CN109620647B - 一种线驱动上肢康复训练机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种线驱动上肢康复训练机械臂，包括：支撑机构；设置在支撑机构的支撑架上的旋转云台机构；上臂屈伸动力传递机构，包括U型板、上臂拉索张紧轮、安装板、上臂屈伸主动轴、从动齿轮、上臂主动拉索轮、上臂屈伸从动轴、上臂扭矩传感器、上臂从动拉索轮以及弧形限位导槽；上臂屈伸机构，包括U型镂空板、上臂屈伸限位销钉以及肘部主动拉索轮；双向张紧机构，包括上臂连杆、张紧轮槽以及肘部拉索张紧轮；肘部屈伸机构，包括U型关节接头、屈伸转轴、肘部拉索轮、肘部转向限位导槽以及前臂连杆；前臂补偿机构，包括直线导轨、滑块以及短连板；以及通过Z型连板与前臂补偿机构连接的腕部换向机构。

Description

一种线驱动上肢康复训练机械臂
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种线驱动上肢康复训练机械臂。
背景技术
随着科技的不断进步，康复训练工作逐渐由人工向智能领域转变，康复机器人的出现极大方便了人们的生活，对老年人及残疾人的康复护理工作也出现了新的转变。康复训练不止适用于医院，还适用于家庭，家庭康复理念的出现使得康复机器人变得更加智能化小型化，于是针对脑卒中后偏瘫患者的线驱动上肢康复训练机械臂应运而生。传统的康复训练机械臂需要在每个关节处加装电机，此举不仅增加了机械臂运转的负担，其庞大的体积不适于家庭。线驱动上肢康复训练机械臂依靠拉索线调整运动关节的状态，此传动结构不仅大大缩减了机械臂运动的附加载荷，同时也减小了康复训练机械臂的整体体积，为家庭康复护理的设想奠定了基础。
当下科技前沿对线驱动上肢康复训练机械臂的研究并不多见，分析其原因可能是一方面因为采用线驱动方式在设计的难度上会有所增加，另一方面拉索线在长时间使用后会产生松弛现象。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种线驱动上肢康复训练机械臂。
本发明提供了一种线驱动上肢康复训练机械臂，具有这样的特征，包括：支撑机构，包括基座、设置在基座下方四个角上的万向轮、设置在基座上的支撑架以及设置在基座上的一侧嵌有支撑架的外壳；旋转云台机构，包括固定安装在支撑架顶端的云台下层板、安装在云台下层板上的主动同步带轮、安装在云台下层板上的通过同步带跟随主动同步带轮进行转动的随动同步带轮、设置在主动同步带轮和随动同步带轮上方的云台上层板、设于云台上层板上的云台转角限位槽、置于云台转角限位槽中且底端固定在云台下层板上的云台转角限位销、设置在云台上层板上的与随动同步带轮连接并跟随随动同步带轮同步转动的云台主轴以及设置在云台上层板上的控制器；上臂屈伸动力传递机构，包括安装在云台主轴顶端的U型板、设置在U型板中的上臂拉索张紧轮、设置在U型板两个竖直端外侧的两个安装板、设置在两个安装板之间的上臂屈伸主动轴、安装在上臂屈伸主动轴中心处的从动齿轮、对称设置在从动齿轮两侧的上臂主动拉索轮、设置在两个安装板之间的上臂屈伸从动轴、设置在上臂屈伸从动轴一端的上臂扭矩传感器、设置在上臂屈伸从动轴另一端的上臂从动拉索轮以及设置在靠近上臂从动拉索轮一侧的安装板上的弧形限位导槽；上臂屈伸机构，包括与上臂屈伸从动轴连接的U型镂空板、设置在U型镂空板内壁一侧的上臂屈伸限位销钉以及设置在U型镂空板的U型底板中的肘部主动拉索轮；双向张紧机构，包括连接于U型镂空板的U型底板处的上臂连杆、通过肘部张紧调节螺栓固定于上臂连杆两侧的张紧轮槽以及设置在张紧轮槽中的肘部拉索张紧轮；肘部屈伸机构，包括与上臂连杆连接的U型关节接头、设置在U型关节接头中的屈伸转轴、设置在屈伸转轴上且置