专利名称：带力控制功能的手臂康复训练机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医疗设备领域，具体涉及到用于手臂康复训练的手臂康复训练机器人。
背景技术：
将机器人辅助治疗技术引入到肢体康复训练中，这一热门课题已逐渐得到国内外研究人员的重视，发展为热门课题，并已在临床上得到不错的康复成效。其中手臂康复训练机器人是一种用于因偏瘫、外伤等造成手臂运动障碍的患者的辅助康复训练机器人，其作为一种自动化康复医疗设备，以医学理论为依据，运用计算机技术模拟人体手臂的运动规律，帮助患者进行科学而又有效的康复训练，从而使患者的运动机能得到更好地恢复。目前临床使用的手臂康复训练机器人，其结构包括伸缩臂运动机构，所述的伸缩臂运动机构支承在旋转驱动装置中的旋转轴上，在旋转驱动装置的驱动下伸缩臂运动机构能绕旋转轴在平面内转动，旋转驱动装置支承在翻转驱动装置中的翻转轴上，在翻转驱动装置的驱动下伸缩臂运动机构和旋转驱动装置能绕翻转轴共同翻转，所述的翻转驱动装置安装在可升降的支撑柱的顶部，支撑柱的底部固定安装在底部支座上，底部支座上还设置有控制伸缩臂运动机构、旋转驱动装置和翻转驱动装置的控制装置。其中伸缩臂运动机构的结构主要包括伸缩臂外套筒，伸缩臂外套筒内设置有丝杆，丝杆上设置有与丝杆配合使用的丝杆螺母，丝杆的尾部活动支承在伸缩臂外套筒后端的丝杆轴承座中，伸缩臂外套筒中设置有伸缩臂内套筒，伸缩臂内套筒的后端从伸缩臂外套筒的前端伸入至伸缩臂外套筒内并套装在丝杆外、且与丝杆螺母固定连接，伸缩臂外套筒的后端固定连接有电机座，电机座内安装有伸缩电机，伸缩电机的输出轴与丝杆的尾部相连接。在上述的伸缩臂内套筒的前端设置有供患者恢复训练时手握持用的握把装置，其结构为普通的把手。上述手臂康复训练机器人中的控制装置通常由PC机或单片机、驱动系统、输入键盘和显示器等几部分组成，由PC机或单片机为主组成的控制系统与驱动系统共同对翻转驱动装置、旋转驱动装置以 及伸缩臂运动机构进行运动控制。康复训练时，患者只需握住把手即可进行康复训练，在伸缩电机的驱动下，伸缩臂内套筒向外伸长或向内缩进，从而对患者手臂进行水平训练平面内的屈伸康复训练；在旋转驱动装置的驱动下，整个伸缩臂运动机构能绕旋转轴转动，从而带动患者手臂进行水平训练平面内的摆动康复训练；在翻转驱动装置的驱动下，伸缩臂运动机构与旋转驱动装置共同翻转至不同的训练平面内，然后在旋转驱动装置和伸缩臂运动机构的驱动下，对患者手臂进行该训练平面内的手臂摆动康复训练和手臂屈伸康复训练。康复训练过程中，手臂康复训练机器人不能实时感知患者实际所需的助力或阻力的变化，因此无法控制患者康复训练时实际所需的助力或阻力的大小，训练都是在控制装置预先设定的模式下进行训练，康复训练时的助力或阻力预先设定，阻力或助力的大小只能预估，即患者只能在预估设定的助力或阻力下进行手臂的康复训练。由于患病程度不同、以及患者本身的个体差异，预估设定的助力或者阻力不能完全适合患者，且在康复训练过程中患者所能承受的助力或阻力也会实时改变，而预先设定的助力或阻力的大小恒定，无法满足康复训练过程中患者实时所需的力的变化的需要。
实用新型内容本实用新型需要解决的技术问题是提供一种能对患者康复训练时的助力或阻力进行实时控制的带力控制功能的手臂康复训练机器人。为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是带力控制功能的手臂康复训练机器人，包括伸缩臂运动机构，所述的伸缩臂运动机构支承在旋转驱动装置中的旋转轴上，在旋转驱动装置的驱动下伸缩臂运动机构能绕旋转轴在平面内转动，所述的旋转驱动装置支承在翻转驱动装置中的翻转轴上，在翻转驱动装置的驱动下伸缩臂运动机构和旋转驱动装置能绕翻转轴共同翻转，所述的翻转驱动装置安装在可升降的支撑柱的顶部，支撑柱的底部固定安装在底部支座上，底部支座上还设置有控制伸缩臂运动机构、旋转驱动装置和翻转驱动装置的控制装置，在伸缩臂运动机构上安装有感应式握把装置，其结构包括固定安装在伸缩臂运动机构前端的握把组件安装座，握把组件安装座上固定设置有二维力传感器，二维力传感器的下端套装有手臂支撑座，所述的手臂支撑座与二维力传感器在两者变形量范围内不接触、且手臂支撑座固定安装在握把组件安装座上，在手臂支撑座上活动安装有手臂支撑板，位于手臂支撑板上方的二维力传感器上活动套装有握套，握套与手臂支撑座不接触，握套与二维力传感器之间设置有旋转轴套，旋转轴套套装在二维力传感器上；所述的二维力传感器的输出端与控制装置的输入端相连接。