CN113476275A - 一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人 - Google Patents

一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，包括驱动模块、套管、球导轮、球导轮固定架、柔索、套管支撑、过轮、T型台、座椅、支撑框架。七组驱动模块集中安装在支撑框架底部，也可按需求任意布置。根据布置形式的不同，柔索可经套管、过轮传动至球导轮。球导轮由球导轮固定架约束于支撑框架上，球导轮随柔索输出方向的改变发生相应的转动。柔索末端连接至T型台，T型台顶部的两端点分别连接两根柔索，T型台底部的端点连接三根柔索，通过T型台带动患肢实现康复训练。本发明所涉及的装置能够实现柔索空间定点、多方位的灵活输出。

Description

一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人
技术领域
本发明涉及一种上肢康复机器人，特别涉及一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人。
背景技术
随着全球人口老龄化的加剧，加上自然灾害、突发事故等后天原因，导致运动功能障碍患者人数也在日渐增长，人们对康复服务的需求也在不断增加。通过机器人实现上肢康复训练具有独特优势，不仅满足了患有运动功能障碍的康复医疗需求，提高了患者的独立生活能力，而且对于保证社会和谐稳定有着积极的意义。
上肢康复机器人能够在较长时间内持续进行繁杂的康复训练动作，且机器人系统容易完成多种力/位控制策略。通过上肢康复机器人对患肢实现康复治疗相对于人工康复治疗来说，具有康复训练精准、低成本、高效率等优点。一种绳牵引上肢康复机器人及其控制方法(CN102525812A)通过3根绳索牵引托板，带动患者上肢完成康复训练任务。但该上肢康复机器人本身具有不完整约束特性，对于空间内复杂的位控及力控实现有一定的难度。一种并联柔索驱动上肢康复机器人及其实施方法(CN10510110884A)通过七根柔索实现上肢康复训练，采用了周转机构使得过轮可跟随柔索转动，但柔索绕过轮轴线方向的转动过程中柔索的输出点会发生变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，可以协助患者进行康复训练。
本发明提到的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，包括驱动模块1、套管2、球导轮3、球导轮固定架4、柔索5、套管支撑6、过轮7、T型台8、座椅9、支撑框架10；驱动模块1设有七组，集中安装在支撑框架10底部，也可根据实际需求任意布置，柔索5从驱动模块1输出；根据布置形式的不同，柔索5可经套管2、过轮7传动至球导轮3，其中，支撑框架10上安装有套管支撑6约束套管2位置，球导轮3设有七组，通过球导轮固定架4固定在支撑框架10上，球心位置固定，球导轮3可随着柔索5方向的改变发生相应的转动，从而实现柔索空间定点输出。
从球导轮3输出的柔索5末端连接到T型台8，患者肘关节位于T型台8顶部，腕关节位于T型台8底部，T型台8底部由三组驱动单元驱动，T型台8顶部的两端点分别由两组驱动单元驱动，柔索5带动T型台8，从而带动患者进行上肢康复训练完成康复动作。
上述的驱动模块1共有七组，可集中布置安装在支撑框架10的底部，驱动模块1也可根据实际需求任意布置，驱动模块1主要由驱动电机1-1、牵引轮1-2、电机安装架1-3和套管口1-4组成，电机安装架1-3将驱动电机1-1约束在支撑框架10上，驱动电机1-1输出轴上装有牵引轮1-2，牵引轮1-2表面具有螺旋凹槽，凹槽直径与柔索5直径相同，用于导引柔索5排布，套管口1-4外接套管2，柔索5从驱动模块1输出后，经套管口1-4输入套管2内部，套管口1-4为阶梯圆柱件，通过电机安装架1-3内部的阶梯孔固定。
上述的柔索5根据布置形式的不同，可经套管2、过轮7传动至球导轮3，套管2可跟随球导轮3转动；柔索5从驱动模块1输出，通过过轮7改变传动方向，沿支撑框架10的竖直杆上下传动，进入安装在过轮7上方的套管2内部，再通过套管2传动到球导轮3内部，其中，支撑框架10上安装有套管支撑6约束套管2位置。
上述的球导轮由半球体3-1、中球体3-2、球盖3-3、套管接头3-4、导向轮3-5、瓷眼3-6、光轴3-7、套筒3-8、轴承3-9、联轴器3-10、磁铁3-11、磁电式编码器3-12、螺栓及螺母组成，球导轮3的三部分球体由两套螺栓螺母固定，导向轮3-5夹装于半球体3-1与中球体3-2之间，通过顶丝固定在光轴3-7上，进一步通过套筒3-8、轴承3-9定位在球导轮3内部，导向轮3-5可随球导轮3实现三自由度的转动并可绕自身轴线转动，整体轴装配安装于球导轮3的出线口处。
