CN109875845A - 一种肩部中心可变上肢康复机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肩部中心可变上肢康复机械臂,包括底座、支撑架、肩关节、肩部电机、肩部连杆、3‑DOF并联液压平台、大臂连杆、大臂、肘关节、腕关节。肩关节包括横梁和转动轴；肩部电机包括电机、固定底座、锥齿轮；3‑DOF并联液压平台包括上底板、三组可伸缩液压缸、下底板；大臂包括保持架、驱动电机、上连接板和转轴；肘关节包括小驱动电机、大驱动电机、小保持架、大保持架、下连接板；腕关节包括驱动电机、保持架、手腕挡板、皮带轮、腕部连杆、螺栓连杆、螺栓。本发明实现肩部中心可变，让肩部关节可以完成无论手臂的大臂、前臂处于任何位置都可以实现肩部关节的任何方向的移动，具有设备结构紧凑，实用性好等优点。

Description

一种肩部中心可变上肢康复机械臂

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，具体是一种肩部中心可变上肢康复机械臂。

背景技术

世界卫生研究报告中表明心血管疾病是目前是影响全人类日常正常生活的五大慢性疾病之一。此类疾病的高发人群是高龄人群,我国是中风患者的高发地区，中风病人大概有800万，同时研究表明75％的患者留有后遗症,患有不同程度的残疾，极大的阻碍了患者的日常正常活动同时增加了家庭的负担，影响了家庭的生活质量。同时我国从2000年就进入了老龄化社会，人口普查数据表明：60岁及以上人口占13.26％，其中65周岁以上及以上的人口占8.87％，人口老龄化的快速发展对经济社会的发展带来了十分深远的影响。在这老龄化的人群下脑血管类的疾病在老年人群中的有着较高的发病率，脑血管疾病潜在的一个严重危害是造成患者上肢运动功能的受损严重可能导致偏瘫，这给患者的日常生活带来许多不便同时也加重了子女的负担，对于当今我国上世纪的独生子女政策，多老人的家庭不在少数，如果家中的老年人发生心血管类的疾病而导致肢体运动障碍，子女的压力显然是巨大的。同时有数据表明随着经济的不断向前发展，由于疾病和其他意外事故导致的上肢运动功能受损的患者也呈现不断上升的趋势。

脑血管疾病的一个最大的潜在风险就是患者在出院后或多或少伴随着一些后遗症的出现，其中体现最明显的就是上肢出现不同程度的运动性障碍严重者可能导致偏瘫，但是随着当今医疗科技的不断发展，一大批先进的医疗康复设备被研发出来，应用到临床试验中来，同时研究人员通过对采集到的数据进行分析后发现：如果对于早期因为心血管疾病导致的肢体出现运动性障碍的现象，通过让患者早日接受康复训练，其中大部分患者完全可以通过后期在专业的康复设备的辅助训练下回复肢体正常的运动。同时通过这些辅助医疗康复设备可以把康复医疗工作人员和患者家属从病人后期漫长和艰辛的康复疗程中解放出来，通过设定的参数，上肢康复设备就可自动运转，进行患者的康复训练。到了训练的后期患者的运动能力有了一定的提升，这是患者就可以自行操作上肢康复设备进行康复训练，很大程度上降低了陪护人员的劳动强度和提高了患者康复的几率及缩短了患者的康复周期，提高了患者康复的效率。

目前来说按照康复机器人对患者肢体的固定方式、牵引方式的区别，目前的康复机器人可以分为两大类：一类是末端执行器式，另一类是外骨骼式。

通常末端牵引式机器人有较多的冗余自由度用来保证受损的肢体在空间中的运动，不能很好的获得受损肢体的各关节的位姿，另外其没有办法将牵引力准备的施力到目标受损的肢体上，外骨骼式机器人的设计原则是根据仿生原理进行的结构设计，同时结合人体工程学，可以很好的配合受损的肢体，而且上肢机械臂的每个关节都单独对应一个驱动装置，所以可以确保机械臂的运动可以和人体对应的自由度同轴运动。因此目前的肢体康复机器人大部分都采用了外骨骼式。

外骨骼式康复机器人的研究比较广泛，按照关节的控制类型的可以分为串联式和并联式，按驱动类型的可以分为人工气动驱动和电机直接驱动，人工气动式的缺点是在充气时由于气体的可压缩性大，难以精确的控制。电机直接驱动式产品采用了电机直接安装在要驱动的关节上，优点是电动机产生的动力直接作用在每一个关节上，传动距离近，传递损失小，可以实现对各个关节的精准控制，缺点是占用空间大，伺服电机的安装需要加入零部件如减速器等，整个装置的局部会比较笨重。

