CN112274378A - 一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块 - Google Patents

一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，包括连接板、电机减速器安装板、电机、谐波减速器等；所述连接板的一端设有螺栓，另一端通过螺栓与电机减速器安装板相连；所述电机减速器安装板上安装盘式电机和谐波减速器；所述电机通过输出轴连接主动同步带轮，用以驱动所述主动同步带轮运动；所述主动同步带轮通过同步带带动从动同步带轮运动；所述从动同步带轮与谐波减速器输入轴相连接，用以将动力传输给谐波减速器的波发生器；谐波减速器刚轮连接机械臂下一关节；在所述连接板的两侧分别设置肩关节屈曲限位块和肩关节伸展限位块。本发明中肩关节模块可以辅助患者肩关节进行屈曲/伸展和内收/外展康复训练，具有较强的实用性。

Description

一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块
技术领域
本发明涉及医疗康复器械技术领域，特别是涉及一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块。
背景技术
传统康复治疗方式通常由医院康复治疗师辅助患者进行康复训练。这种方式存在的局限性主要有以下几点：
①面对大量需要康复的患者，大型医院康复中心通常人满为患，康复治疗师数量难以满足实际需求。
②辅助患者进行康复训练的过程中，康复治疗师体力消耗大，工作强度大。
③康复治疗师一对一辅助患者进行康复训练往往效率低下，同时占用过多的医疗资源。
④人工辅助患者康复训练的过程中，理疗师难以精确控制训练参数。
⑤康复治疗师依据其自身经验和业务水平辅助患者进行康复训练，导致康复训练的疗效将存在一定差异。
随着科技的不断进步，康复机器人逐渐走进康复医疗市场。相比于传统康复训练方法，康复机器人辅助患者进行康复训练具有以下优势:
①康复机器人可以长时间工作，不受康复治疗师自身体能限制，能够辅助大量患者进行康复训练，将康复治疗师从繁重的体力劳动中解放出来。
②一位康复治疗师可以控制多个康复机器人辅助不同患者进行康复训练，让康复治疗师有更多时间和精力为患者提供高质量服务，有利于优化医疗资源。
③康复机器人可以辅助患者实现较为精准的康复训练，更好地满足患者的康复需求。
④相对于康复治疗师的人力成本而言，推广使用康复机器人，有利于降低康复医疗成本。
⑤康复机器人可以量化康复过程，有利于康复评定。
综上所述，设计研发康复机器人，有利于辅助患者进行康复训练，同时优化医疗资源配置，降低康复成本，对我国健康产业的发展具有重要意义。
脑血管疾病、肌骨损伤等很容易导致人体的肢体运动功能障碍，经过临床治疗后，康复治疗一般要早期介入，由于人体上肢比下肢动作精细，其功能恢复的难度较大。85％的脑卒中患者在发病一开始就表现有上肢功能的损害，到了病后3～6个月，仍然有55％～75％的患者存在有上肢的问题，影响了患者的日常生活能力。对于偏瘫患者、尤其是急性期偏瘫患者来说，为了维持关节活动度，临床上通常都需要进行尽可能大范围的单关节运动。上肢运动功能主要涉及三个关节：肩关节、肘关节和腕关节，肩关节的运动是人体上臂完成各种动作的基础，肩关节本身稳定性较差，是人体中最易损伤的关节。根据有关运动创伤流行病学调查结果，上肢部分的运动创伤占22.18％，其中肩部创伤为主，占8.47％。在机械化程度提高的背景下，一些手工劳动工作还是必不可少的，会引起一些职业性的肌肉骨骼损伤流行病，其中肩部损伤约占10％。另外，肩周炎疾病在我国的发病率也很高，约为15.9％，人体肌骨机能有所下降以及其它慢性病导致的牵涉肩痛，都会引发肩周炎。同时临床上通常强调由近端关节到远端关节的逐步康复，因此肩的康复是患者上臂运动功能康复的前提；因此研制针对肩关节康复训练的设备是非常必要的。
目前，上肢康复机器人，结构较为复杂。部分多自由度上肢康复机器人中的肩关节模块，如申请号CN201610884094.2公开的一种可锻炼肩关节活动能力的康复装置，包括支架和康复训练器，所述康复训练器包括手臂锻炼机构以及肩关节锻炼机构，所述支架与手臂锻炼机构之间通过万向连接结构连接，所述肩关节锻炼机构连接在手臂锻炼机构的底部；所述肩关节锻炼机构包括摆动方向控制机构、行走机构、绕转角度控制机构以具有球面凹槽的支撑底座，所述摆动方向控制机构包括摆动控制电机以及转动盘；所述行走机构包括行走电机、连接架以及设置在行走电机主轴上的弹性胶轮，所述连接架下端与行走电机固定连接，上端铰接在所述转动盘上；所述绕转角度控制机构由气缸构成。主要存在以下技术问题：
1)驱动机构数与机器人辅助实现被动训练自由度数相同，这将导致机器人结构较为复杂，不利于实际使用。
