CN202682287U - 一种摇杆式上肢康复装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种摇杆式上肢康复装置，该装置主要由机械部分和控制部分构成。机械部分主要包括底座、包括直线电机的伸缩摇杆、连接伺服电机的外弧形轨道和内弧形轨道，控制部分主要包括位置传感器、光电编码器，控制伺服电机驱动器和直线电机驱动器电压和电流的运动控制卡，显示器以及计算机组成。通过机械部分与控制部分的有机结合，伸缩摇杆能够在三维空间中沿任意轨迹运动，从而为不同程度丧失运动能力的患者提供包括被动训练模式、主动训练模式和助动训练模式的三种训练模式，因此是一种结构简单紧凑、适用患者人群广泛、训练模式多样化的低成本上肢康复装置，具有良好的应用前景。

Description

一种摇杆式上肢康复装置

技术领域

本实用新型涉及一种针对上肢运动功能障碍的康复训练装置，具体涉及一种摇杆式上肢康复装置。

背景技术

康复机器人的研究始于上世纪80年代。1990年以前，主要是欧美及日本从事此方面的研究。1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。国际上，康复机器人的研究开发越来越自动化与智能化。

在国内，康复机器人的研究有逐年递增的趋势，2008年清华大学王子羲等人申请的，公开号为CN101347380A的中国专利申请“一种训练平面可调式上肢偏瘫康复机器人装置”中公开了一种上肢康复机器人装置，该装置包括座椅、训练平面、训练平面调节装置，以及安装在训练平面上的机械臂等，通过调节训练平面的高度和角度，以满足不同患者在多平面内完成康复训练的需要。该装置结构简单，能够满足患者多种训练的需求，但是其本质上只是一种平面训练装置，因而在三维空间中的康复训炼受限于各个平面，无法实现三维空间中任意轨迹的运动，而且该装置由于结构限制，带动患者上肢康复训练时不具备柔顺性，使患者在康复活动中可能产生不适感。

实用新型内容

本实用新型的技术目的是提供一种摇杆式上肢康复装置，利用该装置能够实现在装置内三维空间中沿任意轨迹的康复训练。

本实用新型实现上述技术目的所采用的技术方案为：

一种摇杆式上肢康复装置，包括机械部分和控制部分，

所述的机械部分包括底座、伸缩摇杆、外弧形轨道与内弧形轨道；

所述的外弧形轨道通过轴承座固定在底座上，其一端通过第一减速机连接第一伺服电机；所述的内弧形轨道通过轴承座固定在底座上，其一端通过第二减速机连接第二伺服电机；所述的外弧形轨道，其半径略大于内弧形轨道的半径，跨立在内弧形轨道上方，并且与内弧形轨道形成一定夹角；

所述的伸缩摇杆包括直线电机与设置在直线电机外部的摇杆壳；

所述的直线电机包括定子和套接在定子上的动子；所述的动子与摇杆壳固定连接，所述的定子相对动子作直线运动；所述的定子一端通过六轴力传感器与把手相连接，六轴力传感器将来自把手的力信号转换为电压号；

所述的伸缩摇杆垂直穿过外弧形轨道与外弧形轨道内部，其摇杆壳底部通过万向球与底座定点位置相连接；以垂直穿过底座定点位置的轴线为中心轴，所述的伸缩摇杆能够沿外弧形轨道与内弧形轨道进行平面绕行运动；

所述的控制部分包括位置传感器、第一光电编码器、第二光电编码器、信号调理器、驱动器、运动控制卡、计算机以及与计算机相连接的显示器；

所述的位置传感器与定子相连接、用于记录定子相对动子的位置变化；

所述的第一光电编码器与外弧形轨道的另一端相连接，用于记录外弧形轨道偏离中心轴的角度值；所述的第二光电编码器与内弧形轨道的另一端相连接，用于记录内弧形轨道偏离中心轴的角度值；