目前外骨骼式康复机器人存在的一些主要问题如下：1、目前主要的外骨骼上肢康复设备很少有设计肩部中心可变的机构，不能完全满足肩部损伤患者的康复要求。2、长期机械性拉动关节的运动，会对对患者造成二次损伤，临床表现为康复训练后肢体的疼痛。

综上所述，设计一种肩部中心可变上肢康复机械臂可解决上述外骨骼式康复机器人存在的技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种肩部中心可变的上肢康复机械臂。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。

一种肩部中心可变上肢康复机械臂，包括底座、支撑架、肩关节、肩部电机、肩部连杆、3-DOF并联液压平台、大臂连杆、大臂、肘关节、腕关节。

所述的底座与支撑架通过螺栓相连接。

所述的支撑架下端与底座通过螺栓相连接，上端呈90度弯曲并与肩关节通过螺栓相连接。

所述的肩关节包括横梁和转动轴。其中，所述横梁与支撑架相连接；所述转轴上装有锥齿轮，与电机轴上的锥齿轮啮合。

所述的肩部电机包括电机、固定底座、锥齿轮。其中，所述电机与固定底座通过螺栓相连接；所述的固定底座与横梁通过螺栓相连接；所述锥齿轮安装在电机轴上。

所述的肩部连杆上端通过转动轴与横梁相连接，肩部连杆可绕转动轴进行旋转，下端通过螺栓与3-DOF并联液压平台相连接。

所述的3-DOF并联液压平台包括上底板、三组可伸缩液压缸、下底板。其中，所述的上底板与肩部连杆通过螺栓相连接；所述液压缸设有进油口、出油口，液压缸与下底板通过铰链相连接，液压缸通过控制伸长和收缩的长度来控制平台的上下运动和平台的倾斜程度，实现肩部中心的变化。

所述的大臂连杆内部设有驱动电机，大臂连杆上端与3-DOF并联液压平台的下底板通过螺栓相连接。

所述大臂包括保持架、驱动电机、上连接板和转轴。其中，所述驱动电机安装在保持架上；所述保持架与大臂连杆通过转轴相连接，保持架可绕转轴转动；所述的上连接板与保持架通过转动轴相连接，上连接板可绕转轴旋转。

所述的肘关节包括小驱动电机、大驱动电机、小保持架、大保持架、下连接板。其中，所述大保持架安装有转轴；所述的小驱动电机安装在小保持架上；所述的小保持架通过螺栓将上连接板和下连接板之间相连接；所述的大驱动电机与下连接板通过转轴相连接。

所述的腕关节包括驱动电机、保持架、手腕挡板、皮带轮、腕部连杆、螺栓连杆、螺栓。其中，所述的驱动电机安装在保持架上；所述的保持架与肘关节通过螺栓连杆相连接；所述的皮带轮上安装有皮带，皮带轮安装在保持架下方，皮带轮安装在驱动电机轴上；所述的腕部连杆包括上连杆、下连杆、连接杆，上连杆和下连杆通过连接杆相连接；所述的手腕挡板安装在保持架上方，手腕挡板与腕部连杆通过螺栓相连接。

使用时，首先肩部中心可变上肢康复机械臂底座固定在工作台上，将患者手臂按照说明的位置放置好。然后肩部电机开始工作，使得患者的肩部水平转动。通过3-DOF并联液压平台的三组液压缸伸展和收缩，进而控制液压平台的上下运动和倾斜程度，实现肩部中心的变化。然后大臂连杆内部电机开始工作，使得大臂在垂直于水平面的方向移动。接着大臂驱动电机开始工作，使得上连接板在水平方向旋转，实现大臂的翻转运动。当大臂驱动电机停止工作时，肘关节小驱动电机开始工作，带动下连接板旋转，实现肘关节外旋和内旋运动。最后腕部关节驱动电机工作，进而带动皮带轮转动，皮带轮的转动带动腕部连杆的转动，实现腕部的外展和收敛运动。当以上的所有驱动电机和3-DOF并联液压平台协调工作时，可模拟人类上肢运动，进而实现患者的上肢康复。