2)驱动机构轴向尺寸过大，易与患者发生干涉，影响康复效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，包括连接板，所述连接板的一端设有螺栓，其另一端通过铰制孔用螺栓与电机减速器安装板相连；所述电机减速器安装板上安装电机和谐波减速器；所述电机输出轴连接主动同步带轮，用以驱动所述主动同步带轮运动；所述主动同步带轮通过同步带带动从动同步带轮运动；所述从动同步带轮与谐波减速器的减速器输入轴相连接，用以将动力传输给谐波减速器的波发生器；所述谐波减速器刚轮通过内六角螺钉与机器人下一关节连接，用以驱动上臂旋转运动；所述连接板的两侧分别设置肩关节屈曲限位块和肩关节伸展限位块，用以分别实现肩关节屈曲90°～135°与肩关节伸展45°～60°运动限位。本发明所述的肩关节屈曲90°～135°运动限位指的是肩关节最大屈曲角度为90°～135°，同理，伸展运动限位也是如此，最大伸展角度45°～60°。
作为优选，所述主动同步带轮以及所述从动同步带轮沿径向分别设置有两个螺钉孔，紧定螺钉拧入螺钉孔分别压紧电机轴与减速器输入轴。
作为优选，所述从动同步带轮上键槽孔与减速器输入轴及轴上键槽进行配合，实现齿轮与轴之间的运动及动力传递。
作为优选，所述谐波减速器的波发生器与减速器输入轴之间设置固定块，所述固定块通过内六角螺钉分别与所述波发生器以及所述减速器输入轴固定连接。
作为优选，所述电机的电机轴、所述谐波减速器的减速器输入轴之间的轴中心距与所述主动同步带轮、所述从动同步带轮之间的传动中心距相等。
作为优选，所述电机通过电机十字沉头螺钉安装在所述电机减速器安装板上。
作为优选，所述电机减速器安装板与所述谐波减速器的柔轮通过内六角螺钉相连接。
作为优选，在所述减速器输入轴的轴肩与所述波发生器之间安装套筒，使得所述波发生器与所述电机减速器安装板之间存在间隙，用以避免波发生器与电机减速器安装板之间产生摩擦。
作为优选，通过所述电机减速器安装板上的台阶与轴承端盖实现深沟球轴承的轴向位置的固定。
作为优选，所述减速器输入轴通过键实现轴与波发生器之间周向固定以及扭矩传递。
有益效果在于：本发明经过合理地设计，通过一个驱动机构，辅助患者在不同时刻实现肩关节屈曲/伸展和内收/外展康复训练，简化了肩关节模块结构，大大降低了制造成本，适用性广泛，实用性较强，利于推广。
另外，本发明中的驱动模块扁平化，大大减小了机器与患者身体或者周围环境的干涉几率，增大机器人活动范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块的立体图；
图2为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块的立体图；
图3为本发明实施例一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块的肩关节驱动模块剖视图；
图4为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节屈曲(外展)90°限位状态示意图；
图5为本发明实施例中的一种上肢康复机器人的肩关节伸展(内收)45°限位状态示意图。
图中，1-连接板；2-螺栓；3-电机减速器安装板；4-电机；5-铰制孔用螺栓；6-谐波减速器；7-肩关节屈曲(外展)限位块；8-肩关节伸展(内收)限位块；9-内六角螺钉；10-波发生器与输入轴固定块；11-内六角螺钉；12-内六角螺钉；13-同步带；14-主动同步带轮；15-电机轴16-从动同步带轮；17-减速器输入轴；18-十字沉头螺钉；19-内六角螺钉；20-轴承端盖；21-十字沉头螺钉；22-深沟球轴承；23-套筒。
具体实施方式
现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。
实施例1：
本发明实施例，是一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，肩关节模块主要由机械臂与立柱连接机构、肩关节驱动机构、肩关节运动限位机构等部分构成。
具体的，请参考图1和图2所示，连接板1一端通过螺栓与立柱连接，另外一端通过铰制孔用螺栓5与电机减速器安装板3连接。电机4和减速器6通过螺钉固定在电机减速器安装板3上。限位块7与8分别为肩关节屈曲(外展)90°～135°运动限位块与肩关节伸展(内收)45°～60°运动限位块。实际角度根据限位块的安装角度或者限位块的形状进行合理的选择，本发明实施例优选角度为肩关节屈曲(外展)90°以及肩关节伸展(内收)45°。其中，10为谐波减速器波发生器与减速器输入轴之间的固定块，固定块10通过内六角螺钉11和12分别与波发生器以及减速器输入轴17固定连接。电机轴15、减速器输入轴17之间的轴中心距与同步带传动中心距相等。
