CN109464265A - 一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人，该机器人包括仿生学脊柱，电活性聚合物EAP，锥齿轮，皮带轮，大臂连杆，小臂套筒，内啮合齿轮等部件。整个机器人手臂采用了刚柔耦合结构，同时为机器人提供刚性驱动力和柔性驱动力，使变形更连续，自由度更高，并利用肌电信号控制，实现脑机互动。

Description

一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人

技术领域

本发明涉及上肢康复机器人，具体地说，涉及一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人。

背景技术

全世界每年有1500万人手臂留下永久性残疾，其中40岁以下的青壮年在上肢运动障碍人群中所占比例较大，甚至有8％的儿童也有手臂残疾的问题。针对上肢残疾的患者，目前常见的治疗方式主要有药物治疗、人工康复训练、电击疗法等形式，但都有一定的弊端：药物会产生一定毒理作用，目前医院理疗师的数量达不到上肢残疾者的需求，用于刺激神经的电流大小不易控制，容易对患者造成二次伤害。

传统的上肢康复机器人大多是如公开号为CN107854813、公开日为2018年3月30日专利申请，虽然能够对病人进行复健，但具有惯性冲击大，运动连续性差的缺点。少量康复机器人使用了含有并联机构的混联主体机构机型，但机型设计不是特别合理，运动形式较为简单，无法满足复健病人的需要。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人，本发明改变康复机器人的刚性结构，使变形更连续，自由度更高，并实现脑机互动。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人，包括脊柱底部支撑架、脊椎连接器、仿生学脊柱、固定带、脊柱支撑板、锥齿轮传动轴、电池支撑架、大臂套筒、EAP电极、肩部支撑架、联轴器、内齿轮、关节电机、锥齿轮、皮带小轮、EAP电活性聚合物、锥齿轮传动轴、大臂防震圈皮带标准直齿轮、皮带大轮、皮带轮传动轴、大臂连杆、电机垫圈、小臂套筒、小臂EAP电极、电池、电池座、仿生学脊柱支撑、电池束线管、肌电信号传感器、右半侧手臂套筒、手臂套筒调节装置、左半侧手臂套筒、螺钉；其特征在于：脊柱支撑板上连接有多个仿生学脊柱，仿生学脊柱与脊柱连接器通过螺钉进行固定，同时脊柱连接器通过螺钉固定在脊柱支撑板上；脊柱支撑板通过螺钉固定在脊柱底部支撑架上，脊柱底部支撑架通过螺钉固定有电池支撑架，电池支撑架通过螺钉固定有电池为机器人的康复训练提供能量，脊柱支撑板的两侧通过多个螺钉固定有机械手臂整体装配，肩部支撑架通过装置自带的螺纹孔，使用螺钉连接有EAP电极及关节电机，关节电机套有具有弹性的电机垫圈，关节电机通过联轴器连接有皮带小轮，皮带小轮通过皮带将力及转矩传递给皮带大轮，皮带大轮通过皮带轮传动轴以键传动的形式带动大臂套筒进行转动，EAP电极上连接有多个EAP电活性聚合物，EAP电活性聚合物的另一端粘在内齿轮上，大臂套筒通过装置自带的螺纹孔使用螺钉连接关节电机，关节电机通过联轴器连接标准直齿轮，标准直齿轮与内齿轮内啮合，通过关节电机驱动标准直齿轮实现内齿轮的转动，内齿轮带动小臂套筒转动。内齿轮通过装置自带的螺纹孔，使用螺钉连接关节电机，关节电机通过联轴器连接锥齿轮，锥齿轮带动与之啮合的锥齿轮进行转动，锥齿轮通过齿轮传动轴借助键传动驱动小臂套筒进行转动，小臂套筒上通过通过装置自带的螺纹孔使用螺钉连接有EAP电极。

优选地，小臂套筒和大臂套筒都分为右半侧手臂套筒、手臂套筒调节装置、左半侧手臂套筒三部分，三部分协调配置实现对小臂套筒和大臂套筒长度和直径的调节。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的整个机器人手臂采用了刚柔耦合结构，同时为机器人提供刚性驱动力和柔性驱动力，使变形更连续，自由度更高，并利用肌电信号控制，实现脑机互动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明组装时的立体视图；