有益效果：

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明实现肩部中心可变，让肩部关节可以完成无论手臂的大臂、前臂处于任何位置都可以实现肩部关节的任何方向的移动，如日常的耸肩行为就是肩部中心的上下运动来实现的，扩胸行为就是肩部中心的前后移动来完成的。实现肩部中心可变这一运动，对于肩部肌肉的恢复是有重要意义的。同时，3-DOF并联液压平台结构可以使其在运动的过程中传动更加平稳，训练的过程不会出现受损肌肉的拉伤，这种结构后期的维护简单，移动的速度可控性好。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的肩关节的机构示意图；

图3为本发明的3-DOF并联液压平台的结构示意图；

图4为本发明的大臂的结构示意图；

图5为本发明的肘关节的结构示意图；

图6为本发明的腕关节的结构示意图；

具体实施方式：

为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种肩部中心可变上肢康复机械臂，包括底座1、支撑架2、肩关节3、肩部电机4、肩部连杆5、3-DOF并联液压平台6、大臂连杆7、大臂8、肘关节9、腕关节10。所述的底座1与支撑架2通过螺栓相连接。所述的支撑架2下端与底座1通过螺栓相连接，上端呈90度弯曲并与肩关节3通过螺栓相连接。

如图2所示，所述的肩关节包括横梁31和转动轴32。其中，所述横梁31与支撑架2相连接；所述转动轴32上装有锥齿轮33，与电机轴上的锥齿轮42啮合。所述的肩部电机4包括电机4、底座41、锥齿轮42。其中，所述电机4与固定底座41通过螺栓相连接；所述的固定底座41与横梁31通过螺栓相连接；所述锥齿轮42安装在电机轴上。

如图2、图3所示，所述的肩部连杆5上端通过转动轴32与横梁31相连接，肩部连杆5可绕转动轴32进行旋转，下端通过螺栓与3-DOF并联液压平台6相连接。

如图3所示，所述的3-DOF并联液压平台6包括上底板61、三组可伸缩液压缸62、下底板63。其中，所述的上底板61与肩部连杆5通过螺栓相连接；所述液压缸62设有进油口621、出油口622，液压缸62与下底板63通过铰链相连接，液压缸62通过控制伸长和收缩的长度来控制平台的上下运动和平台的倾斜程度，实现肩部中心的变化。

如图4所示，所述的大臂连杆7内部设有驱动电机71，大臂连杆7上端与3-DOF并联液压平台6的下底板63通过螺栓相连接。所述大臂8包括保持架82、驱动电机81、上连接板83。其中，所述保持架82安装有转轴821；所述驱动电机81安装在保持架82上；所述保持架82与大臂连杆7通过转轴821相连接，保持架82可绕转轴821转动；所述的上连接板83与保持架82通过转动轴821相连接，上连接板83可绕转轴821旋转。

如图5所示，所述的肘关节9包括小驱动电机91、大驱动电机95、小保持架92、大保持架94、下连接板93。其中，所述大保持架94安装有转轴941；所述的小驱动电机91安装在小保持架92上；所述的小保持架92通过螺栓将上连接板83和下连接板93之间相连接；所述的大驱动电机95与下连接板93通过转轴941相连接。

如图6所示，所述的腕关节10包括驱动电机101、保持架102、手腕挡板103、皮带轮104、腕部连杆105、螺栓连杆106、螺栓107。其中，所述的驱动电机101安装在保持架102上；所述的保持架102与肘关节96通过螺栓连杆106相连接；所述的皮带轮上安装有皮带1041，皮带轮104安装在保持架102下方，皮带轮104安装在驱动电机101轴上；所述的腕部连杆105包括上连杆1051、下连杆1052、连接杆1053，上连杆1051和下连杆1052通过连接杆1053相连接；所述的手腕挡板103安装在保持架102上方，手腕挡板103与腕部连杆105通过螺栓107相连接。

