CN113425548A - 一种镜像上肢康复机器人 - Google Patents

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Abstract

一种镜像上肢康复机器人属于机器人领域，将镜像疗法和运动康复的理念与机器人相结合，能够有效改善中风引起的上肢运动功能障碍；该装置主要由2个平面5R并联机构及其驱动装置、握把、手臂托架、丝杠、螺母座、导轨、滑块和固定平台组成，每个平面5R并联机构由四根连杆组成并且通过两个同轴心的输出轴提供动力，输出轴由电机通过齿轮带动由此组成驱动装置，驱动装置安装在滑块上，滑块可以沿导轨移动，两个驱动装置下方安装有螺母座，采用正反牙设置，通过电机带动丝杠转动实现螺母座的同步反向移动从而使2个平面5R并联机构适应患者双肩的宽度。本发明能够进行患者双侧上肢的协调康复运动并且结构紧凑、安全性高、交互性好、工作空间大。

Description

一种镜像上肢康复机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种镜像上肢康复机器人。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展，我国国民的生活方式和饮食结构也发生了巨大的变化，不健康的生活方式和饮食结构加上人口老龄化，导致我国脑卒中患者人数持续高速增长并且有年轻化的趋势，脑卒中已经成为我国成年人致死致残的首位原因。肢体运动功能受损是脑卒中在急症期后常见的后遗症，上肢的运动功能康复是度过急症期后治疗的重点，良好的上肢康复可以有效提高患者的生活质量。
现有的治疗方式一般是治疗师一对一进行训练康复和康复训练设备进行辅助康复训练，治疗师一对一进行康复训练不可避免地产生费用高效率低等问题，治疗效果还因治疗师的水平而有差异，现有的辅助康复训练设备大多只关注训练患侧上肢，不能进行双侧上肢的协同训练。
随着相关研究的深入，镜像康复机器人获得越来越多人的关注，其是将镜像疗法和运动康复理念与机器人技术相结合的一种治疗方式，通过健侧带动患侧运动，促进受损侧半脑与健康侧半脑进行交互，该项技术已获得研究界的验证优于单独患侧训练。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的不足之处，提供一种镜像上肢康复机器人。该镜像上肢康复机器人可以进行双侧上肢的协同训练，有效增强训练效果。该上肢康复机器人安全性高、结构简单、工作空间大、控制策略简单，可以用作家庭或社区训练装置。
本发明的技术方案如下：
本发明设计的一种镜像上肢康复机器人，其特征在于：该镜像上肢康复机器人包括2个平面5R并联机构及其驱动装置、握把(106)、手臂托架(105)、丝杠(306)、第一螺母座(326)、第二螺母座(327)、第一导轨(332)、第二导轨(333)和固定平台；
进一步，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；所述平面5R并联机构与驱动装置连接，驱动装置下底板(109)安装有第一滑块(318)、第二滑块(319)、第三滑块(320)、第四滑块(321)和第二螺母座(327)，固定平台上安装有第一导轨(332)、第二导轨(333)和丝杠(306)，右侧平面5R并联机构及其驱动装置可以通过第一滑块(318)、第二滑块(319)、第三滑块(320)和第四滑块(321)在第一导轨(332)、第二导轨(333)上移动；固定平台安装有电机(311)，左右两个驱动装置下方安装的第一螺母座(326)和第二螺母座(327)采用正反牙设置，通过电机(311)带动丝杠 (306)旋转从而实现第一螺母座(326)和第二螺母座(327)的同步反向移动，进而使左右2个平面5R并联机构适应患者双肩的宽度，同时在导轨的两端安装有第一滑块限位块(307)、第二滑块限位块(308)、第三滑块限位块(309)和第四滑块限位块(310)以防止平面5R并联机构及其驱动装置滑离滑轨。
