CN111067761A - 一种广义肩关节康复训练装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种广义肩关节康复训练装置，涉及康复医疗设备技术领域，包括调节架、肩胛骨带运动组件以及球窝关节运动组件；调节架包括升降柱、调角支撑板、角度调节电机、滑轨支撑板、直线滑轨和法兰型滑块；肩胛骨带运动组件包括第一电机和第二电机，第一电机和第二电机的输出轴的中心线汇交于一点；球窝关节运动组件包括第三电机、第四电机、第五电机、上臂机架、固定板、六维力传感器和上臂支撑架；第三电机、第四电机和第五电机的输出轴的中心线汇交于一点。该装置具有6个自由度，与人体生理结构上的肩胛带复合结构相协调，可实现肩关节的屈/伸、外展/内收、内旋/外旋运动以及球窝关节的上升/下降、前探/后缩运动。

Description

一种广义肩关节康复训练装置
技术领域
本发明涉及康复医疗设备技术领域，特别是涉及一种广义肩关节康复训练装置。
背景技术
最新的统计数据显示，我国现有脑卒中患者7000万人，每年新发脑卒中200万人，每年脑卒中死亡人数165万人，存活者中约75％致残，丧失了肢体动作能力。2017年我国60岁以上老人数量已超过2.3亿，日趋严重的人口老龄化又会导致肢体残障者数量的增加。对于脑卒中、中风和截瘫肢体残障患者，生活质量的高低取决于残障肢体功能的恢复程度。运用先进康复治疗技术，改善患者肢体运动功能，使患者在最短时间内达到最令人满意的康复治疗效果并最终脱离病残的折磨，一直是康复工作者的目标。
上肢康复机器人以康复医学和人机工程学为基础，能够对患者进行稳定精确、安全舒适的康复训练。而且康复机器人可以精确地反馈患肢在进行康复训练时的各种参数，协助执行康复评估与治疗程序，从而提高康复治疗效果。还能够通过机器带动肢体做重复性的运动,可以使一个医师同时辅助多名患者进行康复训练，提高了工作效率。
肩关节是人体上肢最灵活，活动幅度最大的关节，也是最脆弱、不稳定的关节。肩关节的复杂性主要表现在它的转动中心在运动时会漂移，对肩关节生理结构分析和生物运动分析是上肢康复机器人的重要研究内容。广义上讲，肩关节是一个复合体，称为肩关节复合体，涉及盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节、肩胛-胸壁关节，广义肩关节运动是肩关节的球窝关节和肩胛骨、肱骨联合运动带动球窝关节上升/下降、前探/后缩运动的协调配合。
目前，现有的上肢康复机器人在肩关节处一般只有3自由度或者更少，其存在的问题如下：(1)假定人体肩关节中心为固定点，忽视了肩胛骨带的运动，与肩关节实际运动不符；(2)人机关节运动不相容，容易造成二次伤害；(3)肩关节运动范围小，达不到正常人肩关节的活动范围。为了解决上述存在的问题，提出了一种新型的可应用于上肢康复机器人中的广义肩关节康复训练装置。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种广义肩关节康复训练装置，具有广义肩关节结构及6个自由度，与人体生理结构上的肩胛带复合结构相协调，可满足不同身高及肩宽患者在不同姿态下的康复训练需要。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种广义肩关节康复训练装置，包括调节架、设置在所述调节架上的肩胛骨带运动组件以及与所述肩胛骨带运动组件连接的球窝关节运动组件；
所述调节架包括升降柱、固定在所述升降柱上端的调角支撑板、安装在所述调角支撑板上的角度调节电机、与所述角度调节电机的输出轴连接的滑轨支撑板、固定安装在所述滑轨支撑板上的直线滑轨以及滑动连接在所述直线滑轨上的法兰型滑块；
所述肩胛骨带运动组件包括通过第一电机架固定安装在所述法兰型滑块上的第一电机、与所述第一电机的输出轴固定连接的第二电机架、与所述第二电机架固定连接的第二电机以及与所述第二电机的输出轴连接的第三电机架；所述第一电机和所述第二电机的输出轴的中心线汇交于一点；
所述球窝关节运动组件包括安装在所述第三电机架上的第三电机、与所述第三电机的输出轴固定连接的第四电机架、安装在所述第四电机架的第四电机、与所述第四电机的输出轴固定连接的第五电机架、安装在所述第五电机架上的第五电机、与所述第五电机的输出轴固定连接的上臂机架、与所述上臂机架固定连接的固定板、一侧与所述固定板固定连接的六维力传感器以及与所述六维力传感器另一侧固定连接的上臂支撑架；所述第三电机、所述第四电机和所述第五电机的输出轴的中心线汇交于一点。
