CN111588590A - 一种六自由度上肢康复训练臂及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于康复医疗设备技术领域，具体涉及一种六自由度上肢康复训练臂及机器人，训练臂包括肩关节组件、肘关节组件、前臂旋转机构以及腕关节组件；肩关节组件包括：X向肩关节驱动机构、第一直角转接架、Z向肩关节驱动机构、第二直角转接架以及Y向肩关节驱动机构；X向肩关节驱动机构、Z向肩关节驱动机构和Y向肩关节驱动机构的转轴互相垂直，且Z向肩关节驱动机构位于X向肩关节驱动机构和Y向肩关节驱动机构的上方。康复训练机器人包括：包括两对称设置训练臂、升降机构以及设置在所述升降机构顶端的两臂间距调节机构。本发明人的上肢与上肢康复训练臂的各零部件不干涉、不接触，提高的患者训练的舒适性。

Description

一种六自由度上肢康复训练臂及机器人
技术领域
本发明属于康复医疗器械技术领域，具体涉及一种六自由度上肢康复训练机器人。
背景技术
传统的上肢康复训练是由康复治疗师与患者通过一对一的直接的长期肢体接触，由治疗师使用不同的手法对患者的肩关节、肘关节、腕关节、指掌关节进行被动性训练，并附加语言交流、药物治疗等，患者进行大量反复的重复性运动，不断刺激受损脑部神经，修复脑神经。这种一对一训练过程单调、耗时长、成本高，并且康复治疗师体力消耗大、效率低，相对于传统的康复训练，采用上肢康复机器人配合或者替代康复治疗师实现康复训练更为有效。
上肢康复机器人可以分为两大类，一类为末端牵引式康复机器人系统，另一类为外骨骼式康复机器人系统。末端牵引式康复机器人系统通过机器人运动带动患者上肢运动来达到康复训练目的的机械系统。机器人系统与患者相对独立，仅通过患者手部与机器人末端相连。其结构简单、易于控制，价格低廉。使用末端牵引式康复机器人对于整个手臂是合适的，但是不能很好地对于肩、肘、腕等关节进行针对性训练，训练功能无法达到要求。外骨骼因为与人体上肢运动相似，可以更好的辅助患者进行康复训练，但其结构设计及控制方法具有一定的难度。外骨骼式上肢康复训练机器人必须要人的大臂、小臂和手部完全与外骨骼匹配，一般需要将上肢与机械手臂固定在一起，会增加患者的不适感，控制出现故障或者机械臂的长度调节不当甚至会对患者造成二次伤害。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的外骨骼式上肢康复训练器和末端牵引式康复机器人存在的缺陷，提供一种不但能够对肩关节、肘关节和腕关节做针对性训练，又能够柔性带动患者康复训练的六自由度上肢康复训练臂及机器人。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种六自由度上肢康复训练臂，其特征在于：包括肩关节组件、通过大臂支架与所述肩关节组件连接的肘关节组件、通过小臂支架与所述肘关节组件连接的前臂旋转机构以及与所述前臂旋转机构连接的腕关节组件；所述肩关节组件包括：X向肩关节驱动机构、一端与所述X向肩关节驱动机构的输出轴连接的第一直角转接架、安装在所述第一直角转接架的另一端上的Z向肩关节驱动机构、一端与所述Z向肩关节驱动机构的输出轴连接的第二直角转接架以及安装在所述第二直角转接架的另一端的Y向肩关节驱动机构；所述Y向肩关节驱动机构的输出轴连接大臂支架；所述X向肩关节驱动机构、Z向肩关节驱动机构和Y向肩关节驱动机构的转轴互相垂直且相交于一点，所述Z向肩关节驱动机构位于所述X向肩关节驱动机构和Y向肩关节驱动机构的上方。
进一步地，所述前臂旋转机构包括：与所述小臂支架固定连接的前臂旋转底架、对称转动连接在所述前臂旋转底架上的第一摆臂和第二摆臂、安装在所述第一摆臂上端和第二摆臂上端的前臂电机支架、安装在所述前臂电机支架上的旋转电机、与所述旋转电机输出轴同轴连接的第一主动带轮、通过第一皮带与所述第一主动带轮连接的第一从动带轮；第一从动带轮的第二转动轴通过轴承安装在前臂电机支架上，第一摆臂上固定安装有第三转动轴，第三转动轴上通过轴承转动安装有第一把手支架，第一把手支架上安装有与第三转动轴同轴固定的第二主动带轮；第二主动带轮通过第二皮带连接有第二从动带轮，第二从动带轮转动安装在的第四转动轴上，所述第四转动轴固定安装在所述第一把手支架上，第二把手支架通过轴承与所述第四转动轴转动连接；第四转动轴上还固定安装有腕关节连接件；第二把手支架通过支架固定轴转动安装在所述第二摆臂上。