进一步，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；第一连杆(101)通过螺钉与第一轴(117)连接，第一轴(117)为空心轴，第二轴(111)同轴心地套在第一轴(117)内，第三连杆(102)通过键与第二轴(111)连接。第一轴(117)的另一端与齿轮轴(118)连接，第二轴(111) 的另一端与第一齿轮(122)连接，两个电机带动减速器形成的驱动单元分别通过第三齿轮(134)与齿轮轴(118)的啮合和第二齿轮(132)与第一齿轮 (122)的啮合驱动第一轴(117)与第二轴(111)转动，平面5R并联机构的动力从第一连杆(101)和第三连杆(102)经第二连杆(104)和第四连杆 (103)传递到第四连杆(103)的末端以此实现握把(106)在工作空间的移动，为了保证训练期间的安全，在固定平台上有可调节平面5R并联机构运动角度的第一限位销(314)、第二限位销(315)、第三限位销(316)和第四限位销(317)，可根据治疗师的治疗方案限制5R并联机构做出超出该患者治疗方案允许的手臂活动。平面5R并联机构的输出末端能够在工作空间平面内任意方向移动，所以该镜像上肢康复机器人能够实现平面内的运动。
进一步，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；平面5R并联机构由四根连杆组成，其中，第一连杆(101)与第二连杆(104) 的长度相等，第四连杆(103)比第三连杆(102)长度长。四根连杆相连接组成一个平行四杆机构，第一连杆(101)、第二连杆(104)和第三连杆(102) 的连接处都在连杆两末端，第四连杆(103)的一个连接处在连杆末端，另一个连接处距末端连接处的距离与第三连杆(102)两连接处的距离相等。第四连杆(103)的另一末端安装有握把(106)。条件数代表了雅克比转换矩阵向各个方向的变换均一性。条件数越小，机器人的运动灵活性就越好。当条件数取最小值1时，机器人处于各向同性位，此时，机器人各个方向的运动能力均相等，灵巧性最高，各奇异值相等。条件数为0时，表明机器人处于奇异位形，算出该5R并联机构的条件数图谱以求得最佳的杆长比例。令第一连杆(101)和第二连杆(104)的长度为L1，第三连杆(102)的长度为L2，第四连杆(103)比第三连杆(102)长L3，第一连杆(101)的转动中心为A1点，第三连杆(102)的转动中心为A2点，因为第二轴(111)同轴心地套在第一轴(117)，A1点和A2点共点。以A1点和A2点为原点，以左右两侧平面 5R并联机构移动方向为X轴，以相背离移动的方向为正方向，以在平面5R 并联机构活动平面上且垂直于X轴的方向为Y轴，以人训练时正对的反方向为正方向在建立坐标系，令握把的在坐标系上的位置为P1，P1在参考系O-XY 的位置可以用位置向量P描述：
Figure BDA0003034723710000031
其中X代表P点在X轴的坐标，Y代表P点在Y轴的坐标，
在参考系O-XY，B1、B2可以被表示为：
B1＝(L1cosθ1，L1sinθ1) (2-2)
B2＝(L2cosθ2，L2sinθ2) (2-3)
其中θ1是第三连杆(102)与X轴的角度，θ2是第一连杆(101)与X轴的角度。
根据本机构的简化模型可得到下述约束方程
(X-L1cosθ1)2+(Y-Lsinθ1)2＝(L2+L3)2 (2-4)
(X-L2cosθ2)2+(Y-L2sinθ2)2＝2L1L3cos(θ1-θ2)+L1 2+La 2 (2-5)
对式(2-4)和式(2-5)求时间的导数可得
Figure BDA0003034723710000041
Figure BDA0003034723710000042
其中
Figure BDA0003034723710000043
代表对角度θ1求时间的导数，
Figure BDA0003034723710000044
代表对角度θ2求时间的导数，
Figure BDA0003034723710000045
代表对坐标X求时间的导数，
Figure BDA0003034723710000046
代表对坐标Y求时间的导数。
联立上述方程可得：
Figure BDA0003034723710000047
其中：
Figure BDA0003034723710000048
Figure BDA0003034723710000049
代表第三连杆(102)与第一连杆(101)两杆与X轴的角度对时间的导数，
Figure BDA00030347237100000410
代表末端P1位置对时间的导数。
矩阵A和矩阵B可描述为
Figure BDA00030347237100000411
Figure BDA00030347237100000412
速度雅克比矩阵表示为机器人操作空间速度与关节空间速度间的线性映射关系：
Figure BDA00030347237100000413
其中：J(θ)表示速度雅可比矩阵
所以
J(θ)＝B-1A (2-13)
其中：B-1代表矩阵B的逆
将机构的尺寸参数转化为无量纲形式，将所有参数纳入一个完全封闭的设计空间，需要确定L1、L2及L3的比例关系，
令
Figure BDA0003034723710000051
