CN101829003B - 外骨骼式上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种康复机器人，特别涉及一种通过助动人体肩胛骨旋转来实现上肢康复的外骨骼式上肢康复机器人，其包括上臂部，上臂前屈助动部，上臂外展助动部，肩胛骨旋转助动部，传动部及支架部，其特征在于传动部的前屈传动轮的直径是传动轮直径的2倍，外展传动轮的直径是传动轮直径的2倍，且配重轮、前屈传动轮、外展传动轮上均设有定位装置，本发明遵循人体关节运动学的上臂连带肩胛骨运动的2-1规律，通过助动人体肩胛骨让机械上臂在辅助人的上臂做前屈或外展时，按2-1规律助动肩胛骨做旋转运动，可以更为科学的进行患者的上肢康复训练。

Description

外骨骼式上肢康复机器人

技术领域

本发明涉及一种康复机器人，特别涉及一种通过助动人体肩胛骨旋转来实现上肢康复的外骨骼式上肢康复机器人。

背景技术

人类的上臂在做前屈或外展运动时，要带动肩胛骨在一定的范围内，按一定的比例做旋转运动。若将人类的上臂以自然铅锤放置的位置为基准，上臂前屈或外展运动的转角不超过30°时，肩胛骨不会被带动做任何旋转运动。一旦上臂前屈或外展运动的转角超过30°后，上臂每前屈或外展2°，肩胛骨旋转1°，这就是著名的上臂连带肩胛骨运动的2-1规律。上臂的前屈和外展运动分别发生在两个相互正交的平面内，但不论是前屈运动还是外展运动，肩胛骨都始终在平行于外展运动的平面内，按2-1规律做旋转运动。肩胛骨的旋转运动是通过连接上臂肱骨与肩胛骨的有关肌肉来实现的。当发生中风、偏瘫、肌肉麻痹等疾患时，会造成带动肩胛骨运动的肌肉的收缩功能丧失，从而上臂连带肩胛骨运动的能力也就丧失了。这时若强行驱使上臂做前屈或外展运动，肱骨与肩胛骨之间相连的肌肉反而会被拉伤。

上肢康复的传统治疗方法是康复理疗师手把手辅助患者进行训练，理疗师的一只手在前屈或外展患者的上臂时，另一只手同时要按2-1规律旋转患者的肩胛骨。这种方法存在诸多问题，首先是理疗师的工作劳动强度很大，训练任务繁重，没有更多的时间和精力专注于临床数据的分析及治疗方案的改进，其次是训练效果受理疗师的主观影响较大，最重要的是理疗师不能精确、持久地保证肩胛骨是按照人体运动学的2-1规律做旋转运动的，这样反而会对丧失收缩功能的肌肉造成进一步的拉伤。

现有的用于上肢康复的训练机器人，虽然利用机器人的相关技术减轻了理疗师的负担，提高了训练效率，但存在的问题是其技术并没有涉及上臂连带肩胛骨运动的2-1规律，由于机器人的刚性特点，反而有可能会对丧失收缩功能的肌肉造成进一步的拉伤。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种外骨骼式上肢康复机器人，其遵循人体关节运动学的上臂连带肩胛骨运动的2-1规律，通过助动人体肩胛骨让机械上臂在辅助人的上臂做前屈或外展时，按2-1规律助动肩胛骨做旋转运动。

为实现上述目的，本发明由以下技术方案来实现：本发明是一种外骨骼式上肢康复机器人，包括上臂部100，上臂前屈助动部200，上臂外展助动部300，肩胛骨旋转助动部400，传动部500及支架部600。上臂部100通过箍紧套101将人的上臂与机械上臂102柔性地箍连在一起，机械上臂102固定在与上臂前屈助动部200固连的传动部500的传动轮501上，上臂前屈助动部200通过水平导杆204连接于上臂外展助动部300，上臂外展助动部300通过螺杆604和垂直导杆603固定在支架601上，肩胛骨旋转助动部400通过水平导杆602固定在支架601上，传动部500通过传动轮501和502、细钢缆503和504，转向轮507、前屈传动轮511及外展传动轮512连接连接上臂前屈助动部200、上臂外展助动部300和肩胛骨旋转助动部400，带动上臂部100完成前屈/外展运动，前屈传动轮511的直径是传动轮501直径的2倍，前屈转角与肩胛骨转角按1:2的规律转动，外展传动轮512的直径是传动轮502直径的2倍，外展转角与肩胛骨转角按1:2的规律转动。