所述的信号调理器与六轴力传感器相连接、用于将六轴力传感器输出的电压信号放大为适合采样的电压信号。

所述的三个驱动器为：与第一伺服电机相连接的第一伺服电机驱动器，与第二服电机相连接的第二伺服电机驱动器，与直线电机相连接的直线电机驱动器；

所述的运动控制卡通过PCI接口与计算机相连接，用于控制三个驱动器的输出电压和电流；

为了消除伸缩摇杆与外弧形轨道之间的间隙，并减少伸缩摇杆沿外弧形轨道运动时产生的摩擦力，优选在摇杆壳与外弧形轨道之间的间隙设置滑动轴承。

同理，为了消除伸缩摇杆与内弧形轨道之间的间隙，并减少伸缩摇杆沿内弧形轨道运动时产生的摩擦力，优选在摇杆壳与内弧形轨道之间的间隙设置滑动轴承。

为了限制定子在摇杆壳内部的摆动幅度，优选在动子上下方位置设置与摇杆壳固定连接、用于限定定子和动子之间相对位置的定位轴承。

为了提高直线电机的工作效率，优选在定子底部设置弹簧18，用于抵消定子17自身的重量。

所述的位置传感器可以采用但不限于光栅尺。

所述的外弧形轨道可以采用与内弧形轨道相接触的方式跨立在内弧形轨道，也可以采用与内弧形轨道存在一定间距的方式跨立在内弧形轨道。作为优选，所述的外弧形轨与内弧形轨道的夹角为90°。

作为优选，所述的底座定点位置在底座的几何中心。

本实用新型一种摇杆式上肢康复装置的控制过程为：计算机通过运动控制卡同步调节直线电机驱动器、第一伺服电机驱动器与第二伺服电机驱动器的输出电压和输出电流；伸缩摇杆的当前位置由第一光电编码器、第二光电编码器以及位置传感器反馈回运动控制卡，构成闭环控制。六轴力传感器产生的电信号通过信号调理器调节后送入计算机，位置信号和电信号送入计算机后，显示在显示器上。

利用本实用新型摇杆式上肢康复装置能够进行三种康复训练模式，分别为被动训练、主动训练与助动训练。

其中，被动训练模式尤其适用于完全丧失运动能力的患者，包括如下步骤：

步骤1：创建一个目标位置，患者上肢扶住把手，显示器显示伸缩摇杆的当前位置与目标位置；

步骤2：在运动控制卡中设定第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器以及直线电机驱动器的输出电压和输出电流，启动该摇杆式上肢康复装置，使伸缩摇杆运动，以带动患者上肢运动；

步骤3：根据伸缩摇杆的目标位置与当前位置，运动控制卡调整第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器以及直线电机驱动器的输出电压和输出电流，使伸缩摇杆的当前位置达到目标位置时，完成一次康复训练任务。

主动训练模式尤其适用于有部分运动能力、能够完成康复训练任务的患者，包括如下步骤：

步骤1：创建一个目标位置，患者上肢扶住把手，显示器显示伸缩摇杆的当前位置与目标位置；

步骤2：患者向把手施加力，使伸缩摇杆运动；

步骤3：根据伸缩摇杆的目标位置与当前位置，患者调整所施加的力，使伸缩摇杆的当前位置达到目标位置时，完成一次康复训练任务。

助动训练模式尤其适用于有部分运动能力但不足以完成康复训练任务的患者，包括如下步骤：

步骤1：创建一个目标位置，患者上肢扶住把手，显示器显示伸缩摇杆的当前位置与目标位置；

步骤2：患者向把手施加力，同时在运动控制卡中额外设定第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器以及直线电机驱动器的输出电压和输出电流，使伸缩摇杆运动；

步骤3：根据伸缩摇杆的目标位置与当前位置，患者调整所施加的力，同时运动控制卡调整第一伺服电机驱动器、第二伺服电机驱动器以及直线电机驱动器的输出电压和输出电流，使伸缩摇杆的当前位置达到目标位置时，完成一次康复训练任务。

综上所述，本实用新型一种摇杆式上肢康复装置主要由机械部分和控制部分构成，机械部分主要包括底座、包括直线电机的伸缩摇杆，以及连接伺服电机的外弧形轨道和内弧形轨道，其中伸缩摇杆垂直穿过外弧形轨道与外弧形轨道内部，通过直线电机实现伸缩摇杆的轴向运动，通过伺服电机实现外弧形轨道和内弧形轨道偏离中心轴线的运动，从使伸缩摇杆能够沿外弧形轨道与内弧形轨道进行平面绕行运动，因此本实用新型中伸缩摇杆能够在康复装置内三维空间中沿任意轨迹运动，与现有的康复装置相比，具有如下优点：