Figure BDA0003034723710000052
所以
ll+l2＝2 (2-16)
条件数的计算公式为
Figure BDA0003034723710000053
其中：K(J)代表条件数，|| ||代表任意矩阵的范数，通常取欧氏范数，J(q)代表速度雅可比矩阵，
Figure BDA0003034723710000054
代表速度雅可比矩阵的逆，m代表速度雅可比矩阵J(q)的行数，n代表速度雅可比矩阵J(q)的列数，
Figure BDA0003034723710000055
代表速度雅可比矩阵的伪逆。用matlab绘制的平面5R并联机构的条件数图谱，即算出L1、L2和L3之间各种比例的条件数，条件数越接近于1说明该平面5R并联机构的灵巧性越高，用matlab计算得当L1:L2:L3。＝0.8:1.2:0.2时平面5R并联机构的灵巧性较好，所以本设计的第一连杆(101):第二连杆(104):第三连杆(102):第四连杆 (103)：＝0.8:0.8:1.2:1.4。
进一步，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；所述右侧平面5R并联机构的输出末端有握把(106)和手臂托架(105)，训练时，前臂放在手臂托架(105)上，手握握把(106)。手臂托架(105)下方安装有振动马达(107)，训练时根据训练情况能提供触觉反馈，为了保证训练期间的安全，握把(106)上同时安装有握力传感器(160)，当握力传感器 (160)检测不到手的抓持力时，该装置停止运行，同时还能监测患者的握力变化情况形成患者的训练记录，帮助治疗师评估患者的康复情况，选择合适治疗方案。
进一步，所述平面5R并联机构有四种工作模式，训练时，左右手握住2 个平面5R并联机构输出末端握把(106)，前臂放在手臂托架(105)上，在被动模式下，2个平面5R并联机构分别按照治疗师的治疗方案带动健侧上肢和患侧上肢进行康复运动；握把(106)下方有二维力传感器(158)可以实现主动模式，在主动模式下，当患侧能够进行一些简单运动时，可以进行双侧上肢的协调训练，让健肢与患肢配合完成训练；在跟随模式下，采集健侧上肢的运动轨迹，镜像映射到患侧上肢进行康复运动；在示教模式下，健康侧的平面5R 机构将向外旋转90度移至一旁，由治疗师手握该输出末端的握把(106)带动患者患侧上肢运动，评估患者的康复情况，并根据训练数据确定训练的空间范围及训练难度。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明将镜像疗法和运动康复的理念与机器人技术相结合，使用该康复训练设备能够有效改善中风引起的上肢运动功能障碍，本发明安全性高，结构紧凑，采用模块化设计，制造维护成本低，控制策略简单，同时装有力传感器和数据采集装置，能够实时记录每位患者的康复数据，大大减轻了治疗师的工作强度，同时方便治疗师根据治疗效果选择合适治疗方案。
附图说明
图1是本发明设计的镜像上肢康复机器人的整体立体外观图；
图2是本发明设计的镜像上肢康复机器人的俯视图；
图3是本发明设计的镜像上肢康复机器人的仰视图；
图4是右侧上肢训练装置的俯视图；
图5是右侧上肢训练装置的剖视图；
图6是右侧上肢训练装置的剖视图；
图7是右侧平面5R并联机构的剖视图；
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
本实施例提供了一种镜像上肢康复机器人，参图1至图7所示，图1是本发明设计的镜像上肢康复机器人的整体立体外观图，图2是本发明设计的镜像上肢康复机器人的俯视图，图3是本发明设计的镜像上肢康复机器人的仰视图，图4是右侧训练装置的俯视图，图5是右侧训练装置的剖视图，图6 是右侧训练装置的剖视图，图7是右侧平面5R并联机构的剖视图。
本实施例提供了一种镜像上肢康复机器人，参图1至图7所示，该镜像上肢康复机器人包括2个平面5R并联机构及其驱动装置、握把106、手臂托架105、丝杠306、第一螺母座326、第二螺母座327、第一导轨332、第二导轨333和固定平台。通过手握握把106，由驱动单元带动两个平面5R并联机构实现输出末端握把的移动，从而实现上肢运动的目的，进而刺激并修复大脑的受损神经使之恢复运动功能。
本实例中，参图1所示，固定平台包括桌面301、支腿302、脚垫331、横梁303、第一加固梁329和第二加固梁330,、丝杠支撑端安装座334、丝杠支持端安装座335等，固定平台为整个设备的运行提供支撑作用。
