CN101357097B - 五自由度外骨骼式上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种五自由度外骨骼式上肢康复机器人。它包括安装机器人的安装架，安装架设计有导轨，导轨上安装升降架，升降架上带有高度调节机构，可旋转安装臂通过旋转轴安装在升降架上，由横肩、上臂、前臂和手柄构成的康复机械臂本体安装在可旋转安装臂上，5个自由度关节，5个驱动电机分别安装在各个关节的转动轴线上，与驱动电机级联的四个力矩传感器分别安装在肩部、肘部及腕部，其中肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个，力矩传感器作为传动装置及检测装置连接电机减速器与执行机构。该机器人为患者提供各关节的单关节运动与三维空间多关节复合运动，并提供简单、基本的日常生活动作训练。

Description

五自由度外骨骼式上肢康复机器人

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是一种用于上肢康复的机器人。

(二)背景技术

传统的临床康复方法多是由康复医师徒手或利用辅助器具一对一的引导患者完成连续性的被动运动，或施予适当的阻力或助力来引导患者运动。而脑中风发病率的增加使偏瘫患者越来越多，繁重、高强度的训练任务给治疗医师带来沉重的负担，使医师们分身乏术，没有更多的时间与精力专注于临床数据的分析及治疗方案的改进。因此，将机器人及其相关技术与临床康复医学相结合设计出康复机器人替代医师完成对偏瘫患者的康复训练是十分重要的。

现有的上肢康复机器人多采用连杆式机构附着在肢体外侧带动肢体完成运动，或将连杆作为运动引导机构牵引肢体末端完成上肢运动。虽然利用机器人及其相关技术实现了减轻医师负担，提高效率，为患者不同时期康复方案的制定和优化提供了客观、有效的数据依据，而存在的问题为：对患者由于神经损伤导致的肌肉运动功能受损的临床问题考虑不足，缺乏对克服自身重力均存在难度的患肢进行支撑与保护的措施。另一方面，目前的康复机器人能够提供的训练动作多为简单的直线或曲线轨迹，动作范围较小，种类单一。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能为患者提供各关节的单关节运动与三维空间多关节复合运动，并提供进食、提裤等简单、基本的日常生活动作训练，实现对患者的被动运动训练及主动--辅助运动训练的五自由度外骨骼式上肢康复机器人。

本发明的目的是这样实现的：它包括用于安装机器人的安装架，机器人连接带显示器和键盘的控制柜，安装架设计有导轨(用来安装机械臂的不是控制柜，它就是一个安装架，控制柜是带显示器和键盘的柜子)，导轨上安装升降架，升降架上带有高度调节机构，可旋转安装臂通过旋转轴安装在升降架上，由横肩、上臂、前臂和手柄构成的康复机械臂本体安装在可旋转安装臂上，横肩于可旋转安装臂之间由肩部外展/内收关节相连，横肩与上臂之间由肩部屈/伸关节相连，上臂与前臂之间由肘部屈/伸关节相连，前臂与手臂之间由腕部旋内/旋外关节相连，手臂上带有腕部屈/伸关节，5个驱动电机分别安装在各个关节的转动轴线上，与驱动电机级联的四个力矩传感器分别安装在肩部、肘部及腕部，其中肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个，力矩传感器作为传动装置及检测装置连接电机减速器与执行机构。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的上臂与前臂上均设置有臂长调节机构；

