CN110354458A - 一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪 - Google Patents

Abstract

一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，包括安装底板，所述安装底板的板体上依次设置训练单元、运动检测单元，所述训练单元包括手柄结构和阻力结构，所述手柄结构包括依次连接的手柄、上底座、下底座、球转子、活动轴杆、陀螺仪和活动轴，所述阻力结构包括限位基座、第一牛眼轮、第二牛眼轮和摩擦片。所述安装底板的板体上依次设置训练单元、运动检测单元，用户通过操作训练单元达到训练与康复的目的，运动检测单元对训练单元的训练强度进行实时的检测。

Description

一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪

技术领域

本发明涉及康复技术领域，特别是涉及一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪。

背景技术

目前国内外上肢康复机器装置结构形式设计方案主要有末端支撑式和外骨骼式两种，其中末端支撑式是以普通连杆机构或串联机器人机构为主体机构，对康复训练者的运动末端进行支撑和牵引，从而实现上肢的康复，将力交互技术引入上肢康复训练系统中，辅助伤者进行康复治疗的方式，已经逐渐被国内外研究人员接纳，已成为上肢恢复的首选方式之一，传统的力交互装置以主动力反馈为主，存在安全性差，响应时间长，摩擦力不能够调整、结构复杂、成本较高等问题，因此亟待本领域技术人员解决此问题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，该装置结构简单，相对于现有技术，具有实用性强，安全，结构简单以及实现多自由度多方位的训练的优点，为达此目的，本发明提供一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，包括安装底板，所述安装底板的板体上依次设置训练单元、运动检测单元，所述训练单元包括手柄结构和阻力结构，所述手柄结构包括依次连接的手柄、上底座、下底座、球转子、活动轴杆、陀螺仪和活动轴，所述上底座和下底座内部空腔设置，所述活动轴杆的一端与所述手柄连接，另一端与所述活动轴的顶端连接，所述活动轴设置在所述上底座的空腔内，所述活动轴的底端与所述陀螺仪的动力输入端连接，所述陀螺仪的动力输出端与所述球转子连接，通过操作所述手柄转动控制所述球转子的转动，所述陀螺仪设置在所述下底座的空腔内，所述下底座的座体底部开设通孔，所述陀螺仪的动力输出端穿过所述通孔与所述球转子的动力输入端连接，所述阻力结构包括限位基座、第一牛眼轮、第二牛眼轮和摩擦片，所述第一牛眼轮通过支架固定在所述限位基座的上侧面，且所述第一牛眼轮与所述球转子相抵接，所述第二牛眼轮设置在所述限位基座的座体中心部，其与所述球转子的底部相抵接，所述摩擦片通过摩擦定子安装在所述限位基座上，所述运动检测单元包括柔性力传感器、扭矩传感器和控制器，所述柔性力传感器和扭矩传感器分别贴合在所述活动轴杆的两端，所述控制器分别与所述柔性力传感器、扭矩传感器电性连接。

作为本发明的一种改进，所述限位基座的座体上均匀开设3个限位槽，所述摩擦定子的下端安装在所述限位槽的内部。

作为本发明的一种改进，还包括动力组件，用于驱动所述摩擦定子在所述限位槽内前后运动，所述动力组件包括螺旋盘和驱动电机，所述螺旋盘安装在所述限位基座的内部，所述螺旋盘的盘体上设置螺旋沟槽，所述摩擦定子的底端设置与所述螺旋沟槽配合的楔子，所述楔子在所述螺旋沟槽内部单向运动，所述驱动电机与所述螺旋盘通过伞齿轮传动连接。