(1)突破了平面训练的限制，能够提供三维立体空间中沿任意轨迹的康复训练；

(2)设计巧妙，通过机械部分与控制部分的有机结合，能够为不同程度丧失运动能力的患者提供包括被动训练模式、主动训练模式和助动训练模式的三种训练模式，因此适用患者人群广泛，训练模式多样化；

(3)成本低、结构简单紧凑，便于移动，适用于在不同环境中使用。

附图说明

图1是本实用新型摇杆式上肢康复装置的结构示意图；

图2是图1中伸缩摇杆的剖面结构示意图；

图3是图2中直线电机的剖面结构示意图；

图4是本实用新型摇杆式上肢康复装置的控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

图1至图4中的标号为：底座1、伸缩摇杆2、外弧形轨道3、内弧形轨道4、第一伺服电机51、第二伺服电机52、轴承座(61，62)、第一减速机71、第二减速机72、第一光电编码器81、第二光电编码器82、六轴力传感器9、把手10、万向球11、摇杆壳12、位置传感器13、滑动轴承(141，142)、定位轴承(151，152)、动子16、定子17、弹簧18、计算机19、第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22、直线电机驱动器23、信号调理器24、运动控制卡25、显示器26。

如图1所示，摇杆式上肢康复装置包括底座1、伸缩摇杆2、外弧形轨道3以及内弧形轨道4。外弧形轨道3通过轴承座61固定在底座1上。内弧形轨道4通过轴承座62固定在底座1上。其中，外弧形轨道3的半径略大于内弧形轨道4的半径，外弧形轨道3跨立在内弧形轨道4上方，并且与内弧形轨道4形成90°的夹角。外弧形轨道3一端安装有第一光电编码器81，另一端与第一减速机71连接，第一减速机71输入端连接有第一伺服电机51，第一伺服电机51与第一伺服电机驱动器21相连接。内弧形轨道4与外弧形轨道3具有相同规格的连接，即内弧形轨道4一端安装有第二光电编码器82，另一端与第二减速机72连接，第二减速机72输入端连接有第二伺服电机52，第二伺服电机52与第二伺服电机驱动器22相连接。

如图2与图3所示，伸缩摇杆2包括直线电机、与直线电机相连接的直线电机驱动器23、以及设置在直线电机外部的摇杆壳12。直线电机包括定子17和动子16。动子16套接在定子17上，并且与摇杆壳12固定连接。定子17相对动子16作直线运动，定子17上安装有位置传感器13，用于记录定子17相对动子16位置变化。本实施例中位置传感器13选择为光栅尺。定子17一端通过六轴力传感器9与把手10相连接，六轴力传感器9将来自把手10的力信号转换为电压号。信号调理器24与六轴力传感器9相连接，将六轴力传感器9输出的电压信号放大为适合采样的电压信号。

定子17底部设置弹簧18，以抵消定子17自身的重量。在动子16的上方位置设置与摇杆壳12固定连接的定位轴承151，在动子16的下方、弹簧18的顶部位置设置定位轴承152，用于限定定子17和动子16之间的相对位置，以限定定子17在摇杆壳12内部的摆动幅度。

如图1所示，伸缩摇杆2垂直穿过外弧形轨道3与外弧形轨道4的内部，其摇杆壳12底部通过万向球11与底座几何中心位置相连接。该伸缩摇杆2能够以垂直穿过底座几何中心位置的轴线为中心轴，沿外弧形轨道3与内弧形轨道4进行平面绕行运动，第一光电编码器81用于记录外弧形轨道3偏离中心轴的角度值，第二光电编码器82用于记录内弧形轨道4偏离中心轴的角度值。

上述摇杆式上肢康复装置还包括计算机19、与计算机相连的显示器26、以及运动控制卡25。运动控制卡25通过PCI接口安装在计算机19中，与第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22、直线电机驱动器23相连，以控制这三个驱动器的输出电压和电流。

如图4所示，该摇杆式上肢康复装置的控制流程为：计算机19及其控制程序通过运动控制卡25同步调节第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流；伸缩摇杆2的当前位置由第一光电编码器81、第二光电编码器82以及位置传感器13采集，得到的位置信号反馈到运动控制卡25，从而构成闭环控制。六轴力传感器9产生的电信号通过信号调理器24调节后输入计算机19，显示在显示器26上。伸缩摇杆2的位置信号输入计算机19后，显示在显示器26上。