上述的磁电式编码器3-12通过螺栓螺母固定于球盖3-3的内部凹槽，联轴器3-10固定在光轴3-7端面上，其内装有磁铁3-11随光轴3-7转动，光轴3-7、磁铁3-11及磁电式编码器3-12为同轴正心安装，磁电式编码器3-12通过测量导向轮3-5的转动来间接测量柔索5的伸缩量。
上述的柔索5从靠近球心处的套管接头3-4输入球导轮3后，经导向轮3-5，与导向轮3-5相切，从夹装在半球体3-1和中球体3-2之间的瓷眼3-6输出，输出的柔索5反向延长线始终经过球心；球导轮3进线口处为圆锥凹槽，作为套管2的活动空间，套管接头3-4固定于圆锥顶点处，其轴线指向球导轮3球心。
上述的球导轮固定架4由底座4-1、球导轮盖4-2组成，球导轮3在底座4-1和球导轮盖4-2的约束下，球心位置固定，球导轮固定架4与球导轮3装配后球体裸露部分为柔索5的输入输出空间；当柔索5输出方向发生改变时，球导轮3跟随柔索5发生相应的转动，球心位置不变，实现柔索5定点输出，底座4-1设有圆弧形轨道，套管2在套管支撑6的约束下沿底座4-1的圆弧形轨道传动至球导轮3入线口处，底座4-1中圆弧形轨道可避免套管2发生折弯。
从球导轮3输出的柔索5末端连接至T型台8，牵引T型台8带动患者上肢完成空间六自由度的运动，患者肘关节位于T型台8的顶部，腕关节位于T型台8底部，T型台8底部由三组驱动单元驱动，T型台8顶部的两端点分别由两组驱动单元驱动，柔索5带动T型台8运动，从而带动患者进行上肢康复训练完成康复动作。
本发明与现有技术相比，其有益效果具体如下：
(1)并联柔索驱动上肢康复机器人采用套管作为柔索的传动装置，套管的使用使得柔索的方向易改变，不易发生干涉，安装使用灵活；
(2)本发明具有柔索定点输出功能，球导轮在跟随柔索转动过程中，柔索输出方向反向延长线始终经过球心，球导轮在球导轮固定架约束下球心固定，球心位置为运动学分析时的理论定点，为并联柔索机器人的运动学分析提供了位置固定的驱动点；
(3)球导轮可跟随柔索传动方向的变化而转动，柔索可实现多方位灵活输出，避免柔索与驱动机构输出点之间的摩擦；
(4)本发明机器人采用模块化设计，主体机构简单，成本低，安装使用灵活；
(5)本发明所采用的并联柔索机器人具有完整的约束特性，通过球导轮输出七根柔索实现前臂空间六自由度的运动，易于实现空间多方位任意大小的力控制；
附图说明
图1为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人总体装配图；
图2为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人球导轮爆炸图；
图3为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人磁电式编码器装配示意图；
图4为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人球导轮内柔索走线图；
图5为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人球导轮内柔索定心输出原理图；
图6为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人球导轮固定架结构爆炸图；
图7为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人球导轮固定架底座俯视图；
图8为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人驱动模块爆炸图；
图9为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人驱动模块套管口结构示意图；
图10为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人柔索传动路线示意图；
图11为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人T型台柔索接线示意图；
图12为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人开展肩关节屈伸训练示意图；
图13为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人开展肘关节屈伸训练示意图；
图14为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人开展肩关节外展内收训练示意图；
图15为一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人开展肩关节内旋外旋训练示意图；
图中：1-驱动模块；2-套管；3-球导轮；4-球导轮固定架；5-柔索；6-套管支撑；7-过轮；8-T型台；9-座椅；10-支撑框架。