进一步地，所述腕关节组件包括与所述腕关节连接件固定连接的腕关节固定架、一端通过轴承转动安装在腕关节固定架上的腕关节旋转架腿、与所述腕关节旋转架腿的另一端固定连接的腕关节架体、安装在所述腕关节架体上的腕关节电机、与所述腕关节电机输出轴同轴连接的第三主动带轮、通过腕关节皮带与所述第三主动带轮连接的第三从动带轮以及设置在腕关节架体上的把手；所述第三从动带轮通过腕关节转轴与所述腕关节固定架固定连接，所述腕关节转轴上还固定连接有用来张紧腕关节皮带的张紧架，所述腕关节转轴与所述腕关节旋转架腿转动连接。
进一步地，所述张紧架包括张紧限位槽和张紧轮，所述腕关节旋转架腿上安装有伸入到所述张紧限位槽内的限位柱，所述张紧轮抵靠在所述腕关节皮带上。
进一步地，所述腕关节旋转架腿为两个，分别对称设置在所述腕关节固定架的两端。
进一步地，所述大臂支架包括与与所述Y向肩关节驱动机构的输出轴同轴连接的大臂上支架和用来安装所述肘关节电机的大臂下支架，所述大臂上支架和大臂下支架伸缩滑动连接。
一种六自由度上肢康复训练机器人，其特征在于：包括两对称设置的六自由度上肢康复训练臂；所述上肢康复训练机器人还包括升降机构以及设置在所述升降机构顶端的两臂间距调节机构。
进一步地，两臂间距调节机构包括固定在所述升降机构输出端的支撑板、安装在所述支撑板中部的间距调节电机、安装在所述间距调节电机输出轴上的主动锥齿轮、对称设置在所述主动锥齿轮两侧且与所述主动锥齿轮啮合的两个从动锥齿轮、与所述从动锥齿轮同轴固定连接的丝杠螺母副以及固定连接在所述丝杠螺母副的螺母上的训练臂安装板；所述肩关节组件的X向肩关节驱动机构安装在所述训练臂安装板上。
更进一步地，所述两臂间距调节机构还包括与所述丝杠螺母副的丝杠平行设置的滑轨，所述滑轨上滑动连接有滑块，所述滑块与所述丝杠螺母副的螺母通过训练臂安装板固定连接。
本发明的一种六自由度上肢康复训练臂及机器人的有益效果是：
1、通过三个肩关节驱动机构模拟肩关节的运动，并且Z向肩关节驱动机构位于肩部的上方，X向肩关节驱动机构和Y向肩关节驱动机构也位于肩关节的外部，同时肘关节电机也位于肘关节的外部，人的上肢与上肢康复训练臂的各零部件不干涉、不接触，提高的患者训练的舒适性。
2、前臂旋转机构和腕关节组件采用连杆机构代替传动的直接电机驱动的方式，使驱动轴线从前臂内转移到体外，使得装置结构变小，电机变小，减少病人训练的恐惧感，增加病人训练的积极性，同时增加的训练过程中的柔性和灵活性，不会对患者造成二次伤害。
3、升降机构可以根据人的身高进行调节，适应不同身高的人进行康复训练，同时两臂间距调节机构可以根据患者肩胛骨的距离进行调节，能够适应不同体型的患者。
附图说明
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。
图1是本发明实施例的六自由度上肢康复训练机器人整体结构图；
图2是本发明实施例的升降机构和两臂间距调节机构立体图；
图3是本发明实施例的六自由度上肢康复训练臂立体图；
图4是本发明实施例的肩关节组件立体图；
图5是本发明实施例肘关节限位机构的爆炸图；
图6是本发明实施例前臂旋转机构的一个视角立体图；
图7是本发明实施例前臂旋转机构另一个视角立体图；
图8是本发明实施例的腕关节组件立体图。
图中：1、升降机构，2、肩关节组件，20、X向肩关节驱动机构，21、第一直角转接架，22、Z向肩关节驱动机构，23、第二直角转接架，24、Y向肩关节驱动机构，3、肘关节组件，31、肘关节电机，32、限位块，4、前臂旋转机构，40、前臂旋转底架，41、第一摆臂，42、第二摆臂，43、前臂电机支架，44、旋转电机，45、第一主动带轮，46、第一从动带轮，47、第二转动轴，48、第三转动轴，49、第一把手支架，410、第二主动带轮，411、第二从动带轮，413、腕关节连接件，414、第四把手支架，416、第四转动轴，417、支架固定轴，5、腕关节组件，50、腕关节固定架，51、腕关节旋转架腿，52、腕关节架体，53、腕关节电机，54、第三主动带轮，55、第三从动带轮，56、把手，57、腕关节转轴，58、张紧架，581、张紧限位槽，582、张紧轮，6、大臂上支架，7、大臂下支架，8、小臂支架，9、两臂间距调节机构，90、支撑板，91、间距调节电机，92、主动锥齿轮，93、从动锥齿轮，94、丝杠螺母副，95、训练臂安装板，96、滑块，97、滑轨。