采用上述摇杆式上肢康复装置进行康复训练时，将该摇杆式上肢康复放置在地面，患者坐在相邻的座位上(根据患者需要，可以采用约束椅固定患者的躯干)，患者上肢扶住该康复的把手10，或者根据患者需要，将患者的上肢固定在把手10上。根据患者的个人情况，在显示器26中设置运动速度、锻炼次数、运动区域、训练模式等各项参数，显示器26中会显示出具体的康复训练任务并且待训练结束后反馈患者对康复训练任务的完成情况。

以下是采用该摇杆式上肢康复装置进行的三种康复训练模式：

(一)被动训练：

该康复训练模式尤其适用于完全丧失运动能力的患者。具体训练方法如下：

步骤1：创建一个目标位置，将患者上肢扶住把手10，显示器26显示伸缩摇杆2的当前位置与目标位置；

步骤2：根据实际训练参数，例如运动速度、锻炼次数以及运动区域等，在运动控制卡25中设定第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流，启动该摇杆式上肢康复装置，使伸缩摇杆2运动，以带动患者上肢运动；

步骤3：根据伸缩摇杆2的目标位置与当前位置，运动控制卡25调整第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流，使伸缩摇杆2的当前位置达到目标位置时，完成一次康复训练任务。

以下是该康复训练中具体的控制过程：

(1)根据运动控制卡25中设定的第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流，控制第一伺服电机51、第二伺服电机52以及直线电机工作，以驱动外弧形轨道3、内弧形轨道4和直线电机定子17运动，从而带动患者上肢运动；

(2)通过第一光电编码器81、第二光电编码器82以及位置传感器13采集伸缩摇杆2的当前位置信号反馈回运动控制卡25，并且显示在显示器26上；六轴力传感器9采集该施向把手10的力信号并将其转换为电信号，通过信号调理器24放大后反馈至计算机19，并且显示在显示器26上；

(3)根据既定的目标位置以及反馈到运动控制卡25的当前位置信号，运动控制卡25调整第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流，重复(2)使伸缩摇杆2达到目标位置，完成训练任务。

(二)主动训练：

该康复训练模式尤其适用于有部分运动能力的患者。具体训练方法如下：

步骤1：创建一个目标位置，患者上肢扶住把手10，显示器26显示伸缩摇杆2的当前位置与目标位置；

步骤2：患者向把手10施加力，使伸缩摇杆2运动；

步骤3：根据伸缩摇杆2的目标位置与当前位置，患者调整所施加的力，使伸缩摇杆2的当前位置达到目标位置，完成一次康复训练任务。

以下是该康复训练中具体的控制过程：

(1)患者向把手10施加力，六轴力传感器9采集到该力信号，将其转换为电信号，通过信号调理器24反馈至计算机19，计算机19通过基于动力学方程的运算，求出运动轨迹，通过运动控制卡25控制第一伺服电机51、第二伺服电机52以及直线电机实现此轨迹；

(2)通过第一光电编码器81、第二光电编码器82以及位置传感器13采集伸缩摇杆2的当前位置信息反馈回运动控制卡25，并且显示在显示器26上；六轴力传感器9采集来自把手的力信号并将其转换为电信号，通过信号调理器24放大后反馈至计算机19，并显示在显示器26上；

(3)根据既定的目标位置和当前位置，患者调整所施加的力，重复(2)使伸缩摇杆2达到目标位置，完成训练任务。

(三)助动训练：

该康复训练模式尤其适用于有部分运动能力但不足以完成康复训练任务的患者。具体训练方法如下：

步骤1：创建一个目标位置，将患者上肢扶住把手10，显示器26显示伸缩摇杆2的当前位置与目标位置；

步骤2：患者向把手10施加力，同时运动控制卡25额外设定第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流，使伸缩摇杆2运动；

步骤3：根据目标位置与当前位置，患者调整所施加的力，同时运动控制卡25调整第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流，使伸缩摇杆2的当前位置达到目标位置时，完成一次康复训练任务。

以下是该康复训练中具体的控制过程：

(1)患者向把手10施加力，六轴力传感器9采集到该力信号，将其转换为电信号，通过信号调理器24反馈至计算机19，计算机19通过基于动力学方程的运算，得出运动轨迹，然后在运动控制卡中设定相应的第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流；同时，与运动控制25中额外设定的第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的输出电压和输出电流相叠加，共同控制第一伺服电机51、第二伺服电机52以及直线电机工作，以驱动外弧形轨道3、内弧形轨道4和直线电机定子17运动；

