CN113545957A - 一种间接驱动模块以及肩关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明适用于康复机器人领域，公开了间接驱动模块以及肩关节康复机器人，肩关节康复机器人包括固定端和间接驱动模块，间接驱动模块包括支撑机构、第一驱动机构、第二驱动机构和机械臂机构，机械臂机构与固定端连接，第一驱动机构驱动机械臂机构摆动带动固定端进行第一预设摆动，第二驱动机构驱动固定端摆动、以使固定端进行第二预设摆动，第一驱动机构包括第一驱动件，第二驱动机构包括第二驱动件，第一驱动件和第二驱动件设置在支撑机构的第一端，第一驱动件与机械臂机构通过皮带传动，第二驱动件与固定端通过皮带传动，采用间接驱动的方式对机械臂机构和固定端进行驱动，可以减轻机械臂机构质量，解决了大力矩输出与结构质量轻之间的矛盾。

Description

一种间接驱动模块以及肩关节康复机器人

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，尤其涉及一种用于肩关节康复机器人的间接驱动模块以及肩关节康复机器人。

背景技术

随着全民健身时代的到来，越来越多的人群参与健身，也导致越来越多人出现运动损伤。当前运动损伤发病率占10％～20％，并且有逐年升高的趋势。第四次全民健身状况调查数据显示，我国经常参加体育锻炼的人口占总人口的比例已经达到1/3，目前我国经常参加体育锻炼的人口达到5亿，已超过我国“到2020年，经常参加体育锻炼的人数达到4.35亿”的目标。根据专业人士估算，这个群体中约有2/5会经历不同程度的运动伤病，这也意味着约有2亿人有运动损伤和疾病方面的治疗服务需求。肩关节作为人体最灵活也是最脆弱的关节，发病率也逐年增加。现有技术中，肩关节康复治疗主要存在以下问题：

首先，传统临床上的肩关节康复手段主要依赖康复医师手把手训练，即一对一的物理治疗。传统的康复医师训练不仅效率不高，而且会受治疗师自身主观情绪的影响，可能在患者康复训练的强度上无法保证；训练过程中缺少相应的训练参数和指标(如运动速度、轨迹、强度等)，而且不够客观的康复评价指标不利于后续更深入的研究。

其次，康复治疗是一项频繁、反复的工作，这种情况下更适合采用机器人的辅助来完成。机器人技术与康复医学相结合的交叉研究，能够弥补传统临床康复医疗的许多不足之处。现有的康复机器人一般包括固定端，固定端用来固定患肢进行康复治疗，然而，现有的康复机器人一般采用直接驱动的方式进行驱动，容易导致机械臂质量过大，并且输出力矩不足以满足患者的运动康复需求。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种间接驱动模块，其采用间接驱动的方式对康复机器人进行驱动，解决了大力矩输出与结构质量轻之间的矛盾。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种间接驱动模块，适用于肩关节康复机器人，所述间接驱动模块包括支撑机构、第一驱动机构、第二驱动机构和机械臂机构，所述支撑机构具有第一端和第二端，机械臂机构用于与肩关节康复机器人的固定端连接，所述第一驱动机构用于驱动机械臂机构摆动、使机械臂机构带动固定端进行第一预设摆动，所述第二驱动机构用于驱动固定端摆动、以使固定端进行第二预设摆动，所述第一驱动机构包括第一驱动件、第一带轮、以及与所述第一带轮皮带传动的第二带轮，所述第一驱动件设置在所述支撑机构的第一端，所述第一带轮与所述第一驱动件的输出端连接，所述第二带轮设置在所述支撑机构的第二端，且所述第二带轮用于与机械臂机构连接，所述第二驱动机构包括第二驱动件、第三带轮、以及与所述第三带轮皮带传动的第四带轮，所述第二驱动件设置在所述支撑机构的第一端，所述第三带轮与所述第二驱动件的输出端连接，所述第四带轮用于与固定端连接。