2、所述的底座的下部带有移动轮；

3、所述的底座上带有可升降的配重块，配重块的底面上带有橡胶垫；

4、所述的安装架的前面设置有可插拔座椅，座椅上带有可插拔的扶手；

5、所述的康复机械臂本体具有超硬铝材料的外骨骼式双边结构；

6、所述的升降架上的高度调节机构是手动升降轮。

本发明主要由康复机械臂本体、驱动电机、力矩传感器、可调节升降安装架、座椅及控制柜构成。康复机械臂本体设计为超硬铝材料的外骨骼式双边结构，具有肩部外展/内收I、肩部屈/伸II、肘部屈/伸III、腕部屈/伸IV及腕部旋内/旋外V这5个自由度，上臂与前臂调节机构使机械臂长度为493mm～766mm可调，适用于不同身高患者，末端采用受试者抓握的手柄方式。5个驱动电机分别安装在各个转动自由度的轴线上用于驱动各自由度活动。分别安装在肩部、肘部及腕部与驱动电机级联的四个力矩传感器(其中肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个)测量运动过程中人体施加给机器人的力矩信息，用于监督或指导机器人的运动。通过手动调节安装架升降轮使机器人在安装架四条道轨的引导下发生位置高度的变化，实现偏瘫患者站姿与坐姿康复训练，同时满足不同身高患者的舒适度需求。调节安装架顶端的可旋转安装臂使机器人位置转动120°进行左右切换，满足不同患者的左、右侧康复训练需求，坐姿康复训练时，更换可插拔座椅扶手的左右位置满足患者非运动侧的舒适需求。底座上的配重块用于平衡整体重心，将其落下利用其底部橡胶与地面的磨擦固定系统，将其升离地面即可推动安装架便于系统搬运。该机器人为患者提供各关节的单关节运动与三维空间多关节复合运动，并提供简单、基本的日常生活动作训练：进食、提裤，实现对患者的被动运动训练及主动--辅助运动训练。不仅能够减轻康复医师负担，提高医师工作效率，为患者的康复治疗过程提供客观、准确的数据，并在此基础上为患者提供全方位、多模式的上肢运动，辅以简单的日常生活动作练习，促进肢体功能的恢复，抑制代偿运动并保持其正确运动的感觉。

(四)附图说明

图1是传统临床康复方法示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是底座的结构示意图；

图4是康复机械臂本体的结构图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

结合图2，五自由度外骨骼式上肢康复机器人的组成包括用于安装机器人的安装架，机器人连接带显示器和键盘的控制柜，安装架设计有导轨6，导轨上安装升降架，升降架上带有高度调节机构，可旋转安装臂4通过旋转轴安装在升降架上，同时结合图3，由横肩、上臂、前臂和手臂以及手柄3(机械臂本体只包括横肩、肘部以上的上臂、肘部到腕部的前臂，以及腕部下面的手柄，腕部以下就是手柄)构成的康复机械臂本体安装在安装臂上，横肩与安装臂之间由肩部外展/内收关节I相连，横肩与上臂之间由肩部屈/伸关节II相连，上臂与前臂之间由肘部屈/伸关节III相连，前臂与手臂之间由腕部旋内/旋外关节IV相连，手臂上带有腕部屈/伸关节V，5个驱动电机分别安装在各个关节的转动轴线上，与驱动电机级联的四个力矩传感器分别安装在肩部、肘部及腕部，其中肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个，力矩传感器作为传动装置及检测装置连接电机减速器与执行机构。上臂上设置有臂长调节机构1，前臂上设置有臂长调节机构2，同时结合图4，底座的下部带有移动轮，底座上带有可升降的配重块8，配重块的底面上带有橡胶垫9，安装架的前面设置有可插拔座椅，座椅上带有可插拔的扶手7，康复机械臂本体具有超硬铝材料的外骨骼式双边结构，所述的升降架上的高度调节机构是手动升降轮5。

Claims (1)

1.一种五自由度外骨骼式上肢康复机器人，它包括用于安装机器人的安装架，机器人连接带显示器和键盘的控制柜，其特征是：安装架上设计有导轨，导轨上安装升降架，升降架上带有高度调节机构，可旋转安装臂通过旋转轴安装在升降架上，由横肩、上臂、前臂和手柄构成的康复机械臂本体安装在可旋转安装臂上，横肩与可旋转安装臂之间由肩部外展/内收关节相连，横肩与上臂之间由肩部屈/伸关节相连，上臂与前臂之间由肘部屈/伸关节相连，前臂与手柄之间由腕部旋内/旋外关节相连，手臂上带有腕部屈/伸关节，5个驱动电机分别安装在各个关节的转动轴线上，与驱动电机级联的四个力矩传感器分别安装在肩部、肘部及腕部，其中肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个，力矩传感器作为传动装置及检测装置连接电机减速器与执行机构；所述的上臂与前臂上均设置有臂长调节机构；所述的安装架的前面设置有可插拔座椅，座椅上带有可插拔的扶手；所述的康复机械臂本体具有超硬铝材料的外骨骼式双边结构；所述的升降架上的高度调节机构是手动升降轮。