CN112245223B - 一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，型材支架上分别设置固定台和运动台，运动台与型材支架之间通过滑台模组连接，固定台和运动台之间通过连杆组连接，固定台、滑台模组、连杆组和运动台组成水平拖动单元，水平拖动单元能够驱动运动台沿X‑Y平面运动实现前臂在水平面内的康复训练运动；运动台的下方连接有前臂姿态调整单元，前臂姿态调整单元能够实现前臂在竖直方向的康复训练运动；前臂姿态调整单元的一端设置有肘关节旋前旋后单元，肘关节旋前旋后单元与前臂远端配合能够实现肘关节的旋前旋后康复训练运动。本发明可以实现患者上肢前臂在空间内的康复训练活动，满足大部分日常生活活动动作，直接高效的提高患者的生活自理能力。

Description

一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人
技术领域
本发明属于医疗机器人技术领域，具体涉及一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人。
背景技术
如今社会老龄加速，老年疾病逐渐增多。中国脑卒中患病人数逐年增加，脑卒中已成为我国人口死亡第一大因素。70％的脑卒中幸存会存在以偏瘫为主的肢体功能障碍，严重影响患者的日常工作和生活质量。临床实践证明运动康复训练对于偏瘫上肢的康复治疗是有效的，能够很大程度上提高偏瘫肢体的恢复程度。由于中风患者数量过大，康复治疗师严重匮乏，且康复辅助训练劳动强度大，运用康复机器人辅助患者进行训练很有必要。现有多数末端牵引式上肢康机器人只能带动患者前臂做二维平面内的运动。一部分软绳龙门吊式末端牵引式康复机器人虽然可以牵引患者做空间内的运动，但由于是柔性牵引，机器人无法提供主被动训练模式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，使患者前臂不仅能在做二维平面内的训练动作，也能实现三维空间内的训练运动，增大了患者上肢的活动范围，能够满足患者日常生活活动的康复训练动作要求，提高康复训练效率；本发明的刚性结构机器人，不仅能够给患者提供重力补偿，还能通过电机控制实现机器人的精确位置控制，为患者提供精确可重复的康复训练。
本发明采用以下技术方案：
一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，包括型材支架，型材支架上分别设置有固定台和运动台，运动台与型材支架之间通过滑台模组连接，固定台和运动台之间通过连杆组连接，固定台、滑台模组、连杆组和运动台组成水平拖动单元，水平拖动单元能够驱动运动台沿X-Y平面运动实现前臂在水平面内的康复训练运动；运动台的下方连接有前臂姿态调整单元，前臂姿态调整单元能够实现前臂在竖直方向的康复训练运动；前臂姿态调整单元的一端设置有肘关节旋前旋后单元，肘关节旋前旋后单元与前臂远端配合能够实现肘关节的旋前旋后康复训练运动。
具体的，水平拖动单元包含两个自由度的二连杆机构，通过第一伺服电机、第二伺服电机驱动连杆组运动带动运动台沿X-Y平面运动。
进一步的，固定台包括固定台平板，第一伺服电机设置在固定台平板上，运动台包括移动台平板，第二伺服电机设置在移动台平板上，连杆组包括第一连杆和第二连杆，第一连杆的一端通过减速器与第一伺服电机连接，另一端通过第一法兰连轴器与第二连杆的一端铰接连接，第二连杆的另一端通过第二法兰连轴器与第二伺服电机连接。
进一步的，滑台模组包括间隔设置在型材支架上的光轴和X向光轴，光轴和X向光轴的两端分别通过滑轨支撑座与型材支架连接；光轴上设置有运动台铝滑块，X向光轴上设置有X向铝滑块，运动台铝滑块和X向铝滑块之间通过两根Y向光轴连接。
更进一步的，运动台铝滑块与运动台上设置的移动台平板连接。
具体的，前臂姿态调整单元包括Z轴伺服电缸，Z轴伺服电缸的一端设置有第三伺服电机，另一端设置有连接块，连接块经中间连接件与第四伺服电机的一端连接，第四伺服电机的另一端经U形连接件与肘关节旋前旋后单元铰接连接。
进一步的，U形连接件与前臂支撑件之间设置有前臂俯仰舵机，前臂俯仰舵机与第四伺服电机配合完成前臂的姿态控制。
具体的，肘关节旋前旋后单元包括前臂支撑件，前臂支撑件的一侧与旋前旋后环件连接，旋前旋后环件与前臂远端配合实现肘关节的旋前旋后康复训练运动。
进一步的，旋前旋后环件与前臂支撑件之间设置有旋前旋后舵机，旋前旋后舵机通过齿轮与旋前旋后环件连接。
