CN112155944A - 一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置 - Google Patents

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刘俊磊
曹琳卿
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许未晴
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Abstract

本发明公开了一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，包括椅子、T字环形轨道上的整体装置、T字环形轨道的支架结构，小车位于T字环形轨道上，并且可以在T字环形轨道上的任意位置实现启停。小车上的卷线滚筒连接拉力传感器的一端，然后气动人工肌肉的一端与拉力传感器相连接，另一端与多功能手套相连接。气动控制系统驱动的气动人工肌肉可以实现腕关节的康复运动。气动控制系统控制水平方向的气动人工肌肉伸缩，可以实现腕关节的外展/内收运动；控制垂直方向的气动人工肌肉伸缩，可以实现腕关节内屈/外伸运动；而采用水平与垂直方向的复合运动可以实现腕关节的还转运动，解决腕关节康复模式单一的问题。

Description

一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置
技术领域
本发明涉及康复训练机器人技术领域，特别是涉及一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置。
背景技术
随着人口老龄化的加剧、自然灾害增多，腕关节损伤的发病率也逐年增加，传统的人工康复训练需要有经验的专业治疗人员进行一对一治疗，存在着医生的劳动强度大，成本髙昂、效率低下等缺点。
所以随着电子元器件和控制技术的不断发展，使用器械甚至是机器人来进行康复训练慢慢成为现在康复训练的主流，但是此类康复器存在结构复杂、价格昂贵等缺点，并不适合大多数人应用；为了克服这些问题，迫切需要一种能够满足价格适中、柔顺性、轻巧性的新型手腕康复装置，一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置被提出。
腕关节由桡腕关节、腕间关节和下尺桡关节等组成，目前市面上可做的腕关节康复的机器人装置可做外展/内收、内屈/外伸和环转运动，大多存在柔性不足、结构复杂、成本高昂、容易二次伤害、不能在有效的时间内提升治疗的效率的问题。
发明内容
本发明的目的是：为了解决上述技术问题，提出一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，通过对于腕关节实现气动驱动性的康复训练，促使患者在多种康复模式下，能够对腕关节进行外展/内收、内屈/外伸和环转运动康复，从而最终实现患者腕关节的康复。
为了实现上述的目的，本发明提供了如下的技术方案：相对与T字型环形轨道水平方向，小车11位于T字型环形轨道23上，并且T字型环形轨道连接在支架8上，为了满足支架的稳定性，所以支架的下方安装基座10。其中小车11是靠轮毂电机来实现在该T字型环形轨道23上运动。在小车11上面安装有电机11-1，并且电机11-1的电机轴连接着卷线滚筒11-3，在两者之间通过可以实现共同旋转并且传递扭矩的联轴器11-2来连接卷线滚筒11-3和电机11-1。在小车下面安装靠电机11-4带动的主驱动轴11-8和从动轴11-7分别通过弹簧11-5连接，对T字型环形轨道进行夹持，在轮子11-6的带动下，从而可以保持小车11在任何位置保持停止和运动的状态。拉力传感器16的一端通过绳索连接着卷线滚筒11-3，另一端连接着气动人工肌肉20，同样地，绳索的伸缩也可以通过借助于气动控制系统来驱动气动人工肌肉20实现伸缩运动。