(2)通过第一光电编码器81、第二光电编码器82以及位置传感器13采集伸缩摇杆2的当前位置信号反馈回运动控制卡25，并且显示在显示器26上；六轴力传感器9采集该来自把手10的电信号并将其转换为电信号，通过信号调理器24放大后反馈至计算机19，并显示在显示器26上；；

(3)根据目标位置与当前位置，患者调整所施加的力，运动控制卡25调整额外设定的第一伺服电机驱动器21、第二伺服电机驱动器22以及直线电机驱动器23的额外的输出电压和输出电流，重复(2)使伸缩摇杆2达到目标位置，完成训练任务。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种摇杆式上肢康复装置，其特征是：包括机械部分和控制部分，所述的机械部分包括底座（1）、伸缩摇杆（2）、外弧形轨道（3）与内弧形轨道（4）；

所述的外弧形轨道（3）通过轴承座（61）固定在底座（1）上，其一端通过第一减速机（71）连接第一伺服电机（51）；所述的内弧形轨道（4）通过轴承座（62）固定在底座（1）上，其一端通过第二减速机（72）连接第二伺服电机（52）；所述的外弧形轨道（3），其半径大于内弧形轨道（4）的半径，跨立在内弧形轨道（4）上方，并且与内弧形轨道（4）形成一定夹角；

所述的伸缩摇杆（2）包括直线电机与设置在直线电机外部的摇杆壳（12）；

所述的直线电机包括定子（17），以及套接在定子（17）上的动子（16）；所述的动子（16）与摇杆壳（12）固定连接，所述的定子（17）相对动子（16）作直线运动；所述的定子（17）一端通过六轴力传感器（9）与把手（10）相连接，所述的六轴力传感器（9）将来自把手（10）的力信号转换为电压号；

所述的伸缩摇杆（2）垂直穿过外弧形轨道（3）与外弧形轨道（3）内部，其摇杆壳（12）底部通过万向球（11）与底座定点位置相连接；以垂直穿过底座定点位置的轴线为中心轴，所述的伸缩摇杆（2）能够沿外弧形轨道（3）与内弧形轨道（4）进行平面绕行运动；

所述的控制部分包括位置传感器（13）、第一光电编码器（81）、第二光电编码器（82）、信号调理器（24）、驱动器（21、22、23）、运动控制卡（25）、计算机（9）以及与计算机（9）相连接的显示器（26）；

所述的位置传感器（13）与定子（17）相连接、用于记录定子（17）相对动子（16）的位置变化；

所述的第一光电编码器（81）与外弧形轨道（3）的另一端相连接，用于记录外弧形轨道（3）偏离中心轴的角度值；所述的第二光电编码器（82）与内弧形轨道（4）的另一端相连接，用于记录内弧形轨道（4）偏离中心轴的角度值；

所述的信号调理器（24）与六轴力传感器（9）相连接、用于将六轴力传感器（9）输出的电压信号放大为适合采样的电压信号；

所述的三个驱动器为：与第一伺服电机（51）相连接的第一伺服电机驱动器（21），与第二服电机（52）相连接的第二伺服电机驱动器（22），与直线电机相连接的直线电机驱动器（23）；

所述的运动控制卡（25）通过PCI接口与计算机（19）相连接，用于控制三个驱动器（21、22、23）的输出电压和电流。

2.根据权利要求1所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的摇杆壳（12）与外弧形轨道（3）之间的间隙设置滑动轴承（141）。 

3.根据权利要求1所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的摇杆壳（12）与内弧形轨道（4）之间的间隙设置滑动轴承（142）。

4.根据权利要求1所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的动子（16）的上方、下方各设置一个与摇杆壳（12）固定连接的、用于限定定子（17）和动子（16）之间相对位置的定位轴承（151、152）。

5.根据权利要求1所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的定子（17）底部设置弹簧（18）。

6.根据权利要求4所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的定子（17）底部设置弹簧（18），所述的定位轴承（152）设置在弹簧（18）的顶部位置。

7.根据权利要求1所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的位置传感器（13）是光栅尺。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的外弧形轨道（3）与内弧形轨道（4）的夹角为90°。

9.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的摇杆式上肢康复装置，其特征是：所述的底座定点位置在底座（1）的几何中心位置。 

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