进一步的，前臂支撑件与旋前旋后环件之间设置有微型轴承。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，包括六个自由度，其优点在于，可以实现患者前臂在空间内做康复训练动作。相对于平面内的末端牵引式康复机器人，本机器人可以完成前臂在竖直方向的训练动作，完成肩关节的屈伸康复训练，活动范围更广，更容易模拟日常生活活动动作，通过本康复机器人的康复训练，更直接有效的提高患者的生活自理能力。
进一步的，实现运动台在水平面活动范围内的任意轨迹的运动，进而达到患者前臂的水平面方向的任意轨迹的康复训练要求。
进一步的，连杆机构为运动副为面接触，承载能力大，且当运动台的运动轨迹不同于X或Y方向的时，也有良好的控制性能。
进一步的，设置滑台模组能够减少运动台在X-Y平面内运动的摩擦力。
进一步的，前臂姿态调整单元的目的在于，人体上肢前臂在完成日常生活活动动作时，不仅涉及前臂位置变化，还涉及前臂的姿态变化，前臂姿态调整单元可以控制前臂的姿态，辅助患者顺利完成训练。
进一步的，人体上肢完成日常生活活动动作时，手掌掌心是不断变化的，肘关节旋前旋后单元可以实现患者手掌掌心的面向的调整，辅助患者顺利完成目标任务训练。
进一步的，通过旋前旋后舵机为患者肘关节旋前旋后提供动力。
进一步的，设置微型轴承能够减少肘关节旋前旋后动作时前旋后环件与前臂支撑件之间三维摩擦力。
综上所述，本发明可以实现患者上肢前臂在空间内的康复训练活动，满足大部分日常生活活动动作，通过本康复机器人的康复训练，更直接高效的提高患者的生活自理能力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的上肢康复机器人的整体结构示意图；
图2为水平拖动单元结构示意图；
图3为竖直拖动及前臂姿态调整单元结构示意图；
图4为肘关节旋前旋后单元结构示意图；
图5为患者穿戴示意图。
其中：1.固定台；2.型材支架；3.滑台模组；4.连杆组；401.第一连杆；402.第二连杆；403.轴承；5.运动台；501第二伺服电机；502.第二法兰连轴器；503.运动台平板；6.前臂姿态调整单元；7.肘关节旋前旋后单元；8.旋前旋后舵机；9.Z轴伺服电缸；11.固定台平板；110.第一固定台平板；111.第二固定台平板；101.第一伺服电机；12.固定台型材；13.法兰连轴器；1011.减速器；14.第一法兰连轴器；102.光轴；31.运动台铝滑块；32.X向铝滑块；33.Y向光轴；34.X向光轴；35.滑轨支撑座；63.第四伺服电机；64.U形连接件；65.前臂支撑件；66.前臂俯仰舵机；69.旋前旋后环件；70.微型轴承；81齿轮；91.第三伺服电机；92.连接块；93.中间连接件。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，采用第一、第二伺服电机驱动连杆运动，从而带动运动台在X-Y平面运动，实现前臂在水平面内的康复训练运动，Z轴伺服电缸伸缩运动前臂在竖直方向的康复训练运动，第四伺服电机与俯仰舵机配合完成前臂的姿态控制，旋前旋后舵机通过齿轮带动旋前旋后环件运动，动旋前旋后环件与前臂远端配合，实现肘关节的旋前旋后康复训练运动，解决了一般末端牵引式康复机器人只能做平面内运动不足，并能提供被动、主动、阻抗训练模式，增加了患者上肢康复训练活动范围，有利于辅助患者完成日常生活活动动作的康复训练，适用不同患病时期的上肢功能性障碍患者。
请参阅图1，本发明一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，包括型材支架2、固定台1、滑台模组3、连杆组4、运动台5、前臂姿态调整单元6、肘关节旋前旋后单元7，型材支架2用于承载部件及患者上肢的重量；固定台1设置在型材支架2的一侧，通过连杆组4与型材支架2另一侧的运动台5连接，运动台5通过滑台模组3与型材支架2连接，固定台1、滑台模组3、连杆组4和运动台5组成水平拖动单元，滑台模组3能够带动运动台5沿型材支架2水平运动；运动台5的下方连接有前臂姿态调整单元6，前臂姿态调整单元6的一端设置有Z轴伺服电缸9，另一端设置有肘关节旋前旋后单元7，前臂姿态调整单元6与Z轴伺服电缸9组成竖直拖动及前臂姿态调整单元。
水平拖动单元包含两个自由度的二连杆机构，通过第一伺服电机101、第二伺服电机501驱动连杆组4运动，从而带动运动台5在X-Y平面运动，实现前臂在水平面内的康复训练运动；Z轴伺服电缸9伸缩运动前臂在竖直方向的康复训练运动，完成前臂的姿态控制，与水平拖动单元共同实现患者前臂的位置及姿态康复训练运动的控制；旋前旋后舵机8用于和前臂远端配合，实现肘关节的旋前旋后康复训练运动。