进一步地，前述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其中，伸缩臂运动机构的结构包括伸缩臂外套筒，伸缩臂外套筒内设置有丝杆，丝杆上设置有与丝杆配合使用的丝杆螺母，丝杆的尾部活动支承在伸缩臂外套筒后端的丝杆轴承座中，伸缩臂外套筒中设置有伸缩臂内套筒，伸缩臂内套筒的后端从伸缩臂外套筒的前端伸入至伸缩臂外套筒内并套装在丝杆外、且与丝杆螺母固定连接，伸缩臂外套筒的后端固定连接有电机座，电机座内安装有伸缩电机，伸缩电机的输出轴与丝杆的尾部通过联轴器相连接；伸缩臂外套筒的筒体固定连接在旋转轴上。
更进一步地，前述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其中，伸缩臂内套筒后端的筒体外壁上设置有环状伸缩限位条，伸缩臂外套筒前端的简体内壁上设置有与伸缩限位条配合使用的伸缩限位螺栓，伸缩限位螺栓阻挡在伸缩限位条的外侧。更进一步地，前述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其中，旋转驱动装置的结构包括与翻转轴的一端固定连接的旋转安装架，旋转安装架中设置有旋转轴承座，旋转轴的下端支承在旋转轴承座中，且旋转轴的下端部与旋转电机的输出轴相连接，所述的旋转电机安装在旋转安装架上。更进一步地，前述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其中，所述的旋转轴上设置有旋转限位螺栓，所述的旋转安装架上设置有与旋转限位螺栓配合使用的弧形的旋转限位槽，当旋转轴转动时，旋转限位螺栓在旋转限位槽内转动。更进一步地，前述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其中，所述的翻转驱动装置的结构包括固定安装在支撑柱顶端的翻转轴安装座，翻转轴安装座中设置有翻转轴，翻转轴与翻转轴安装座之间设置有翻转轴轴套，翻转轴轴套套装在翻转轴上，翻转轴的一端与翻转驱动电机的输出轴相连接，翻转轴的另一端与旋转安装架固定连接。更进一步地，前述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其中，在翻转轴上设置有弧形的翻转限位槽，在翻转轴安装座上设置有与翻转限位槽配合使用的翻转限位螺栓，当翻转轴转动时，翻转限位螺栓在翻转限位槽内转动。 更进一步地，前述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其中，所述的二维力传感器上设置有一圈握套限位槽，握套与握套限位槽之间设置有握套限位螺栓，使得握套能绕二维力传感器转动、又不会相互脱离。本实用新型的有益效果由于在伸缩臂内套筒的前端的握套内设置了二维力传感器，二维力传感器能将康复训练过程中患者对握套的握持力转变成电信号传递至控制装置内，从而使控制装置内的控制系统和驱动系统共同对翻转驱动装置、旋转驱动装置以及伸缩臂运动机构进行有效控制，并能产生与握持力实时对应的助力或阻力供患者康复训练，从而实现对患者康复训练时实际所需的助力或阻力进行实时控制的目的；另外由于设置了用于支撑手臂的手臂支撑板，且用于安装手臂支撑板的手臂支撑座与二维力传感器在两者变形量范围内不接触，即患者手臂的重力不会传递至力传感器上，从而去除了手臂重力对患者握持力的测量值的影响；握套与手臂支撑座之间也不接触，这样更加保证了力传感器对患者握持力的测量值的准确性，大大提高了患者康复训练的效果。