具体实施方式
结合附图1，对本发明作进一步的描述：
本发明提到的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，包括驱动模块1、套管2、球导轮3、球导轮固定架4、柔索5、套管支撑6、过轮7、T型台8、座椅9、支撑框架10，通过七根柔索5实现患者上肢空间六自由度的运动，同时在球导轮3的协调工作下，实现柔索5空间定点输出。
驱动模块1设有七组，集中安装在支撑框架10底部，也可根据实际需求任意布置；根据布置形式的不同，柔索5从驱动模块1输出，可经套管2、过轮7传动至球导轮3，支撑框架10上安装有套管支撑6约束套管2位置；柔索5可经套管2直接传动至底部四组球导轮3；也可通过过轮7改变传动方向，沿支撑框架10的竖直杆上下传动，进入安装在过轮7上方的套管2内部，通过套管2传动至顶部三组球导轮3；根据布置形式的不同，柔索5传动方式不同；
球导轮3通过球导轮固定架4固定在支撑框架10上，在球导轮固定架4约束下球心位置固定，球导轮3可随着柔索5方向的改变发生相应的转动，输出的柔索5反向延长线始终经过球导轮3中心，从而实现空间定点输出；从球导轮3输出的柔索末端连接到T型台8，T型台8顶部的两端点分别连接两根柔索5，T型台8底部的端点连接三根柔索5，七根柔索牵引T型台8完成空间六自由度的运动，包括肩屈伸、肘屈伸、肩外展内收、肩内旋外旋等复杂的康复动作。
结合附图2、附图3，对本发明作进一步的描述：
所述的球导轮3由半球体3-1、中球体3-2、球盖3-3、套管接头3-4、导向轮3-5、瓷眼3-6、光轴3-7、套筒3-8、轴承3-9、联轴器3-10、磁铁3-11、磁电式编码器3-12、螺栓、螺母组成，球导轮3的三部分球体由两套螺栓螺母固定，导向轮3-5夹装于半球体3-1与中球体3-2之间，通过顶丝固定在光轴3-7上，进一步通过套筒3-8、轴承3-9定位在球导轮3内部，整体轴装配通过球导轮3内部结构固定在球导轮3的出线口处，导向轮3-5可随球导轮3实现三自由度的转动并可绕自身轴线转动；
所述的磁电式编码器3-12通过螺栓螺母固定在球导轮3的球盖3-3的凹槽中，联轴器3-10固定在光轴3-7端面上，其内装有磁铁3-11随光轴3-7转动，其中，光轴3-7、磁铁3-11及磁电式编码器3-12为同轴正心安装，磁电式编码器3-12通过测量导向轮3-5的转动来间接测量柔索5的伸缩量。
结合附图4、附图5对本发明作进一步的描述：
所述的柔索5从靠近球心处的套管接头3-4输入球导轮3后，经导向轮3-5导向，从夹装在半球体3-1和中球体3-2之间的瓷眼3-6输出，输出的柔索5反向延长线始终经过球心；球导轮3进线口处为三部分球体组合而成的圆锥体凹槽，作为套管2的活动空间，套管接头3-4固定于圆锥顶点处，其轴线指向球导轮3球心，柔索5从套管接头3-4输入至球导轮3球心，与导向轮3-5相切；球导轮固定架4与球导轮3装配后球体裸露部分为柔索5的输入输出空间，当输出的柔索5方向发生转动时，球导轮3内部的导向轮3-5跟随转动，球导轮3也发生相应转动，球导轮3在球导轮固定架4的约束下定心转动，从而实现柔索5定点输出。
结合附图6、附图7对本发明作进一步的描述：
所述的球导轮固定架4由底座4-1、球导轮盖4-2组成，球导轮3被底座4-1和球导轮盖4-2约束在支撑框架10上，球心位置固定，当柔索5输出方向发生改变时，球导轮3跟随柔索5发生相应的转动，底座4-1的圆弧形轨道使输入球导轮3的套管2沿固定圆弧路径，避免套管2发生折弯，使套管2传动顺滑，球导轮固定架4与球导轮3装配后球体的裸露部分为柔索5的输入输出空间。
结合附图8、附图9对本发明作进一步的描述：
所述的驱动模块1共有七组，集中布置在支撑框架10的底部，驱动模块1也可根据实际需求任意布置，驱动模块1主要由驱动电机1-1、牵引轮1-2、电机安装架1-3和套管口1-4组成，驱动电机1-1与电机安装架1-3配合安装，固定在支撑框架10上，驱动电机1-1输出轴上装有牵引轮1-2，牵引轮1-2表面具有螺旋凹槽，牵引轮1-2表面具有螺旋凹槽，凹槽直径与柔索5直径相同，用于导引柔索5排布，套管口1-4外接套管2，柔索5经套管口1-4输入套管2内部，套管口1-4为阶梯圆柱件，可通过电机安装架1-3内部的阶梯孔固定。
结合附图10，对本发明作进一步的描述：
所述的柔索5根据布置形式的不同，可经套管2、过轮7传动至球导轮3，套管2可跟随球导轮3转动；柔索5从驱动模块1输出，可通过套管2直接传动至底部球导轮3；柔索5从驱动模块1输出后，也可经过轮7改变传动方向，沿支撑框架10的竖直杆上下传动，进入安装在过轮7上方的套管2内部，再通过套管2传动到顶部球导轮3，其中，支撑框架10上安装有套管支撑6用于约束套管2位置。
结合附图11，对本发明作进一步描述：