第一伺服电机101和第二伺服电机501的编码器能够实时反馈电机的转角数值，并以此控制运功台的位置，通过开放电流环的驱动器，实现驱动力矩的精确控制，从而保证患者训练的安全性，同时读取驱动器的实时驱动电流，计算出患者与机器人之间的交互力。
请参阅图2，固定台1包括固定台平板11，固定台平板11上设置有驱动前臂在水平面内运动的第一伺服电机101，第一伺服电机101的输出轴经连杆组4与运动台5上设置的第二伺服电机501连接；运动台5包括移动台平板503，移动台平板503通过螺栓与滑轨模组3上的运动台铝滑块31连接，以减少运动台5在水平面内的运动摩擦力，移动台平板503上设置有第二法兰连轴器502，第二法兰连轴器502的一端与第二伺服电机501连接，另一端通过螺栓与连杆组4的一端连接。
滑台模组3包括光轴102、X向光轴34、滑轨支撑座35、运动台铝滑块31、X向铝滑块32和Y向光轴33。型材支架2上间隔设置有光轴102和X向光轴34，光轴102和X向光轴34的两端分别通过滑轨支撑座35与型材支架2连接；运动台铝滑块31设置在光轴102上，X向光轴34上设置有两个X向铝滑块32，运动台铝滑块31和X向铝滑块32之间通过两根Y向光轴33连接。
连杆组4包括第一连杆401和第二连杆402，第一连杆401的一端通过减速器1011与第一伺服电机101连接，另一端通过内部设置有轴承403的第一法兰连轴器14与第二连杆402的一端铰接连接，减小两连杆相对转动时的摩擦力，第二连杆402的另一端通过第二法兰连轴器502与第二伺服电机501连接。
固定台平板11与型材支架2之间设置有固定台型材12，固定台平板11通过螺栓与固定台型材12连接，减速器1011设置在固定台平板11的一侧，减速器1011的一端与固定台平板11另一侧设置的第一伺服电机101连接，另一端与第一连杆401的一端连接。
固定台平板11包括对称设置的第一固定台平板110和第二固定台平板111，第一固定台平板110和第二固定台平板111对称设计，方便第一伺服电机的安装。
请参阅图3，Z轴伺服电缸9包括第三伺服电机91和连接块92，第三伺服电机91的一端与连接块92连接，连接块92通过螺栓与中间连接件93连接，中间连接件93通过螺栓与第四伺服电机63连接，第四伺服电机63通过螺栓与U形连接件64连接，U形连接件64与前臂支撑件65铰接连接，且U形连接件64与前臂支撑件65之间设有带动前臂俯仰运动的前臂俯仰舵机66。
第四伺服电机63与俯仰舵机66配合完成前臂的姿态控制，与水平拖动单元共同实现患者前臂的位置及姿态康复训练运动的控制。
请参阅图4，肘关节旋前旋后单元7包括前臂支撑件65、旋前旋后环件69、微型轴承70、旋前旋后舵机8和齿轮81，前臂支撑件65的一侧与旋前旋后环件69连接，前臂支撑件65与旋前旋后环件69之间配有减小旋前旋后摩擦力的微型轴承70。
旋前旋后环件69与前臂支撑件65之间设有带动旋前旋后环件69的旋前旋后舵机8，旋前旋后舵机8通过齿轮81与旋前旋后环件69啮合连接，通过齿轮81带动旋前旋后环件69运动，动旋前旋后环件69与前臂远端配合，实现肘关节的旋前旋后康复训练运动。
请参阅图5，本发明的工作原理和流程如下：
(1)患者穿戴：患者前臂离腕关节3cm处与旋前旋后环件69通过绷紧束带固定，患者前臂离肘关节5cm处与前臂支撑件65通过绷紧束带固定；患者以坐姿进行康复训练，患者前端配后可上下调节高度的桌面。
(2)患者训练：当第一和第二伺服电机开始启动时，通过两连杆机构带动运动台5在水平面内运动，可以实现患者前臂在水平面内的康复训练运动；当第三伺服电机91启动时，带动Z轴伺服电缸9伸缩运动，可以实现患者前臂在竖直方向的康复训练运动，与前面所述水平面内的康复训练运动协同，可以实现患者在空间内的康复训练运动；前臂姿态调整单元6的第四伺服电机63与前臂俯仰舵机66，同时提供前臂姿态调整的运动动力；旋前旋后舵机8通过齿轮传动，带动旋前旋后环件69相对于前臂支撑件65转动，由于前臂近腕关节出和近肘关节处分别通过绷紧束带固定于旋前旋后环件69和前臂支撑件65，便实现了肘关节的旋前旋后康复训练运动；通过各电机的协同控制，可以辅助患者完成如在桌面取杯喝水的完整的日常生活活动动作的康复训练运动，在此过程中，实现了多关节联动的康复运动。
