专利名称：多功能上肢康复训练机器人的制作方法
技术领域：
一种多功能上肢康复训练机器人用于心脑血管疾病或意外事故等造成上肢体损伤的患者作上肢康复训练，属于医疗保健器械。
背景技术：
医学理论和实践证明，脑瘫后遗症或意外事故等造成上肢体损伤的患者必须进行肢体训练，防止肌肉“废用性”萎缩，恢复其功能。由于患者已存在功能障碍，不能独立完成肢体训练，故此项工作一般由护士或其他人实施。这不仅需要实施者具有一定的护理知识，也需要实施者具有一定的体力。尽管目前对此已有相关的专利申请，但亦有必要对该领域内的技术进行完善和补充，特别是将机器人原理运用于其中。
发明内容
本实用新型的目的是公开一种多功能上肢康复训练机器人。它根据康复医学理论和人机合作机器人原理，运用计算机技术模拟人体上肢的运动规律。使用时可根据患者病患的轻重和体能自主调整康复训炼的速度和强度，从而使肌肉锻炼和运动功能锻炼取得最佳效果。
多功能上肢康复训练机器人包括运动面调整机构、摆动运动机构、伸缩运动机构、控制箱和把手。其中运动面调整机构包括支架、底座、紧固螺钉、端盖、转轴；摆动运动机构包括机箱、摆动传感器、伺服电机、减速机、连接套筒、联轴器、轴承座、摆动头和轴承；伸缩运动机构包括伸缩传感器、伺服电机、连接套筒、联轴器、螺母、外套筒、丝杠、内套筒、轴承和导套；控制箱内安装的运动控制系统包括PC机、单片机系统和驱动系统。
摆动运动机构的零部件同轴线安装在一个方形机箱内，摆动动力来自机箱内的双出轴伺服电机且从机箱壁上的透孔中输出。伺服电机的一端借助连接套筒和联轴器与具有减速功能的双出轴减速机相连，另一端借助连接套筒和联轴器与摆动传感器相连(伺服电机和摆动传感器均有通到控制箱内的引出线)。组装后的整体又借助连接套筒固定在机箱内壁上，此处的机箱壁上加工有一透孔，固装轴承座和轴承；摆动头的轴头插装在轴承内并与减速机的另一个轴头连接。摆动头上还加工有一个轴线与其上轴头轴线正交的透孔，用于固装伸缩运动机构。于是，在计算机系统的控制下伺服电机可带动摆动头(连同固装于其上的伸缩运动机构)在预先设定的范围内摆动。伸缩运动机构是将计算机控制下的伺服电机的转动经螺母、丝杠转换成往复直线运动。其零部件也是同轴线安装。双出轴的伸缩伺服电机的一端借助连接套筒和联轴器与伸缩传感器相连(伺服电机和摆动传感器均有通到控制箱内的引出线)，另一端借助连接套筒与伸缩运动机构的外套筒固连；而外套筒的另一端与一个导套固连；一端固装螺母，另一端固装把手的内套筒可在旋入螺母内且借助联轴器与伸缩伺服电机相连的丝杠的带动下在外套筒内自由滑动，实现伸缩动作。运动面调整机构中转轴的一个端面与内部含有所述组装体的机箱侧壁固连后从底座的一端插入其通孔内，而底座的另一端固定一端盖，底座又固定在支架的上平台上。这样做的目的是使摆动运动机构并通过摆动头带动伸缩运动机构绕处于水平状态的转轴轴线转动。作康复训练时一般用到两个位置，其一是摆动运动机构的轴线与地面垂直，其二是与地面平行；两个位置均可用端盖上的紧固螺钉锁定。摆动传感器和伸缩传感器用于拾取各自对应的伺服电机的速度和转角信号供计算机系统控制使用。
控制摆动运动机构和伸缩运动机构动作的是装在控制箱内的PC机和单片机系统组成的二级控制系统以及两套驱动器系统(摆动和伸缩运动各一套)。其中单片机系统包括单片机、电源、通讯接口、键盘、显示器；驱动器系统分别包括驱动器。电源将AC220V转换为DC5V和DC28V，分别供给单片机和2个驱动器。PC机通过通讯接口向单片机发出控制指令，产生控制信号，经过两个驱动器后分别控制摆动和伸缩伺服电机。摆动传感器(光电编码器)和伸缩传感器(光电编码器)分别将测得的角速度和角位移信号反馈给单片机；构成两路闭环位置控制系统。与此同时PC机接收来自单片机所传送的传感器速度和位置信息，进行运动轨迹规划，模拟上肢运动规律，使之符合患者的需要。控制箱台面上布置功能键盘和状态显示屏供使用者选择，功能键盘发出的信息可通过电缆接入单片机控制机器人的工作方式，显示屏用来显示机器人的工作状态。
