專利名稱：偏癱患者上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，特別涉及一種對(duì)偏癱患者的上肢進(jìn)行多關(guān)節(jié)、大幅度復(fù)合動(dòng)作的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，屬于輔助醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，我國(guó)每年有120-150萬(wàn)人患中風(fēng)，其中半數(shù)殘留嚴(yán)重的后遺癥，影響生活質(zhì)量。并且，隨著世界各國(guó)相繼進(jìn)入老齡化國(guó)家，中風(fēng)患者勢(shì)必越來越多。由中風(fēng)產(chǎn)生的眾多患者后遺癥中尤以偏癱居首位。因中風(fēng)而導(dǎo)致偏癱，常常對(duì)患者本人、家庭造成心理及其它方面的沖擊。社會(huì)和家庭需要花費(fèi)極大的代價(jià)來治療和護(hù)理這些患者，造成社會(huì)資源的極大浪費(fèi)。因此，尋求有效的康復(fù)手段，使患者能夠在一定程度上恢復(fù)失去的功能，不僅有利于提高患者本身的生活質(zhì)量，也可以減輕社會(huì)的總體負(fù)擔(dān)。
在偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練中引入機(jī)器人技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于，機(jī)器人不存在“疲倦”的問題，能夠滿足不同患者對(duì)訓(xùn)練強(qiáng)度的要求，從而把治療師從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解放出來；機(jī)器人可以客觀記錄訓(xùn)練過程中患者患肢各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，供治療師分析，以評(píng)價(jià)治療的效果；還有，使用機(jī)器人技術(shù)可以通過多媒體技術(shù)為患者提供豐富多彩的訓(xùn)練內(nèi)容，使患者能夠積極參與治療；最后，使用機(jī)器人治療技術(shù)，使得遠(yuǎn)程治療和集中治療(一名治療師同時(shí)為幾名患者提供指導(dǎo))成為可能。
一種偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人已在5,466,213號(hào)美國(guó)專利“交互式機(jī)器人治療師(Interactive robotic therapist)”中作了介紹。該文件中介紹的機(jī)器人，安放在患者座椅的對(duì)側(cè)，其機(jī)械臂具有兩自由度，由機(jī)械大臂和機(jī)械小臂構(gòu)成，兩臂間為鉸鏈連接。機(jī)械大臂和機(jī)械小臂分別由兩部同軸安放的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中機(jī)械大臂直接與電機(jī)相連，機(jī)械小臂通過一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)與電機(jī)相連。訓(xùn)練時(shí)，患者患肢的腕部固定在機(jī)械小臂的端部，機(jī)械臂在兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)患者患肢進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，主要是進(jìn)行針對(duì)患肢肩、肘關(guān)節(jié)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。并且，訓(xùn)練時(shí)為了防止患者軟弱無(wú)力的患肢下垂，該裝置用一個(gè)安裝在座椅上的托架對(duì)患者的肘關(guān)節(jié)進(jìn)行輔助支撐，該托架具有兩自由度，可以跟隨患肢一起運(yùn)動(dòng)。該已知裝置采用阻抗控制，能夠?qū)崿F(xiàn)反向可驅(qū)動(dòng)性，具有主動(dòng)和被動(dòng)訓(xùn)練方式，能夠記錄訓(xùn)練動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、輔助力等參數(shù)。
但是，該已知偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的缺點(diǎn)在于機(jī)器人只能帶動(dòng)患者患肢做小幅度的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍僅限于患者身體正前方的小塊區(qū)域，不能帶動(dòng)患者患肢做向體側(cè)的大范圍大幅度的伸展運(yùn)動(dòng)，從而不能充分提供中樞神經(jīng)康復(fù)所需的運(yùn)動(dòng)刺激。而且，該機(jī)器人只能帶動(dòng)患者患肢在水平面內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，不能在多個(gè)運(yùn)動(dòng)平面進(jìn)行訓(xùn)練，所能實(shí)現(xiàn)的訓(xùn)練動(dòng)作種類較少。其次，該機(jī)器人安放在患者相對(duì)的位置，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)與患肢的運(yùn)動(dòng)是相反的，不利于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制和程序中算法的實(shí)現(xiàn)。