优选地，所述支撑机构包括间隔设置的第一固定板和第二固定板，所述第二固定板支撑在所述第一固定板上，所述第一驱动件和所述第二驱动件均安装在所述第二固定板上，所述第一带轮和所述第三带轮均位于所述第一固定板和所述第二固定板之间。

优选地，所述间接驱动模块还包括连接机构，所述连接机构包括穿心轴和外轴套，所述穿心轴穿过所述支撑机构和机械臂机构，所述穿心轴远离所述机械臂机构的一端通过轴承与所述支撑机构转动连接，所述外轴套通过轴承安装在所述穿心轴上，且所述外轴套与机械臂机构连接，所述第二带轮套设在所述外轴套上。

优选地，所述第一驱动机构还包括扭力限制器和驱动轴，所述扭力限制器与所述第一驱动件的输出端连接，所述驱动轴一端与所述扭力限制器连接，另一端与所述第一带轮连接。

优选地，第一驱动机构还包括安装在外轴套上的第一力传感器，第一力传感器固定在机械臂机构上。

优选地，机械臂机构包括第一横板、与所述第一横板间隔设置的第二横板、第一竖板、与所述第一竖板间隔设置的第二竖板、第一横竖转接件、第二横竖转接件、以及同步带转弯板，所述第二横板支撑在所述第一横板上，所述第一横板通过所述第一横竖转接件与所述第一竖板连接，所述第二横板通过所述第二横竖转接件与所述第二竖板连接，第二驱动机构还包括第五带轮、第六带轮、同步带、同步带转弯板和惰轮组件，所述第五带轮套设在所述穿心轴上，并位于所述第二带轮远离所述机械臂机构的一侧，所述第六带轮套设在所述穿心轴远离所述支撑机构的一端，所述同步带转弯板与所述第二横竖转接件连接，所述惰轮组件安装在所述同步带转弯板上，所述第四带轮通过转轴分别与所述第一竖板和所述第二竖板转动连接，且，所述转轴与固定端连接，所述同步带通过所述惰轮组件转换方向以实现所述第六带轮和所述第四带轮的同步旋转。

优选地，所述第二驱动机构还包括第二力传感器，所述转轴一端安装在所述第一竖板上，另一端安装在所述第二竖板上，并伸出所述第二竖板，所述第二力传感器安装在所述转轴伸出第二竖板的位置，且所述第二力传感器用于与固定端连接。

优选地，所述第二力传感器为六维力传感器。

优选地，所述第一驱动件和所述第二驱动件均为大功率电机。

本发明的第二个目的在于提供一种肩关节康复机器人，包括固定端和如上所述的间接驱动模块，所述固定端连接在所述机械臂机构末端。

本发明提供的间接驱动模块采用间接驱动的方式对机械臂机构和固定端9进行驱动，可以减轻机械臂机构质量，提高外骨骼机械臂机构的强度和刚度，保证了肩关节康复机器人的安全性。此外，采用间接驱动的方式，第一驱动件和第二驱动件可以输出大力矩，解决了大力矩输出与结构质量轻之间的矛盾。

本发明实施例的肩关节康复机器人通过合理设置机械臂机构的结构、第一驱动机构的结构和第二驱动机构的结构以及三者之间的连接关系，实现对机械臂机构的间接传动和对固定端的间接驱动，并具有以下优点：

第一，采用间接驱动方式，可以减轻机械臂机构质量，提高外骨骼机械臂机构的强度和刚度，保证了肩关节康复机器人的安全性。

第二，采用间接驱动的方式可以提高第一驱动件和第二驱动件的输出力矩，避免了直接驱动时因为第一驱动件和第二驱动过大导致质量过大，从而兴边过大。

第三、采用带传动可以承受大的力矩输出，同时有吸震缓冲，价格便宜的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的间接驱动模块的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的间接驱动模块的局部示意图；

图3是本发明实施例提供的间接驱动模块的另一局部示意图；

图4是本发明实施例提供的机械臂机构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的肩关节康复机器人的局部示意图。

