專利名稱：一種上肢康復訓練機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種上肢康復訓練機器人，屬于醫(yī)療康復訓練器械技術領域。
背景技術：
近年來因患腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病而致中老年患者偏癱的人數(shù)不斷增多，并 且在年齡上呈現(xiàn)年輕化趨勢；同時，由于一些事故而造成神經(jīng)損傷或者肢體損傷的人數(shù)也 越來越多。尤其是上肢運動功能的喪失，極大地影響了患者日常生活的能力。對于這些偏 癱和肢體受損傷的患者，進行康復訓練是十分重要和關鍵的醫(yī)療手段。隨著現(xiàn)代中樞神經(jīng)康復機理研究的進展，國內(nèi)外研究人員基于機器人技術在運動 功能康復方面開展了大量研究，其研究目標是發(fā)展具有康復治療和評價功能的機器人。康復機器人技術是一種新的運動神經(jīng)康復治療技術，將機器人技術應用于康復領 域，既可提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫(yī)療人員的負擔和衛(wèi)生保健的成本；另外，機 器人可以記錄詳實的治療數(shù)據(jù)及圖形，能提供客觀、準確的治療和評價參數(shù)，有助于機器人 輔助治療偏癱的進行，能夠有效改善康復效果和提高康復效率。目前，國內(nèi)外上肢康復訓練機器人在用于上肢運動功能障礙患者進行治療和康復 訓練時存在諸多缺點和不足，主要有支持活動的關節(jié)單一或較少、尤其是未把小臂旋轉(zhuǎn)和 腕部指部等關節(jié)的運動集成于系統(tǒng)和裝置中；個體適應性差，不能根據(jù)不同患者進行裝置 的調(diào)整或調(diào)整不方便；支持的運動模式單一，只能進行被動運動或者裝置不具備驅(qū)動功能； 舒適性較差，不能較好地實現(xiàn)人機協(xié)調(diào)和統(tǒng)一；不能激發(fā)患者訓練的興趣；不能較好地解 決力量和位置過載等安全問題。CN101357097A公布了一種五自由度外骨骼式上肢康復機器 人，該機器人包括安裝架、控制柜、康復機械臂本體，康復機械臂由橫肩、上臂、前臂和手柄 構(gòu)成，5個自由度關節(jié)，提供患者各關節(jié)的單關節(jié)運動與三維空間多關節(jié)復合運動。該發(fā)明 的機械臂結(jié)構(gòu)單一、不夠輕巧緊湊，轉(zhuǎn)動慣量大；調(diào)整很不方便，個體適應性差；不能支持 患者上肢較多關節(jié)的康復運動，尤其是不能實現(xiàn)患者指關節(jié)的康復訓練；在安全設計方面 存在不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供了一種上肢康復訓練機器人，該機器 人可用于上肢運動功能障礙患者進行治療、康復訓練、康復治療效果評估。結(jié)構(gòu)輕巧美觀， 個體適應性好且調(diào)整方便，支持上肢多關節(jié)且包含手指關節(jié)的康復訓練，使用操作安全有 效。本發(fā)明所采用的的技術方案是
該上肢康復訓練機器人，包括(1)可進行兩維方向調(diào)整的底座，(2)固定于所述底座 上的人體工程學座椅，(3)支持人體上肢各關節(jié)運動的機械臂，(4)連接并控制所述機械臂 運動、進行數(shù)據(jù)處理和人機交互的控制柜。所述底座的底盤上安裝有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)和橫移機構(gòu)，該橫移機構(gòu)上安裝有懸伸臂；所述康復機械臂有5個自由度關節(jié)，設置有力/力矩傳感器，其肩部外展/內(nèi)收關節(jié)和 肩部屈/伸關節(jié)的驅(qū)動電機分別安裝在它們關節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線上。
本發(fā)明的技術特點是所述康復機械臂包括肩部外展/內(nèi)收關節(jié)、肩部屈/伸關 節(jié)、上臂、肘關節(jié)、前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)、前臂、腕部屈/伸關節(jié)、手掌和手指，其肩部外展/ 內(nèi)收關節(jié)安裝在所述懸伸臂上，肩部屈/伸關節(jié)通過一連接座與肩部外展/內(nèi)收關節(jié)連接， 上臂固定在肩部屈/伸關節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸上，前臂通過肘關節(jié)與上臂連接，前臂上并安裝有前 臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)，手掌通過腕部屈/伸關節(jié)與手掌連接，手掌通過一連桿連接手指；所述 肘關節(jié)的驅(qū)動電機安裝在驅(qū)動肘關節(jié)轉(zhuǎn)動的一曲柄上，前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)和腕部屈/伸 關節(jié)的驅(qū)動電機通過齒輪驅(qū)動其關節(jié)轉(zhuǎn)動，手指運動由腕部屈/伸關節(jié)的驅(qū)動電機驅(qū)動； 在所述上臂、前臂和手掌上固連3個力傳感器，其中固連于上臂的傳感器是二維傳感器。