作为本发明的一种改进，所述螺旋盘的盘体下侧面设置齿轮槽，所述伞齿轮与所述螺旋盘的齿轮槽啮合连接，所述伞齿轮的动力输入端与所述驱动电机的动力输出轴连接。

作为本发明的一种改进，还包括上位机单元，所述上位机单元包括显示模块和数据处理模块，所述显示模块和所述数据处理模块分别与所述控制器电性连接。

作为本发明的一种改进，所述控制器为单片机控制，所述单片机设置在所述限位底座的内部，与所述驱动电机电性连接。

本申请一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，具备以下有益效果：

1、整体装置结构简单，其包括安装底板，所述安装底板的板体上依次设置训练单元、运动检测单元，所述训练单元包括手柄结构和阻力结构，所述手柄结构包括依次连接的手柄、上底座、下底座、球转子、活动轴杆、陀螺仪和活动轴，所述上底座和下底座内部空腔设置，所述活动轴杆的一端与所述手柄连接，另一端与所述活动轴的顶端连接，所述活动轴设置在所述上底座的空腔内，所述活动轴的底端与所述陀螺仪的动力输入端连接，所述陀螺仪的动力输出端与所述球转子连接，通过操作所述手柄转动控制所述球转子的转动，所述陀螺仪设置在所述下底座的空腔内，所述下底座的座体底部开设通孔，所述陀螺仪的动力输出端穿过所述通孔与所述球转子的动力输入端连接，所述阻力结构包括限位基座、第一牛眼轮、第二牛眼轮和摩擦片，所述第一牛眼轮通过支架固定在所述限位基座的上侧面，且所述第一牛眼轮与所述球转子相抵接，所述第二牛眼轮设置在所述限位基座的座体中心部，其与所述球转子的底部相抵接，所述摩擦片通过摩擦定子安装在所述限位基座上，所述运动检测单元包括柔性力传感器、扭矩传感器和控制器，所述柔性力传感器和扭矩传感器分别贴合在所述活动轴杆的两端，所述控制器分别与所述柔性力传感器、扭矩传感器电性连接。所述手柄结构中，将所述活动轴杆的一端与所述手柄连接，另一端与所述活动轴的顶端连接，所述活动轴设置在所述上底座的空腔内，所述活动轴的底端与所述陀螺仪的动力输入端连接，所述陀螺仪的动力输出端与所述球转子连接，转动手柄，通过陀螺仪将扭矩力传递给球转子，实现了操作所述手柄转动控制所述球转子的转动，且球转子能够多自由度的转动，配合所述柔性力传感器、扭矩传感器，达到了实时监测康复者训练时的训练强度和训练时的运动姿态的目的，安全性能高，整体装置结构简单，成本较低，在转动球转子的过程中，将所述第一牛眼轮通过支架固定在所述限位基座的上侧面，且所述第一牛眼轮与所述球转子相抵接，所述第二牛眼轮设置在所述限位基座的座体中心部，其与所述球转子的底部相抵接，牛眼轮为万向轮，其与球转子之间的摩擦力非常小，通过在摩擦定子上装有摩擦片，用于给球转子提供调节的摩擦力，能够在手柄转动的过程中，给用户提供一个阻力，达到训练康复的效果；

2、限位基座的座体上均匀开设3个限位槽，所述摩擦定子的下端安装在所述限位槽的内部。将摩擦定子的下端安装在所述限位槽的内部，摩擦定子能够在限位槽的内部前后运动，实现了安装稳定的效果；

3、动力组件用于驱动所述摩擦定子在所述限位槽内前后运动，所述动力组件包括螺旋盘和驱动电机，所述螺旋盘安装在所述限位基座的内部，所述螺旋盘的盘体上设置螺旋沟槽，所述摩擦定子的底端设置与所述螺旋沟槽配合的楔子，所述楔子在所述螺旋沟槽内部单向运动，所述驱动电机与所述螺旋盘通过伞齿轮传动连接；将所述螺旋盘安装在所述限位基座的内部，然后在螺旋盘的盘体上开设螺旋沟槽，所述驱动电机驱动所述螺旋盘旋转，在旋转的过程中，由于限位槽的设置，使得螺旋盘转动，同时摩擦定子不随着螺旋盘转动，而是在限位槽的内部前后运动，以达到调节摩擦片与球转子之间的摩擦力的效果；

4、所述螺旋盘的盘体下侧面设置齿轮槽，所述伞齿轮与所述螺旋盘的齿轮槽啮合连接，所述伞齿轮的动力输入端与所述驱动电机的动力输出轴连接；将摩擦定子底部与螺旋盘相啮合，然后驱动电机驱动伞齿轮转动，然后伞齿轮带动螺旋盘运动，通过电机带动伞齿轮的转动来带动螺旋盘的转动，进而带动摩擦定子在限位槽内部的前后运动，调整了摩擦片与球转子之间的抵接力度，进一步实现调节摩擦力的效果，实用性强，安全性能高，为空间运动提供了更好的灵活性；

5、还包括上位机单元，所述上位机单元包括显示模块和数据处理模块，所述显示模块和所述数据处理模块分别与所述控制器电性连接；将显示模块和数据处理模块与控制器连接后，数据处理模块接收控制器输送的信息，并处理数据后将训练者的训练信息显示到显示模块上，达到了训练者能够通过显示模块显示的力的强度来进行力的调整的效果，进一步根据需求设定训练强度。