于U型关节接头内的肘部拉索轮、设置在U型关节接头侧边上的肘部转向限位导槽以及一端与肘部拉索轮连接的前臂连杆；前臂补偿机构，包括设置在前臂连杆上的直线导轨、设置在直线导轨中的滑块以及与滑块连接的短连板；以及腕部换向机构，包括与短连板连接的Z型连板、连接于Z型连板底端两侧边的窄连板、与一侧的窄连板连接的前臂托板、与另一侧的窄连板连接的操纵杆收容槽以及设置在操纵杆收容槽上的霍尔操纵杆，其中，屈伸转轴的两端设置有限位卡簧，该限位卡簧用于限制屈伸转轴的轴向位移，上臂屈伸限位销钉与弧形限位导槽相配合，用于限位保护，设有弧形限位导槽的安装板的外侧还设置有与上臂屈伸从动轴连接的可调式阻尼卷簧，该可调式阻尼卷簧由上臂屈伸从动轴带动，在放松时进行释能，在收紧时进行蓄能，肘部主动拉索轮的下方连接有肘部拉索控制电机。
在本发明提供的一种线驱动上肢康复训练机械臂中，还可以具有这样的特征：其中，云台下层板的底部还设有与主动同步带轮连接的云台控制电机、与随动同步带轮连接的角度传感器以及用于固定角度传感器的位置固定板。
在本发明提供的一种线驱动上肢康复训练机械臂中，还可以具有这样的特征：其中，上臂拉索张紧轮位于上臂从动拉索轮与上臂主动拉索轮之间。
在本发明提供的一种线驱动上肢康复训练机械臂中，还可以具有这样的特征：其中，上臂扭矩传感器和上臂从动拉索轮位于U型镂空板的开口端中。
在本发明提供的一种线驱动上肢康复训练机械臂中，还可以具有这样的特征：其中，两个安装板顶部中心处还设置有肩部张紧调节螺钉，两个安装板的外侧面的中心处还设置有腰孔，该腰孔用于连接上臂拉索张紧轮的两端，通过腰孔对上臂拉索张紧轮的位置进行调节来保持张紧。
在本发明提供的一种线驱动上肢康复训练机械臂中，还可以具有这样的特征：其中，上臂连杆的一端为凸块，U型关节接头的一端设有凹槽，凸块与凹槽相互配合，用于完成上臂连杆与U型关节接头之间的连接。
在本发明提供的一种线驱动上肢康复训练机械臂中，还可以具有这样的特征：其中，前臂连杆与肘部拉索轮的连接端的下方还设有肘部限位定位块，该肘部限位定位块上设置有换向定位销钉。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种线驱动上肢康复训练机械臂，因为该机械臂实现了驱动系统及信息检测的集中放置，所以使得机械臂更加小型化，适用于家庭康复训练。因为使用了U型镂空板，采用了U型结构来替换单臂式结构，所以能够将板件附加载荷均匀分到U型结构的两侧，提高了机械臂输出运动的稳定性，并且弧形结构提高了拉索轮输出运动的稳定性，减小了弯矩的产生，确保拉索线不会偏转造成脱轨。因为设置有双向张紧机构，能够通过调节张紧轮槽与固定面之间的距离来实现张紧功能，从而防止久用后拉索线松弛，所以提高了装置的使用寿命，优化了使用者的使用体验。因为还设有可调式阻尼卷簧来在机械臂抬起时开始释能，在机械臂下降时开始蓄能，所以能够防止机械臂快速下落，保证了装置的平稳运行。
附图说明
图1是本发明的实施例中一种线驱动上肢康复训练机械臂的整体结构示意图；
图2是本发明的实施例中一种线驱动上肢康复训练机械臂初始状态下的结构示意图；
图3是本发明的实施例中支撑机构的结构示意图；
图4是本发明的实施例中旋转云台机构的结构示意图；
图5是本发明的实施例中上臂屈伸动力传递机构的结构示意图；
图6是本发明的实施例中上臂屈伸机构与双向张紧机构的结构示意图；
图7是本发明的实施例中肘部屈伸机构与前臂补偿机构的结构示意图；
图8是本发明的实施例中腕部换向机构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
