CN110478193A - 一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，包括：侧屈与侧偏运动模块、旋转运动模块和电机转速控制模块，侧屈与侧偏运动模块使用双电机差速传动用于帮助患者实现腕关节掌侧屈、背侧屈，尺侧偏和桡侧偏运动；旋转运动模块用于帮助患者腕关节的旋转和对手臂的支撑；电机转速控制模块用于控制整个机器人的侧偏模式、侧屈模式和旋转模式，使其完成训练腕关节活动的功能。本发明辅助患者进行腕部的掌屈/背屈、内翻/外翻、内收/外展三个运动自由度的运动训练，具有贴合腕部运动轨迹，结构紧凑、尺寸小、重量低，便于家庭使用，提高康复训练效率的特点。

Description

一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人
技术领域
本发明涉及外骨骼康复机器人领域，特别是腕关节康复机器人，适用于各种疾病事故引起的神经性、组织性运动障碍的病人，为他们恢复腕部的运动功能。
背景技术
机器人技术应用于康复领域目前还算处于初步阶段，其与传统的康复医疗手段相比，病患能够接受并对康复机器人保有一定的信心；该种机器人的设计能够保障安全性，患者对其安全程度信任；传统医师对康复机器人的发展和应用前景乐观；康复机器人记录的治疗数据对开发新的治疗手段很有帮助，最重要的是在其他领域为深入研究人体运动规律与大脑之间的关联提供素材；康复机器人可以提供远长于医师的康复训练时间，康复进程加快。
用于治疗偏瘫的康复机器人并不完美，还存在这些困境：训练动作不精细，不能充分提供中枢神经康复需要的运动刺激；与患肢的夹持部分通常是仅夹持一点，由于运动时患者肌肉痉挛各关节的运动有不确定性，特定肌肉的控制乏力；目前的研究目标主要限定在研究机器人的应用是否合理，相应训练方式治疗效果与传统方法比较，对提高康复训练的临床效果的研究不深入；评价指标为跟随最新理论更新，在康复训练中采集的数据与训练效果的相互辅导关系模糊。
本发明提出的一种基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，结构简单，动作精细，训练效果显著，在机械结构上有一重过载保护，与其他关节康复机器人具有融合性的三自由度腕部康复机器人结构，该机器人应对不断更新的康复理论有一定的适应力。
发明内容
本发明提出了一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，可以帮助患者实现腕关节掌侧屈、背侧屈，尺侧偏和桡侧偏，还有腕关节的旋转运动，机构的结构能够保障患者的安全性，可以提供远长于医师的康复训练时间，加快康复进程。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，包括：侧屈与侧偏运动模块、旋转运动模块和电机转速控制模块，其中：
所述侧屈与侧偏运动模块用于帮助患者实现腕关节掌侧屈、背侧屈，尺侧偏和桡侧偏，机构上装有手柄，患者使用时手掌握在手柄上，手柄下方旋转板提供支撑；
所述旋转运动模块用于帮助患者腕关节的旋转和对手臂的支撑，手臂固定架一边装有柔性带，使用时，患者手臂放到固定架上，可以带动训练腕关节；
所述电机转速控制模块用于控制整个机器人的运动模式使其完成功能，控制方式总共分为三种，侧偏模式、侧屈模式和旋转模式；
进一步地，所述所述侧屈与侧偏运动模块包括：底座机架(1)，安放在底座上的两个直流无刷电机(2)(3)和安装在电机上的转轮(4)(5)，固定在底座上的两个转轮(6)(7)分别与转轮(4)(5)相连，固定在底座机架上的T型通轴(8)上安装有一个外侧绞盘(9)和一个内侧绞盘(10)，在两个绞盘之间分别有摩擦片(11)(12)，外侧绞盘(9)的大转轮(13)和内侧绞盘的大转轮(14)分别与转轮(6)(7)相连，从而使电机带动绞盘旋转，T型通轴(8)上的旋转板(15)上有两个与内外侧绞盘的小转轮分别相连的小带轮(16)(17)，在旋转板(15)的两边分别有导向轮(18)(19)，在旋转板的另一边上安放有手柄(20)，手柄(20)和旋转板(15)下方的大带轮(21)使用花键连接，小带轮(16)(17)与导向轮(18)(19)之间和导向轮(18)(19)与大带轮(21)之间都使用圆带(22)传动，使手柄实现转动，固定在底座机架上的摩擦轮(23)和T型通轴(8)的顶端圆盘(24)相连，控制旋转板(15)的转动；
进一步地，所述旋转运动模块包括：固定在底座机架(1)上的滑轨机架(25)和直流无刷电机(26)，与电机相连的转轮(27)与手臂固定架(28)的外端滑轨相连，在电机转动时，放在手臂固定架(28)内端上的人的手臂随其运动；