优选地，所述调节架还包括滑块连接板以及与所述直线滑轨滑动连接的钳制滑块，所述钳制滑块通过滑块连接板与所述法兰型滑块固定连接，所述第一电机架固定于所述滑动连接板上，所述钳制滑块上通过螺纹与手柄连接，通过转动所述手柄使得所述法兰型滑块在所述直线滑轨上的不同位置进行固定和限制。
优选地，所述调节架还包括调角电机支架，所述角度调节电机通过所述调角电机支架固定安装在所述调角支撑板上。
优选地，所述直线滑轨上通过两个所述法兰型滑块安装有两个对称设置的所述肩胛骨带运动组件。
优选地，所述第二电机与所述第三电机的输出轴的中心线相互平行。
优选地，所述第四电机架设置于所述第三电机架下方。
优选地，所述调节架还包括底座，所述升降柱的下端固定安装在所述底座上，所述底座上安装有多个滚轮。
优选地，所述升降柱为具有三级调节结构的电动升降柱。
优选地，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机和所述第五电机均包含电动机及位置编码器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明采用仿生的肩带结构，充分考虑肩胛骨的运动，通过五个转动副和一个滑动副的结构组合设计了一种新型的具有6-DOF(6自由度)的广义肩关节的人机运动相容型康复训练装置。广义肩关节康复训练装置的6个自由度是通过6-DOF(6自由度)的串联机构实现的。其中，球窝关节有三个自由度(定义为主运动)，即关节的屈/伸运动、外展/内收运动、内旋/外旋运动。球窝关节的上升/下降、前探/后缩运动是一个空间运动(定义为辅助运动)，可以近似的等效为球窝关节的运动轴心围绕着胸锁关节运动。第三电机、第四电机和第五电机的输出轴的中心线汇交于一点，构成RRR机构，通过它们的组合运动，实现球窝关节的主动运动。第一电机和第二电机的输出轴的中心线汇交于一点，构成肩胛骨带运动中心，为RR机构，通过它们的组合运动可实现球窝关节的上升/下降、前探/后缩运动，构成P(移动)副的滑轨滑块机构设计为被动关节，主动适应不同人体尺寸下的运动，两个转动副和一个移动副构成RRP机构，通过它们的组合运动，实现球窝关节的辅助运动，达到肩肱节律性。本发明中的装置具有广义肩关节结构及6个自由度，能够与人体生理结构上的肩胛带复合结构相协调，提升康复训练效果。
2、本发明可根据患者的实际情况，采用单臂康复训练装置或者双臂康复训练装置。
3、本发明可实现高度、肩宽及角度调节，满足不同肩宽及高度患者在不同姿态下的训练。
4、本发明可应用于上肢康复机器人中，能实现被动训练和主动训练，且体积较小，结构简单，安装方便，适合家庭推广使用。
5、本发明采用六维力传感器，它对人机交互力觉信息可进行精准感知，对患者上肢运动意图进行精确的灰色预测模糊判断，从而控制相应的电机进行运动辅助训练。
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他的附图。
图1为本发明提供的广义肩关节康复训练装置的正面视角立体图；
图2为本发明提供的广义肩关节康复训练装置的背面视角立体图；
图3为本发明中调节架的立体图；
图4为本发明中调节架的部分结构立体图；
图5为本发明中肩胛骨带运动组件的立体图；
图6为本发明中球窝关节运动组件的立体图。
附图标记说明：1、调节架；2、肩胛骨带运动组件；3、球窝关节运动组件；11、升降柱；12、调角支撑板；13、角度调节电机；14、滑轨支撑板；15、直线滑轨；16、法兰型滑块；17、调角电机支架；18、钳制滑块；19、滑块连接板；110、手柄；111、底座；21、第一电机架；22、第一电机；23、第二电机架；24、第二电机；25、第三电机架；31、第三电机；32、第四电机架；33、第四电机；34、第五电机架；35、第五电机；36、上臂机架；37、固定板；38、六维力传感器；39、上臂支撑架。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种广义肩关节康复训练装置，具有广义肩关节结构及6个自由度，与人体生理结构上的肩胛带复合结构相协调，可满足不同身高及肩宽患者在不同姿态下的康复训练需要。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-6所示，本实施例提供一种广义肩关节康复训练装置，包括调节架1、设置在调节架1上的肩胛骨带运动组件2以及与肩胛骨带运动组件2连接的球窝关节运动组件3，具体地，肩胛骨带运动组件2和球窝关节运动组件3为康复训练主体结构。