图1是本发明的实施例中一种线驱动上肢康复训练机械臂的整体结构示意图，图2是本发明的实施例中一种线驱动上肢康复训练机械臂初始状态下的结构示意图。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种线驱动上肢康复训练机械臂100，包括支撑机构10、旋转云台机构20、上臂屈伸动力传递机构30、上臂屈伸机构40、双向张紧机构50、肘部屈伸机构60、前臂补偿机构70以及腕部换向机构80。
图3是本发明的实施例中支撑机构的结构示意图。
如图3所示，支撑机构10，包括基座11、设置在基座11下方四个角上的万向轮12、设置在基座11上的支撑架13以及设置在基座11上的一侧嵌有支撑架13的外壳14。
支撑机构10用于进行支撑以及通过万向轮12进行移动。
图4是本发明的实施例中旋转云台机构的结构示意图。
如图4所示，旋转云台机构20，包括固定安装在支撑架13顶端的云台下层板21、安装在云台下层板21上的主动同步带轮22、安装在云台下层板21上的通过同步带跟随主动同步带轮22进行转动的随动同步带轮23、设置在主动同步带轮22和随动同步带轮23上方的云台上层板24、设于云台上层板24上的云台转角限位槽25、置于云台转角限位槽25中且底端固定在云台下层板21上的云台转角限位销26、设置在云台上层板24上的与随动同步带轮23连接并跟随随动同步带轮23同步转动的云台主轴27以及设置在云台上层板24上的控制器28。
云台转角限位槽25与云台转角限位销26用于相互配合来限制云台的转角范围。
云台下层板21的底部还设有与主动同步带轮22连接的云台控制电机29、与随动同步带轮23连接的角度传感器210以及用于固定角度传感器210的位置固定板211。
角度传感器210用于测量旋转云台机构20的转动角度。
图5是本发明的实施例中上臂屈伸动力传递机构的结构示意图。
如图5所示，上臂屈伸动力传递机构30，包括安装在云台主轴27顶端的U型板31、设置在U型板31中的上臂拉索张紧轮32、设置在U型板31两个竖直端外侧的两个安装板33、设置在两个安装板33之间的上臂屈伸主动轴34、安装在上臂屈伸主动轴34中心处的从动齿轮35、对称设置在从动齿轮35两侧的上臂主动拉索轮36、设置在两个安装板33之间的上臂屈伸从动轴37、设置在上臂屈伸从动轴37一端的上臂扭矩传感器38、设置在上臂屈伸从动轴37另一端的上臂从动拉索轮39以及设置在靠近上臂从动拉索轮39一侧的安装板33上的弧形限位导槽310。
设有弧形限位导槽310的安装板33的外侧还设置有与上臂屈伸从动轴37连接的可调式阻尼卷簧311，该可调式阻尼卷簧311由上臂屈伸从动轴37带动，机械臂抬起时，通过上臂屈伸从动轴37带动可调式阻尼卷簧311放松，可调式阻尼卷簧311开始释能，机械臂下降时，上臂屈伸从动轴37带动可调式阻尼卷簧311收紧，可调式阻尼卷簧311开始蓄能，从而防止机械臂快速下落，用于保证机构平稳运行。
上臂拉索张紧轮32位于上臂从动拉索轮39与上臂主动拉索轮36之间。
两个安装板33顶部中心处还设置有肩部张紧调节螺钉312，
两个安装板33的外侧面的中心处还设置有腰孔313，该腰孔313用于连接上臂拉索张紧轮32的两端，通过腰孔313对上臂拉索张紧轮32的位置进行调节来保持张紧。
图6是本发明的实施例中上臂屈伸机构与双向张紧机构的结构示意图。
如图6所示，上臂屈伸机构40，包括与上臂屈伸从动轴37连接的U型镂空板41、设置在U型镂空板41内壁一侧的上臂屈伸限位销钉42以及设置在U型镂空板41的U型底板中的肘部主动拉索轮43。
上臂屈伸限位销钉42与弧形限位导槽310相配合，用于限位保护。
上臂扭矩传感器38和上臂从动拉索轮39位于U型镂空板41的开口端中。
肘部主动拉索轮43的下方连接有肘部拉索控制电机44。