所述底座包括底盤、高度調(diào)節(jié)機構(gòu)、橫移機構(gòu)和懸伸臂；所述高度調(diào)節(jié)機構(gòu)是電動 升降柱，所述橫移機構(gòu)由直線導軌和直線軸承組成，直線軸承在直線導軌上沿直線導軌移 動，所述懸伸臂固定在直線軸承上，橫移機構(gòu)上并設有鎖緊裝置。上述鎖緊裝置包括銷軸、鎖緊手柄、固定卡塊和漲緊卡塊，所述鎖緊手柄與漲緊卡 塊連接，漲緊卡塊繞銷軸轉(zhuǎn)動，銷軸固定在所述懸伸臂上并與固定卡塊固連。所述上臂、前臂、手掌和手指上均設置有長度調(diào)整機構(gòu)。所述肘關節(jié)由一平行四連桿機構(gòu)驅(qū)動，其驅(qū)動電機和減速機置于靠近肩部位置， 且連桿長度可以調(diào)整。所述手掌和手指是一曲柄滑塊機構(gòu)，腕部屈/伸運動由曲柄直接驅(qū)動，手指運動 由固連于所述曲柄滑塊機構(gòu)上的一連桿驅(qū)動。所述康復機械臂的各轉(zhuǎn)動關節(jié)上安裝有電氣限位和/或機械硬限位裝置。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是
1)康復機械臂仿人上肢設計，實現(xiàn)了人機完美匹配，提高了康復訓練時的舒適性； 2 )把人體上肢肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)等關節(jié)運動和手指運動的實現(xiàn)集成到了 一個康 復機械臂上，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)腕部和指部的運動；
3)由于采用桿件結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)不同患者上肢的尺寸，方便地調(diào)整康復機械臂各段的 長度，增強了康復訓練機器人對不同患者個體的適應性；
4)由于康復訓練機器人的機械臂較多采用連桿機構(gòu)，使得機構(gòu)更加緊湊、美觀，同時也 大大減少了各軸的轉(zhuǎn)動慣量，提高了機構(gòu)的精度；
5)腕部和指部的運動由一套偏置的曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)，配備一套電機和減速器，使得 結(jié)構(gòu)緊湊，同時也降低了成本；
6)在康復機械臂和人體上肢之間有3個力傳感器，可對過載(驅(qū)動力)和異常情況進行 檢測和安全防護；
7)康復機械臂各轉(zhuǎn)動關節(jié)上安裝有電氣限位和/或機械硬限位裝置，保證了患者進行 康復訓練時安全有效。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為底座的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為康復機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖進一步介紹本發(fā)明的實施例。下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本發(fā)明的保護 范圍。如圖1所示，上肢康復訓練機器人由可進行兩維方向調(diào)整的底座I、人體工程學 座椅II、支持人體上肢各關節(jié)運動的康復機械臂III和控制機械臂運動、進行數(shù)據(jù)處理及人 機交互的控制柜IV等四部分組成。如圖2、圖3所示，上肢康復機器人的底座由底盤1、高度調(diào)節(jié)機構(gòu)3、橫移機構(gòu)5和 懸伸臂6等組成。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)3是一電動升降柱(內(nèi)置直流電機，未示出)，通過立柱2固 定在底盤1上，當電動升降柱升降時可以調(diào)整康復機械臂相對于底座的高度；橫移機構(gòu)5由 直線導軌5-1和直線軸承5-2組成，直線軸承5-2在直線導軌5-1上沿直線導軌5-1移動， 橫移機構(gòu)5上的直線導軌5-1通過固定板4與電動升降柱連接，懸伸臂10固定在直線軸承 5-2上。