CN109394477B - 一种2-spu/rr并联气动腕康复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种2‑SPU/RR并联气动腕康复装置，该装置采用2‑SPU/RR并联构型，主要包括两条SPU支链、RR支链、前臂半环、基座半环、弧形托板及支座；SPU支链包含球副S、气缸及虎克副U，RR支链包括屈/伸半环、桡偏/尺偏半环及相应转轴组件。基座半环下部具有长条矩形截面的底板结构，前臂半环安装在底板结构上，在基座半环的前后两端分别由两个支座共同支撑；RR支链安装在基座半环内部，SPU支链将前臂半环与RR支链连接在一起，弧形托板安装在基座半环的底板结构上，前臂半环、弧形托板及基座半环三者的轴线重合。该装置具有承载能力强、结构紧凑、体积小巧及运动范围大的优点，与人体上肢接触的零部件均采用开口结构，大幅提高患者的穿戴便捷性和舒适度。
Description
技术领域
本发明涉及一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，具体说，涉及腕康复装置。
背景技术
腕关节作为上肢在支撑、推拉等活动中承受负荷最大的关节，在日常生活和体育活动中很容易造成损伤。国内外相关学者针对腕关节结构组成、运动、损伤等进行了深入的研究，根据腕关节的生理结构特点，提出了关于腕关节的康复机构，使得腕关节康复机器人的研究得到了长足的发展。专利文件1“一种串并混联肘腕康复机器人”(CN 103251493 B)采用三个电动推杆和一个伺服电机作为驱动单元，末端采用了封闭的环形手腕支座，采用了3-RPS并联机构，实现肘关节屈/伸、腕关节屈/伸及桡偏/尺偏训练。专利文件2“一种绳驱动肘腕康复机器人”(CN 106726350 A)采用8根钢丝绳驱动该机器人，针对肘、前臂和腕进行康复训练，腕康复装置包含3个封闭圆环，放置于机器人前端，布置4根钢丝绳对末端两转动自由度进行牵引，实现腕关节屈/伸及桡偏/尺偏康复训练。专利文件3“一种基于自适应的并联腕关节康复训练装置”(CN 106726353 A)采用两条UPS支链连接手部支架，该装置本身具有6个自由度，当人体手腕、手掌与装置固定后，借助人体腕、手掌的约束，抑制其中的4个自由度，剩余两个转动自由度，实现对腕关节的康复训练。
上述3项专利文件虽然能够实现对腕关节的康复训练，仍存在一定问题，专利文件1采用三个电动推杆，推杆装置本身体积较大，而人体前臂及腕关节体积较小，造成该串并混联肘腕康复机器人体积较大，且末端的手腕支座为封闭环形，对于多数脑卒中、偏瘫患者，存在难以穿戴的问题。专利文件2采用钢丝绳驱动，大幅降低驱动单元所占用的体积，然而在腕关节位置仍设置了3个封闭圆环支座，仍存在难以穿戴的问题。专利文件3的康复训练装置具有6个自由度，依赖人体腕、掌消除其中4个自由度，因此，腕关节及手掌需要承受装置自身重量和附加约束力，对于患者腕关节康复存在不利影响。
为了克服上述问题，结合应用实际和穿戴方便性，提出一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，设置了两条SPU支链和RR支链，两条SPU支链均连接RR 支链，构成并联腕康复机构，SPU支链的滑动副P采用体积较小的气缸作为驱动元件，同时，与人体接触的位置均采用开环设计，大大方便患者穿戴及绑缚便捷性，该并联气动腕康复装置具有结构紧凑、体积小巧、穿戴方便及运动范围大的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供并联气动腕康复装置，以实现上述功能和目标。
本发明的实施例提供了一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，该腕康复装置采用2-SPU/RR并联构型，主要包括两条SPU支链、RR支链、前臂半环、基座半环、弧形托板及支座；SPU支链主要包含球副S、气缸及虎克副 U，RR支链主要包括屈/伸半环、桡偏/尺偏半环及相应转轴组件。基座半环下部具有长条矩形截面的底板结构，前臂半环安装在底板结构上，在基座半环的前后两端分别由两个支座共同支撑；RR支链安装在基座半环内部，SPU支链将前臂半环与RR支链连接在一起，弧形托板安装在基座半环的底板结构上，前臂半环、弧形托板及基座半环三者的轴线重合。