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图8所示的本发明的一种六自由度上肢康复训练机器人的具体实施例，包括升降机构1、置在升降机构1顶端的两臂间距调节机构9以及安装在两臂间距调节机构9上的两对称设置的六自由度上肢康复训练臂。
参见图2，升降机构1为升降柱，升降柱的底座通过四个螺栓固定在地面或者训练平台上。两臂间距调节机构9包括固定在升降机构1输出端的支撑板90、安装在支撑板90中部的间距调节电机91、安装在间距调节电机91输出轴上的主动锥齿轮92、对称设置在主动锥齿轮92两侧且与主动锥齿轮92啮合的两个从动锥齿轮93、与从动锥齿轮93同轴固定连接的丝杠螺母副94以及固定连接在丝杠螺母副94的螺母上的训练臂安装板95；肩关节组件2的X向肩关节驱动机构20安装在训练臂安装板95上。两臂间距调节机构9还包括与丝杠螺母副94的丝杠平行设置的滑轨97，滑轨97上滑动连接有滑块96，滑块96与丝杠螺母副94的螺母通过训练臂安装板95固定连接。
升降柱可以根据人的身材的高低调整上肢康复训练臂的高度。间距调节电机91设置在支撑板90的中间位置，通过训练臂间距调节电机91驱动主动锥齿轮92、进而驱动从动锥齿轮93带动丝杠螺母副94转动，最终实现两侧的上肢康复训练臂同步的向中间靠近或同步的向外分离，以适应不同肩宽的病人进行上肢的康复训练。
参见图3，六自由度上肢康复训练臂包括肩关节组件2、通过大臂支架与肩关节组件2相连的肘关节组件3、通过小臂支架8与肘关节组件3相连的前臂旋转机构4以及腕关节组件5。
肩关节组件2包括通过电机支架安装在训练臂安装板95上的X向肩关节驱动机构20、通过第一直角转接架21与X向肩关节驱动机构20连接的Z向肩关节驱动机构22、通过第二直角转动架与Z向肩关节驱动机构22连接的Y向肩关节驱动机构24；第一直角转接架21的一端固定连接在X向肩关节驱动机构20的输出轴上，另一端用来安装Z向肩关节驱动机构22。第二直角转动架的一端固定连接在Z向肩关节驱动机构22的输出轴上，另一端用来安装Y向肩关节驱动机构24，Y向肩关节驱动机构24的输出轴上固定连接有大臂上支架6。其中三个肩关节驱动机构的转动轴线相交于同一点，三个肩关节驱动机构的具有相同的结构，以X向肩关节驱动机构20为例，X向肩关节驱动机构20包括电机、减速器、轴承、输出法兰以及轴承外环挡边。通过三个肩关节驱动机构的驱动可以实现肩关节处的内收/外展、内旋/外旋、前屈/后伸康复运动。
大臂支架包括与与Y向肩关节驱动机构24的输出轴同轴连接的大臂上支架6和用来安装肘关节电机31的大臂下支架7，大臂上支架6和大臂下支架7伸缩滑动连接。
结合图3和图5，肘关节组件3包括肘关节电机31、减速器轴接法兰、减速器、轴承和减速器输出法兰等，肘关节电机31安装在大臂下支架7上，参见图5，为了对肘关节的转动进行限位，大臂下支架7上固定安装有限位块32，限位块32，小臂支架8与大臂下支架7转动连接部为中空结构，小臂支架8的中空部分具有限制限位块32继续转动的凸台，从而实现机械限位以防止病人在运动过程中出现肘部向下弯曲的危险情况。
结合图6和图7，前臂旋转机构4包括：与小臂支架8固定连接的前臂旋转底架40、对称转动连接在前臂旋转底架40上的第一摆臂41和第二摆臂42、安装在第一摆臂41上端和第二摆臂42上端的前臂电机支架43、安装在前臂电机支架43上的旋转电机44、与旋转电机44输出轴同轴连接的第一主动带轮45、通过第一皮带与第一主动带轮45连接的第一从动带轮46；第一从动带轮46的第二转动轴47通过轴承安装在前臂电机支架43上，第一摆臂41上固定安装有第三转动轴48，第三转动轴48上通过轴承转动安装有第一把手支架49，第一把手支架49上安装有与第三转动轴48同轴固定的第二主动带轮410；第二主动带轮410通过第二皮带连接有第二从动带轮411，第二从动带轮411转动安装在的第四转动轴416上，第四转动轴416固定安装在第一把手支架49上，第二把手56支架通过轴承与第四转动轴416转动连接；第四转动轴416上还固定安装有腕关节连接件413；第二把手56支架通过支架固定轴417转动安装在第二摆臂42上。