橫移機構(gòu)5上設置有鎖緊裝置，鎖緊裝置由銷軸6、鎖緊手柄8、固定卡塊7和漲緊 卡塊9組成，鎖緊手柄8與漲緊卡塊9連接，漲緊卡塊9繞銷軸6轉(zhuǎn)動，銷軸6固定在懸伸 臂10上并與固定卡塊7固連，當旋轉(zhuǎn)鎖緊手柄8時，固定卡塊7和漲緊卡塊9夾緊橫移機 構(gòu)5上的直線導軌5-1，懸伸臂10被鎖緊。圖4所示，康復機械臂由肩部外展/內(nèi)收關節(jié)III -1、肩部屈/伸關節(jié)III _2、上臂 III _3、肘關節(jié)III _4、前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)III _5、前臂III _6、腕部屈/伸關節(jié)III _7、手掌III -8和 手指III -9等組成。康復機械臂通過肩部外展/內(nèi)收關節(jié)上的軸承座11固定在懸伸臂10上， 肩部屈/伸關節(jié)III -2通過一連接座12與肩部外展/內(nèi)收關節(jié)III -1連接，上臂III -3固定在 肩部屈/伸關節(jié)III -2的旋轉(zhuǎn)塊28上，前臂III -6通過肘關節(jié)III -4與上臂III -3連接，在前臂 III -6上安裝有前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)III _5，手掌III -8通過腕部屈/伸關節(jié)III -7與前臂III -6 連接，手掌III -8通過一連桿20連接手指III _9 ;5個自由度關節(jié)，肩部外展/內(nèi)收關節(jié)III -1和 肩部屈/伸關節(jié)III -2的驅(qū)動電機29、27分別安裝在它們關節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線上，肘關節(jié)III -4由 一平行四連桿機構(gòu)驅(qū)動，其驅(qū)動電機13通過減速機安裝在驅(qū)動肘關節(jié)轉(zhuǎn)動的一曲柄14上，且 靠近肩部位置，連桿15的長度可以調(diào)整，前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)III_5的驅(qū)動電機(圖中未示出) 與齒輪17連接；手掌III -8和手指III -9是一套偏置的曲柄滑塊機構(gòu)，腕部屈/伸關節(jié)III -7的 驅(qū)動電機18通過一對傘齒輪(圖中未示出)驅(qū)動腕部屈/伸關節(jié)III -7轉(zhuǎn)動，當腕部屈/伸關 節(jié)III -7轉(zhuǎn)動時，連桿19也由腕部屈/伸關節(jié)III -7的驅(qū)動電機18帶動，從而實現(xiàn)手指關節(jié) III -9的運動；在上臂III _3、前臂III -6和手掌III -8上固連3個力傳感器16、25、23，其中固連 于上臂III -3的傳感器16是二維傳感器，力傳感器檢測機械臂施加于人體上肢各部分的力和 人體上肢對機械臂的力；上臂III -3上設置有臂長調(diào)節(jié)機構(gòu)26，前臂III -6上設置有臂長調(diào)節(jié) 機構(gòu)24，手掌III -8上設置有臂長調(diào)節(jié)機構(gòu)22，手指III -9上設置有臂長調(diào)節(jié)機構(gòu)21?？祻蜋C械臂各轉(zhuǎn)動關節(jié)均采用直流伺服電機，各軸配有外置或內(nèi)置的編碼器，進 行位置檢測和控制；同時各轉(zhuǎn)動關節(jié)上安裝有電氣限位和/或機械硬限位裝置，保證了患 者進行康復訓練時安全有效。
權(quán)利要求
一種用于上肢運動功能障礙患者進行治療、康復訓練、康復治療效果評估的上肢康復訓練機器人，包括可進行兩維方向調(diào)整的底座；固定于底座上的人體工程學座椅；支持人體上肢各關節(jié)運動的康復機械臂；控制所述康復機械臂運動、進行數(shù)據(jù)處理和人機交互的控制柜；所述底座的底盤上安裝有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)和橫移機構(gòu)，該橫移機構(gòu)上安裝有懸伸臂；所述康復機械臂有5個自由度關節(jié)，設置有力/力矩傳感器，其肩部外展/內(nèi)收關節(jié)和肩部屈/伸關節(jié)的驅(qū)動電機分別安裝在它們關節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線上；其特征在于所述康復機械臂包括肩部外展/內(nèi)收關節(jié