双向张紧机构50，包括连接于U型镂空板41的U型底板处的上臂连杆51、通过肘部张紧调节螺栓52固定于上臂连杆51两侧的张紧轮槽53以及设置在张紧轮槽53中的肘部拉索张紧轮54。
通过调节张紧轮槽53与固定面之间的距离来实现张紧功能，从而防止久用后的拉索线产生松弛。
图7是本发明的实施例中肘部屈伸机构与前臂补偿机构的结构示意图。
如图7所示，肘部屈伸机构60，包括与上臂连杆51连接的U型关节接头61、设置在U型关节接头61中的屈伸转轴62、设置在屈伸转轴62上且置于U型关节接头61内的肘部拉索轮63、设置在U型关节接头61侧边上的肘部转向限位导槽64以及一端与肘部拉索轮63连接的前臂连杆65。
上臂连杆51的一端为凸块，U型关节接头61的一端设有凹槽，凸块与凹槽相互配合，用于完成上臂连杆51与U型关节接头61之间的连接。
屈伸转轴62的两端设置有限位卡簧66，该限位卡簧66用于限制屈伸转轴62的轴向位移。
前臂连杆65与肘部拉索轮63的连接端的下方还设有肘部限位定位块67，该肘部限位定位块67上设置有换向定位销钉68。
前臂补偿机构70，包括设置在前臂连杆65上的直线导轨71、设置在直线导轨71中的滑块72以及与滑块72连接的短连板73。
图8是本发明的实施例中腕部换向机构的结构示意图。
如图8所示，腕部换向机构80，包括与短连板73连接的Z型连板81、连接于Z型连板81底端两侧边的窄连板82、与一侧的窄连板82连接的前臂托板83、与另一侧的窄连板82连接的操纵杆收容槽84以及设置在操纵杆收容槽84上的霍尔操纵杆85。
本实施例的一种线驱动上肢康复训练机械臂100进行康复护理训练时的过程如下：首先将腕部置于前臂托板83中，并通过滑动前臂补偿机构70中的滑块72来调节手臂的放置位置，在手臂放置完成后开始康复训练，康复训练分为抬起下降训练与内收外展训练，进行抬起下降训练时，上臂拉索收紧，上肢随机械臂缓缓抬起，可调式阻尼卷簧311开始释能，抬起运动后释放上臂拉索，上肢随机械臂缓缓下降，可调式阻尼卷簧311储存能量，调控下降速度，在抬起下降过程中，上臂屈伸限位销钉42与弧形限位导槽310相配合来限制抬起下降动作的运动范围，进行内收外展训练时，肘部拉索控制电机44收紧拉索，前臂连杆65带动前臂做内收运动，内收运动后释放拉索，前臂连杆65带动前臂做外展运动，在内收外展运动过程中，设置在U型关节接头61侧边上的肘部转向限位导槽64与换向定位销钉68共同限制了前臂内收外展运动范围，经过一定时间的康复训练后，为了防止久用后拉索松弛，可以通过调节张紧轮槽53与固定面之间的距离来实现张紧功能。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种线驱动上肢康复训练机械臂，因为该机械臂实现了驱动系统及信息检测的集中放置，所以使得机械臂更加小型化，适用于家庭康复训练。因为使用了U型镂空板，采用了U型结构来替换单臂式结构，所以能够将板件附加载荷均匀分到U型结构的两侧，提高了机械臂输出运动的稳定性，并且弧形结构提高了拉索轮输出运动的稳定性，减小了弯矩的产生，确保拉索线不会偏转造成脱轨。因为设置有双向张紧机构，能够通过调节张紧轮槽与固定面之间的距离来实现张紧功能，从而防止久用后拉索线松弛，所以提高了装置的使用寿命，优化了使用者的使用体验。因为还设有可调式阻尼卷簧来在机械臂抬起时开始释能，在机械臂下降时开始蓄能，所以能够防止机械臂快速下落，保证了装置的平稳运行。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种线驱动上肢康复训练机械臂，其特征在于，包括：
支撑机构，包括基座、设置在所述基座下方四个角上的万向轮、设置在所述基座上的支撑架以及设置在所述基座上的一侧嵌有所述支撑架的外壳；