球导轮3输出的柔索5连接至T型台8，牵引T型台8带动患者上肢完成空间六自由度的运动，患者肘关节位于T型台8的顶部，腕关节位于T型台8底部，T型台8顶部的两端点分别由两根柔索5驱动，T型台8底部的端点由三根柔索5驱动，七根柔索5牵引T型台8，从而带动患者进行上肢康复训练完成康复动作。
结合附图12-附图15，具体的康复动作包括如下：
(1)肩关节的屈伸：座椅9固定不动，七组驱动模块1通过球导轮3实现柔索5定点输出，柔索5带动T型台8，带动上肢肘关节与手部以相同的角速度围绕肩关节上下转动，可实现肩关节在竖直平面内的屈伸；座椅9左右转动，柔索5带动T型台8实现上肢肘关节和手臂以与座椅速度相反的角速度围绕肩关节水平转动，可实现肩关节在水平面内的屈伸。
(2)肘关节屈伸：座椅9固定不动，T型台8顶部的四根柔索5带动大臂围绕肩关节转动，T型台8末端的三根柔索5带动前臂围绕肘关节转动，从而实现肘关节的屈伸。
(3)肩关节外展内收：座椅9转动90°后固定不动，驱动模块1通过球导轮3牵引柔索5协调带动上肢肘关节与手部以相同角速度在冠状面内围绕肩关节转动，可实现肩关节的外展和内收。
(4)肩关节内旋外旋：座椅9固定不动，驱动模块1通过球导轮3牵引柔索5带动T型台8绕自身轴线转动，从而带动前臂围绕上肢转动，实现肩关节的内旋和外旋。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，包括驱动模块、套管、球导轮、球导轮固定架、柔索、套管支撑、过轮、T型台、座椅、支撑框架，其特征在于：所述的驱动模块集中安装在支撑框架底部，也可根据需求任意布置；柔索通过套管、过轮传动至球导轮，支撑框架上安装有套管支撑约束套管位置；球导轮由球导轮固定架约束在支撑框架上，球心位置固定，输出的柔索反向延长线始终经过球导轮中心，实现柔索定点输出；从球导轮输出的柔索末端连接到T型台，牵引T型台带动患者进行上肢康复训练完成康复动作。
2.根据权利要求1所述的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征在于：所述的球导轮由半球体、中球体、球盖、套管接头、导向轮、瓷眼、光轴、套筒、轴承、联轴器、磁铁、磁电式编码器、螺栓、螺母组成，导向轮夹装于半球体与中球体之间，通过顶丝紧固在光轴上，进一步通过套筒、轴承定位在球导轮内部，导向轮可随球导轮实现三自由度的转动并绕自身轴线转动。
3.根据权利要求1所述的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征在于：所述的球导轮内部安装有磁电式编码器，磁电式编码器通过螺栓螺母固定在球导轮的球盖上，联轴器内装有磁铁固定在光轴端面上，光轴、磁铁及磁电式编码器为同轴正心安装，磁电式编码器通过测量导向轮的转动来间接测量柔索的伸缩量。
4.根据权利要求1所述的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征在于：所述的柔索从靠近球心处的套管接头输入球导轮后，与导向轮相切，从夹装在半球体和中球体之间的瓷眼输出；球导轮进线口处为圆锥凹槽，作为套管的活动空间，套管接头固定于圆锥顶点处，其轴线指向球导轮球心；当柔索输出方向发生改变，球导轮跟随柔索发生相应的转动，输出的柔索反向延长线始终经过球心。
5.根据权利要求1所述的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征在于：所述的球导轮固定架由底座、球导轮盖组成，球导轮在底座和球导轮盖的约束下球心始终是一个定点，当柔索输出方向发生改变时，球导轮跟随柔索发生相应的转动，柔索反向延长线始终经过球心，从而实现柔索定点输出；套管沿底座上的圆弧轨道传动，避免发生折弯，球导轮固定架与球导轮装配后球体的裸露部分为柔索的活动空间。
6.根据权利要求1所述的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征在于：所述的驱动模块集中布置于支撑框架的底部，也可根据需求任意布置，驱动模块主要由驱动电机、牵引轮、电机安装架和套管口组成，驱动电机通过电机安装架固定在支撑框架上，其输出轴装有牵引轮用于柔索缠绕，柔索经套管口从驱动模块输出，套管口外接套管，其中，套管口为阶梯圆柱件，通过电机安装架内部阶梯孔固定。
7.根据权利要求1所述的一种能实现柔索定点输出的并联柔索驱动上肢康复机器人，其特征在于：柔索可经套管、过轮传动至球导轮，套管可跟随球导轮转动，柔索从驱动模块输出，利用过轮改变传动方向，进入安装在过轮上方的套管内部，通过套管传动至球导轮入线口处，其中，支撑框架上安装有套管支撑约束套管位置，从球导轮输出的柔索末端连接到T型台，患者肘关节位于T型台顶部，腕关节位于T型台底部，T型台顶部的两个端点分别由两根柔索驱动，T型台底部的端点由三根柔索驱动。
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