图2是本发明从右侧看的立体视图；

图3是本发明的机械臂立体视图；

图4是本发明的手臂套筒的立体视图；

图5是本发明的仿生学脊柱的细节放大图；

图6是本发明的机械手臂与脊柱支撑板的装配示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1，图2，图3，图4，图5，一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人，包括脊柱底部支撑架1，脊椎连接器2，仿生学脊柱3，固定带4，脊柱支撑板5，锥齿轮传动轴6，电池支撑架7，大臂套筒8，EAP电极9，肩部支撑架10，联轴器11，内齿轮12，关节电机13，锥齿轮14，与皮带小轮15，EAP电活性聚合物16，齿轮传动轴17，大臂防震圈18，皮带19，标准直齿轮20，皮带大轮21，皮带轮传动轴22，大臂连杆23，电机垫圈24，小臂套筒25，小臂EAP电极34，电池35，电池座36，仿生学脊柱支撑37，电池束线管38，肌电信号传感器39，右半侧手臂套筒40，手臂套筒调节装置41，左半侧手臂套筒42，螺钉43。

EAP是一种通电以后就会发生变形的软体材料，这种材料的变形会带动机器人进行运动，提供一种辅助驱动力。因为传统的康复机器人都是刚性结构，有着变形不够连续的缺点，所以用刚性驱动为主，柔性驱动为辅的方案就可以解决这个问题。

本发明中脊柱支撑板5上连接有多个仿生学脊柱3，脊柱支撑板5和仿生学脊柱3为具有一定韧性与强度的软体的材料，仿生学脊柱3与脊柱连接器2通过螺钉43进行固定，同时脊柱连接器2通过螺钉43固定在脊柱支撑板5上。当脊柱支撑板5和仿生学脊柱3受到力的作用时，由于其自身韧性会发生变形，根据预先设计的数据可以保障仿生学脊柱43的变形接近人体脊柱的变形。脊柱支撑板5上还通过强力胶粘有四个前置背带及其固定装置，前置背带可以通过配合腰带将机器人整体与使用者固定到一起。同时脊柱支撑板5通过螺钉43固定在脊柱底部支撑架1上形成整体装配。

脊柱底部支撑架1上除通过螺钉固定有脊柱支撑板5外，还通过强力胶粘有腰带，腰带可以在进行康复训练的过程中将机器人与人连接到一起。脊柱底部支撑架1还通过螺钉43固定有电池支撑架7，电池支撑架7又通过螺钉43固定有电池35进而为机器人的康复训练提供能量。此外，脊柱底部支撑架1还可以通过外置夹具固定到墙壁、椅子等位置上，由外界物体支撑机器人的重量，进而提供一个稳定的康复训练环境。

脊柱支撑板5的两侧通过多个螺钉43固定有机械手臂整体装配，两个机械手臂呈对称分布，机械手臂上有手臂套筒8、肘关节电机13、锥齿轮14、皮带轮15等传动装置进而带动人体进行康复训练。

肩部支撑架10上通过装置自带的螺纹孔使用螺钉43连接有EAP电极9及关节电机13，关节电机13上套有具有弹性的电机垫圈24进而减轻电机的振动效果。关节电机13通过联轴器11连接有皮带小轮15，皮带小轮15通过皮带19将力及转矩传递给皮带大轮21，皮带大轮21通过皮带轮传动轴22以键传动的形式带动大臂套筒8进行转动，大臂套筒8内固定有人大臂，进而实现肩部前伸动作的自由度。但单单借助关节电机13的驱动作用很难实现机器人运动的高连续性，EAP电极9上连接有多个EAP电活性聚合物16，EAP电活性聚合物16的另一端粘在内齿轮12上，通过给EAP电极9通电可以使得EAP电活性聚合物16发生变形作用，EAP电活性聚合物16的变形可以为装置运动提供一种柔性驱动力，作为辅助驱动实现较高的运动连续性。

大臂套筒8上通过装置自带的螺纹孔使用螺钉43连接关节电机13，关节电机13通过联轴器11连接标准直齿轮20，标准直齿轮20与内齿轮12有内啮合作用，通过关节电机13驱动标准直齿轮20可以实现内齿轮12的转动，内齿轮12进而带动小臂套筒25转动，小臂套筒25内固定有人小臂，实现肘关节转动的自由度。

内齿轮12上通过装置自带的螺纹孔使用螺钉43连接关节电机13，关节电机13通过联轴器11连接锥齿轮14，锥齿轮14带动与之啮合的锥齿轮14进行转动，锥齿轮14通过齿轮传动轴17借助键传动驱动小臂套筒25进行转动，进而实现小臂弯曲自由度的实现。但单单借助关节电机13的驱动作用很难实现机器人运动的高连续性，小臂套筒25上通过装置自带的螺纹孔使用螺钉43连接有EAP电极9，EAP电极9上连接有多个EAP电活性聚合物16，EAP电活性聚合物16的另一端粘在内齿轮12上，通过给EAP电极9通电可以使得EAP电活性聚合物16发生变形作用，EAP电活性聚合物16的变形可以为装置运动提供一种柔性驱动力，作为辅助驱动实现较高的运动连续性。