左右或上下摇摆的角度可设定在-45°～+45°内，伸缩运动的幅度为30cm，摇摆速度0～40次/分，伸缩速度0～20cm/S。
本实用新型用于心脑血管疾病致瘫和因意外事故等造成的上肢体损伤患者做上肢康复训练，也可用于健康老年人的体育锻炼。
图1 多功能上肢康复训练机器人的机构示意图图2 多功能上肢康复训练机器人的计算机系统原理框图具体实施方式
下面给出本实用新型实施的优选方案，并结合附图加以说明。
如图1所示的多功能上肢康复训练机器人，它包括运动面调整机构1、摆动运动机构2、伸缩运动机构3、控制箱4和把手5。其中运动面调整机构1包括支架10、底座11、紧固螺钉12、端盖13、转轴14；摆动运动机构2包括机箱20、摆动传感器21、摆动伺服电机22、减速机23、连接套筒24-1、24-2、24-3、联轴器25-1、25-2、轴承座26、摆动头27和轴承28；伸缩运动机构3包括伸缩传感器30、伸缩伺服电机31、连接套筒32-1、32-2、联轴器33-1、33-2、螺母34、外套筒35、丝杠36、内套筒37和导套38；又如图2所示，图1中所示的控制箱4内装有PC机41、单片机系统42、控制摆动和伸缩的两套驱动系统43、44。
摆动运动机构2的零部件同轴线安装在一个方形机箱20内。摆动运动的动力来自于双出轴的摆动伺服电机22，其一端借助连接套筒24-2和联轴器25-2与具有减速功能的双出轴减速机23相连，另一端借助连接套筒24-1和联轴器25-1与摆动传感器21相连(摆动伺服电机22和摆动传感器21均有通到控制箱4的引出线)。所述组装体又借助连接套筒24-3固定在机箱20的内壁上，此处的机箱20的壁上有一透孔，固装轴承座26和轴承28；摆动头27上的轴头插装在轴承28内并与减速机23的另一个轴头连接。摆动头27上还加工有一个轴线与其上轴头轴线正交的透孔，用于固装伸缩运动机构3。伸缩运动机构3的零部件也同轴线安装。伸缩运动的动力来自于另一个双出轴伺服电机31，其一端借助连接套筒32-1和联轴器33-1与伸缩传感器30相连(伺服电机31和伸缩传感器30均有通到控制箱4的引出线)，另一端借助连接套筒32-2与伸缩运动机构3的外套筒35固连；而外套筒35的另一端与导套38固连；一端固装螺母34、另一端固装把手5的内套筒37可在旋入螺母34后并借助联轴器33-2与伸缩伺服电机31相连的丝杠36的带动下在外套筒35内自由滑动，实现伸缩运动。运动面调整机构1中转轴14的端面与摆动运动机构2中机箱20的侧壁固连后将其另一端插入底座11的通孔内，在底座11的另一端面上固定一端盖13。底座11又固定在支架10的上平台上。这样做的目的是使整个摆动运动机构2和摆动头27带动的伸缩运动机构3可绕转轴14的轴线转动。作康复训练时一般用到两个位置，其一是摆动运动机构2的轴线与地面垂直；其二是与地面平行；两个位置均可用端盖13上的紧固螺钉12锁定。
如图2所示，控制摆动运动机构2和伸缩运动机构3动作的是装在控制箱4内的PC机41和单片机系统42组成的二级控制系统以及两套驱动器系统43、44(摆动和伸缩运动各一套)。其中单片机系统42包括单片机425、电源421、通讯接口422、键盘423、显示器424。
电源421将AC220V转换为DC5V和DC28V，分别供给单片机425和2个驱动器43、44。PC机41通过通讯接口422向单片机425发出控制指令，产生控制信号，经过驱动器43、44后分别控制摆动和伸缩伺服电机22、31。摆动传感器21和伸缩传感器30分别将测得其角速度和角位移信号反馈给单片机425；构成两路闭环位置控制系统。与此同时PC机41接收来自单片机425所传送的传感器速度和位置信息，进行运动轨迹规划，模拟上肢运动规律，使之符合患者的需要。控制箱4台面上布置功能键盘423和状态显示屏424供使用者选择，功能键盘423发出的信息送给单片机425并在状态显示屏424上显示。
本实用新型用于心脑血管疾病致瘫和因意外事故等造成的上肢体损伤患者做上肢康复训练，也可用于健康老年人的体育锻炼。