使用时，首先肩部中心可变上肢康复机械臂底座1固定在工作台上，将患者手臂按照说明的位置放置好。然后肩部电机4开始工作，使得患者的肩部水平转动。通过3-DOF并联液压平台6的三组液压缸62伸展和收缩，进而控制液压平台6的上下运动和倾斜程度，实现肩部中心的变化。然后大臂连杆内部电机71开始工作，使得大臂在垂直于水平面的方向移动。接着大臂驱动电机81开始工作，使得上连接板83在水平方向旋转，实现大臂8的翻转运动。当大臂驱动电机81停止工作时，肘关节小驱动电机91开始工作，带动下连接板93旋转，实现肘关节9外旋和内旋运动。最后腕部关节驱动电机101工作，进而带动皮带轮112转动，皮带轮112的转动带动腕部连杆105的转动，实现腕部的外展和收敛运动。当以上的所有驱动电机和3-DOF并联液压平台协调工作时，可模拟人类上肢运动，进而实现患者的上肢康复。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种肩部中心可变上肢康复机械臂，包括底座、支撑架、肩关节、肩部电机、肩部连杆、3-DOF并联液压平台、大臂连杆、大臂、肘关节、腕关节；所述的底座与支撑架通过螺栓相连接；所述的支撑架下端与底座通过螺栓相连接，上端呈90度弯曲并与肩关节通过螺栓相连接；所述的肩关节包括横梁和转动轴；其中，所述横梁与支撑架相连接；所述转轴上装有锥齿轮，与电机轴上的锥齿轮啮合；所述的肩部电机包括电机、固定底座、锥齿轮；其中，所述电机与固定底座通过螺栓相连接；所述的固定底座与横梁通过螺栓相连接；所述锥齿轮安装在电机轴上；所述的肩部连杆上端通过转动轴与横梁相连接，肩部连杆可绕转动轴进行旋转，下端通过螺栓与3-DOF并联液压平台相连接；所述的3-DOF并联液压平台包括上底板、三组可伸缩液压缸、下底板；其中，所述的上底板与肩部连杆通过螺栓相连接；所述液压缸设有进油口、出油口，液压缸与下底板通过铰链相连接，液压缸通过控制伸长和收缩的长度来控制平台的上下运动和平台的倾斜程度，实现肩部中心的变化；所述的大臂连杆内部设有驱动电机，大臂连杆上端与3-DOF并联液压平台的下底板通过螺栓相连接；所述大臂包括保持架、驱动电机、上连接板和转轴；其中，所述驱动电机安装在保持架上；所述保持架与大臂连杆通过转轴相连接，保持架可绕转轴转动；所述的上连接板与保持架通过转动轴相连接，上连接板可绕转轴旋转；所述的肘关节包括小驱动电机、大驱动电机、小保持架、大保持架、下连接板；其中，所述大保持架安装有转轴；所述的小驱动电机安装在小保持架上；所述的小保持架通过螺栓将上连接板和下连接板之间相连接；所述的大驱动电机与下连接板通过转轴相连接；所述的腕关节包括驱动电机、保持架、手腕挡板、皮带轮、腕部连杆、螺栓连杆、螺栓；其中，所述的驱动电机安装在保持架上；所述的保持架与肘关节通过螺栓连杆相连接；所述的皮带轮上安装有皮带，皮带轮安装在保持架下方，皮带轮安装在驱动电机轴上；所述的腕部连杆包括上连杆、下连杆、连接杆，上连杆和下连杆通过连接杆相连接；所述的手腕挡板安装在保持架上方，手腕挡板与腕部连杆通过螺栓相连接。

2.根据权利要求1所述的一种肩部中心可变上肢康复机械臂，其特征在于所述的3-DOF并联液压平台包括上底板、三组可伸缩液压缸、下底板；其中，所述的上底板与肩部连杆通过螺栓相连接；所述液压缸设有进油口、出油口，液压缸与下底板通过铰链相连接，液压缸通过控制伸长和收缩的长度来控制平台的上下运动和平台的倾斜程度，实现肩部中心的变化。

3.根据权利要求1所述的一种肩部中心可变上肢康复机械臂，其特征在于所述的肘关节包括小驱动电机、大驱动电机、小保持架、大保持架、下连接板；其中，所述大保持架安装有转轴；所述的小驱动电机安装在小保持架上；所述的小保持架通过螺栓将上连接板和下连接板之间相连接；所述的大驱动电机与下连接板通过转轴相连接。

4.根据权利要求1所述的一种肩部中心可变上肢康复机械臂，其特征在于所述的腕关节包括驱动电机、保持架、手腕挡板、皮带轮、腕部连杆、螺栓连杆、螺栓；其中，所述的驱动电机安装在保持架上；所述的保持架与肘关节通过螺栓连杆相连接；所述的皮带轮上安装有皮带，皮带轮安装在保持架下方，皮带轮安装在驱动电机轴上；所述的腕部连杆包括上连杆、下连杆、连接杆，上连杆和下连杆通过连接杆相连接；所述的手腕挡板安装在保持架上方，手腕挡板与腕部连杆通过螺栓相连接。