其中拉力传感器8在整体装置开始运动时起到预紧绳索的目的，一方面如果拉力传感器8接受到的拉力信号数值大于绳索预紧力规定值时，小车11上的轮毂电机11-1停止转动的同时，卷线滚筒11-3停止收紧绳索，保持预紧力；另一方面如果拉力传感器8接受到的拉力信号数值小于预紧力规定值时，小车11上的轮毂电机11-1转动带动卷线滚筒11-3继续收紧绳索，一直到拉力信号数值等于预紧力规定值时，轮毂电机停止转动，拉力保持。同时气动人工肌肉20的另一端通过绳索连接在多功能手套22的一侧的四个指关节处，针对不同的患者患病特征，患者的手部可以不分左右手和正反面深入手套中，减少了穿戴的麻烦，更加人性化。同样地，相对与T字型环形轨道右侧，小车13位于T字形环形轨道23上，小车的上面的装置及安装连接方法和T字型环形轨道左侧相同。卷线滚筒13-3的另一端通过绳索连接着气动人工肌肉18的一端，其中气动人工肌肉18通过另一个气动控制系统，一方面实现绳索的伸缩，另一方面通过气动人工肌肉18的充放气实现多功能手套22的位移和角度的变化。气动人工肌肉18的另一端与多功能手套22的另一侧的四个指关节相连。
相对于T字型环形轨道水平方向左侧的运动过程，小车11通过主驱动轴11-8和从动轴11-7，靠轮子11-6在弹簧11-5的作用下夹持着T字型环形轨道在轮毂电机11-1的带动下运动，并且轮毂电机11-1在运行开始时通过绳索保持整个运动机构的预紧状态。拉力传感器16的一端通过绳索与小车上面的卷线滚筒11-3连接，气动人工肌肉20一端与拉力传感器16相连接，另一端与多功能手套22的一侧保持连接。气动控制系统供给气动人工肌肉20内部压力，其中该气动控制系统首先是由空气压缩机1来提供压缩空气，通过气管进入具有去除压缩空气中水蒸气作用的空气过滤器2和电气比例压力阀3。接着由气管连接着具有润滑作用的油雾器4，然后采用两位三通电磁换向阀5，最后进入气动人工肌肉20的进气口，当换向阀5的电磁铁通电时，进入压缩空气的气动人工肌肉20在充气状态缩短变形，从而产生拉伸力，使得多功能手套通过绳索带动患者的手腕实现康复运动，同时气动人工肌肉20的内部流量靠电气比例流量阀6微调节。
气动人工肌肉20内部的压缩空气在换向阀5换向后，流经换向阀5、电气比例流量阀6、消音器7流向大气中，其中，气动人工肌肉20内部气体压力的控制通过与换向阀5的出气口相连接的电气比例流量阀6实现。
相对于T字型环形轨道水平方向右侧的运动过程与左侧的运动过程相互对称，运动方式相同。
综上所述，患者将手伸入多功能手套22中，同时胳膊放在椅子9的托体9-2上通过绑带固定。多功能手套22通过气动人工肌肉20与气动人工肌肉18的相互协作可以实现手腕的外展和内收运动；另外，通过小车11上面电机11-1的转动，带动卷线滚筒11-3转动相同角度来收放绳索，而电机11-4控制主驱动轴带动从动轴通过轮子11-6与小车3 配合可以在T字型环形轨道上实现90度的圆周运动
接着，安装于T字型环形轨道垂直方向上的整体装置、运动形式、以及装置安装连接方式，和安装于T字型环形轨道水平方向的整体装置、运动形式、以及装置安装连接方式是对立且一样的，这样即可实现腕关节的外伸和内屈运动，并且也可以实现腕关节以小臂为轴线的90度的回转运动。
最后，对于该一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，通过一系列的控制系统首先T字型环形轨道水平方向运动，接着垂直方向运动，最后水平方向的装置与垂直方向的复合运动，这样既能实现手腕的外展/内收、内屈/外伸运动，又能实现以小臂为轴线的腕关节复合环转运动。
本发明相对于现有技术取得了以下的技术成果：本发明可对患者腕关节进行外展/内收、内屈/外伸运动的同时，又能实现以小臂为轴线的腕关节复合环转运动的康复形式，丰富了腕关节的康复形式，有效提高了康复训练机器人的利用效率；采用气动人工肌肉充放气的方式，可以缓解手腕康复运动时的冲击，避免卷线滚筒收拉绳时刚性运动不同步时造成的二次伤害；采用多功能手套，针对不同的患者特征，患者的手部可以不分左右手和正反面伸入手套中，减少了穿戴的麻烦，使功能更加人性化；采用可调节上肢托体高度的椅子，可以满足不同身高患者的需求。