进一步地，所述电机转速控制模块包括：片机控制电机(2)(3)(26)的转速和方向，实现侧偏模式、侧屈模式和旋转模式这三种不同的工作模式。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：基于差速传动，在机械结构上有一重过载保护，结构简单，动作精细，训练效果显著，与其他关节康复机器人具有融合性，该机器人应对不断更新的康复理论有一定的适应力。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构示意图；
图2为本发明一实施例的侧屈与侧偏运动模块结构示意图；
图3为本发明一实施例的旋转运动模块结构示意图
图4为本发明一实施例的电机转速控制模块组成示意图；
附图标号名称说明：1、底座机架；2、直流无刷电机；3、直流无刷电机；4、电机转轮；5、电机转轮；6、底座转轮；7、底座转轮；8、T型通轴；9、外侧绞盘；10、内侧绞盘；11、摩擦片；12、摩擦片；13、外侧绞盘大转轮；14、内侧绞盘大转轮；15、旋转板；16、小带轮；17、小带轮；18、导向轮；19、导向轮；20、手柄；21、大带轮；22、圆带；23、摩擦轮；24、T型通轴顶端圆盘；25、滑轨机架；26、直流无刷电机；27、电机转轮；28、手臂固定架。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，包括：侧屈与侧偏运动模块、旋转运动模块和电机转速控制模块，其中：侧屈与侧偏运动模块与旋转运动模块通过四根螺栓与螺母连接在一起，所有电机均安放在底座机架(1)上，由电机转速控制模块中的单片机提供控制模式。
进一步的，所述旋转运动模块由侧屈与侧偏运动模块的底座机架(1)提供支撑，侧屈与侧偏运动模块的手柄(20)为患者手部提供支撑，旋转运动模块的手臂固定架(28)为患者手臂提供支撑。
进一步的，所述侧屈与侧偏运动模块用于帮助患者实现腕关节掌侧屈、背侧屈，尺侧偏和桡侧偏，包含腕部掌屈/背屈自由度和实现腕部内翻/外翻自由度；所述旋转运动模块用于帮助患者腕关节的旋转，实现腕关节旋转自由度和对手臂的支撑。
如图2所示，作为一个优选实施方式，所述的侧屈与侧偏运动模块，包括：底座机架(1)，两个直流无刷电机(2)(3)，两个电机转轮(4)(5)，两个底座转轮(6)(7)两个绞盘(9)(10)，一个T型通轴(8)，两个摩擦片(11)(12)一个旋转板(15)，两个导向轮(18)(19)，两个小带轮(17)(18)，一个大带轮(21)，一个手柄(20)，一个摩擦轮(23)和圆带(23)，其中：
底座机架(1)，安放在底座上的两个直流无刷电机(2)(3)和安装在电机上的转轮(4)(5)，固定在底座上的两个转轮(6)(7)分别与转轮(4)(5)相连，固定在底座机架上的T型通轴(8)上安装有一个外侧绞盘(9)和一个内侧绞盘(10)，在两个绞盘之间分别有摩擦片(11)(12)，外侧绞盘(9)的大转轮(13)和内侧绞盘的大转轮(14)分别与转轮(6)(7)相连，从而使电机带动绞盘旋转，T型通轴(8)上的旋转板(15)上有两个与内外侧绞盘的小转轮分别相连的小带轮(16)(17)，在旋转板(15)的两边分别有导向轮(18)(19)，在旋转板的另一边上安放有手柄(20)，手柄(20)和旋转板(15)下方的大带轮(21)使用花键连接，小带轮(16)(17)与导向轮(18)(19)之间和导向轮(18)(19)与大带轮(21)之间都使用圆带(22)传动，使手柄实现转动，固定在底座机架上的摩擦轮(23)和T型通轴(8)的顶端圆盘(24)相连，控制旋转板(15)的转动。
如图3所示，作为一个优选实施方式，所述的旋转运动模块，包括：滑轨机架(25)；直流无刷电机(26)；电机转轮(27)；手臂固定架(28)，其中：
固定在底座机架(1)上的滑轨机架(25)和直流无刷电机(26)，与电机相连的转轮(27)与手臂固定架(28)的外端滑轨相连，在电机转动时，放在手臂固定架(28)内端上的人的手臂随其运动。
如图4所示，，作为一个优选实施方式，所述的电机转速控制模块控制电机转速与方向，实现侧偏模式、侧屈模式和旋转模式这三种不同的工作模式。
所述电机转速控制模块控制电机转速与方向，实现侧偏模式，具体的：
当两个电机(2)(3)等速转动，带动内外侧绞盘(9)(10)一起同向运动，并且通过T型通轴(8)上的摩擦片(11)(12)使得与T型通轴(8)通过键连接的旋转板(15)扭矩突破黑色摩擦轮(23)限定的阀值，带动旋转板(15)绕T型通轴(8)旋转，同时，小带轮(16)(17)与导向轮(18)(19)和大带轮(21)之间的圆带(22)传动只能接受方向相反的扭矩，所以手柄(20)会被卡住不动，即此时为旋转板(15)和板上零件跟随绞盘(9)(10)的小转轮转动的腕关节侧偏模式；
所述电机转速控制模块控制电机转速与方向，实现侧屈模式，具体的：