如图3所示，调节架1包括升降柱11、固定在升降柱11上端的调角支撑板12、安装在调角支撑板12上的角度调节电机13、与角度调节电机13的输出轴连接的滑轨支撑板14、固定安装在滑轨支撑板14上的直线滑轨15以及滑动连接在直线滑轨15上的法兰型滑块16。通过调整升降柱11的高度对康复训练主体结构的高度进行调节，通过角度调节电机13的转动带动滑轨支撑板14进行转动以对康复训练主体结构的角度进行调整。调节架1通过对高度和角度的调节可满足不同身高患者在站姿、坐姿、躺姿等不同姿态下的训练需求。
于本具体实施例中，调节架1还包括调角电机支架17，角度调节电机13通过调角电机支架17固定安装在调角支撑板12上。
如图4所示，调节架1还包括滑块连接板19以及与直线滑轨15滑动连接的钳制滑块18，钳制滑块18通过滑块连接板19与法兰型滑块16固定连接，钳制滑块18上通过螺纹与手柄110连接，所述第一电机架21固定于所述滑动连接板上，通过转动手柄110使得法兰型滑块16在直线滑轨15上的不同位置进行固定和限制。具体地，通过手柄110与钳制滑块18连接的螺纹杆顶紧在直线滑轨15上对法兰型滑块16进行固定。
如图5所示，肩胛骨带运动组件2包括通过第一电机架21固定安装在法兰型滑块16上的第一电机22、与第一电机22的输出轴固定连接的第二电机架23、与第二电机架23固定连接的第二电机24以及与第二电机24的输出轴连接的第三电机架25；第一电机22和第二电机24的输出轴的中心线汇交于一点，构成肩胛骨带运动中心，控制球窝关节运动组件3的上升/下降，前探/后缩的复合运动。第一电机架21通过滑块连接板19与法兰型滑块16固定连接，相对于直线滑轨15构成滑动副，可带动球窝关节运动组件3及肩胛骨带运动组件2实现水平方向移动。通过第一电机22与第二电机24构成的转动副组合，实现球窝关节的辅助运动，实现肩肱节律性。
如图6所示，球窝关节运动组件3包括安装在第三电机架25上的第三电机31、与第三电机31的输出轴固定连接的第四电机架32、安装在第四电机架32的第四电机33、与第四电机33的输出轴固定连接的第五电机架34、安装在第五电机架34上的第五电机35、与第五电机35的输出轴固定连接的上臂机架36、与上臂机架36固定连接的固定板37、一侧与固定板37固定连接的六维力传感器38以及与六维力传感器38另一侧固定连接的上臂支撑架39，上臂支撑架39可在肩关节康复训练过程中支撑患者臂部，并通过六维力传感器38与康复训练装置主体连接，六维力传感器38可对人机交互力觉信息进行精准感知，从而对患者上肢运动意图进行精确的灰色预测模糊判断，以控制相应的电机进行运动辅助训练。第三电机31转动可以带动球窝关节及臂部做前屈/后伸运动，第四电机33转动可以带动球窝关节做外摆/内收运动，第五电机35转动可以带动球窝关节做轴向旋内/旋外运动。第三电机31、第四电机33与第五电机35的输出轴的中心线汇交于一点，即球窝关节所在位置，通过三个驱动电机的组合运动，实现球窝关节的三自由度主动运动。
可见，调节架1可以对康复训练主体结构的高度和角度进行调节，肩胛骨带运动组件2主要对人体的肩胛骨带进行训练，球窝关节运动组件3主要对广义肩关节的球窝关节进行训练。通过采用仿生的肩带结构，充分考虑肩胛骨的运动，通过五个转动副和一个滑动副的结构组合设计了一种新型的具有6-DOF(6自由度)的广义肩关节的人机运动相容型康复训练装置。
本实施例中的广义肩关节康复训练装置的6个自由度是通过6-DOF(6自由度)的串联机构实现的。其中，球窝关节有三个自由度(定义为主运动)，即关节的屈/伸运动、外展/内收运动、内旋/外旋运动。球窝关节的上升/下降、前探/后缩运动是一个空间运动(定义为辅助运动)，可以近似的等效为球窝关节的运动轴心围绕着胸锁关节运动。第三电机31、第四电机33和第五电机35的输出轴的中心线汇交于一点，构成RRR机构，通过它们的组合运动，实现球窝关节的主动运动。第一电机22和第二电机24的输出轴的中心线汇交于一点，构成肩胛骨带运动中心，为RR机构，通过它们的组合运动可实现球窝关节的上升/下降、前探/后缩运动，构成P(移动)副的滑轨滑块机构设计为被动关节，主动适应不同人体尺寸下的运动，两个转动副和一个移动副构成RRP机构，通过它们的组合运动，实现球窝关节的辅助运动，达到肩肱节律性。本发明中的装置具有广义肩关节结构及6个自由度，能够与人体生理结构上的肩胛带复合结构相协调，提升康复训练效果。当只需要训练球窝关节不需要肩胛骨带运动时，可通过程序控制第一电机22和第二电机24的抱闸限制这两个电机转动，以限制肩胛骨带运动组件2的运动，实现球窝关节的单独训练。