本实例中，参图1至图3所示，丝杠支撑端304和丝杠支持端305分别安装在丝杠支撑端安装座334上和丝杠支持端安装座335上，丝杠306安装在丝杠支撑端304和丝杠支持端305上，丝杠306的一端安装有丝杠齿轮313，丝杠齿轮313与电机齿轮312啮合，通过安装在丝杠支撑端安装座334的上电机311带动电机齿轮312转动从而使丝杠306转动，左驱动单元下隔离板 209上安装有第五滑块322、第六滑块323、第七滑块324和第八滑块325，同时安装有第一螺母座326，该螺母座为正牙螺母座，右驱动单元下隔离板 109上安装有第一滑块318、第二滑块319、第三滑块320和第四滑块321，也同时安装有第二螺母座327，该螺母座为反牙螺母座，第一螺母座326和第二螺母座327同时安装在丝杠306上，由于第一螺母座326和第二螺母座327 采用正反牙设置，所以丝杠306转动时，第一螺母座326和第二螺母座327同步反向移动。横梁303上安装有第一导轨332和第二导轨333，第一滑块318、第二滑块319、第五滑块322和第八滑块325安装在第一导轨332上，在第一导轨332上移动，第三滑块320、第四滑块321、第六滑块323和第七滑块324安装在第二导轨333上，在第二导轨333上移动，所以左驱动装置及其相连的5R并联机构和右驱动装置及其相连的5R并联机构的重量主要有第一导轨332和第二导轨333承担并传递到横梁303上，丝杠306、第一螺母座326和第二螺母座327只起到移动左驱动装置和右驱动装置以适应患者双肩宽度的作用，同时为防止滑块脱离导第一导轨332和第二导轨333，第一导轨332的两端通过螺钉安装有第一滑块限制块307和第四滑块限制块310，第二导轨333的两端通过螺钉安装有第二滑块限制块308和第三滑块限制块309。
本实例中，参图4至图6所示，右驱动单元包括中间支撑板108，上隔离板110、下隔离板109，下隔离板109上有螺纹孔，与第一螺母座326(图3 所示)、第一滑块318(图3所示)、第二滑块319(图3所示)、第三滑块320 (图3所示)和第四滑块321(图3所示)连接，上隔离板110和中间支撑板 108之间通过支撑柱139和支撑柱133和与之相同的其他两个支撑柱连接，下隔离板109和中间支撑板108之间也通过与支撑柱139相同的四个支撑柱连接，中间支撑板108的上下两面分别安装有第一减速器支撑座130和第二减速器支撑座131，第一减速器支撑座130、第二减速器支撑座131和中间支撑板108之间通过螺钉连接，第二减速器129和电机127连接，然后通过第二减速器支撑座131固定在中间支撑板108上，第二减速器129输出轴通过键 135将动力传给第三齿轮134，第三齿轮134一侧依靠第二减速器129的输出轴的轴肩定位，另一侧依靠轴端挡圈138定位防止其轴向方向上的移动。第二减速器129输出轴上的第三齿轮134将动力传给齿轮轴118，齿轮轴118与第一轴117通过法兰连接，将动力传给第一轴117，齿轮轴118和第一轴117 通过法兰连接成一整体；轴承119安装在中间支撑板108上，轴承119一侧通过中间支撑板108上的孔肩定位，一侧通过轴承透盖120定位限制其轴向移动，齿轮轴118通过轴承119安装在中间支撑板108上，轴端挡圈121和齿轮轴118上的轴肩限制了齿轮轴118的轴向移动，因为齿轮轴118和第一轴117通过法兰连接，所以第一轴117也不会产生轴向移动，为了防止其产生横向晃动，第一轴通过轴承116穿过上隔离板110与第一连杆101通过螺栓相连，轴承116一侧通过上隔离板110孔肩定位，另一侧通过轴承透盖115定位，齿轮轴118和第一轴117都是空心轴，第二轴111同轴心套入其中。
本实例中，参图4至图6所示，第二轴111是通过间接安装在中间支撑板108上的与电机127相同的电机提供动力，该电机与第一减速器128相连接，第一减速器128通过第一减速器座130连接在中间支撑板108上，第一减速器128输出轴通过键136将动力传送给第二齿轮132，第二齿轮132一侧依靠第一减速器128输出轴的轴肩定位，另一侧依靠轴端挡圈137定位防止其轴向方向上的移动，第二齿轮132通过和第一齿轮122的啮合将动力传送给第一齿轮122，同时第第一齿轮122和第二轴111通过键连接，所以第二轴 111能给第三连杆102输出动力，在下隔离板109上安装有轴承124，轴承124 一侧通过下隔离板109上的孔肩进行定位，一侧通过轴承透盖126定位限制其轴向移动，为了防止第二轴111和第一齿轮122的轴向移动，第二轴111 上有第一齿轮122的定位轴肩，第一齿轮122一端面与轴肩接触另一端面通过套筒123顶在轴承124上，同时第四轴端挡圈125安装在第二轴111的轴端上以此实现第二轴111轴向上的定位，从而限制了第二轴111的轴向移动，为了防止第二轴111，产生横向晃动，在第一轴117内安装有轴承112和轴承 113，轴承112通过第一轴117上的孔肩进行定位，轴承112和轴承113之间有套筒114，同时通过第一连杆101来压紧轴承113，限制其轴向移动，第二轴111同轴心套在第一轴117内通过轴承112和113实现自由转动且能进行横向的定位，所以第二轴111不会产生横向的晃动，左驱动单元同理进行动力的传送,。
