紧密，支撑圆环上各连接点与上臂模块各连接点之间绳索上、上臂模块各连接点与前臂模块各连接点之间以及第五驱动绳索位于驱动控制箱内的绳索部分均装有拉力传感器，用以检测运动过程中绳索张力。
进一步的，套索套在对应的驱动绳索外周以支撑该驱动绳索，其套索位于连接点与电机之间的驱动绳索外部。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.通过上臂内/外环结构以及第五驱动绳索，实现肩关节内外旋自由度的控制，通过第一至四驱动绳索控制肩关节外展内收和屈伸自由度的运动，实现肩关节内外旋自由度的运动独立于外展/内收和屈/伸自由度进行控制，能够扩大肩关节运动空间，减小绳索辅助人体运动所不必要的额外作用力。
2.上臂模块与前臂模块通过可充放气气囊与人体上臂紧密结合，上臂模块通过绳索与前臂模块连接，前臂模块通过绳索与手套连接，手套直接穿戴在手掌上，使得上肢康复训练机器人可以紧密的与人体手臂相结合，在拉动绳索过程中，不会出现各模块相对手臂滑动的情况。
3.通过套索实现驱动控制装置的后置，套索具有可任意弯曲的特性，可以将驱动装置放置在任意位置，通过套索可以传动拉力至各模块相连的绳索上，肘关节驱动也可以独立于肩关节，减少了绳索之间的干涉以及运动过程中的耦合现象。
4.肩部支撑圆环直接位于人体肩部正上方，且各绳索连接点均位于人体投影之外，能够减少作用于人体手臂上的合力，防止康复训练过程中的二次伤害。
5.通过3D打印制造各模块，可以实现传统金属加工无法实现的复杂构型(如钢珠槽)，以及同时兼顾轻量化和个性化，满足所需强度。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中康复训练机器人本体正视图；
图3是本发明中康复训练机器人本体的后视图；
图4是本发明中上臂模块结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，包括支架2、驱动控制箱3以及康复训练机器人本体9，其中，支架包括支撑底座10和支撑圆环1，分别用以支撑康复训练机器人本体9与患者手臂，驱动控制箱包括电源模块4、驱动控制模块5以及七个直流电机35，用以通过绳索组件驱动康复训练机器人本体9带动患者手臂运动。
如图2和图3所示，各个直流电机35通过固定在电机轴上的驱动轮收紧或放松绳索组件中对应的绳索，各绳索通过驱动控制箱3上的支撑梁36经过套索34及支撑圆环1连接到康复训练机器人本体9上的对应绳索连接点上，康复训练机器人本体9包括上臂模块6、前臂模块7以及手套8，上臂模块包括上臂外环29、上臂内环30和气囊31。
绳索组件中各个绳索的位置关系和连接关系为：第一驱动绳索37一端缠绕在电机35上，通过支撑梁36以及连接在支撑梁36和支撑圆环第一连接点11之间的套索34，固定于上臂模块第一连接点15处；第二驱动绳索38一端缠绕在对应的直流电机上，通过支撑梁36以及连接在支撑梁36和支撑圆环第二连接点12之间的套索，固定于上臂模块第二连接点16处；第三驱动绳索39一端缠绕在对应的直流电机上，通过支撑梁36以及连接在支撑梁36和支撑圆环第三连接点13之间的套索，固定于上臂模块第三连接点17处；第四驱动绳索40一端缠绕在对应的直流电机上，通过支撑梁36以及连接在支撑梁36和支撑圆环第四连接点14之间的套索，固定于上臂模块第四连接点18处；第五驱动绳索43为一个闭环结构，即在上臂内环的绳槽32上缠绕一周后，两端分别通过上臂外环的第一绳索连接点19和第二绳索连接点20以及在绳索连接点和支撑梁之间的套索34后，与缠绕在对应的直流电机驱动轮上的绳索两端通过拉力传感器结合在一起，形成一根闭环绳索，且在驱动控制箱3内的绳索平行；第六驱动绳索41一端缠绕在对应的直流电机上，通过支撑梁36以及连接在支撑梁36和上臂模块第五连接点21之间的套索，固定于前臂模块第一连接点22处；第七驱动绳索42一端缠绕在对应的直流电机上，通过支撑梁36以及连接在支撑梁36和上臂模块第六连接点23之间的套索，固定于前臂模块第二连接点24处。
如图4所示，另有两根绳索连接前臂模块第三连接点25、前臂模块第四连接点27与手套第一连接点26、手套第二连接点28之间；上臂外环29内侧以及上下表面均开有凹槽33，凹槽33内置有小钢珠，保证内外环之间相对转动的顺滑.