本实施例中，第一主动带轮45的直径小于第一从动带轮46461的直径，第一主动带轮45的转速大于第一从动带轮46的转速，使第一主动带轮45与第一从动带轮46形成适当的传动比，使前臂旋前旋后运动的速度适当，不会太快或太慢。前臂电机支架43为V字形，第一摆臂41的上端和第二摆臂42的上端分别转动连接在V字形旋转电机44支架的两端，旋转电机44安装在旋转电机44支架的中间位置，使其与第一摆臂41、第二摆臂42、第一把手支架49及第二把手56支架利用平行四边形运动的原理，实现对前臂的康复训练。假设旋转电机44做逆时针转动时带动第一主动带轮45逆时针转动，第一主动带轮45作为主动轮通过第一皮带将力传递给第一从动带轮46实现逆时针转动，通过第一从动带轮46的第二转动轴47带动与其同轴连接的第一摆臂41，通过第一摆臂41上的第三转动轴48将力传递给第二主动带轮410，再通过皮带将运动传递给第二从动带轮411，第二从动带轮411带动同轴连接的腕关节连接件413运动，从而从而实现右臂旋前动作，反之，实现右臂的旋后动作。
参见图8，腕关节组件5包括与腕关节连接件413固定连接的腕关节固定架50、一端通过轴承转动安装在腕关节固定架50上的腕关节旋转架腿51、与腕关节旋转架腿51的另一端固定连接的腕关节架体52、安装在腕关节架体52上的腕关节电机53、与腕关节电机53输出轴同轴连接的第三主动带轮54、通过腕关节皮带与第三主动带轮54连接的第三从动带轮55以及设置在腕关节架体52上的把手56；第三从动带轮55通过腕关节转轴57与腕关节固定架50固定连接，腕关节转轴57上还固定连接有用来张紧腕关节皮带的张紧架58，腕关节转轴57与腕关节旋转架腿51转动连接。张紧架58包括张紧限位槽581和张紧轮582，腕关节旋转架腿51上安装有伸入到张紧限位槽581内的限位柱，张紧轮582抵靠在腕关节皮带上。腕关节旋转架腿51为两个，分别对称设置在腕关节固定架50的两端。
当患者右手抓握在把手56处，假设腕关节电机53顺时针转动，第三主动带轮54作为主动轮通过皮带将力传递给第三从动带轮55实现顺时针转动，第三从动带轮55的腕关节转轴57带动同轴连接的腕关节旋转架腿51转动，从而带动腕关节架体52转动，从而实现患者腕关节的屈曲运动，反之当腕关节电机53逆时针转动时，实现腕关节的伸展运动。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种六自由度上肢康复训练臂，其特征在于：包括肩关节组件(2)、通过大臂支架与所述肩关节组件(2)连接的肘关节组件(3)、通过小臂支架(8)与所述肘关节组件(3)连接的前臂旋转机构(4)以及与所述前臂旋转机构(4)连接的腕关节组件(5)；所述肩关节组件(2)包括：X向肩关节驱动机构(20)、一端与所述X向肩关节驱动机构(20)的输出轴连接的第一直角转接架(21)、安装在所述第一直角转接架(21)的另一端上的Z向肩关节驱动机构(22)、一端与所述Z向肩关节驱动机构(22)的输出轴连接的第二直角转接架(23)以及安装在所述第二直角转接架(23)的另一端的Y向肩关节驱动机构(24)；所述Y向肩关节驱动机构(24)的输出轴连接大臂支架；所述X向肩关节驱动机构(20)、Z向肩关节驱动机构(22)和Y向肩关节驱动机构(24)的转轴互相垂直且相交于一点，所述Z向肩关节驱动机构(22)位于所述X向肩关节驱动机构(20)和Y向肩关节驱动机构(24)的上方。