本实例中，参图7所示，以右侧平面5R并联机构为例，第一轴117与第一连杆101通过螺栓连接传递动力，第二轴111与第三连杆102通过键传递动力，为了防止其产生轴向移动，用螺钉将第二轴111与第三连杆102连接，所以第一轴117的动力传递给第一连杆101，第二轴111的动力传递给第三连杆102，第一连杆101和第三连杆102只能绕第一轴117和第二轴111的转动中心旋转，平面5R并联机构的动力从第一连杆101和第三连杆102经第二连杆104和第四连杆103传递到第四连杆103的末端上的握把106形成该平面 5R并联机构的输出末端，以此实现其在工作空间的移动。第一连杆101和第四连杆103之间的传动通过轴承142和144实现，第一连杆101一端与第二轴111连接，另一端安装有轴承142和144，关节轴140安装在第四连杆103 上，为了增加与关节轴140与第一连杆101的接触长度，第一连杆101上的轴承142和轴承144采用中间装有套筒143的安装方式，轴承142和套筒143 和轴承144组合体一端通过第一连杆101上的孔肩进行定位，另一端由安装在第一连杆101上的轴承透盖141压紧限制其轴向移动，连杆103一端与第一连杆101连接，中间处与第二连杆104连接，第二连杆104的两端都打有通孔留有孔肩，两端都安装有轴承，同时，都采用两轴承中间装有套筒的安装方式，该组合体一端通过孔肩进行定位，另一端由轴承透盖压紧限制其轴向移动，与第四连杆103连接时，第二连杆104上的轴承148和套筒149和轴承150组合体一端通过第二连杆104上的孔肩进行定位，一端由安装在第二连杆104上的轴承挡圈147限制其轴向移动，第四连杆103中间处安装有关节轴146，关节轴146套进轴承148和轴承150内，一端通过关节轴146的轴肩定位，一端通过轴端挡圈151进行定位，第二连杆104和第三连杆102 同理连接，所以，平面5R并联机构的动力从第一连杆101和第三连杆102经第二连杆104和第四连杆103传递到第四连杆103的末端形成该平面5R并联机构的输出末端，以此实现其在工作空间的移动，该侧平面5R并联机构的输出末端即为连杆的末端，该末端安装有二维传感器安装座152，二维传感器安装座152与轴承154和轴承156连接，轴承154和轴承156连接安装在第四连杆103上，安装在第四连杆103上的轴承154和套筒155和轴承156一端通过第四连杆103上的孔肩进行轴向定位，一端通过安装在第四连杆103上的轴承透盖153进行轴向定位，二维传感器安装座152一端通过其轴肩定位，一端通过轴端挡圈157限制其轴向移动，所以二维传感器安装座152可以相对第四连杆103转动，二维传感器安装座152上通过螺钉安装有二维传感器 158，手臂托架安装座159通过螺钉安装在二维力传感器158上，手臂托架105 和震动马达107安装在手臂托架安装座159上，握把106也是一个握力传感器安装在手臂托架安装座上，其能够随时监测握力变化，当握力为零时即停止运行。左侧平面5R并联机构结构与右侧相同，参图1所示，可复现其运动过程。参图1所示，在桌面301上左边和右边有刻度盘，每经过一定位置留有一螺纹孔，第一限位销314、第二限位销315可以限制右侧平面5R并联机构的运动范围、第三限位销316、第四限位销317可以限制左侧平面5R并联机构的运动范围，所述限位块可以根据治疗师的治疗方案中的活动空间选择安装位置，防止程序或电路出现故障导致患者受伤的事件发生。
本发明提供一种镜像上肢康复装置，具有如下有益效果：
1)该方法是将镜像疗法和运动康复理念与机器人技术相结合的一种治疗方式，通过健侧带动患侧运动，促进受损侧半脑与健康侧半脑进行交互，该项技术已获得研究界的验证优于单独患侧训练。。
2)与外骨骼式相比，该装置安全性更高，控制更为简单，穿戴更加方便，结构更为轻便更加适用于家庭和社区治疗。
3)利用平面5R并联机构，具有较大的刚度，动力源与执行末端较远，具有较小的惯性，并且算出来该平面5R并联机构的性能指标，选用最合适的杆长比例以取得最好的训练效果。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (5)