进一步，两个球副S安装在前臂半环的两侧下方，两个虎克副U安装在屈 /伸半环的两侧下部，气缸连接球副S与虎克副U，气缸的一端采用螺纹结构与球副S连接，气缸的另一端采用转轴方式与虎克副U连接，气缸布置于弧形托板的下部，球副S采用标准关节轴承，选用气缸作为驱动元件，气缸推杆相对缸体具有伸缩和相对旋转的两种运动模式。
进一步，屈/伸半环、桡偏/尺偏半环、前臂半环、基座半环及弧形托板均采用上部开口结构，弧形托板采用塑胶材质，在屈/伸半环与前臂半环内侧均镶嵌一定厚度的柔性衬垫，前臂放置于弧形托板和前臂半环内部，分别用绑带固定患者前臂；腕关节放置于屈/伸半环内部，手掌握持或采用绑带绑缚在把手上。
进一步，虎克副U安装在屈/伸半环的两侧下方，虎克副底座与屈/伸半环连接且采用倾斜结构，以增加虎克副U的双轴运动角度范围；桡偏/尺偏半环与基座半环采用两侧鼓凸结构，以增加虎克副U的运动空间；弧形托板和前臂半环的两侧上部设置有长条形开口槽，用于穿绕绑带。
进一步，桡偏/尺偏半环安装在基座半环的内侧底部，通过一级销轴连接，屈/伸半环安装在桡偏/尺偏半环的内侧底部，通过二级销轴连接，一级销轴与二级销轴的轴线共面且相互垂直。
进一步，在把手位置增加了被动滑动副，被动滑动副包含直线导轨和滑块，导轨截面为矩形，把手通过转接板安装在滑块上部，滑块安装在导轨上，把手座前部设置有矩形凹槽，导轨安装在在凹槽底部，把手座安装在屈/伸环的内侧底部。
与现有技术相比本发明的有益效果是：(1)该并联气动腕康复装置采用 2-SPU/RR构型，选用微型气缸作为驱动元件，该装置的承载能力大幅提升，且结构紧凑、体积小巧、运动范围广；(2)与人体上肢接触的零部件均采用开口结构，大幅提高患者的连接便捷性和穿戴舒适度，尤其针对重度功能障碍患者。
附图说明
图1是本发明并联气动腕康复装置的轴侧视图；
图2是人体上肢穿戴康复装置示意图；
图3是桡偏/尺偏半环与基座半环装配体的爆炸视图；
图4是屈/伸半环与桡偏/尺偏半环装配体的爆炸视图；
图5是球副S装配体的爆炸视图；
图6是虎克副U装配体的爆炸视图；
图7（ a） 是腕康复装置的最大桡偏运动姿态；
图7（ b） 是腕康复装置的最大尺偏运动姿态；
图8（ a） 是腕康复装置的最大屈曲运动姿态；
图8（ b） 是腕康复装置的最大伸展运动姿态。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
参图1至图8（ b ）所示，图1是本发明并联气动腕康复装置的轴侧视图，图2 是人体上肢穿戴康复装置示意图，图3是桡偏/尺偏半环与基座半环装配体的爆炸视图，图4是屈/伸半环与桡偏/尺偏半环装配体的爆炸视图，图5是球副S装配体的爆炸视图，图6是虎克副U装配体的爆炸视图，图7（ a） 是腕康复装置的最大桡偏运动姿态，图7（ b） 是腕康复装置的最大尺偏运动姿态，图8（ a） 是腕康复装置的最大屈曲运动姿态，图8（ b） 是腕康复装置的最大伸展运动姿态。
本实施例提供了一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，参图1和图2所示，该腕康复装置采用2-SPU/RR并联构型，主要包括两条SPU支链、RR支链、前臂半环1、基座半环2、弧形托板5、前支座14及后支座13等；SPU支链主要包含球副S、气缸及虎克副U，RR支链主要包括屈/伸半环4、桡偏/尺偏半环3 及相应转轴组件。基座半环2下部具有长条矩形截面的底板结构，前臂半环1 安装在底板结构上，在基座半环2的前后两端分别由前支座14和后支座13共同支撑；RR支链安装在基座半环2内部，SPU支链将前臂半环1与RR支链连接在一起，弧形托板5安装在基座半环2的底板结构上，前臂半环1、弧形托板5 及基座半环2三者的轴线重合。为了增加上肢穿戴康复装置的舒适度，在前臂半环1和屈/伸半环4的内侧分别设置了前臂衬垫8和腕部衬垫9，衬垫采用柔性纺织布料作为材料。弧形托板5采用塑胶材质，弧形托板5和前臂半环1的两侧上部设置有长条形开口槽，用于穿绕绑带。患者可从该腕康复装置的上部将上肢 100直接放在基座半环2、弧形托板5、屈/伸半环4内部，用中部绑带6和上部绑带7将上肢100绑缚在该康复装置上，同时，手掌握持或绑缚在把手10上。两条SPU支链采用气缸作为驱动元件，左气缸11和右气缸12分别驱动该腕康复装置运动，实现腕关节的屈伸和桡偏/尺偏运动的康复训练。