附图说明
图1为本发明针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置整体结构示意图；
图2为本发明中T字型环形轨道上的相关装置结构示意图；
图3为本发明中为本发明中多功能手套图；
图4为本发明中在小车上安装的整体结构示意图；
图5为本发明中椅子示意图。
其中：图1中：1为空气压缩机、2为空气过滤器、3为电气比例压力阀、4为油雾器、5为两位三通电磁换向阀、6为电气比例流量阀、7为消音器、8为T字型环形轨道支架、9为椅子、10为T字型环形轨道支架的基座；
图2中：11、12、13、14为小车，15、16为拉力传感器，17、18、19、20为气动人工肌肉，21为绳索、22为手套、23为T字型环形轨道；
图3中：多功能手套示意图；
图4中：11-1为电机、11-2为联轴器、11-3为卷线滚筒、11-4为主驱动轴电机、11-5为弹簧、11-6为轮子、11-7为从驱动轴、11-8为主驱动轴；
图5中：9-1椅子本体、9-2上肢托体。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，以解决现代技术中存在训练模式单一的问题。该发明既能实现手腕的外展/内收、内屈/外伸运动，又能实现以小臂为轴线的腕关节复合环转运动，从而使得腕关节在康复机器人装置的辅助下能够更好地进行恢复训练，提高康复效率。
为了使本发明上述目的、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。
本发明提供了一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置：
图1、图2中小车11位于T字型环形轨道23上，并且T字型环形轨道23连接在支架8上，为了满足支架的稳定性，支架的下方安装基座10。小车11是靠轮毂电机11-1来实现在该T字型环形轨道23上运动，和其它三个小车复合运动可以实现腕关节的环转运动。拉力传感器16的一端通过绳索与小车上面的卷线滚筒11-3连接，气动人工肌肉20一端与拉力传感器16相连接，另一端与多功能手套22的一侧保持连接，气动控制系统供给气动人工肌肉20内部压力，实现绳索的伸缩，与另一端的气动人工肌肉18相互配合可以实现腕关节的外展和内收，垂直方向两气动人工肌肉的运动方式同水平方向的运动方式相同，可以实现腕关节的内屈和外伸。
图3中，多功能手套22的一面通过多股绳索与气动人工肌肉20相连接，气动人工肌肉20具有重量小，柔顺性好，小型化的特点，在充放气过程中气动人工肌肉20伸长与缩短通过绳索带动手套运动。
图4中，在小车11上面安装有电机11-1，并且电机11-1的电机轴连接着卷线滚筒11-3，在它们中间通过运用联轴器11-2来连接卷线滚筒11-3的轴和电机轴，使它们共同旋转以传递扭矩。在小车下面安装靠电机11-4带动的驱动轴11-8，和从动轴11-7分别通过弹簧11-5连接，可以保持小车11在任何位置保持停止和启动的状态，并且分别安装有轮子11-6。
图5中，患者坐在椅子本体9-1上，并且将手伸入多功能手套6中，同时胳膊放在椅子9的上肢托体9-2上通过绑带固定。其中上肢托体9-2与椅子本体9-1相连的部分通过带有螺栓孔的可以伸缩的两根支柱连接，上肢托体9-2高低变化可以通过调节螺栓的位置来实现，从而满足不同患者的身高需求。
对于该针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，以右手为例，其包括以下运动康复形式：
（1）开始时的整个装置的预紧状态
开始时，相对于T字型环形轨道水平方向，小车11、13分别通过主驱动轴11-8、13-8和从动轴11-7、13-7，靠轮子11-6、13-6在弹簧11-5、13-5的作用下夹持着T字型环形轨道在轮毂电机11-1、13-1的带动下分别通过绳索保持整个运动机构水平方向的预紧状态；相对于T字型环形轨道垂直方向的预紧状态操作方式同水平方向相同。