再有，該機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)支撐托架不夠靈活，且只有單一的支撐功能，不能根據(jù)不同情況允許患者進(jìn)行自主支撐，不利于患者發(fā)揮患肢的殘余功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于偏癱患者上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，它不僅可以在多個(gè)運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)幫助患者完成上肢多關(guān)節(jié)、大范圍、大幅度的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，而且可根據(jù)不同情況允許患者進(jìn)行自主支撐，有利于患者發(fā)揮患肢的殘余功能。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種偏癱患者上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，包括立柱，安裝在立柱上的機(jī)械臂，設(shè)置在機(jī)械臂端部的腕部固定托架和座椅，其特征在于該機(jī)械人還包括一個(gè)對(duì)患者肘關(guān)節(jié)進(jìn)行懸吊支撐的懸吊支撐架；所述的機(jī)械臂采用由機(jī)械大臂和機(jī)械小臂構(gòu)成的二連桿結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械臂托架與所述的立柱相連，并可沿立柱進(jìn)行升降；所述的立柱安置在座椅的側(cè)面。本發(fā)明所述的機(jī)械大臂和機(jī)械小臂為一鉸鏈連接，在機(jī)械小臂上設(shè)有一帶輪，通過圓弧齒同步帶與機(jī)械小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連。
在所述的機(jī)械臂托架上設(shè)有梯形螺紋螺母和矩形槽；所述的梯形螺紋螺母和矩形槽分別與所述的立柱上的梯形螺紋絲杠和直角導(dǎo)軌相配合。
本發(fā)明所述的懸吊支撐架由支撐架立柱、支撐架大臂、支撐架小臂和懸吊線組成，所述的支撐架大臂和支撐架立柱以及支撐架大臂和支撐架小臂間采用鉸鏈連接，所述的支撐架大臂與支撐架立柱間的鉸鏈軸、支撐架大臂與支撐架小臂間的鉸鏈軸以及支撐架立柱均為中空結(jié)構(gòu)，所述的懸吊線一端從它們中間穿過纏繞在支撐架下端的卷筒軸上，卷筒軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接；在懸吊線的另一端吊有肘關(guān)節(jié)支撐套。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果①由于該機(jī)器人的機(jī)械臂為二連桿結(jié)構(gòu)，避免了機(jī)械臂臂長(zhǎng)增加后，四連桿機(jī)構(gòu)中桿件過多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量過大、驅(qū)動(dòng)困難等缺點(diǎn)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更有利于機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)和控制，從而可以滿足患者患肢做大范圍、大幅度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的要求，其中患者大臂的活動(dòng)范圍可以達(dá)到與額狀面(將人體分為前后兩部分的平面)的夾角從0°到100°，患者小臂的活動(dòng)范圍可以達(dá)到與大臂的夾角從60°到180°，基本與正常人的活動(dòng)范圍相同。②由于該機(jī)器人的立柱可以對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行升降，因此，該機(jī)器人不僅可以帶動(dòng)患者患肢在水平面上進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，而且還可以在不同的俯仰平面內(nèi)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練平面可達(dá)到的最大俯仰角度為±40°。采用梯形螺紋的絲杠螺母，可使絲杠與螺母間具有自鎖功能。③立柱擺放在座椅側(cè)面，即訓(xùn)練時(shí)機(jī)械臂在患者患肢的同側(cè)，可使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方向與患肢運(yùn)動(dòng)方向相同，便于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制和程序算法的實(shí)現(xiàn)。④懸吊支撐架的優(yōu)點(diǎn)是，訓(xùn)練時(shí)患者患肢套入肘關(guān)節(jié)支撐套內(nèi)，并由連接在肘關(guān)節(jié)支撐套上的懸吊線帶動(dòng)支撐臂一起運(yùn)動(dòng)，使懸吊支撐架成為一個(gè)隨動(dòng)支撐系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)懸吊線長(zhǎng)度，以滿足患者患肢在不同俯仰平面上訓(xùn)練時(shí)的支撐需要。并且，通過安裝在懸吊線上傳感器反饋的信號(hào)，還可以調(diào)節(jié)支撐力的大小，使支撐系統(tǒng)可以提供可使患者完成訓(xùn)練的最小支撐力，盡量發(fā)揮患者殘肢的剩余功能。此懸吊支撐架為一柔性支撐系統(tǒng)，其比剛性支撐系統(tǒng)更節(jié)省空間，更具靈活性。