附图标号说明：

29、电动推杆；

31、支撑机构；311、第一固定板；312、第二固定板；32、第一驱动机构；321、第一驱动件；322、第一带轮；323、第二带轮；324、扭力限制器；325、驱动轴；326、第一力传感器；33、第二驱动机构；331、第二驱动件；332、第三带轮；333、第四带轮；334、第五带轮；335、第六带轮；336、同步带；337、同步带转弯板；338、惰轮组件；339、第二力传感器；

4、连接机构；41、穿心轴；42、外轴套；

5、机械臂机构；51、第一横板；52、第二横板；53、第一竖板；54、第二竖板；55、第一横竖转接件；56、第二横竖转接件；

6、转轴；

9、固定端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图5所示，其为本发明的一种实施例的间接驱动模块，适用于康复机器人，康复机器人包括机械臂机构和固定在机械臂机构末端的固定端，本发明实施例的间接驱动模块用于驱动机械臂机构摆动，从而驱动机械臂机构末端的固定端带动患肢进行预设摆动，例如屈伸、内旋外旋、外展内收等动作，通过间接驱动的方式，解决了大力矩输出与结构质量轻之间的矛盾，为肩关节康复机器人提供了一种非常有效的驱动方式。

请参阅图1-图5，本发明实施例的间接驱动模块包括支撑机构31、第一驱动机构32、第二驱动机构33和机械臂机构5，支撑机构31具有第一端和第二端，机械臂机构5用于与肩关节康复机器人的固定端9连接，第一驱动机构32用于驱动机械臂机构5摆动、以使机械臂机构5带动固定端9进行第一预设摆动(如屈伸)，第二驱动机构33用于驱动固定端9进行第二预设摆动(如外展内收)，第一驱动机构32包括第一驱动件321、第一带轮322、以及第一带轮322皮带传动的第二带轮323，第一驱动件321安装在支撑机构31的第一端上，第一带轮322与第一驱动件321的输出端连接，第二带轮323设置在支撑机构31的第二端，且第二带轮323与机械臂机构5连接，第二驱动机构33包括第二驱动件331、第三带轮332、以及与第三带轮332皮带传动的第四带轮333，第二驱动件331安装在支撑机构31的第一端上，第三带轮332与第二驱动件331的输出端连接，第四带轮333与固定端9连接。

本发明实施例的间接驱动模块采用间接驱动的方式对机械臂机构5和固定端9进行驱动，可以减轻机械臂机构5质量，提高外骨骼机械臂机构5的强度和刚度，保证了肩关节康复机器人的安全性。此外，采用间接驱动的方式，第一驱动件321和第二驱动件331可以输出大力矩，解决了大力矩输出与结构质量轻之间的矛盾。

请参阅图1-图3，支撑机构31包括间隔设置的第一固定板311和第二固定板312，第二固定板312支撑在第一固定板311上。

具体地，第一驱动件321安装在第二固定板312上，第二驱动件331安装在第二固定板312上，第一带轮322和第三带轮332均位于第一固定板311和第二固定板312之间。

请参阅图1、图4和图5，机械臂机构5包括第一横板51、和第一横板51间隔设置的第二横板52、第一竖板53、和第一竖板53间隔设置的第二竖板54、第一横竖转接件55和第二横竖转接件56，第二横板52支撑在第一横板51上，第一横板51通过第一横竖转接件55与第一竖板53连接，第二横板52通过第二横竖转接件56与第二竖板54连接。

请参阅图1、图3和图5，间接驱动模块还包括连接机构4，连接机构4包括穿心轴41和外轴套42，穿心轴41依次穿过第二固定板312、第一固定板311和机械臂机构5的第二横板52，且穿心轴41远离机械臂机构5的一端通过轴承安装在第二固定板312上，外轴套42通过轴承安装在穿心轴41上，且外轴套42与机械臂机构5连接。

请参阅图1、图2和图3，第一驱动机构32还包括扭力限制器324和驱动轴325，扭力限制器324与第一驱动件321的输出端连接，驱动轴325一端与扭力限制连接，另一端与第一带轮322连接，通过设置扭力限制器324实现过载保护。