所述的上臂部100主要包括箍紧套101和机械上臂102，箍紧套101通过固定件103固定在机械上臂102的上端内侧。

所述的上臂前屈助动部200主要包括直流伺服电机201、法兰盘202、传动轴203、水平导杆204、水平位置调节块205和206，直流伺服电机201与法兰盘202依次固定于水平位置调节块205上，直流伺服电机输出轴207与传动轴203通过紧钉螺钉208连接，水平导杆204贯穿水平位置调节块205和水平位置调节块206，水平位置调节块206通过锁紧螺母211固定于水平导杆204靠近上臂外展助动部300的一端，水平位置调节块205通过紧钉螺钉209连接于水平导杆204靠近上臂部100的一端，松动紧钉螺钉209可沿水平导杆204水平移动水平位置调节块205。

所述的上臂外展助动部300主要包括直流伺服电机301、法兰盘302、传动轴303、水平导杆304和305、固定块306、水平位置调节块307、铅垂位置调节块308，直流伺服电机301与法兰盘302依次固定于水平位置调节块307上，直流伺服电机输出轴309通过紧钉螺钉310与传动轴303连接，水平导杆304贯穿固定块306和上臂前屈助动部200的水平位置调节块206，固定块306固定于水平导杆304靠近支架部600的一端，水平位置调节块206通过紧钉螺钉210连接于水平导杆304的另一端，松动紧钉螺钉210可沿水平导杆304水平移动水平位置调节块206，水平导杆305贯穿水平位置调节块307和铅垂位置调节块308，铅垂位置调节块308通过锁紧螺母312固定于水平导杆305靠近支架部（600）的一端，水平位置调节块307通过紧钉螺钉311连接于水平导杆305的另一端，松动紧钉螺钉311可沿水平导杆305水平移动水平位置调节块307，铅垂位置调节块308通过锁紧螺母313固定在支架部600的螺杆604上，松动锁紧螺母313通过旋动调节螺母314可沿支架部600的垂直导杆603上下移动铅垂位置调节块308。

所述的肩胛骨旋转助动部400主要包括接触盘401、浮动助动盘402、固定助动盘403、传动轴404、水平位置调节块405、配重轮406、细钢缆407和配重块408，接触盘401通过固定件410与浮动助动盘402固连，固定助动盘403上安装了三个相同的套筒411，套筒411内部安装有弹簧412和球头销413，浮动助动盘402的背面有三个与球头销413球头半径相同的半球面凹坑，球头销413的球头分别对应安装于半球面凹坑内，使浮动助动盘402与固定助动盘403非刚性连接，弹簧412作用在于使接触盘401与人体肩胛骨之间有个缓冲。传动轴404通过平键414与固定助力盘403连接，水平位置调节块405通过轴承417与传动轴404连接，通过紧钉螺钉416与水平导杆602连接，手动松动紧钉螺钉416可使水平调节块405沿水平导杆602水平移动，配重轮406通过平键415与传动轴404连接，细钢缆407的一端缠绕在配重轮406的轮槽418里，另一端悬吊配重块408。