圖1為偏癱上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為機(jī)械臂部件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為機(jī)械大臂與機(jī)械小臂連接處的剖面圖。
圖4為機(jī)械臂托架部分裝配結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖5為機(jī)器人立柱部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為圖5(I)處的局部放大圖。
圖7為懸吊支撐架部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為懸吊支撐架中支撐架小臂與支撐架大臂連接處的剖面圖。
圖9為懸吊支撐架中支撐架大臂與支撐架立柱連接處的剖面圖。
圖10為懸吊支撐架底座部分裝配結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由支撐和固定系統(tǒng)的基座1、對(duì)患者患肢進(jìn)行訓(xùn)練的機(jī)械臂2、安放機(jī)械臂并可對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行升降的立柱3、用于對(duì)患者患肢進(jìn)行懸吊支撐的懸吊支撐架4、固定患者腕部的腕部固定托架5和固定患者的座椅6等部件組成。其中，立柱3安放在座椅6的側(cè)面，即訓(xùn)練時(shí)機(jī)械臂在患者患肢的同側(cè)，可使機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方向與患肢運(yùn)動(dòng)方向相同，便于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制和程序算法的實(shí)現(xiàn)。
圖2為機(jī)械臂部件結(jié)構(gòu)示意圖。機(jī)械臂2主要由機(jī)械大臂7和機(jī)械小臂8構(gòu)成，機(jī)械臂安裝在機(jī)械臂托架9上，在機(jī)械小臂端部安裝有腕部固定托架5。機(jī)械臂托架9背面加工有一矩形槽，與立柱上的直角導(dǎo)軌26相配合。機(jī)械臂托架9背面安裝有梯形螺紋螺母10，與立柱內(nèi)的梯形螺紋絲杠23相配合。機(jī)械臂托架9上還安裝有兩部交流伺服電機(jī)11、12，用以分別驅(qū)動(dòng)機(jī)械大臂7和機(jī)械小臂8。其中，機(jī)械大臂7由電機(jī)11直接驅(qū)動(dòng)，機(jī)械小臂8由電機(jī)12通過圓弧齒同步帶13進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
圖3為機(jī)械大臂7與機(jī)械小臂8連接處的剖面圖。機(jī)械大臂7和機(jī)械小臂8通過軸14進(jìn)行鉸鏈連接。機(jī)械大臂7和軸14之間安裝有滾動(dòng)軸承，機(jī)械小臂8和帶輪15通過軸鍵16安裝在軸14上。帶輪15上套有圓弧齒同步帶13。
圖4為機(jī)械臂托架部分裝配結(jié)構(gòu)的剖面圖。機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)11、12安裝在機(jī)械臂托架9上。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)11通過聯(lián)軸器17與大臂傳動(dòng)軸18的一端相連，大臂傳動(dòng)軸18的另一端與機(jī)械大臂7相連；驅(qū)動(dòng)電機(jī)12通過聯(lián)軸器19與小臂傳動(dòng)軸20的一端相連，小臂傳動(dòng)軸20的另一端安裝有帶輪21，帶輪21上套有同步帶13。
如圖5、圖6所示，立柱的外罩22安裝在基座1上，立柱外罩內(nèi)裝有梯形螺紋絲杠23，絲杠23上端通過聯(lián)軸器24與步進(jìn)電機(jī)25相連。通過步進(jìn)電機(jī)25驅(qū)動(dòng)絲杠23轉(zhuǎn)動(dòng)，可以對(duì)機(jī)械臂2進(jìn)行升降。立柱外罩22上還安裝有直角導(dǎo)軌26，在機(jī)械臂2的升降過程中起導(dǎo)向作用。
圖7為懸吊支撐架部件的結(jié)構(gòu)示意圖。懸吊支撐架4由支撐架底座27、支撐架立柱28、支撐架大臂29、支撐架小臂30、懸吊線31、肘關(guān)節(jié)支撐套32和電機(jī)33組成。其中，支撐架立柱28和電機(jī)33都安裝在支撐架底座27上，支撐架大臂29安裝在支撐架立柱28頂部，支撐架小臂30安裝在支撐架大臂29一端。支撐架小臂30的另一端通過懸吊線31吊有肘關(guān)節(jié)支撐套32。肘關(guān)節(jié)支撐套32由小臂支撐套和大臂支撐套組成。為了不干涉訓(xùn)練過程中肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩支撐套間為鉸鏈連接方式，兩支撐套可以相對(duì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖8為懸吊支撐架中支撐架小臂與支撐架大臂連接處的剖面圖。支撐架小臂30通過鉸鏈軸34與支撐架大臂29相連。其中，支撐架小臂30與軸34固連，支撐架大臂29與軸34之間裝有滾動(dòng)軸承。軸34為中空軸，懸吊線31從軸34中穿過，并跨過支撐架小臂30前端的定滑輪35。這樣，懸吊線31通過了支撐架小臂30和支撐架大臂29之間的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，保證了在支撐架小臂30和支撐架大臂29之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，懸吊線31的長(zhǎng)度不變。