进一步地，第一驱动机构32还包括通过传感器连接件安装在外轴套42上的第一力传感器326，通过设置第一力传感器326来实现力觉反馈，第一力传感器326固定在机械臂机构5的第二横板52上。

可以理解地，第一驱动件321在满足驱动要求的情况下，可以是电力驱动、液压驱动和气压驱动等多种方式，只要能够满足驱动的需求即可，这里不再赘述。

请参阅图1-图5，第二驱动机构33还包括第五带轮334、第六带轮335、同步带336、同步带转弯板337和惰轮组件338，第五带轮334套设在穿心轴41上，并位于第二带轮323远离机械臂机构5的一侧，第六带轮335套设在穿心轴41远离支撑机构31的一端，同步带转弯板337与第二横竖转接件56连接，惰轮组件338安装在同步带转弯板337上，同步带336通过惰轮组件338转换方向以完成第六带轮335和第四带轮333的同步旋转，第四带轮333通过转轴6分别与第一竖板53和第二竖板54转动连接，且，转轴6与固定端9连接。第二驱动件331驱动第三带轮332转动，使第三带轮332带动第五带轮334转动、使第五带轮334带动穿心轴41转动、使穿心轴41带动第六带轮335转动、同步带336通过惰轮组件338转换方向以完成第六带轮335和第四带轮333的同步旋转、以使固定端9进行第二预设摆动。

进一步地，第二驱动机构33还包括第二力传感器339，第二力传感器339为六维力传感器，转轴6一端通过轴承和轴承座安装在第一竖板53上，另一端通过轴承和轴承座安装在第二竖板54上，并伸出第二竖板54，六维力传感器安装在转轴6伸出第二竖板54的部分，且六维力传感器与固定端9连接，通过设置六维力传感器来实现力觉反馈。

可以理解地，第二驱动件331在满足驱动要求的情况下，可以是电力驱动、液压驱动和气压驱动等多种方式，只要能够满足驱动的需求即可，这里不再赘述。

本发明实施例的间接驱动模块通过合理设置机械臂机构5的结构、第一驱动机构32的结构和第二驱动机构33的结构以及三者之间的连接关系，实现对机械臂机构5的间接传动和对固定端9的间接驱动，并具有以下优点：

第一，采用间接驱动方式，可以减轻机械臂机构5质量，提高外骨骼机械臂机构5的强度和刚度，保证了肩关节康复机器人的安全性。

第二，采用间接驱动的方式可以提高第一驱动件321和第二驱动件331的输出力矩，避免了直接驱动时因为第一驱动件321和第二驱动件331过大导致质量过大，从而兴边过大。

第三、采用带传动可以承受大的力矩输出，同时有吸震缓冲，价格便宜的优点。

可选地，第一驱动件321、第二驱动件331均为大功率电机。间接驱动模块为了满足康复需求，采用大功率电机以及采用电机后置的间接驱动方式，这种传动方式不仅有效的减小了机械臂的质量，增加了强度和安全性，还提高了电机的有用功。

本发明实施例还提供了一种肩关节康复机器人，包括上述间接驱动模块以及固定在机械臂机构5末端的固定端9。

本发明实施例的肩关节康复机器人通过合理设置机械臂机构5的结构、第一驱动机构32的结构和第二驱动机构33的结构以及三者之间的连接关系，实现对机械臂机构5的间接传动和对固定端9的间接驱动，并具有以下优点：

第一，采用间接驱动方式，可以减轻机械臂机构5质量，提高外骨骼机械臂机构5的强度和刚度，保证了肩关节康复机器人的安全性。

第二，采用间接驱动的方式可以提高第一驱动件321和第二驱动件331的输出力矩，避免了直接驱动时因为第一驱动件321和第二驱动件331过大导致质量过大，从而兴边过大。