（2）腕关节的外展/内收运动
在整个装置保持预紧状态下，相对于T字型环形轨道水平方向，首先，气动人工肌肉20通过气动回路进行充气使形状变短，气动人工肌肉18保持不变，多股绳索21一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套22的一侧，在气动人工肌肉20变形的过程中，前臂放在上肢托体9-2中，并通过绑带固定，所以带动多功能手套22向左运动，形成腕关节内收运动。然后，气动人工肌肉18通过气动回路进行充气使形状变短的，同时对气动人工肌肉20放气，多股绳索21一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套22的一侧的多个指关节，在气动人工肌肉18和20变形的过程中带动多功能手套22向右运动，形成腕关节外展运动。
（3）腕关节内屈/外伸运动
在整个装置保持预紧状态下，相对于T字型环形轨道垂直方向，首先，气动人工肌肉19通过气动回路进行充气使形状变短，气动人工肌肉17保持不变，多股绳索21一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套22的一面多个指关节，在气动人工肌肉19变形的过程中，前臂放在上肢托体9-2中，并通过绑带固定，所以带动多功能手套22向上运动，形成腕关节外伸运动。然后，气动人工肌肉17通过气动回路进行充气使形状变短的，同时对气动人工肌肉19放气，多股绳索21一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套22的一侧，在气动人工肌肉17和19变形的过程中带动多功能手套22向下运动，形成腕关节内屈运动。
（4）整体空间的腕关节环转运动
第一步：首先保持整体装置的预紧状态，然后通过控制器驱动轮毂电机11-1、13-1，使小车11、13同时沿着T字型环形轨道运动，并且两车的连线通过环形轨道的圆心，直到两小车与垂直方向的小车相接近时，分别通过电机11-4、13-4控制主驱动轴11-8、13-8停止转动，从而使小车11、13停止。
第二步：控制器驱动轮毂电机12-1、14-1，使小车12、14同时沿着T字型环形轨道运动，并且两车的连线通过环形轨道的圆心，直到两小车与垂直方向的小车11、13相接近时，分别通过电机12-4、14-4控制主驱动轴12-8、14-8停止转动，从而使小车12、14停止。
第三步：控制器驱动轮毂电机11-1、13-1，使小车11、13同时沿着T字型环形轨道运动，并且两车的连线通过环形轨道的圆心，直到两小车与垂直方向的小车相接近时，分别通过电机11-4、13-4控制主驱动轴11-8、13-8停止转动，从而使小车11、13停止。通过第一、二、三步完成各个小车180度的角度旋转，从而使得戴着多功能手套22的患者完成180度的腕关节环转运动。
第四步：通过控制器实现主驱动电机的反转，直至返回到初始位置。如此循环往复即可重复不间断的实现腕关节的环转运动。
T字型环形轨道水平方向的两对称气动人工肌肉和垂直方向的两对称气动人工肌肉的充放气的弹性运动，可以缓冲上臂康复运动时的冲击，避免水平或垂直方向的小车上面的卷线滚筒拉绳（或放绳）与相对称的小车上面的卷线滚筒放绳（或拉绳）的刚性运动不同步时造成的二次伤害。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理以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 (4)

1.一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，其特征在于：相对与T字型环形轨道水平方向，小车(11)位于T字型环形轨道(23)上，并且T字型环形轨道连接在支架（8）上，为了满足支架的稳定性，所以支架的下方安装基座（10）；