所述的传动部500由前屈传动机构和外展传动机构组成，其中前屈传动机构主要由传动轮501、细钢缆503和505、转向轮507、活动套筒508、张紧器509、前屈传动轮511及配重块513组成，传动轮501通过平键210与上臂前屈助动部200的传动轴203连接，细钢缆503一端连接于传动轮501上，经转向轮507转向90°后，经活动套筒508的径向槽孔、张紧器509，另一端缠绕在前屈传动轮511的轮槽515里，细钢缆505一端缠绕在前屈传动轮511的轮槽516里，一端悬吊配重块513；外展传动机构主要由传动轮502、细钢缆504和506、张紧器510、外展传动轮512及配重块514组成，传动轮502通过平键315与上臂外展助动部300的传动轴303连接，细钢缆504一端连接于传动轮502上，经张紧器510，另一端缠绕在外展传动轮512的轮槽517里，细钢缆506一端缠绕在外展传动轮512的轮槽518里，一端悬吊配重块514。张紧器509和510的作用在于，细钢缆503和504在使用过程中因使用发生径向变形时，可以通过旋动其螺纹端进行固紧。活动套筒508的径向槽孔的弧度为150°，不会使细钢缆504与活动套筒508因机械上臂102的外展运动产生摩擦，从而影响细钢缆504的使用寿命。

所述的支架部600主要由支架601、水平导杆602、垂直导杆603及螺杆604组成，支架601为框架结构，其上垂直安装垂直导杆603和螺杆604，垂直导杆603和螺杆604的下端通过锁紧螺母605固定于支架601上，水平导杆602贯穿支架601的上部对称地伸出在支架601的两端，用固定件606固定。

所述的配重轮406、前屈传动轮511和外展传动轮512上均设有定位装置，该定位装置主要由定位爪承板409、定位爪419、519和520、扇形定位块420、521和522、平键415及销钉523和524组成，定位爪承板409通过固定件421固定于肩胛骨旋转助动部400的水平位置调整块405上，定位爪419、519和520通过固定件422分别固定于定位爪承板409上，扇形定位块420、521和522通过固定件423、525和526分别固定于配重轮406、前屈传动轮511和外展传动轮512上，配重轮406通过平键415与传动轴404连接，前屈传动轮511和外展传动轮512通过销钉523和524分别与传动轴404连接，传动轴404上设有空槽424，空槽424弧度为90°。销钉523和524的一端伸入传动轴404的空槽424内，另一端螺纹端分别固连于前屈传动轮511和外展传动轮512上。

所述的上臂部100的箍紧套101由维可牢尼龙制造，传动部500的活动套筒508、前屈传动轮511及外展传动轮512均由铜合金材料制造，肩胛骨旋转助动部400的接触盘401采用塑胶材料制造，传动轴404采用碳钢材料制造。

所述的机械上臂的前屈运动范围和外展运动范围均为0-180°。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、训练强度和训练效率都可以得到保证，可以使治疗师从繁重的工作中解放出来，从而有更多的精力和时间专注于临床数据的分析及治疗方案的改进；2、与现有的用于上肢康复的训练机器人相比较，加入了柔性部件，使患者使用起来更舒适；3、符合人体关节运动学上臂连带肩胛骨运动的2-1规律，可以更为科学的进行患者的上肢康复训练。

附图说明

 图1是本发明的工作原理框图；

图2是本发明的总体立体结构图；

图3是本发明的总体立体结构图；

图4是本发明的正视图；

图5是本发明的俯视图；

图6是本发明图5 A-A方向的部分剖视图；

图7是本发明图5 B-B方向的部分剖视图；

图8是本发明图5 C-C方向的部分剖视图；

图9是本发明配重轮406的放大剖视图；

图10是本发明前屈传动轮511的放大剖视图；

图11是本发明外展传动轮512的放大剖视图。

图中：100—上臂部；101—箍紧套；102—机械上臂；103—固定件；200—上臂前屈助动部；201—直流伺服电机；202—法兰盘；203—传动轴；204—水平导杆；205、206—水平位置调节块；207—直流伺服电机输出轴；208、209、210—紧钉螺钉；211—锁紧螺母；212—平键；300—上臂外展助动部；301—直流伺服电机；302—法兰盘；303—传动轴；304、305—水平导杆；306—固定块；307—水平位置调节块；308—铅垂位置调节块；309—直流伺服电机输出轴；310、311—紧钉螺钉；312、313—锁紧螺母；314—调节螺母；315—平键；400—肩胛骨旋转助动部；401—接触盘；402—浮动助动盘；403—固定助动盘；404—传动轴；405—水平位置调节块；406—配重轮；407—细钢缆；408—配重块；409—定位爪承板；410—固定件；411—套筒；412—弹簧；413—球头销；414、415—平键；416—紧钉螺钉；417—轴承；418—轮槽；419—定位爪；420—扇形定位块； 421、422、423—固定件；424—空槽；500—传动部；501、502—传动轮；503、504、505、506—细钢缆；507—转向轮；508—活动套筒；509、510—张紧器；511—前屈传动轮；512—外展传动轮；513、514—配重块；515、516、517、518—轮槽；519、520—定位爪；521、522—扇形定位块；523、524—销钉；525、526—固定件；600—支架部；601—支架；602—水平导杆；603—垂直导杆；604—螺杆；605—锁紧螺母；606—固定件。