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度上肢康复训练臂，其特征在于：所述前臂旋转机构(4)包括：与所述小臂支架(8)固定连接的前臂旋转底架(40)、对称转动连接在所述前臂旋转底架(40)上的第一摆臂(41)和第二摆臂(42)、安装在所述第一摆臂(41)上端和第二摆臂(42)上端的前臂电机支架(43)、安装在所述前臂电机支架(43)上的旋转电机(44)、与所述旋转电机(44)输出轴同轴连接的第一主动带轮(45)、通过皮带与所述第一主动带轮(45)连接的第一从动带轮(46)；第一从动带轮(46)的第二转动轴(47)通过轴承安装在前臂电机支架(43)上，第一摆臂(41)上固定安装有第三转动轴(48)，第三转动轴(48)上通过轴承转动安装有第一把手支架(49)，第一把手支架(49)上安装有与第三转动轴(48)同轴固定的第二主动带轮(410)；第二主动带轮(410)通过第二皮带连接有第二从动带轮(411)，第二从动带轮(411)转动安装在的第四转动轴(416)上，所述第四转动轴(416)固定安装在所述第一把手支架(49)上，第二把手(56)支架通过轴承与所述第四转动轴(416)转动连接；第四转动轴(416)上还固定安装有腕关节连接件(413)；第二把手(56)支架通过支架固定轴(417)转动安装在所述第二摆臂(42)上。
3.根据权利要求1或2所述的一种六自由度上肢康复训练臂，其特征在于：所述腕关节组件(5)包括与腕关节连接件(413)固定连接的腕关节固定架(50)、一端通过轴承转动安装在腕关节固定架(50)上的腕关节旋转架腿(51)、与所述腕关节旋转架腿(51)的另一端固定连接的腕关节架体(52)、安装在所述腕关节架体(52)上的腕关节电机(53)、与所述腕关节电机(53)输出轴同轴连接的第三主动带轮(54)、通过腕关节皮带与所述第三主动带轮(54)连接的第三从动带轮(55)以及设置在腕关节架体(52)上的把手(56)；所述第三从动带轮(55)通过腕关节转轴(57)与所述腕关节固定架(50)固定连接，所述腕关节转轴(57)上还固定连接有用来张紧腕关节皮带的张紧架(58)，所述腕关节转轴(57)与所述腕关节旋转架腿(51)转动连接。
4.根据权利要求3所述的一种六自由度上肢康复训练臂，其特征在于：所述张紧架(58)包括张紧限位槽(581)和张紧轮(582)，所述腕关节旋转架腿(51)上安装有伸入到所述张紧限位槽(581)内的限位柱，所述张紧轮(582)抵靠在所述腕关节皮带上。
5.根据权利要求4所述的一种六自由度上肢康复训练臂，其特征在于：所述腕关节旋转架腿(51)为两个，分别对称设置在所述腕关节固定架(50)的两端。
6.根据权利要求1所述的一种六自由度上肢康复训练臂，其特征在于：所述大臂支架包括与与所述Y向肩关节驱动机构(24)的输出轴同轴连接的大臂上支架(6)和用来安装所述肘关节电机(31)的大臂下支架(7)，所述大臂上支架(6)和大臂下支架(7)伸缩滑动连接。
7.一种六自由度上肢康复训练机器人，其特征在于：包括两对称设置的如权利要求1-6中任一项所述的六自由度上肢康复训练臂；所述上肢康复训练机器人还包括升降机构(1)以及设置在所述升降机构(1)顶端的两臂间距调节机构(9)。
8.根据权利要求7所述的一种六自由度上肢康复训练机器人，其特征在于：两臂间距调节机构(9)包括固定在所述升降机构(1)输出端的支撑板(90)、安装在所述支撑板(90)中部的间距调节电机(91)、安装在所述间距调节电机(91)输出轴上的主动锥齿轮(92)、对称设置在所述主动锥齿轮(92)两侧且与所述主动锥齿轮(92)啮合的两个从动锥齿轮(93)、与所述从动锥齿轮(93)同轴固定连接的丝杠螺母副(94)以及固定连接在所述丝杠螺母副(94)的螺母上的训练臂安装板(95)；所述肩关节组件(2)的X向肩关节驱动机构(20)安装在所述训练臂安装板(95)上。
9.根据权利要求8所述的一种六自由度上肢康复训练机器人，其特征在于：所述两臂间距调节机构(9)还包括与所述丝杠螺母副(94)的丝杠平行设置的滑轨(97)，所述滑轨(97)上滑动连接有滑块(96)，所述滑块(96)与所述丝杠螺母副(94)的螺母通过训练臂安装板(95)固定连接。
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