附图说明

图1为本申请整体装置结构示意图；

图2为本申请的手柄与上底座、下底座以及陀螺仪的连接结构示意图；

图3本申请手柄与活动轴的连接结构示意图；

图4为本申请摩擦定子与摩擦片的连接结构示意图；

图5为第一牛眼轮与支架的连接结构示意图；

图6 为限位基座与螺旋盘的连接结构示意图；

图7为螺旋盘与伞齿轮连接结构示意图；

图8为整体装置组成框架图；

图9为本申请整体装置工作流程示意图；

附图说明：

1、安装底板；

2、手柄结构；201、手柄；202、上底座；203、下底座；204、球转子；205、活动轴杆；206、陀螺仪；207、活动轴；

3、阻力结构；301、限位基座；302、第一牛眼轮；303、第二牛眼轮；304、摩擦片；305、支架；306、摩擦定子；

4、柔性力传感器；

5、扭矩传感器；

6、限位槽；

7、动力组件；701、螺旋盘；702、驱动电机；703、螺旋沟槽；704、楔子；705、伞齿轮；

8、单片机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例：

参见图1至图9，现对本发明提供的一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪进行说明，本发明提供一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，包括安装底板1，所述安装底板1的板体上依次设置训练单元、运动检测单元，用户通过操作训练单元达到训练与康复的目的，运动检测单元对训练单元的训练强度进行实时的检测。

本实施例中，所述训练单元包括手柄结构2和阻力结构3，所述手柄结构2包括依次连接的手柄201、上底座202、下底座203、球转子204、活动轴杆205、陀螺仪206和活动轴207，所述上底座202和下底座203内部空腔设置，所述活动轴杆205的一端与所述手柄201连接，另一端与所述活动轴207的顶端连接，所述活动轴207设置在所述上底座202的空腔内，所述活动轴205的底端与所述陀螺仪206的动力输入端连接，所述陀螺仪206的动力输出端与所述球转子204连接，通过操作所述手柄201转动控制所述球转子204的转动，其中陀螺仪在手柄201的作用力下，陀螺仪在不断自转的同时，带动着球转子不停地自转，陀螺仪处于倾斜转动的状态，所述陀螺仪206设置在所述下底座203的空腔内，所述下底座203的座体底部开设通孔，所述陀螺仪206的动力输出端穿过所述通孔与所述球转子204的动力输入端连接，将所述陀螺仪206作为连接球转子与活动轴的连接体，实现了多自由度的旋转，可操作性强；所述阻力结构3包括限位基座301、第一牛眼轮302、第二牛眼轮303和摩擦片304，所述第一牛眼轮302通过支架305固定在所述限位基座301的上侧面，且所述第一牛眼轮302与所述球转子204相抵接，所述第二牛眼轮303设置在所述限位基座301的座体中心部，其与所述球转子204的底部相抵接，所述摩擦片304通过摩擦定子306安装在所述限位基座301上，所述运动检测单元包括柔性力传感器4、扭矩传感器5和控制器，所述柔性力传感器4和扭矩传感器5分别贴合在所述活动轴杆205的两端，所述控制器分别与所述柔性力传感器4、扭矩传感器5电性连接，通过设置牛眼轮与所述球转子的抵接，牛眼轮与所述球转子之间的摩擦力很小，有利于摩擦片于球转子接触的过程中摩擦力的调整。

本实施例中，作为本发明的一种改进，所述限位基座301的座体上均匀开设3个限位槽6，所述摩擦定子306的下端安装在所述限位槽6的内部。其中，限位槽6设置在所述限位基座301的本体上，并均匀设置，能够对摩擦力进行均匀的调整，保证整体装置的安全性。

本实施例中，作为本发明的一种改进，还包括动力组件7，用于驱动所述摩擦定子306在所述限位槽6内前后运动，所述动力组件7包括螺旋盘701和驱动电机702，所述螺旋盘701安装在所述限位基座301的内部，所述螺旋盘701的盘体上设置螺旋沟槽703，所述摩擦定子306的底端设置与所述螺旋沟槽703配合的楔子704，所述楔子704在所述螺旋沟槽703内部单向运动，所述驱动电机702与所述螺旋盘701通过伞齿轮705传动连接。

本实施例中，作为本发明的一种改进，所述螺旋盘701的盘体下侧面设置齿轮槽，所述伞齿轮705与所述螺旋盘701的齿轮槽啮合连接，所述伞齿轮705的动力输入端与所述驱动电机702的动力输出轴连接。