具体实施方式

 以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

实施例1：

参见图1—图8，将外骨骼式上肢康复机器人放置在人所坐椅子的后面并固定，找到人体肩胛骨的旋转中心，调节椅子的高度，使传动轴404的轴心与人体肩胛骨的旋转中心在同一高度。手动松动紧钉螺钉416沿水平导杆602水平移动水平位置调节块405，使传动轴404的轴心与人体肩胛骨的旋转中心重合，固紧紧钉螺钉416，使人的肩胛骨嵌合在接触盘401的凹面，然后用柔性绳带将人固定在椅子上。同样，松动紧钉螺钉209、210和311，调节水平位置调节块205、206和307的水平位置，松动锁紧螺母313通过旋动调节螺母314调节铅垂位置调节块308的铅垂位置，确保传动轴303的轴线通过人体肱骨头转动中心，同时将机械上臂102与人体上臂用箍紧套101固定在一起。

以人体上臂自然下垂时各部件的位置为初始位置，此时上臂前屈或外展的转角均为0°。参见图9、图10及图11，配重轮406通过平键415与传动轴404连接，配重轮406与传动轴404同步转动。初始位置时，配重轮406上的扇形定位块420与定位爪419的定位面接触，阻止配重轮406带动传动轴404沿配重块408在其重力作用下生成的转矩方向转动。同理，前屈传动轮511上和外展传动轮512上的扇形定位块521和522分别与定位爪519和520的定位面接触，阻止前屈传动轮511和外展传动轮512沿配重块513和514在其重力作用下生成的转矩方向转动。

当机械上臂102带动人的上臂做前屈运动时，传动轮501带动细钢缆503绕上臂前屈助动部200传动轴203的轴线转动。细钢缆503经转向轮507转向90°，带动前屈传动轮511沿与配重块513在其重力作用下生成的转矩方向相反的方向转动。传动轮501与前屈传动轮511的直径比是1:2，当机械上臂102带动传动轮501转动2°时，细钢缆503带动前屈传动轮511转动1°，前屈传动轮511通过销钉523带动传动轴404转动1°，从而带动接触盘401转动1°。人的肩胛骨嵌合在接触盘401的凹面，跟随接触盘401转动。当机械上臂102前屈转角小于30°时，前屈传动轮511上的销钉523在传动轴404的空槽424内沿配重块513在其重力作用下生成的转矩方向相反的方向滑动，将不会带动传动轴404随其一起转动。当机械上臂102前屈转角等于30°时，前屈传动轮511上的销钉523在传动轴404的空槽424内沿配重块513在其重力作用下生成的转矩方向相反的方向滑动15°，正好与传动轴404接触。当机械上臂102前屈转角大于30°时，前屈传动轮511上的销钉523开始带动传动轴404与其一起同向同步转动，此时配重轮406通过平键415也被传动轴404带动同向同步转动。在此过程中外展传动轮512相对于支架601是不动的，销钉524在传动轴404的空槽424内滑动。当机械手臂102前屈转角等于180°时，前屈传动轮511转过90°，传动轴404相对于外展传动轮512转过75°。当机械手臂102下放回位时，前屈传动轮511沿配重块513在重力作用下生成的转矩方向转动回位，扇形定位块521跟随前屈传动轮511回到初始位置，与定位爪519的定位面接触。配重轮406带动传动轴404在配重块408重力作用下回位，扇形定位块420跟随配重轮406回到初始位置，与定位爪419的定位面接触。