本发明运动执行层采用电池35作为驱动元件，机械臂模拟人体上肢结构,其固定面位于上肢肩部位置,各自由度驱动力受到人体穿戴后的上肢与机械臂整体质量及其重心分布的影响。当康复阶段为软瘫期时,患肢由机器人带动进行被动运动,康复机器人本体与患者肢体重力几乎完全由肩部两个自由度和肩部EAP电极9及关节电机13承载,所需驱动力最大。

本发明中肩部的外伸是通过刚-弹-柔三部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由肩部关节电机13控制同步带轮实现对肩关节的牵引，柔性的部分用EAP电活性聚合物16提供柔性辅助驱动力，大臂套筒8内部具有调节装置，可根据不同体型的人调节大小，通过控制电信号的传输来实现对肘关节这一部位的保护和支撑，弹性的部分是用多组并联的具有弹性的电机垫圈24，通过减震作用防止机械部分对人体产生损伤，实现力的卸载，从而作为整个机构运动的安全保障。肩部的前伸是通过刚-柔两部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由肩部关节电机13控制与皮带轮15实现对肩关节的转动，柔性的部分用EAP电活性聚合物16，通过控制电信号的传输来实现对肘关节这一部位的支撑和微小的前送。

本发明肘部的自由转动是通过刚-弹-柔三部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由肘关节电机13控制一组内齿轮12实现肘部转动，弹性和柔性的部分用EAP电活性聚合物16包裹弹簧，通过控制电信号的传输来实现对肘关节这一部位的保护和回弹扭转的灵活控制。肘部弯曲是由刚-柔两部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由锥齿轮14传动实现，柔性的部分用EAP电活性聚合物16带动小臂套筒25运动，通过控制电信号的传输来实现对肌肉或骨骼局部的夹紧和保护。

小臂套筒25和大臂套筒8的具体结构分为右半侧手臂套筒40，手臂套筒调节装置41，左半侧手臂套筒42三部分，通过三部分之间的协调配置可以实现对小臂套筒25和大臂套筒8长度和直径的调节进而满足不同用户的需求。

最后，肌电信号传感器39可以借助于采集到的使用者的肌肉电信号分析出患者的运动意图，进而带动人手臂按照患者运动意图进行运动。

整个机器人手臂的结构采用了刚-弹-柔三种结构和材料，其中通过电机及传动系统等刚性的机构实现动作的粗调和快速的受力较大的运动，通过柔性的EAP(电活性聚合物)来实现对重要部位的保护和动作的微调，同时EAP也提供驱动力，手臂套筒可根据不同体型的人调节大小。最后由电机垫圈及防震圈等弹性机构实现对整个装置的缓冲保护和支撑来，从而作为整个装置运动安全性和可靠性的保障。EAP是一种通电以后就会发生变形的软体的材料，这种材料的变形会带动机器人进行运动，提供一种辅助驱动力。因为传统的康复机器人都是刚性结构，有着变形不够连续的缺点，所以用刚性驱动为主，柔性驱动为辅的方案就可以解决这个问题。综合考虑临床偏瘫患者使用的安全性,对患肢的支撑性、大工作空间等因素,本发明为外骨骼式软体关节结构形式。

本发明从上肢康复机器人外形尺寸、外观紧凑的角度出发,肩部屈伸及外展内收自由度驱动电机均由双钢轮谐波减速器与机构连接并放大驱动力,肘部屈伸自由度动力传递方式与肩部相似,并利用锥齿轮传动系统改变驱动力方向。

本发明能够与人体之间产生紧密地机械耦合,作为牵引机构与肢体共同完成协调运动,其设计上主要考虑以下原则:轻便、整体尺寸适中,易于驱动元件的配置；具有足够的强度和刚度来承受其自身与人体上肢的载荷；作为人体上肢的外包围结构,外骨骼式康复机器人的各部分尺寸、各关节位置及自由度分配等应与人体上肢尽量一致。

本发明中肩部的外伸是通过刚-弹-柔三部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由电机控制同步带轮实现对肩关节的牵引，柔性的部分用EAP(电活性聚合物)提供柔性驱动力，弹性的部分是用多组并联的电机垫圈及防震环实现，通过减震作用实现力的卸载，从而作为整个机构运动的安全保障。肩部的前伸是通过刚-柔两部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由电机控制同步带轮实现对肩关节的转动，柔性的部分用EAP(电活性聚合物)提供柔性驱动力，通过控制电信号的传输来实现对肘关节这一部位的支撑和微小的前送。