上臂内环30内侧壁装有气囊31，确保使用时与患者手臂固定紧密，支撑圆环1各连接点与上臂模块6上各连接点之间绳索上、上臂模块6上各连接点与前臂模块7上各连接点之间以及第五驱动绳索43位于驱动控制箱3内的绳索部分均装有拉力传感器44，用以检测运动过程中绳索张力。
本发明的具体工作原理为：
该上肢康复训练机器人工作与主动康复训练模式下时，各连接绳索均放松，使用者手臂套进康复训练机器人本体9中，手套8、前臂模块7和上臂模块6分别套在患者手部、前臂以及上臂部位，上臂模块6内侧气囊31充气，与使用者手臂紧密贴合，各绳索张紧，其中第六驱动绳索41放松同时第七驱动绳索42收紧，使用者肘关节伸；第七驱动绳索42放松同时第六驱动绳索41收紧，使用者肘关节屈；第一驱动绳索37和第二驱动绳索38收紧，同时第三驱动绳索39和第四驱动绳索40放松，使用者肩关节外展；第一驱动绳索37和第二驱动绳索38放松同时第三驱动绳索39和第四驱动绳索40收紧，使用者肩关节内收；第二驱动绳索38和第三驱动绳索39收紧同时第一驱动绳索37和第四驱动绳索40放松，使用者肩关节屈；第二驱动绳索38和第三驱动绳索39放松，同时第一驱动绳索37和第四驱动绳索40收紧，使用者肩关节伸；正对驱动第五驱动绳索43的电机轴，电机轴顺时针旋转，通过绳索带动使用者肩关节外旋；正对驱动第五驱动绳索43的电机轴，电机轴逆时针旋转，通过绳索带动使用者肩关节内旋。
绳索上的拉力传感器44用以检测对应绳索张力，在被动康复训练模式下时，使用者自行运动手臂，拉力传感器44检测到张力力后，对应绳索沿拉力方向放松或收紧，即张力增大，绳索放松，张力减小，绳索收紧，从而辅助使用者进行上肢运动。

Claims (5)

1.一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于：包括支架(2)、驱动控制箱(3)以及康复训练机器人本体(9)，所述支架支撑康复训练机器人本体(9)与患者手臂；所述驱动控制箱(3)通过绳索组件驱动康复训练机器人本体(9)带动患者手臂运动，驱动控制箱(3)中的各个直流电机(35)通过固定在电机轴上的驱动轮收紧或放松绳索组件，绳索组件通过驱动控制箱(3)上的支撑梁(36)经过套索(34)及支撑圆环(1)连接到康复训练机器人本体上的对应绳索连接点上；所述康复训练机器人本体(9)包括从上到下依次相连的上臂模块(6)、前臂模块(7)以及手套(8)。
2.根据权利要求1所述的绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述包括支撑底座(10)和支撑圆环(1)，支撑底座(10)立于地面，支撑圆环(1)通过支架(2)悬挂于支撑底座(10)；
所述驱动控制箱(3)整体呈立方体，驱动控制箱(3)内的底部安装有若干直流电机(35)、驱动控制模块(5)和电源模块(4)，所述支撑梁横架于驱动控制器顶部；所述上臂模块(6)包括上臂内环(30)以及嵌套于上臂内环(30)顶端外周的上臂外环(29)；
所述绳索组件中的各个绳索通过对应的直流电机、绳索连接点和套索(34)来驱动臂模块(6)、前臂模块(7)以及手套(8)。
3.根据权利要求2所述的绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述绳索组件包括七个绳索，其中第一驱动绳索(37)一端缠绕在对应直流电机(35)上，通过支撑梁(36)以及连接在支撑梁(36)和支撑圆环第一连接点(11)之间的套索(34)，第一驱动绳索(37)的另一端固定于上臂模块第一连接点(15)处；第二驱动绳索(38)一端缠绕在对应直流电机上，通过支撑梁(36)以及连接在支撑梁(36)和支撑圆环第二连接点(12)之间的套索(34)，第二驱动绳索(38)另一端固定于上臂模块第二连接点(16)处；第三驱动绳索(39)一端缠绕在对应直流电机上，通过支撑梁(36)以及连接在支撑梁(36)和支撑圆环第三连接点(13)之间的套索(34)，第三驱动绳索(39)另一端固定于上臂模块第三连接点(17)处；第四驱动绳索(40)一端缠绕在对应直流电机上，通过支撑梁(36)以及连接在支撑梁(36)和支撑圆环第四连接点(14)之间的套索(34)，第四驱动绳索(40)另一端固定于上臂模块第四连接点(18)处；第五驱动绳索(43)整体呈闭环结构，第五驱动绳索(43)主体在上臂内环的绳槽(32)上缠绕一周后，其首末两端分别通过上臂外环的第一绳索连接点(19)和第二绳索连接点(20)以及在绳索连接点和支撑梁(36)之间的套索(34)后，与缠绕在电机驱动轮上的绳索两端通过拉力传感器结合在一起，形成一根闭环绳索，且在驱动控制箱内的绳索平行；第六驱动绳索(41)一端缠绕在电机上，通过支撑梁(36)以及连接在支撑梁(36)和上臂模块第五连接点(21)之间的套索(34)，第六驱动绳索(41)另一端固定于前臂模块第一连接点(22)处；第七驱动绳索(42)一端缠绕在电机上，通过支撑梁(36)以及连接在支撑梁(36)和上臂模块第六连接点(23)之间的套索(34)，第七驱动绳索(42)另一端固定于前臂模块第二连接点(24)处。
4.根据权利要求2所述的绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述前臂模块(7)上还设有前臂模块第三连接点(25)和前臂模块第四连接点(27)；另设有两根绳索连接前臂模块第三连接点(25)、前臂模块第四连接点(27)与手套第一连接点(26)、手套第二连接点(28)之间；上臂外环(29)内侧以及上下表面均开有凹槽(33)，凹槽(33)中均内置有小钢珠；上臂内环(30)内侧壁装有气囊(31)；支撑圆环(1)上各连接点与上臂模块(6)上各连接点之间绳索上、上臂模块(6)上各连接点与前臂模块(7)上各连接点之间以及第五驱动绳索(43)位于驱动控制箱(3)内的绳索部分均装有拉力传感器(44)，用以检测运动过程中绳索张力。
5.根据权利要求2所述的绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，其特征在于：所述套索(34)套在对应的驱动绳索外周以支撑该驱动绳索，其套索(34)位于连接点与电机(35)之间的驱动绳索外部。
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