圖9為懸吊支撐架中支撐架大臂與支撐架立柱連接處的剖面圖。支撐架大臂29通過軸36與支撐架立柱28相連。其中，支撐架立柱28與軸36固連，支撐架大臂29與軸36之間裝有滾動(dòng)軸承。軸36為中空軸，支撐架立柱28也為中空結(jié)構(gòu)，懸吊線31從軸36和支撐架立柱28中穿過。這樣，懸吊線31通過了支撐架大臂29和支撐架立柱28之間的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，保證了在支撐架大臂29和支撐架立柱28之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，懸吊線31長(zhǎng)度不變。
圖10為懸吊支撐架底座部分裝配結(jié)構(gòu)的剖面圖。一臺(tái)直流電機(jī)33安裝在支撐架底座27上，電機(jī)33通過聯(lián)軸器37與卷筒軸38的一端相連。卷筒軸38安裝在支撐架立柱28內(nèi)，懸吊線31纏繞在卷筒軸38上。通過電機(jī)33驅(qū)動(dòng)卷筒軸38，可以調(diào)節(jié)懸吊線31的長(zhǎng)度和其上支撐力的大小。
權(quán)利要求
1.一種偏癱患者上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，包括立柱(3)，安裝在立柱上的機(jī)械臂(2)，設(shè)置在機(jī)械臂端部的腕部固定托架(5)和座椅(6)，其特征在于該機(jī)械人還包括一個(gè)對(duì)患者肘關(guān)節(jié)進(jìn)行懸吊支撐的懸吊支撐架(4)；所述的機(jī)械臂采用由機(jī)械大臂(7)和機(jī)械小臂(8)構(gòu)成的二連桿結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械臂托架(9)與所述的立柱相連，并可沿立柱進(jìn)行升降；所述的立柱(3)安置在座椅(6)的側(cè)面。
2.按照權(quán)利要求1所述的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于所述的機(jī)械大臂和機(jī)械小臂為一鉸鏈連接，在機(jī)械小臂上設(shè)有一帶輪(15)，通過圓弧齒同步帶(13)與機(jī)械小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)(12)相連。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于所述的機(jī)械臂托架上設(shè)有梯形螺紋螺母(10)和矩形槽()；所述的梯形螺紋螺母和矩形槽分別與立柱上的梯形螺紋絲杠(23)和直角導(dǎo)軌(26)相配合。
4.按照權(quán)利要求1所述的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于所述的懸吊支撐架(4)由支撐架立柱(28)、支撐架大臂(29)、支撐架小臂(30)和懸吊線(31)組成，所述的支撐架大臂和支撐架立柱以及支撐架大臂和支撐架小臂間采用鉸鏈連接，所述的支撐架大臂與支撐架立柱間的鉸鏈軸(36)、支撐架大臂與支撐架小臂間的鉸鏈軸(34)以及支撐架立柱均為中空結(jié)構(gòu)，所述的懸吊線一端從它們中間穿過纏繞在支撐架下端的卷筒軸(38)上，卷筒軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)(33)相連接；在懸吊線的另一端吊有肘關(guān)節(jié)支撐套(32)。
5.按照權(quán)利要求4所述的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于所述的肘關(guān)節(jié)支撐套(32)由小臂支撐套和大臂支撐套組成，兩支撐套間采用鉸鏈連接。
全文摘要
偏癱患者上肢復(fù)合運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，涉及一種對(duì)偏癱患者的上肢進(jìn)行多關(guān)節(jié)、大幅度復(fù)合動(dòng)作的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)備。該機(jī)器人主要包括立柱、安裝在立柱上的機(jī)械臂，腕部固定托架、座椅以及一個(gè)對(duì)患者肘關(guān)節(jié)進(jìn)行懸吊支撐的懸吊支撐架；機(jī)械臂采用由機(jī)械大臂和機(jī)械小臂構(gòu)成的二連桿結(jié)構(gòu)，并可沿立柱進(jìn)行升降；所述的立柱安置在座椅的側(cè)面。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，可以滿足患者患肢在多個(gè)平面做大幅度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的要求以及患者患肢在不同俯仰平面上訓(xùn)練時(shí)的支撐需要，并且還更有利于患者發(fā)揮患肢殘余功能，達(dá)到最好的康復(fù)效果。
文檔編號(hào)A61H1/02GK1480118SQ0315035
公開日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月25日
發(fā)明者季林紅, 胡宇川, 王廣志, 畢勝, 王子羲, 王耀兵, 丑武勝 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院, 北京航天航空大學(xué)