本发明肘部的自由转动是通过刚-弹-柔三部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由肘关节电机控制一组内齿轮实现肘部转动，弹性和柔性的部分用EAP电活性聚合物包裹弹簧，通过控制电信号的传输来实现对肘关节这一部位的保护和回弹扭转的灵活控制。肘部弯曲是由刚-柔两部分机构协同实现的，其中刚性的部分是由锥齿轮传动实现，柔性的部分用EAP电活性聚合物通过控制电信号的传输来实现对肌肉或骨骼局部的柔性驱动力。

在本发明中，引入患者的肌电信号有利于达成机器与使用者运动意图之间的同步性，即在患者“想要”动起来的同时，机器就会马上根据肌肉电信号分析出人体运动意图，进而带动人手臂动起来。同时可以保持患者的神经紧张度,加速神经肌肉运动通路的修复。本发明设计了基于表面肌电信号的上肢动作辨识模块,控制机器带动患者上肢执行患者的运动意图以完成上肢康复训练动作,一方面有利于上肢康复机器人更平稳地运行，另一方面有助于增强患肢协调性及保持正确运动的感觉。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人，包括脊柱底部支撑架(1)、脊椎连接器(2)、仿生学脊柱(3)、固定带(4)、脊柱支撑板(5)、锥齿轮传动轴(6)、电池支撑架(7)、大臂套筒(8)、EAP电极(9)、肩部支撑架(10)、联轴器(11)、内齿轮(12)、关节电机(13)、锥齿轮(14)、皮带小轮(15)、EAP电活性聚合物(16)、锥齿轮传动轴(17)、大臂防震圈(18)、皮带(19)、标准直齿轮(20)、皮带大轮(21)、皮带轮传动轴(22)、大臂连杆(23)、电机垫圈(24)、小臂套筒(25)、小臂EAP电极(34)、电池(35)、电池座(36)、仿生学脊柱支撑(37)、电池束线管(38)、肌电信号传感器(39)、右半侧手臂套筒(40)、手臂套筒调节装置(41)、左半侧手臂套筒(42)、螺钉(43)；其特征在于：脊柱支撑板(5)连接有多个仿生学脊柱(3)，仿生学脊柱(3)与脊柱连接器(2)通过螺钉(43)进行固定，同时脊柱连接器(2)通过螺钉(43)固定在脊柱支撑板(5)上；脊柱支撑板(5)通过螺钉(43)固定在脊柱底部支撑架(1)上，脊柱底部支撑架(1)通过螺钉(43)固定有电池支撑架(7)，电池支撑架(7)通过螺钉(43)固定有电池(35)为机器人的康复训练提供能量，脊柱支撑板(5)的两侧通过多个螺钉(43)固定有机械手臂整体装配，肩部支撑架(10)通过装置自带的螺纹孔，使用螺钉(43)连接有EAP电极(9)及关节电机(13)，关节电机(13)上套有具有弹性的电机垫圈(24)，关节电机(13)通过联轴器(11)连接有皮带小轮(15)，皮带小轮(15)通过皮带(19)将力及转矩传递给皮带大轮(21)，皮带大轮(21)通过皮带轮传动轴(22)以键传动的形式带动大臂套筒(8)进行转动，EAP电极(9)连接有多个EAP电活性聚合物(16)，EAP电活性聚合物(16)的另一端粘在内齿轮(12)上，大臂套筒(8)通过装置自带的螺纹孔使用螺钉(43)连接关节电机(13)，关节电机(13)通过联轴器(11)连接标准直齿轮(20)，标准直齿轮(20)与内齿轮(12)内啮合，通过关节电机(13)驱动标准直齿轮(20)实现内齿轮(12)的转动，内齿轮(12)带动小臂套筒(25)转动，内齿轮(12)通过装置自带的螺纹孔，使用螺钉(43)连接关节电机(13)，关节电机(13)通过联轴器(11)连接锥齿轮(14)，锥齿轮(14)带动与之啮合的锥齿轮(14)进行转动，锥齿轮(14)通过齿轮传动轴(17)借助键传动驱动小臂套筒(25)进行转动，小臂套筒(25)上通过装置自带的螺纹孔使用螺钉(43)连接有EAP电极(9)。

2.根据权利要求1所述的一种基于刚柔耦合系统的上肢康复机器人，其特征在于，小臂套筒(25)和大臂套筒(8)都分为右半侧手臂套筒(40)、手臂套筒调节装置(41)、左半侧手臂套筒(42)三部分，三部分协调配置实现对小臂套筒(25)和大臂套筒(8)长度和直径的调节。