权利要求1.一种多功能上肢康复训练机器人，它包括运动面调整机构(1)、摆动运动机构(2)、伸缩运动机构(3)、控制箱(4)和把手(5)；其特征在于摆动运动机构(2)的零部件同轴线安装在一个方形机箱(20)内，摆动动力来自机箱(20)内的摆动伺服电机(22)且经摆动头(27)输出，摆动头(27)上加工有一个轴线与其上轴头轴线正交的透孔，用于固装伸缩运动机构(3)；伸缩运动机构(3)是一套包括伸缩伺服电机(31)和螺杆副的直线运动机构；摆动运动机构(2)通过机箱(20)壁与插装在运动面调整机构(1)中底座(11)透孔内的转轴(14)端面固连，从而可使摆动运动机构(2)和伸缩运动机构(3)绕转轴(14)的轴线旋转并借助紧固螺钉(12)锁定；分别与两个伺服电机相连的摆动传感器(21)和伸缩传感器(30)用于拾取各自对应的伺服电机的速度和转角信号供计算机系统控制使用。
2.如权利要求1所述的多功能上肢康复训练机器人，其特征在于运动面调整机构(1)由支架(10)、底座(11)、紧固螺钉(12)、端盖(13)、转轴(14)组成；其中底座(11)固定在支架(10)的上平台上；转轴(14)与摆动运动机构(2)中机箱(20)的侧壁固连后插入底座(11)的通孔内，底座(11)的另一端面上固定一端盖(13)，端盖(13)上有紧固螺钉12。
3.如权利要求1所述的多功能上肢康复训练机器人，其特征在于摆动运动机构(2)由摆动传感器(21)、摆动伺服电机(22)、减速机(23)、连接套筒(24-1，24-2，24-3)、联轴器(25-1，25-2)、轴承座(26)、摆动头(27)和轴承(28)组成；所述的零部件同轴线安装在方形机箱(20)内；双出轴摆动伺服电机(22)的一端借助连接套筒(24-2)和联轴器(25-2)与双出轴减速机(23)相连，另一端借助连接套筒(24-1)和联轴器(25-1)与摆动传感器(21)相连；所述的组装体又借助连接套筒(24-3)固定在机箱(20)的内壁上，此处的机箱(20)壁上有一透孔，固装轴承座(26)和轴承(28)；摆动头(27)上的轴头插装在轴承(28)内并与减速机(23)的另一个轴头连接；摆动头(27)上还加工有一个轴线与其上轴头轴线正交的透孔。
4.如权利要求1所述的多功能上肢康复训练机器人，其特征在于伸缩运动机构(3)由伸缩传感器(30)、伸缩伺服电机(31)、连接套筒(32-1，32-2)、联轴(33-1，33-2)、螺母(34)、外套筒(35)、丝杠(36)、内套筒(37)和导套(38)组成，所述的零部件同轴线安装；双出轴伺服电机(31)的一端借助连接套筒(32-1)和联轴器(33-1)与伸缩传感器(30)相连，另一端借助连接套筒(32-2)与外套筒(35)一端固连，而外套筒(35)另一端与导套(38)固连；一端固装螺母(34)、另一端固装把手(5)的内套筒(37)可在旋入螺母(34)并借助联轴器(33-2)与伸缩伺服电机(31)轴头相连的丝杠(36)的带动下在外套筒(35)内自由滑动。
专利摘要本实用新型公开了一种多功能上肢康复训练机器人，它是根据康复医学理论和人机合作机器人原理，运用计算机技术模拟人体上肢的运动规律。使用时可根据病患的轻重和患者的体能自主调整康复训练的速度和强度，从而达到最佳康复效果。多功能上肢康复训练机器人包括运动面调整机构、摆动运动机构、伸缩运动机构、控制箱和把手。控制箱内装有PC机、单片机和驱动器系统、输入键盘和显示器。控制信息可从键盘上输入，运动状况可在屏幕上显示。本实用新型用于心脑血管疾病致瘫和因意外事故等造成的上肢体损伤患者做上肢康复训练，也可用于健康老年人的体育锻炼。
文档编号A61H1/00GK2688278SQ20042001873
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月7日 优先权日2004年4月7日
发明者张立勋, 杨勇 申请人:哈尔滨工程大学