将肩关节驱动模块剖开，如图3所示为剖视图。图中十字沉头螺钉18为电机4与电机减速器安装板3之间的固定螺钉。电机减速器安装板3与谐波减速器6的柔轮通过内六角螺钉19相连接。
关节驱动模块中，肩关节电机4驱动主动同步带轮14运动，主动同步带轮14通过同步带13带动从动同步带轮16运动。主动同步带轮与从动同步带轮齿数相同，传动比为1:1。从动同步带轮16通过减速器输入轴17将动力传输给谐波减速器6的波发生器。主动同步带轮14、从动同步带轮16沿径向设置有两个螺钉孔，紧定螺钉拧入螺钉孔分别压紧电机轴15与减速器输入轴17，且从动同步带轮16上键槽孔与减速器输入轴17进行配合，实现齿轮与轴之间的运动与动力传递。
本发明实施例中，肩关节电机4驱动主动同步带轮14运动，主动同步带轮14通过同步带13带动从动同步带轮16运动，从动同步带轮16通过减速器输入轴17将动力传输给谐波减速器6的波发生器，并非采用常规的电机直连减速器的形式，使得驱动模块扁平化，这样可以减小与患者身体或者周围环境的干涉几率，增大机器人活动范围。
为了在轴向方向上固定轴的位置以及轴上零部件，本发明实施例中，通过电机减速器安装板3上的台阶与轴承端盖20实现深沟球轴承22轴向位置的固定。实际工作中，谐波减速器6的波发生器将随减速器输入轴17同步转动。为了避免波发生器与电机减速器安装板3之间产生摩擦，在减速器输入轴17的轴肩与波发生器之间安装套筒23以保证波发生器与电机减速器安装板3之间存在一定间隙。减速器输入轴17与波发生器固连后，通过轴上轴肩、深沟球轴承22、套筒23实现减速器输入轴17的轴向固定，局部设计如图3中的(a)、(b)所示。减速器输入轴17通过键实现轴与波发生器之间周向固定以及扭矩传递。
为了充分保障患者安全，通过设计肩关节运动机械限位块7和8，分别实现肩关节屈曲(外展)90°与肩关节伸展(内收)45°运动限位。限位状态如图4和图5所示。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：包括连接板，所述连接板的一端设有螺栓，其另一端通过铰制孔用螺栓与电机减速器安装板相连，所述电机减速器安装板上安装电机和谐波减速器，所述电机输出轴连接主动同步带轮，用以驱动所述主动同步带轮运动，所述主动同步带轮通过同步带带动从动同步带轮运动；所述从动同步带轮与谐波减速器的减速器输入轴相连接，用以将动力传递给谐波减速器的波发生器；所述谐波减速器的输出端连接机械臂下一关节，在所述连接板的两侧分别设置肩关节屈曲限位块和肩关节伸展限位块。
2.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：所述主动同步带轮以及所述从动同步带轮沿径向分别设置有两个螺钉孔，紧定螺钉拧入螺钉孔分别压紧电机轴与减速器输入轴。
3.根据权利要求2所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：所述从动同步带轮上键槽孔与减速器输入轴进行配合，实现齿轮与轴之间运动与动力的传递。
4.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：所述减速器输入轴与谐波减速器的波发生器之间设置固定块，所述固定块通过内六角螺钉分别与所述波发生器以及所述减速器输入轴固定连接，使得所述波发生器与所述减速器输入轴之间相对位置保持固定。
5.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：所述电机的电机轴、所述谐波减速器输入轴之间的轴中心距与所述主动同步带轮、所述从动同步带轮的传动中心距相等。
6.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：所述电机通过电机十字沉头螺钉安装在所述电机减速器安装板上。
7.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：所述电机减速器安装板与所述谐波减速器的柔轮通过内六角螺钉相连接。
8.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：在所述减速器输入轴的轴肩与所述波发生器之间安装套筒，使得所述波发生器与所述电机减速器安装板之间存在间隙，用以避免波发生器与电机减速器安装板之间产生摩擦。
9.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：通过所述电机减速器安装板上的台阶与轴承端盖实现深沟球轴承轴向位置的固定。
10.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人的肩关节扁平化驱动模块，其特征在于：所述减速器输入轴通过键实现轴与波发生器之间周向固定及扭矩传递。
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