第三、采用带传动可以承受大的力矩输出，同时有吸震缓冲，价格便宜的优点。

优选地，肩关节康复机器人还包括用于驱动支撑机构31在上下方向移动的电动推杆。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种间接驱动模块，适用于肩关节康复机器人，其特征在于，所述间接驱动模块包括支撑机构、第一驱动机构、第二驱动机构和机械臂机构，所述支撑机构具有第一端和第二端，机械臂机构用于与肩关节康复机器人的固定端连接，所述第一驱动机构用于驱动机械臂机构摆动、使机械臂机构带动固定端进行第一预设摆动，所述第二驱动机构用于驱动固定端摆动、以使固定端进行第二预设摆动，所述第一驱动机构包括第一驱动件、第一带轮、以及与所述第一带轮皮带传动的第二带轮，所述第一驱动件设置在所述支撑机构的第一端，所述第一带轮与所述第一驱动件的输出端连接，所述第二带轮设置在所述支撑机构的第二端，且所述第二带轮用于与机械臂机构连接，所述第二驱动机构包括第二驱动件、第三带轮、以及与所述第三带轮皮带传动的第四带轮，所述第二驱动件设置在所述支撑机构的第一端，所述第三带轮与所述第二驱动件的输出端连接，所述第四带轮用于与固定端连接。

2.如权利要求1所述的间接驱动模块，其特征在于，所述支撑机构包括间隔设置的第一固定板和第二固定板，所述第二固定板支撑在所述第一固定板上，所述第一驱动件和所述第二驱动件均安装在所述第二固定板上，所述第一带轮和所述第三带轮均位于所述第一固定板和所述第二固定板之间。

3.如权利要求1所述的间接驱动模块，其特征在于，所述间接驱动模块还包括连接机构，所述连接机构包括穿心轴和外轴套，所述穿心轴穿过所述支撑机构和机械臂机构，所述穿心轴远离所述机械臂机构的一端通过轴承与所述支撑机构转动连接，所述外轴套通过轴承安装在所述穿心轴上，且所述外轴套与机械臂机构连接，所述第二带轮套设在所述外轴套上。

4.如权利要求1所述的间接驱动模块，其特征在于，所述第一驱动机构还包括扭力限制器和驱动轴，所述扭力限制器与所述第一驱动件的输出端连接，所述驱动轴一端与所述扭力限制器连接，另一端与所述第一带轮连接。

5.如权利要求3所述的间接驱动模块，其特征在于，第一驱动机构还包括安装在外轴套上的第一力传感器，第一力传感器固定在机械臂机构上。

6.如权利要求3所述的间接驱动模块，其特征在于，机械臂机构包括第一横板、与所述第一横板间隔设置的第二横板、第一竖板、与所述第一竖板间隔设置的第二竖板、第一横竖转接件、第二横竖转接件、以及同步带转弯板，所述第二横板支撑在所述第一横板上，所述第一横板通过所述第一横竖转接件与所述第一竖板连接，所述第二横板通过所述第二横竖转接件与所述第二竖板连接，第二驱动机构还包括第五带轮、第六带轮、同步带、同步带转弯板和惰轮组件，所述第五带轮套设在所述穿心轴上，并位于所述第二带轮远离所述机械臂机构的一侧，所述第六带轮套设在所述穿心轴远离所述支撑机构的一端，所述同步带转弯板与所述第二横竖转接件连接，所述惰轮组件安装在所述同步带转弯板上，所述第四带轮通过转轴分别与所述第一竖板和所述第二竖板转动连接，且，所述转轴与固定端连接，所述同步带通过所述惰轮组件转换方向以实现所述第六带轮和所述第四带轮的同步旋转。

7.如权利要求6所述的间接驱动模块，其特征在于，所述第二驱动机构还包括第二力传感器，所述转轴一端安装在所述第一竖板上，另一端安装在所述第二竖板上，并伸出所述第二竖板，所述第二力传感器安装在所述转轴伸出第二竖板的位置，且所述第二力传感器用于与固定端连接。

8.如权利要求7所述的间接驱动模块，其特征在于，所述第二力传感器为六维力传感器。

9.如权利要求1所述的间接驱动模块，其特征在于，所述第一驱动件和所述第二驱动件均为大功率电机。

10.一种肩关节康复机器人，其特征在于，包括固定端和如权利要求1-9任一项所述的间接驱动模块，所述固定端连接在所述机械臂机构末端。

Images