1.一种镜像上肢康复机器人，其特征在于：该镜像上肢康复机器人包括两个平面5R并联机构及其驱动装置、握把(106)、手臂托架(105)、第一导轨(332)、第二导轨(333)、丝杠(306)、第一螺母座(326)、第二螺母座(327)和固定平台；
所述平面5R并联机构与驱动装置连接并由驱动装置驱动，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；右侧驱动装置分别通过螺钉与第一滑块(318)、第二滑块(319)、第三滑块(320)、第四滑块(321)和第二螺母座(327)连接，第一导轨(332)、第二导轨(333)和丝杠(306)安装在固定平台上，右侧平面5R并联机构及其驱动装置通过第一滑块(318)、第二滑块(319)、第三滑块(320)和第四滑块(321)在第一导轨(332)和第二导轨(333)上移动，所以平面5R并联机构及其驱动装置相对固定平台的左右移动，同时在第一导轨(332)和第二导轨(333)的两端安装有第一滑块限位块(307)、第二滑块限位块(308)、第三滑块限位块(309)和第四滑块限位块(310)以防止平面5R并联机构及其驱动装置滑离滑轨，左右两侧驱动装置下方安装的第一螺母座(326)和第二螺母座(327)采用正反牙设置，通过电机(311)带动丝杠(306)旋转从而实现第一螺母座(326)和第二螺母座(327)的同步反向移动，进而使2个平面5R机构适应患者双肩的宽度。
2.根据权利要求1所述的一种镜像上肢康复机器人，其特征在于，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置说明，左侧同理：第一连杆(101)通过螺钉与第一轴(117)连接，第一轴(117)为空心轴，第二轴(111)同轴心地套在第一轴(117)内，第三连杆(102)通过键与第二轴(111)连接；第一轴(117)的另一端与齿轮轴(118)连接，第二轴(111)的另一端与第一齿轮(122)连接，两个电机带动减速器形成的驱动单元分别通过第三齿轮(134)与齿轮轴(118)的啮合和第二齿轮(132)与第一齿轮(122)的啮合驱动第一轴(117)与第二轴(111)转动，平面5R并联机构的动力从第一连杆(101)和第三连杆(102)经第二连杆(104)和第四连杆(103)传递到第四连杆(103)的末端以此实现握把(106)在工作空间的移动，为了保证训练期间的安全，在固定平台上有可调节平面5R并联机构运动角度的第一限位销(314)、第二限位销(315)、第三限位销(316)和第四限位销(317)；平面5R并联机构的输出末端能够在工作空间平面内任意方向移动，所以该镜像上肢康复机器人能够实现平面内的运动。
3.根据权利要求1所述的一种镜像上肢康复机器人，其特征在于：以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；平面5R并联机构由四根连杆组成，其中，第一连杆(101)与第二连杆(104)的长度相等，第四连杆(103)比第三连杆(102)长度长；四根连杆相连接组成一个平行四杆机构，第一连杆(101)、第二连杆(104)和第三连杆(102)的连接处都在连杆两末端，第四连杆(103)的一个连接处在连杆末端，另一个连接处距末端连接处的距离与第三连杆(102)两连接处的距离相等；第四连杆(103)的另一末端安装有握把(106)；条件数代表了雅克比转换矩阵向各个方向的变换均一性；条件数越小，机器人的运动灵活性就越好；当条件数取最小值1时，机器人处于各向同性位，此时，机器人各个方向的运动能力均相等，灵巧性最高，各奇异值相等；条件数为0时，表明机器人处于奇异位形，算出该5R并联机构的条件数图谱以求得最佳的杆长比例；
令第一连杆(101)和第二连杆(104)的长度为L1，第三连杆(102)的长度为L2，第四连杆(103)比第三连杆(102)长L3，第一连杆(101)的转动中心为A1点，第三连杆(102)的转动中心为A2点，因为第二轴(111)同轴心地套在第一轴(117)，A1点和A2点共点；以A1点和A2点为原点，以左右两侧平面5R并联机构移动方向为X轴，以相背离移动的方向为正方向，以在平面5R并联机构活动平面上且垂直于X轴的方向为Y轴，以人训练时正对的反方向为正方向在建立坐标系，令握把的在坐标系上的位置为P1，P1在参考系O-XY的位置用位置向量P描述：
Figure FDA0003034723700000021
其中X代表P点在X轴的坐标，Y代表P点在Y轴的坐标，
在参考系O-XY，B1、B2被表示为：