综上所述，本发明一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，伺服电机及舵机做为上肢康复机器人的动力来源，驱动器运动，第一伺服电机、第二伺服电机驱动连杆运动，从而带动运动台在X-Y平面运动，实现前臂在水平面内的康复训练运动，Z轴伺服电缸伸缩运动前臂在竖直方向的康复训练运动，第四伺服电机与俯仰舵机配合完成前臂的姿态控制，旋前旋后舵机8通过齿轮带动旋前旋后环件运动，动旋前旋后环件与前臂远端配合，实现肘关节的旋前旋后康复训练运动，本发明解决了一般末端牵引式康复机器人只能做平面内运动不足，并能提供被动、主动、阻抗训练模式，增加了患者上肢康复训练活动范围，有利于辅助患者完成日常生活活动动作的康复训练，适用不同患病时期的上肢功能性障碍患者。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，其特征在于，包括型材支架(2)，型材支架(2)上分别设置有固定台(1)和运动台(5)，运动台(5)与型材支架(2)之间通过滑台模组(3)连接，固定台(1)和运动台(5)之间通过连杆组(4)连接，固定台(1)、滑台模组(3)、连杆组(4)和运动台(5)组成水平拖动单元，水平拖动单元能够驱动运动台(5)沿X-Y平面运动实现前臂在水平面内的康复训练运动；运动台(5)的下方连接有前臂姿态调整单元(6)，前臂姿态调整单元(6)能够实现前臂在竖直方向的康复训练运动；前臂姿态调整单元(6)的一端设置有肘关节旋前旋后单元(7)，肘关节旋前旋后单元(7)与前臂远端配合能够实现肘关节的旋前旋后康复训练运动；
水平拖动单元包含两个自由度的二连杆机构，通过第一伺服电机(101)、第二伺服电机(501)驱动连杆组(4)运动带动运动台(5)沿X-Y平面运动；
前臂姿态调整单元(6)包括Z轴伺服电缸(9)，Z轴伺服电缸(9)的一端设置有第三伺服电机(91)，另一端设置有连接块(92)，连接块(92)经中间连接件(93)与第四伺服电机(63)的一端连接，第四伺服电机(63)的另一端经U形连接件(64)与肘关节旋前旋后单元(7)铰接连接；
肘关节旋前旋后单元(7)包括前臂支撑件(65)，前臂支撑件(65)的一侧与旋前旋后环件(69)连接，旋前旋后环件(69)与前臂远端配合实现肘关节的旋前旋后康复训练运动。
2.根据权利要求1所述的空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，其特征在于，固定台(1)包括固定台平板(11)，第一伺服电机(101)设置在固定台平板(11)上，运动台(5)包括移动台平板(503)，第二伺服电机(501)设置在移动台平板(503)上，连杆组(4)包括第一连杆(401)和第二连杆(402)，第一连杆(401)的一端通过减速器(1011)与第一伺服电机(101)连接，另一端通过第一法兰连轴器(14)与第二连杆(402)的一端铰接连接，第二连杆(402)的另一端通过第二法兰连轴器(502)与第二伺服电机(501)连接。
3.根据权利要求1所述的空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，其特征在于，滑台模组(3)包括间隔设置在型材支架(2)上的光轴(102)和X向光轴(34)，光轴(102)和X向光轴(34)的两端分别通过滑轨支撑座(35)与型材支架(2)连接；光轴(102)上设置有运动台铝滑块(31)，X向光轴(34)上设置有X向铝滑块(32)，运动台铝滑块(31)和X向铝滑块(32)之间通过两根Y向光轴(33)连接。
4.根据权利要求3所述的空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，其特征在于，运动台铝滑块(31)与运动台(5)上设置的移动台平板(503)连接。
5.根据权利要求1所述的空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，其特征在于，U形连接件(64)与前臂支撑件(65)之间设置有前臂俯仰舵机(66)，前臂俯仰舵机(66)与第四伺服电机(63)配合完成前臂的姿态控制。
6.根据权利要求1所述的空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，其特征在于，旋前旋后环件(69)与前臂支撑件(65)之间设置有旋前旋后舵机(8)，旋前旋后舵机(8)通过齿轮(81)与旋前旋后环件(69)连接。
7.根据权利要求1所述的空间末端牵引式刚性上肢康复机器人，其特征在于，前臂支撑件(65)与旋前旋后环件(69)之间设置有微型轴承(70)。
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