当机械上臂102带动人的上臂做外展运动时，传动轮502带动细钢缆504绕上臂外展助动部300的传动轴303的轴线转动。细钢缆504带动外展传动轮512沿与配重块514在其重力作用下生成的转矩方向相反的方向转动。其工作原理与前屈运动相同，区别在于，在此过程中，外展传动轮512上的销钉524带动传动轴404转动，而前屈传动轮511相对于支架601是不动的。

实施例2：

人的两侧上肢体均发生疾患，需要对两侧肢体同时进行康复治疗时，可以在支架601的两侧对称安装本发明所述的外骨骼式上肢康复装置，其工作原理与实施过程与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种外骨骼式上肢康复机器人，包括上臂部（100），上臂前屈助动部（200），上臂外展助动部（300），肩胛骨旋转助动部（400），传动部（500）及支架部（600），其特征在于， 

所述上臂部（100）包括：箍紧套（101）和机械上臂（102），箍紧套（101）通过固定件（103）固定在机械上臂（102）的上端内侧，上臂部（100）通过箍紧套（101）将人的上臂与机械上臂（102）柔性地箍连在一起； 

所述上臂前屈助动部（200）包括：直流伺服电机A（201）、法兰盘A（202）、传动轴A（203）、水平导杆A（204）、水平位置调节块A（205）和水平位置调节块B（206）；所述直流伺服电机A（201）通过法兰盘A（202）固定在水平位置调节块A（205）上，直流伺服电机A的输出轴（207）与传动轴A（203）通过紧钉螺钉A（208）连接，水平导杆A（204）贯穿水平位置调节块A（205）和水平位置调节块B（206），水平位置调节块B（206）通过锁紧螺母A（211）固定于水平导杆A（204）靠近上臂外展助动部（300）的一端，水平位置调节块A（205）通过紧钉螺钉B（209）连接于水平导杆A（204）靠近上臂部（100）的一端，松动紧钉螺钉B（209）可沿水平导杆A（204）水平移动水平位置调节块A（205）； 

所述上臂外展助动部（300）包括：直流伺服电机B（301）、法兰盘B（302）、传动轴B（303）、水平导杆B（304）、水平导杆C（305）、固定块（306）、水平位置调节块C（307）和铅垂位置调节块（308）；所述直流伺服电机B（301）通过法兰盘B（302）固定在水平位置调节块C（307）上，直流伺服电机B的输出轴（309）通过紧钉螺钉D（310）与传动轴B（303）连接，水平导杆B（304）贯穿固定块（306）和上臂前屈助动部（200）的水平位置调节块B（206），固定块（306）固定于水平导杆B（304）靠近支架部（600）的一端，水平位置调节块B（206）通过紧钉螺钉C（210）连接于水平导杆B（304）的另一端，松动紧钉螺钉C（210）可沿水平导杆B（304）水平移动水平位置调节块B（206），水平导杆C（305）贯穿水平位置调节块C（307）和铅垂位置调节块（308），铅垂位置调节块（308）通过锁紧螺母B（312）固定于水平导杆C（305）靠近支架部（600）的一端，水平位置调节块C（307）通过紧钉螺钉E（311）连接于水平导杆C（305）的另一端，松动紧钉螺钉E（311）可沿水平导杆C（305）水平移动水平位置调节块C（307），铅垂位置调节块（308）通过锁紧螺母C（313）和调节螺母（314）固定在支架部（600）的螺杆（604）上，松动锁紧螺母C（313）通过旋动调节螺母（314）可沿支架部（600）的垂直导杆（603）上下移动铅垂位置调节块（308）； 