当两个电机(2)(3)等速反向转动时，绞盘(9)(10)与摩擦片(11)(12)的摩擦力相互抵消，此时无法跨越黑色摩擦轮(23)设定的阀值，旋转板(15)不做运动，而绞盘(9)(10)的小转轮带动圆带(22)经导向轮(18)(19)使大带轮(21)和手柄(20)转动，即此时为手柄转动的腕关节侧屈模式；
所述电机转速控制模块控制电机转速与方向，实现旋转模式，具体的：
当电机(26)转动时，带动手臂固定架(28)的外端滑轨转动，使手臂固定架(28)及人的手臂随其运动，即完成腕关节旋转模式。
本发明辅助患者进行腕关节的掌侧屈/背侧屈、尺侧偏/桡侧偏和旋转三个自由度，结构简单，动作精细，训练效果显著，在机械结构上有一重过载保护，与其他关节康复机器人具有融合性的三自由度腕部康复机器人结构，该机器人应对不断更新的康复理论有一定的适应力。
本发明的上述实施例是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，其特征在于，包括：侧屈与侧偏运动模块、旋转运动模块和电机转速控制模块，其中：
所述侧屈与侧偏运动模块用于帮助患者实现腕关节掌侧屈、背侧屈，尺侧偏和桡侧偏，包括：底座机架(1)，安放在底座上的两个直流无刷电机(2)(3)和安装在电机上的转轮(4)(5)，固定在底座上的两个转轮(6)(7)分别与转轮(4)(5)相连，固定在底座机架上的T型通轴(8)上安装有一个外侧绞盘(9)和一个内侧绞盘(10)，在两个绞盘之间分别有摩擦片(11)(12)，外侧绞盘(9)的大转轮(13)和内侧绞盘的大转轮(14)分别与转轮(6)(7)相连，从而使电机带动绞盘旋转，T型通轴(8)上的旋转板(15)上有两个与内外侧绞盘的小转轮分别相连的小带轮(16)(17)，在旋转板(15)的两边分别有导向轮(18)(19)，在旋转板的另一边上安放有手柄(20)，手柄(20)和旋转板(15)下方的大带轮(21)使用花键连接，小带轮(16)(17)与导向轮(18)(19)之间和导向轮(18)(19)与大带轮(21)之间都使用圆带(22)传动，使手柄实现转动，固定在底座机架上的摩擦轮(23)和T型通轴(8)的顶端圆盘(24)相连，控制旋转板(15)的转动；
所述旋转运动模块用于帮助患者腕关节的旋转和对手臂的支撑，包括：固定在底座机架(1)上的滑轨机架(25)和直流无刷电机(26)，与电机相连的转轮(27)与手臂固定架(28)的外端滑轨相连，在电机转动时，放在手臂固定架(28)内端上的人的手臂随其运动；
所述电机转速控制模块用于控制整个机器人的运动模式使其完成功能，包括：单片机控制电机(2)(3)(26)的转速和方向，当两个电机(2)(3)等速转动，带动内外侧绞盘(9)(10)一起同向运动，并且通过T型通轴(8)上的摩擦片(11)(12)使得与T型通轴(8)通过键连接的旋转板(15)扭矩突破黑色摩擦轮(23)限定的阀值，带动旋转板(15)绕T型通轴(8)旋转，同时，小带轮(16)(17)与导向轮(18)(19)和大带轮(21)之间的圆带(22)传动只能接受方向相反的扭矩，所以手柄(20)会被卡住不动，即此时为旋转板(15)和板上零件跟随绞盘(9)(10)的小转轮转动的腕关节侧偏模式；当两个电机(2)(3)等速反向转动时，绞盘(9)(10)与摩擦片(11)(12)的摩擦力相互抵消，此时无法跨越黑色摩擦轮(23)设定的阀值，旋转板(15)不做运动，而绞盘(9)(10)的小转轮带动圆带(22)经导向轮(18)(19)使大带轮(21)和手柄(20)转动，即此时为手柄转动的腕关节侧屈模式；当电机(26)转动时，带动手臂固定架(28)的外端滑轨转动，使手臂固定架(28)及人的手臂随其运动，即完成腕关节旋转模式。
2.根据权利要求1所述的一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，其特征在于，所述侧屈与侧偏运动模块中，两个绞盘(9)(10)的弧形外端采用与转轮摩擦良好的材料涂层，外侧绞盘(9)与内侧绞盘(10)中间T型通轴(8)的接触也采用据有一定摩擦摩擦系数的耐磨材料涂层构成，两绞盘在平行于YZ平面内的接触使用摩擦系数极小的耐磨垫片填充，一次隔开两个绞盘，避免发生干摩擦。
3.根据权利要求1所述的一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，其特征在于，所述侧屈与侧偏运动模块中，手柄(20)及旋转板(15)表面使用海绵套皮革包裹，减少震动与冲击。
4.根据权利要求1所述的一种新型基于差速传动的三自由度腕部康复机器人，其特征在于，所述旋转运动模块中手臂固定架(28)两边的通孔用于柔性带的连接，表面使用海绵套皮革包裹，减少震动与冲击。
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