B1＝(L1cosθ1，L1sinθ1) (1-2)
B2＝(L2cosθ2，L2sinθ2) (1-3)
其中θ1是第三连杆(102)与X轴的角度，θ2是第一连杆(101)与X轴的角度；
根据本机构的简化模型得到下述约束方程
(X-L1cosθ1)2+(Y-Lsinθ1)2＝(L2+L3)2 (1-4)
(X-L2cosθ2)2+(Y-L2sinθ2)2＝2L1L3cos(θ1-θ2)+L1 2+L3 2 (1-5)
对式(1-4)和式(1-5)求时间的导数可得
Figure FDA0003034723700000031
Figure FDA0003034723700000032
其中
Figure FDA0003034723700000033
代表对角度θ1求时间的导数，
Figure FDA0003034723700000034
代表对角度θ2求时间的导数，
Figure FDA0003034723700000035
代表对坐标X求时间的导数，
Figure FDA0003034723700000036
代表对坐标Y求时间的导数；
联立上述方程得：
Figure FDA0003034723700000037
其中：
Figure FDA0003034723700000038
Figure FDA0003034723700000039
代表第三连杆(102)与第一连杆(101)两杆与X轴的角度对时间的导数，
Figure FDA00030347237000000310
代表末端P1位置对时间的导数；
矩阵A和矩阵B可描述为
Figure FDA00030347237000000311
Figure FDA00030347237000000312
速度雅克比矩阵表示为机器人操作空间速度与关节空间速度间的线性映射关系：
Figure FDA00030347237000000313
其中：J(θ)表示速度雅可比矩阵
所以
J(θ)＝B-1A (1-13)
其中：B-1代表矩阵B的逆
将机构的尺寸参数转化为无量纲形式，将所有参数纳入一个完全封闭的设计空间，需要确定L1、L2及L3的比例关系，
令
Figure FDA0003034723700000041
Figure FDA0003034723700000042
所以
l1+l2＝2 (1-16)
条件数的计算公式为
Figure FDA0003034723700000043
其中：K(J)代表条件数，|| ||代表任意矩阵的范数，通常取欧氏范数，J(q)代表速度雅可比矩阵，
Figure FDA0003034723700000044
代表速度雅可比矩阵的逆，m代表速度雅可比矩阵J(q)的行数，n代表速度雅可比矩阵J(q)的列数，
Figure FDA0003034723700000045
代表速度雅可比矩阵的伪逆；
用matlab绘制的平面5R并联机构的条件数图谱，即算出L1、L2和L3之间各种比例的条件数，第一连杆(101):第二连杆(104):第三连杆(102):第四连杆(103)：＝0.8:0.8:1.2:1.4。
4.根据权利要求1所述的一种镜像上肢康复机器人，以右侧平面5R并联机构及其驱动装置举例说明，左侧同理；其特征在于：平面5R并联机构的输出末端有握把(106)和手臂托架(105)，训练时，前臂放在手臂托架(105)上，手握握把(106)；手臂托架(105)下方安装有振动马达(107)，训练时根据训练情况能提供触觉反馈，为了保证训练期间的安全，握把上同时安装有握力传感器(160)，当握力传感器(160)检测不到手的抓持力时，该装置停止运行。
5.根据权利要求1所述的一种镜像上肢康复机器人，其特征在于，在训练时，将健康上肢侧的平面5R并联机构向外转动90度移至一旁，由治疗师握住握把，指导患者进行镜像训练，此时由治疗师带动患者患侧上肢进行训练，治疗师根据患者反馈调整训练空间和训练难度的大小。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113996025A (zh) * 2021-10-25 2022-02-01 上海机器人产业技术研究院有限公司 平面康复镜像机器人控制系统及训练模式实现方法
CN114176997A (zh) * 2021-11-19 2022-03-15 同济大学浙江学院 主动式双上肢协调康复器
CN116394230A (zh) * 2023-05-26 2023-07-07 深圳市越锋智能科技有限公司 一种上身助力外骨骼机器人