)、肩部屈/伸關節(jié)、上臂、肘關節(jié)、前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)、前臂、腕部屈/伸關節(jié)、手掌和手指，其肩部外展/內(nèi)收關節(jié)安裝在所述懸伸臂上，肩部屈/伸關節(jié)通過一連接座與肩部外展/內(nèi)收關節(jié)連接，上臂固定在肩部屈/伸關節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸上，前臂通過肘關節(jié)與上臂連接，前臂上并安裝有前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)，手掌通過腕部屈/伸關節(jié)與手掌連接，手掌通過一連桿連接手指；所述肘關節(jié)的驅(qū)動電機安裝在驅(qū)動肘關節(jié)轉(zhuǎn)動的一曲柄上，前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)和腕部屈/伸關節(jié)的驅(qū)動電機通過齒輪驅(qū)動其關節(jié)轉(zhuǎn)動，手指運動由腕部屈/伸關節(jié)的驅(qū)動電機驅(qū)動；在所述上臂、前臂和手掌上固連3個力傳感器，其中固連于上臂的傳感器是二維傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢康復訓練機器人，其特征在于所述底座底盤的高度調(diào) 節(jié)機構(gòu)是電動升降柱，所述橫移機構(gòu)包括直線導軌和直線軸承，直線軸承在直線導軌上沿 直線導軌移動，所述懸伸臂固定在直線軸承上，所述橫移機構(gòu)上并設有鎖緊裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的上肢康復訓練機器人，其特征在于所述鎖緊裝置包括銷軸、 鎖緊手柄、固定卡塊和漲緊卡塊，所述鎖緊手柄與漲緊卡塊連接，漲緊卡塊繞銷軸轉(zhuǎn)動，銷 軸固定在所述懸伸臂上并與固定卡塊固連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢康復訓練機器人，其特征在于所述上臂、前臂、手掌和 手指上均設置有長度調(diào)整機構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢康復訓練機器人，其特征在于所述肘關節(jié)由一平行四 連桿機構(gòu)驅(qū)動，其驅(qū)動電機和減速機置于靠近肩部位置，且連桿長度可以調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢康復訓練機器人，其特征在于所述手掌和手指是一曲 柄滑塊機構(gòu)，腕部屈/伸運動由曲柄直接驅(qū)動，手指運動由固連于所述曲柄滑塊機構(gòu)上的 一連桿驅(qū)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢康復訓練機器人，其特征在于所述機械臂的各轉(zhuǎn)動關 節(jié)上安裝有電氣限位和/或機械硬限位裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種上肢康復訓練機器人，包括底座、人體工學座椅、康復機械臂和人機交互控制柜。底座安裝有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)和橫移機構(gòu)，橫移機構(gòu)上置懸伸臂；康復機械臂包括肩部外展/內(nèi)收關節(jié)、肩部屈/伸關節(jié)、上臂、肘關節(jié)、前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)、前臂、腕部屈/伸關節(jié)、手掌和手指，肩部外展/內(nèi)收關節(jié)安裝在懸伸臂上，肩部屈/伸關節(jié)與肩部外展/內(nèi)收關節(jié)連接，前臂由肘關節(jié)與上臂連接，前臂上安裝有前臂內(nèi)旋/外翻關節(jié)，手掌由腕部屈/伸關節(jié)與手掌連接，手掌由一連桿連接手指；在上臂、前臂和手掌上固連3個力傳感器，其中固連于上臂的傳感器是二維傳感器。該機器人為患者上肢各關節(jié)提供三維空間內(nèi)的復合康復運動，能夠較高質(zhì)量地完成患者上肢康復訓練。
文檔編號A61H1/00GK101869526SQ201010222010
公開日2010年10月27日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者付風生, 蘭陟, 劉建民, 吳貴軍 申請人:付風生;安陽神方康復機器人有限公司