本实施例中，作为本发明的一种改进，还包括上位机单元，所述上位机单元包括显示模块和数据处理模块，所述显示模块和所述数据处理模块分别与所述控制器电性连接。其中，驱动电机为常用的电机，控制器采用常见的单片机控制器8，能够实现对本装置中的驱动电机进行控制，对柔性力传感器、扭矩传感器的数据接收的功能并将数据输送给数据处理模块进行处理，最终显示模块将处理后的数据进行显示即可，其中显示模块为显示仪。

工作原理：

在需要使用本装置时，用于握持手柄201，通过转动手柄201，达到转动球转子204的效果，摩擦定子306和支架305放置在球转子204周围，第一牛眼轮302安装在支架305上，第二牛眼轮303安装在限位基座301上，第一牛眼轮302和第二牛眼轮303通过四点定位将球转子204固定，驱动电机702驱动螺旋盘701转动，摩擦定子306在螺旋盘701转动的过程中，在限位槽6的内部前后运动，实现了调整摩擦片301与球转子204之间摩擦力的效果，且设置了柔性力传感器4和扭矩传感器5，对扭矩力进行实时的监测，方便训练者了解自己的训练情况，其中陀螺仪在手柄201的作用力下，陀螺仪在不断自转的同时，带动着球转子不停地自转，转动手柄所需的力可以通过调整球转子与摩擦片之间的摩擦力大小来调整，陀螺仪处于倾斜转动的状态，控制器可以通过接收来的信号和调节驱动电机转动，进而调节训练强度，使得训练更加人性化和智能化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，其特征在于：包括安装底板，所述安装底板的板体上依次设置训练单元、运动检测单元，所述训练单元包括手柄结构和阻力结构，所述手柄结构包括依次连接的手柄、上底座、下底座、球转子、活动轴杆、陀螺仪和活动轴，所述上底座和下底座内部空腔设置，所述活动轴杆的一端与所述手柄连接，另一端与所述活动轴的顶端连接，所述活动轴设置在所述上底座的空腔内，所述活动轴的底端与所述陀螺仪的动力输入端连接，所述陀螺仪的动力输出端与所述球转子连接，通过操作所述手柄转动控制所述球转子的转动，所述陀螺仪设置在所述下底座的空腔内，所述下底座的座体底部开设通孔，所述陀螺仪的动力输出端穿过所述通孔与所述球转子的动力输入端连接，所述阻力结构包括限位基座、第一牛眼轮、第二牛眼轮和摩擦片，所述第一牛眼轮通过支架固定在所述限位基座的上侧面，且所述第一牛眼轮与所述球转子相抵接，所述第二牛眼轮设置在所述限位基座的座体中心部，其与所述球转子的底部相抵接，所述摩擦片通过摩擦定子安装在所述限位基座上，所述运动检测单元包括柔性力传感器、扭矩传感器和控制器，所述柔性力传感器和扭矩传感器分别贴合在所述活动轴杆的两端，所述控制器分别与所述柔性力传感器、扭矩传感器电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，其特征在于：所述限位基座的座体上均匀开设3个限位槽，所述摩擦定子的下端安装在所述限位槽的内部。

3.根据权利要求2所述的一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，其特征在于：还包括动力组件，用于驱动所述摩擦定子在所述限位槽内前后运动，所述动力组件包括螺旋盘和驱动电机，所述螺旋盘安装在所述限位基座的内部，所述螺旋盘的盘体上设置螺旋沟槽，所述摩擦定子的底端设置与所述螺旋沟槽配合的楔子，所述楔子在所述螺旋沟槽内部单向运动，所述驱动电机与所述螺旋盘通过伞齿轮传动连接。

4.根据权利要求3所述的一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，其特征在于：所述螺旋盘的盘体下侧面设置齿轮槽，所述伞齿轮与所述螺旋盘的齿轮槽啮合连接，所述伞齿轮的动力输入端与所述驱动电机的动力输出轴连接。

5.根据权利要求4所述的一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，其特征在于：还包括上位机单元，所述上位机单元包括显示模块和数据处理模块，所述显示模块和所述数据处理模块分别与所述控制器电性连接。

6.根据权利要求1-5所述的一种三自由度被动式力交互上肢康复训练仪，其特征在于：所述控制器为单片机控制，所述单片机设置在所述限位底座的内部，与所述驱动电机电性连接。