所述肩胛骨旋转助动部（400）包括：接触盘（401）、浮动助动盘（402）、固定助动盘（403）、传动轴C（404）、水平位置调节块D（405）、配重轮（406）、细钢缆A（407）和配重块A（408）；接触盘（401）通过固定件B（410）与浮动助动盘（402）固连，固定助动盘（403）上安装了三个相同的套筒（411），套筒（411）内部安装有弹簧（412）和球头销（413），浮动助动盘（402）的背面有三个与球头销（413）球头半径相同的半球面凹坑，球头销（413）的球头分别对应安装于半球面凹坑内，使浮动助动盘（402）与固定助动盘（403）非刚性连接，传动轴C（404）通过平键C（414）与固定助动盘（403）连接，水平位置调节块D（405）通过轴承（417）与传动轴C（404）连接，通过紧钉螺钉F（416）与水平导杆D（602）连接，手动松动紧钉螺钉F（416）可使水平位置调节块D（405）沿水平导杆D（602）水平移动，配重轮（406）通过平键D（415）与传动轴C（404）连接，细钢缆A（407）的一端缠绕在配重轮（406）的轮槽A（418）里，另一端悬吊配重块A（408）； 

所述传动部（500）由前屈传动机构和外展传动机构组成，其中前屈传动机构包括传动轮A（501）、细钢缆B（503）、细钢缆D（505）、转向轮（507）、活动套筒（508）、张紧器A（509）、前屈传动轮（511）和配重块B（513）；传动轮A（501）通过平键A（212）与上臂前屈助动部（200）的传动轴A（203）连接，细钢缆B（503）一端连接于传动轮A（501）上，经转向轮（507）转向90°后，经活动套筒（508）的径向槽孔、张紧器A（509），另一端缠绕在前屈传动轮（511）的轮槽B（515）里，细钢缆D（505）一端缠绕在前屈传动轮（511）的轮槽C（516）里，一端悬吊配重块B（513）；外展传动机构包括传动轮B（502）、细钢缆C（504）、细钢缆E（506）、张紧器B（510）、外展传动轮（512）和配重块C（514）；外展传动机构的传动轮B（502）通过平键B（315）与上臂外展助动部（300）的传动轴B（303）连接，细钢缆C（504）一端连接于传动轮B（502）上，经张紧器B（510），另一端缠绕在外展传动轮（512）的轮槽D（517）里，细钢缆E（506）一端缠绕在外展传动轮（512）的轮槽E（518）里，一端悬吊配重块C（514）； 

传动部（500）通过传动轮A（501）和传动轮B（502）、细钢缆B（503）和细钢缆C（504）、转向轮（507）、前屈传动轮（511）、外展传动轮（512）连接上臂前屈助动部（200）、上臂外展助动部（300）和肩胛骨旋转助动部（400），带动上臂部（100）完成前屈/外展运动； 

所述支架部（600）包括：支架（601）、水平导杆D（602）、垂直导杆（603）和螺杆（604）；支架（601）为框架结构，其上铅垂安装垂直导杆（603）和螺杆（604），垂直导杆（603）和螺杆（604）的下端通过锁紧螺母D（605）固定于支架（601）上，水平导杆D（602）贯穿支架（601）的上部对称地伸出在支架（601）的两端，用固定件H（606）固定； 

所述机械上臂（102）固定在传动轮A（501）上，传动轮A（501）通过平键A（212）与传动轴A（203）固连； 

所述前屈传动轮（511）的直径是传动轮A（501）直径的2倍，前屈转角与肩胛骨转角按2:1的规律转动，所述外展传动轮（512）的直径是传动轮B（502）直径的2倍，外展转角与肩胛骨转角按2:1的规律转动；

上臂前屈助动部（200）通过水平导杆A（204）连接于上臂外展助动部（300），上臂外展助动部（300）通过螺杆（604）和垂直导杆（603）固定在支架（601）上，肩胛骨旋转助动部（400）通过水平导杆D（602）固定在支架（601）上。 

2.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，机械上臂的前屈运动范围和外展运动范围均为0-180°。 

3.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述上臂部（100）的箍紧套（101）由维可牢尼龙制造。 

4.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述肩胛骨旋转助动部（400）的接触盘（401）采用塑胶材料制造，传动轴C（404）采用碳钢材料制造。 

5.根据权利要求1所述的外骨骼式上肢康复机器人，其特征在于，所述传动部（500）的活动套筒（508）、前屈传动轮（511）及外展传动轮（512）均由铜合金材料制造。

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