具体地，可根据患者的实际情况设置一套或两套康复训练主体结构，可以针对单臂或者双臂训练的患者进行训练。于本具体实施例中，直线滑轨15上通过两个法兰型滑块16安装有两个对称设置的肩胛骨带运动组件2。
本实施例中的广义肩关节康复训练装置可实现高度、肩宽及角度调节，满足不同肩宽及高度患者在不同姿态下的训练。可应用于上肢康复机器人中，能实现被动训练和主动训练，且体积较小，结构简单，安装方便，适合家庭推广使用。
于本具体实施例中，第二电机24与第三电机31的输出轴的中心线相互平行。第四电机架32设置于第三电机架25下方。
本实施例中的调节架1还包括底座111，升降柱11的下端固定安装在底座111上，底座111上安装有多个滚轮，以便于移动整个装置。
于本具体实施例中，升降柱11为具有三级调节结构的电动升降柱，调节范围大，可以满足不同身高的病人的需求。
为了能够实时监测各个电机的转速，第一电机22、第二电机24、第三电机31、第四电机33和第五电机35均包含电动机及位置编码器。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种广义肩关节康复训练装置，其特征在于，包括调节架、设置在所述调节架上的肩胛骨带运动组件以及与所述肩胛骨带运动组件连接的球窝关节运动组件；
所述调节架包括升降柱、固定在所述升降柱上端的调角支撑板、安装在所述调角支撑板上的角度调节电机、与所述角度调节电机的输出轴连接的滑轨支撑板、固定安装在所述滑轨支撑板上的直线滑轨以及滑动连接在所述直线滑轨上的法兰型滑块；
所述肩胛骨带运动组件包括通过第一电机架固定安装在所述法兰型滑块上的第一电机、与所述第一电机的输出轴固定连接的第二电机架、与所述第二电机架固定连接的第二电机以及与所述第二电机的输出轴连接的第三电机架；所述第一电机和所述第二电机的输出轴的中心线汇交于一点；
所述球窝关节运动组件包括安装在所述第三电机架上的第三电机、与所述第三电机的输出轴固定连接的第四电机架、安装在所述第四电机架的第四电机、与所述第四电机的输出轴固定连接的第五电机架、安装在所述第五电机架上的第五电机、与所述第五电机的输出轴固定连接的上臂机架、与所述上臂机架固定连接的固定板、一侧与所述固定板固定连接的六维力传感器以及与所述六维力传感器另一侧固定连接的上臂支撑架；所述第三电机、所述第四电机和所述第五电机的输出轴的中心线汇交于一点。
2.根据权利要求1所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述调节架还包括滑块连接板以及与所述直线滑轨滑动连接的钳制滑块，所述钳制滑块通过滑块连接板与所述法兰型滑块固定连接，所述第一电机架固定于所述滑动连接板上，所述钳制滑块上通过螺纹与手柄连接，通过转动所述手柄使得所述法兰型滑块在所述直线滑轨上的不同位置进行固定和限制。
3.根据权利要求1所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述调节架还包括调角电机支架，所述角度调节电机通过所述调角电机支架固定安装在所述调角支撑板上。
4.根据权利要求1所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述直线滑轨上通过两个所述法兰型滑块安装有两个对称设置的所述肩胛骨带运动组件。
5.根据权利要求1所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述第二电机与所述第三电机的输出轴的中心线相互平行。
6.根据权利要求1所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述第四电机架设置于所述第三电机架下方。
7.根据权利要求1所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述调节架还包括底座，所述升降柱的下端固定安装在所述底座上，所述底座上安装有多个滚轮。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述升降柱为具有三级调节结构的电动升降柱。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的广义肩关节康复训练装置，其特征在于，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机和所述第五电机均包含电动机及位置编码器。
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