其中小车（11）是靠轮毂电机来实现其在T字型环形轨道（23）上运动；
在小车（11）上面安装有电机（11-1），并且电机（11-1）的电机轴连接着卷线滚筒（11-3），在两者之间通过可以实现共同旋转并且传递扭矩的联轴器（11-2）来连接卷线滚筒（11-3）和电机（11-1）；在小车下面安装靠电机（11-4）带动的主驱动轴（11-8）和从动轴（11-7）分别通过弹簧（11-5）连接，对T字型环形轨道进行夹持，在轮子（11-6）的带动下，从而可以保持小车（11）在任何位置保持启动、停止和运动的状态；
拉力传感器（16）的一端通过绳索连接着卷线滚筒（11-3），另一端连接着气动人工肌肉（20），同样地，绳索的伸缩也可以通过借助于采用气动控制系统来驱动气动人工肌肉(20)实现伸缩运动来完成；
其中拉力传感器（8）在整体装置开始运动时起到预紧绳索的目的，一方面如果拉力传感器（8）接受到的拉力信号数值大于绳索预紧力规定值时，小车（11）上的轮毂电机（11-1）停止转动的同时，卷线筒（11-3）停止，收紧绳索，保持预紧力；另一方面如果拉力传感器（8）接受到的拉力信号数值小于预紧力规定值时，小车（11）上的轮毂电机（11-1）转动带动卷线筒（11-3）继续收紧绳索，一直到拉力信号数值等于预紧力规定值时，轮毂电机停止转动，拉力保持；
同时气动人工肌肉（20）的另一端通过绳索连接在多功能手套（22）的一侧的四个指关节处，针对不同的患者患病特征，患者的手部可以不分左右手和正反面深入手套中，减少了穿戴的麻烦，更加人性化；
同样地，相对与T字型环形轨道右侧，小车（13）位于T字型环形轨道（23）上，小车的上面的装置及安装连接方法和T字型环形轨道左侧相同；
卷线筒（13-3）的另一端通过绳索连接着气动人工肌肉（18）的一端，其中气动人工肌肉（18）通过另一个气动控制系统，一方面实现绳索的伸缩，另一方面通过气动人工肌肉（18）的充放气实现多功能手套（22）的位移和角度的变化；
气动人工肌肉（18）的另一端与多功能手套（22）的另一侧的四个指关节相连；
相对与T字型环形轨道垂直方向的机械装置的安装方式与运动形式和水平方向的相同；
其运动过程如下：
（1）开始时的整个装置的预紧状态
开始时，相对于T字型环形轨道水平方向，小车(11)、(13)分别通过主驱动轴(11-8)、(13-8)和从动轴(11-7)、(13-7)，靠轮子(11-6)、(13-6)在弹簧(11-5)、(13-5)的作用下，夹持着T字型环形轨道在轮毂电机(11-1)、(13-1)的带动下分别通过绳索保持整个运动机构水平方向的预紧状态；相对于T字型环形轨道垂直方向的预紧状态操作方式同水平方向相同；
（2）腕关节的外展/内收运动
在整个装置保持预紧状态下，相对于T字型环形轨道水平方向，首先，气动人工肌肉(20)通过气动回路进行充气使形状变短，气动人工肌肉(18)保持不变，多股绳索(21)一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套(22)的一侧，在气动人工肌肉(20)变形的过程中，前臂放在上肢托体(9-2)中，并通过绑带固定，带动多功能手套(22)向左运动，形成腕关节内收运动；
然后，气动人工肌肉(18)通过气动回路进行充气使形状变短的，同时对气动人工肌肉(20)放气，多股绳索(21)一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套(22)的一侧的多个指关节，在气动人工肌肉(18)和(20)变形的过程中带动多功能手套（22）向右运动，形成腕关节外展运动；
（3）腕关节内屈/外伸运动
在整个装置保持预紧状态下，相对于T字型环形轨道垂直方向，首先，气动人工肌肉（19）通过气动回路进行充气使形状变短，气动人工肌肉（17）保持不变，多股绳索（21）一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套（22）的一面多个指关节，在气动人工肌肉（19）变形的过程中，前臂放在上肢托体（9-2）中，并通过绑带固定，所以带动多功能手套（22）向上运动，形成腕关节外伸运动；