参图1和图3所示，RR支链主要包括屈/伸半环4、桡偏/尺偏半环3及相应转轴组件，桡偏/尺偏半环3安装在基座半环2的内部，两者通过一级销轴15 连接，桡偏/尺偏半环3可相对基座半环2进行转动，实现腕关节的桡偏/尺偏运动。桡偏/尺偏半环4与基座半环2采用两侧鼓凸结构，以增加虎克副U的运动空间。为了提高连接强度，在一级销轴15上设计了端面，将端面安装在基座半环2的顶部侧面，一级右轴承16和一级左轴承安装在桡偏/尺偏半环3两侧顶部的沉孔中，一级销轴15与一级右轴承16配合，一级挡圈17对一级销轴15进行轴向定位，一级螺钉18安装在一级销轴15的端面以压紧一级挡圈17。
参图1和图4所示，屈/伸半环4安装在桡偏/尺偏半环3的内部，两者通过二级销轴20连接，屈/伸半环4可相对桡偏/尺偏半环3进行转动，实现腕关节的屈/伸运动。二级销轴20的上部与屈/伸半环4采用平键连接，在桡偏/尺偏半环3 的中部圆凹槽内安装了两个二级轴承21，二级销轴20的下部与二级轴承21配合，二级挡圈19安装于二级销轴20的上端，以将把手座22和屈/伸半环4压紧在二级销轴20的上部。一级销轴15与二级销轴20的轴线共面且相互垂直，共同构成RR支链转动轴线。
参图1和图2所示，在把手10位置增加了被动滑动副，被动滑动副包含直线导轨23和滑块24，直线导轨23截面为矩形，滑块24安装在直线导轨23上，把手座22前部设置有矩形凹槽，直线导轨23安装在矩形凹槽底部，把手座22 安装在屈/伸半环4的内侧底部，把手10通过转接板25安装在滑块24上部，滑动副盖板26安装在把手座22上部，用于遮挡被动滑动副，起到一定的保护作用。
参图1和图2所示，两个球副S安装在前臂半环1的两侧下方，两个虎克副U安装在屈/伸半环4的两侧下部，气缸连接球副S与虎克副U，气缸的一端采用螺纹结构与球副S连接，气缸的另一端采用转轴方式与虎克副U连接，气缸布置于弧形托板5的下部，球副S采用标准关节轴承，采用气缸作为驱动元件，气缸推杆相对缸体具有伸缩和相对旋转的两种运动模式。
参图1和图5所示，气缸作为SPU支链的核心组件，左气缸11和右气缸 12的一端为通孔结构，另一端为螺柱结构。SPU支链的球副S具有三个转动自由度，采用标准的关节轴承，球副S包括球面41和球窝42，球面41安装在球窝42内部，球窝42的一端含有一个内螺纹孔，球窝42采用螺纹连接的方式安装在左气缸11的螺柱端。球副S通过前臂销轴40安装前臂半环1的凸台39上，凸台39位于前臂半环1的侧下方，前臂销轴40与凸台39通过4个螺钉连接。
参图1和图6所示，SPU支链的虎克副U主要包括虎克副底座27、虎克副前座28、三级销轴31及四级销轴36等，屈/伸半环4的两侧下方设计了矩形凸台，虎克副底座27安装于屈/伸半环4的侧下方的凸台上且采用倾斜结构，以增加虎克副U的双轴运动角度范围。虎克副前座28通过三级销轴31与虎克副底座27铰链连接，三级销轴31两端设置有螺纹孔且由三级下轴承30和三级上轴承32支撑，三级下螺钉29和三级上螺钉33对三级销轴31的两端进行压紧和固定，起到端面挡圈的作用。虎克副前座28呈U型结构，通过四级销轴36与左气缸11的前端连接，四级销轴36两端设置有螺纹孔且由四级左轴承37和四级右轴承35支撑，四级左螺钉38和四级右螺钉34对四级销轴36的两端进行压紧和固定，同样发挥端面挡圈的作用。