旋转云台机构，包括固定安装在所述支撑架顶端的云台下层板、安装在所述云台下层板上的主动同步带轮、安装在所述云台下层板上的通过同步带跟随所述主动同步带轮进行转动的随动同步带轮、设置在所述主动同步带轮和所述随动同步带轮上方的云台上层板、设于所述云台上层板上的云台转角限位槽、置于所述云台转角限位槽中且底端固定在所述云台下层板上的云台转角限位销、设置在所述云台上层板上的与所述随动同步带轮连接并跟随所述随动同步带轮同步转动的云台主轴以及设置在所述云台上层板上的控制器；
上臂屈伸动力传递机构，包括安装在所述云台主轴顶端的U型板、设置在所述U型板中的上臂拉索张紧轮、设置在所述U型板两个竖直端外侧的两个安装板、设置在两个所述安装板之间的上臂屈伸主动轴、安装在所述上臂屈伸主动轴中心处的从动齿轮、对称设置在所述从动齿轮两侧的上臂主动拉索轮、设置在所述两个安装板之间的上臂屈伸从动轴、设置在所述上臂屈伸从动轴一端的上臂扭矩传感器、设置在所述上臂屈伸从动轴另一端的上臂从动拉索轮以及设置在靠近所述上臂从动拉索轮一侧的所述安装板上的弧形限位导槽；
上臂屈伸机构，包括与所述上臂屈伸从动轴连接的U型镂空板、设置在所述U型镂空板内壁一侧的上臂屈伸限位销钉以及设置在所述U型镂空板的U型底板中的肘部主动拉索轮；
双向张紧机构，包括连接于所述U型镂空板的U型底板处的上臂连杆、通过肘部张紧调节螺栓固定于所述上臂连杆两侧的张紧轮槽以及设置在所述张紧轮槽中的肘部拉索张紧轮；
肘部屈伸机构，包括与所述上臂连杆连接的U型关节接头、设置在所述U型关节接头中的屈伸转轴、设置在所述屈伸转轴上且置于所述U型关节接头内的肘部拉索轮、设置在所述U型关节接头侧边上的肘部转向限位导槽以及一端与所述肘部拉索轮连接的前臂连杆；
前臂补偿机构，包括设置在所述前臂连杆上的直线导轨、设置在所述直线导轨中的滑块以及与所述滑块连接的短连板；以及
腕部换向机构，包括与所述短连板连接的Z型连板、连接于所述Z型连板底端两侧边的窄连板、与一侧的所述窄连板连接的前臂托板、与另一侧的所述窄连板连接的操纵杆收容槽以及设置在所述操纵杆收容槽上的霍尔操纵杆，
其中，所述屈伸转轴的两端设置有限位卡簧，该限位卡簧用于限制所述屈伸转轴的轴向位移，
所述上臂屈伸限位销钉与所述弧形限位导槽相配合，用于限位保护，
设有所述弧形限位导槽的所述安装板的外侧还设置有与所述上臂屈伸从动轴连接的可调式阻尼卷簧，该可调式阻尼卷簧由所述上臂屈伸从动轴带动，在放松时进行释能，在收紧时进行蓄能，
所述肘部主动拉索轮的下方连接有肘部拉索控制电机，
所述上臂拉索张紧轮位于所述上臂从动拉索轮与所述上臂主动拉索轮之间，
两个所述安装板顶部中心处还设置有肩部张紧调节螺钉，
两个所述安装板的外侧面的中心处还设置有腰孔，该腰孔用于连接所述上臂拉索张紧轮的两端，通过所述腰孔对上臂拉索张紧轮的位置进行调节来保持张紧，
所述上臂连杆的一端为凸块，所述U型关节接头的一端设有凹槽，所述凸块与所述凹槽相互配合，用于完成所述上臂连杆与所述U型关节接头之间的连接。
2.根据权利要求1所述的一种线驱动上肢康复训练机械臂，其特征在于：
其中，所述云台下层板的底部还设有与所述主动同步带轮连接的云台控制电机、与所述随动同步带轮连接的角度传感器以及用于固定所述角度传感器的位置固定板。
3.根据权利要求1所述的一种线驱动上肢康复训练机械臂，其特征在于：
其中，所述上臂扭矩传感器和所述上臂从动拉索轮位于所述U型镂空板的开口端中。
4.根据权利要求1所述的一种线驱动上肢康复训练机械臂，其特征在于：
其中，所述前臂连杆与所述肘部拉索轮的连接端的下方还设有肘部限位定位块，该肘部限位定位块上设置有换向定位销钉。
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