然后，气动人工肌肉(17)通过气动回路进行充气使形状变短的，同时对气动人工肌肉(19)放气，多股绳索(21)一端连接气动人工肌肉，另一端连接多功能手套(22)的一侧，在气动人工肌肉（17）和（19）变形的过程中带动多功能手套（22）向下运动，形成腕关节内屈运动；
（4）整体空间的腕关节环转运动
第一步：首先保持整体装置的预紧状态，然后通过控制器驱动轮毂电机（11-1）、（13-1），使小车(11)、(13)同时沿着T字型环形轨道运动，并且两车的连线通过环形轨道的圆心，直到两小车与垂直方向的小车相接近时，分别通过电机(11-4)、(13-4)控制主驱动轴(11-8)、(13-8)停止转动，从而使小车(11)、(13)停止；
第二步：控制器驱动轮毂电机(12-1)、(14-1)，使小车（12）、（14）同时沿着T字型环形轨道运动，并且两车的连线通过环形轨道的圆心，直到两小车与垂直方向的小车（11）、（13）相接近时，分别通过电机(12-4)、(14-4)控制主驱动轴(12-8)、(14-8)停止转动，从而使小车(12)、(14)停止；
第三步：控制器驱动轮毂电机(11-1)、(13-1)，使小车(11)、(13)同时沿着T字型环形轨道运动，并且两车的连线通过环形轨道的圆心，直到两小车与垂直方向的小车相接近时，分别通过电机（11-4）、（13-4）控制主驱动轴（11-8）、（13-8）停止转动，从而使小车（11）、（13）停止；
通过第一、二、三步完成各个小车180度的角度旋转，从而使得戴着多功能手套（22）的患者完成180度的腕关节环转运动；
第四步：通过控制器实现主驱动电机的反转，直至返回到初始位置；
如此循环往复即可重复不间断的实现腕关节的环转运动。
2.一种使用如上述权利要求1所叙述的一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，其特征在于：相对与T字型环形轨道水平方向，小车（11）位于T字型环形轨道（23）上，并且T字型环形轨道连接在支架（8）上；其中小车（11）是靠轮毂电机来实现在该T字型环形轨道（23）上运动；在小车（11）上面安装有电机（11-1），并且电机（11-1）的电机轴连接着卷线滚筒（11-3），在两者之间通过可以实现共同旋转并且传递扭矩的联轴器（11-2）来连接卷线滚筒（11-3）和电机（11-1）；
在小车下面安装靠电机（11-4）带动的主驱动轴（11-8）和从动轴（11-7）分别通过弹簧（11-5）连接，对T字型环形轨道进行夹持，在轮子（11-6）的带动下，从而可以保持小车（11）在任何位置保持停止和运动的状态。
3.一种使用如上述权利要求1所叙述的一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，其特征在于：气动控制系统通过多股绳索（21）一端连接的气动人工肌肉（19），实现充放气，从而带动另一端连接的多功能手套（22）运动，其中多功能手套（22）考虑了不同患者的特殊需求，针对不同部位的手腕患者，设计了一款可以不用区分左右手，同时不用区分手的正反面，随带随用的多功能手套，该手套外部采用刚体表皮结构，内部使用柔软的材料，保证患者在康复的过程中手部和腕部不受到二次伤害。
4.一种使用如上述权利要求1所叙述的一种针对腕关节的多气动驱动型康复机器人装置，其特征在于：患者将手伸入多功能手套（22）中，同时胳膊放在椅子（9）的上肢托体（9-2）上通过绑带固定，上肢托体（9-2）与椅子本体（9-1）相连的部分通过带有螺栓孔的可以伸缩的两根支柱连接，上肢托体（9-2）高低变化可以通过调节螺栓的位置来实现，从而对患者的手腕关节进行专门的康复治疗，避免其它设备的干扰，同时也考虑到了患者的身材的不同。
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