参图7（ a ） 、7 （ b ） 所示，图7（ a） 为该腕康复装置最大桡偏运动姿态，最大桡偏角度为45°，图7（ b） 为该腕康复装置最大尺偏运动姿态，最大尺偏角度为30°。参图8（ a ） 、 8 （ b ） 所示，图8（ a） 为该腕康复装置最大屈曲运动姿态，最大弯曲角度为55°，图8（ b） 为该腕康复装置的最大伸展运动姿态，最大伸展角度为55°。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (7)
1.一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，该腕康复装置采用2-SPU/RR并联构型，包括两条SPU支链、RR支链、前臂半环、基座半环、弧形托板及支座；SPU支链包含球副S、气缸及虎克副U，RR支链包括屈/伸半环、桡偏/尺偏半环及相应转轴组件；
基座半环下部具有长条矩形截面的底板结构，前臂半环安装在底板结构上，在基座半环的前后两端且分别由两个支座共同支撑；
RR支链安装在基座半环内部，SPU支链将前臂半环与RR支链连接在一起，弧形托板安装在基座半环的底板结构上，前臂半环、弧形托板及基座半环三者的轴线重合；
桡偏/尺偏半环安装在基座半环的内部，两者通过一级销轴连接，桡偏/尺偏半环可相对基座半环进行转动，实现腕关节的桡偏/尺偏运动；
屈/伸半环安装在桡偏/尺偏半环的内部，两者通过二级销轴连接，屈/伸半环可相对桡偏/尺偏半环进行转动，实现腕关节的屈/伸运动；
两个球副S安装在前臂半环的两侧下方，两个虎克副U安装在屈/伸半环的两侧下部，气缸连接球副S与虎克副U，气缸的一端采用螺纹结构与球副S连接，气缸的另一端采用转轴方式与虎克副U连接。
2.根据权利要求1所述的一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，气缸布置于弧形托板的下部，球副S采用标准关节轴承，采用气缸作为驱动元件，气缸的推杆相对缸体具有伸缩和旋转的两种运动模式。
3.根据权利要求1所述的一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，屈/伸半环、桡偏/尺偏半环、前臂半环、基座半环及弧形托板均采用上部开口结构，在屈/伸半环与前臂半环内侧均镶嵌柔性衬垫，前臂放置于弧形托板和前臂半环内部，分别用绑带固定患者前臂；腕关节放置于屈/伸半环内部，手掌握持或采用绑带绑缚在把手上，把手位于该腕康复装置的前部，把手通过把手座与屈/伸半环的内侧底部连接。
4.根据权利要求1所述的一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，虎克副U的虎克副底座安装在屈/伸半环的两侧下方，屈/伸半环的两侧下方设计了横截面为矩形的凸台，虎克副底座安装于屈/伸半环的侧下方的凸台上且采用倾斜结构；桡偏/尺偏半环与基座半环采用两侧鼓凸结构，以增加虎克副U的运动空间；弧形托板和前臂半环的两侧上部设置有长条形开口槽，用于穿绕绑带。
5.根据权利要求1所述的一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，桡偏/尺偏半环安装在基座半环的内侧底部，通过一级销轴连接，屈/伸半环安装在桡偏/尺偏半环的内侧底部，通过二级销轴连接，一级销轴与二级销轴的轴线共面且相互垂直。
6.根据权利要求1所述的一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，在把手位置增加了被动滑动副，被动滑动副包含直线导轨和滑块，导轨截面为矩形，把手通过转接板安装在滑块上部，滑块安装在导轨上，把手座前部设置有矩形凹槽，导轨安装在凹槽底部，把手座安装在屈/伸半环的内侧底部。
7.根据权利要求1所述的一种2-SPU/RR并联气动腕康复装置，其特征在于，二级销轴的上部与屈/伸半环采用平键连接，在桡偏/尺偏半环的中部圆凹槽内安装了两个二级轴承，二级销轴的下部与二级轴承配合，二级挡圈安装于二级销轴的上端，以将把手座和屈/伸半环压紧在二级销轴的上部。
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