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010201111A (ja) * 2009-03-06 2010-09-16 Akita Prefecture 上肢リハビリテーション支援装置
CN204712050U (zh) * 2015-05-27 2015-10-21 广州航海学院 一种冗余驱动三维平动并联机构
CN105291090A (zh) * 2015-10-30 2016-02-03 清华大学 一种并联式宏微高精度运动平台
CN106512329A (zh) * 2017-01-03 2017-03-22 上海卓道医疗科技有限公司 一种带柔性关节的平面上肢康复训练机器人
CN107175652A (zh) * 2017-05-12 2017-09-19 北京工业大学 一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构
CN107961503A (zh) * 2017-12-11 2018-04-27 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种上肢镜像训练设备
CN108186279A (zh) * 2017-12-27 2018-06-22 北京工业大学 一种用于康复外骨骼机构的旋内旋外关节
CN110974615A (zh) * 2019-12-07 2020-04-10 中国科学院宁波工业技术研究院慈溪生物医学工程研究所 一种产生镜像运动的方法以及镜像运动装置
CN111110509A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 南京理工大学 一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人
CN211512547U (zh) * 2019-12-09 2020-09-18 马芳州 一种上肢康复训练桌

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010201111A (ja) * 2009-03-06 2010-09-16 Akita Prefecture 上肢リハビリテーション支援装置
CN204712050U (zh) * 2015-05-27 2015-10-21 广州航海学院 一种冗余驱动三维平动并联机构
CN105291090A (zh) * 2015-10-30 2016-02-03 清华大学 一种并联式宏微高精度运动平台
CN106512329A (zh) * 2017-01-03 2017-03-22 上海卓道医疗科技有限公司 一种带柔性关节的平面上肢康复训练机器人
CN107175652A (zh) * 2017-05-12 2017-09-19 北京工业大学 一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构
CN107961503A (zh) * 2017-12-11 2018-04-27 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种上肢镜像训练设备
CN108186279A (zh) * 2017-12-27 2018-06-22 北京工业大学 一种用于康复外骨骼机构的旋内旋外关节
CN110974615A (zh) * 2019-12-07 2020-04-10 中国科学院宁波工业技术研究院慈溪生物医学工程研究所 一种产生镜像运动的方法以及镜像运动装置
CN211512547U (zh) * 2019-12-09 2020-09-18 马芳州 一种上肢康复训练桌
CN111110509A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 南京理工大学 一种可互换且避奇异的七自由度上肢外骨骼康复机器人

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113996025A (zh) * 2021-10-25 2022-02-01 上海机器人产业技术研究院有限公司 平面康复镜像机器人控制系统及训练模式实现方法
CN114176997A (zh) * 2021-11-19 2022-03-15 同济大学浙江学院 主动式双上肢协调康复器
CN114176997B (zh) * 2021-11-19 2022-06-14 同济大学浙江学院 主动式双上肢协调康复器
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