图1是本实用新型所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人的结构示意图。图2是图1中A部分的放大结构示意图。图3是图1中B部分的放大结构示意图。图4是本实用新型所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人协助患者进行水平训练平面内的康复训练时的使用状态示意图。图5是本实用新型所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人协助患者进行竖直训练平面内的康复训练时的使用状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图和最优实施例对本实用新型进行进一步详细的介绍。如图1、图2、图3、图4所示，带力控制功能的手臂康复训练机器人，包括伸缩臂运动机构26，其结构包括伸缩臂外套筒1，伸缩臂外套筒I内设置有丝杆2，丝杆2上设置有与丝杆2配合使用的丝杆螺母3，丝杆2的尾部活动支承在伸缩臂外套筒I后端的丝杆轴承座4中，伸缩臂外套筒I中设置有伸缩臂内套筒5，伸缩臂内套筒5的后端从伸缩臂外套筒I的前端伸入至伸缩臂外套筒I内并套装在丝杆2外、且与丝杆螺母3固定连接，伸缩臂内套筒5后端的筒体外壁上设置有环状伸缩限位条51，伸缩臂外套筒I前端的筒体内壁上设置有与伸缩限位条51配合使用的伸缩限位螺栓101，伸缩限位螺栓101阻挡在伸缩限位条51的外侧；伸缩臂外套筒I的后端固定连接有电机座6，电机座6内安装有伸缩电机7，伸缩电机7的输出轴与丝杆2的尾部通过联轴器相连接；伸缩臂外套筒I的筒体固定连接在旋转驱动装置27中的旋转轴8上。在旋转驱动装置27的驱动下伸缩臂运动机构26能绕旋转轴8在平面内转动，所述的旋转驱动装置27的结构包括与翻转轴9的一端固定连接的旋转安装架10，旋转安装架10中设置有旋转轴承座11，旋转轴8的下端支承在旋转轴承座11中，且旋转轴8的下端部与旋转电机12的输出轴相连接，所述的旋转电机12安装在旋转安装架10上，在旋转轴8上设置有旋转限位螺栓81，所述的旋转安装架10上设置有与旋转限位螺栓81配合使用的弧形的旋转限位槽82，当旋转轴8转动时，旋转限位螺栓81在旋转限位槽82内转动。所述的旋转驱动装置27支承在翻转驱动装置28中的翻转轴9上，在翻转驱动装置28的驱动下伸缩臂运动机构26和旋转驱动装置27能绕翻转轴9共同翻转，可参见图5所示，所述的翻转驱动装置28的结构包括固定安装在可升降的支撑柱13顶端的翻转轴安装座14，翻转轴安装座14中设置有翻转轴9，翻转轴9与翻转轴安装座14之间设置有一对翻转轴轴套15，翻转轴轴套15套装在翻转轴9上，翻转轴9的一端与翻转驱动电机16的输出轴相连接，翻转轴9的另一端与旋转安装架10固定连接，所述的可升降的支撑柱13的底部固定安装在底部支座17上，底部支座17上还设置有控制装置18。在实际制作中，可升降的支撑柱13可采用套筒式结构，将驱动元件如油缸、气缸或直线电机等设置于外套筒内，并固定于底部支座17上，由驱动元件驱动外套筒升降。在翻转轴9上设置有弧形的翻转限位槽91，在翻转轴安装座14上设置有与翻转限位槽91配合使用的翻转限位螺栓92，当翻转轴9转动时，翻转限位螺栓92在翻转限位槽91内转动。在伸缩臂内套筒5的前端设置有感应式握把装置，其结构包括固定安装在伸缩臂内套筒5前端的握把组件安装座19，握把组件安装座19上固定设置有二维力传感器20，二维力传感器20的下端外部套装有手臂支撑座21，手臂支撑座21与二维力传感器20在两者变形量范围内不接触、且手臂支撑座21固定安装在握把组件安装座19上，在手臂支撑座21上活动安装有手臂支撑板22，手臂支撑板22可绕手臂支撑座21转动，位于手臂支撑板22上方的二维力传感器20上活动套装有握套23，握套23与手臂支撑座21不接触，握套23与二维力传感器20之间设置有旋转轴套24，旋转轴套24套装在二维力传感器20上；二维力传感器20的输出端与控制装置18的输入端相连接。二维力传感器20上设置有一圈握套限位槽，所述的握套23与握套限位槽之间设置有握套限位螺栓25，使得握套23能绕二维力传感器20转动、又不会相互脱离。本实用新型的工作原理如下如图1、图4所示，患者身体位于手臂康复训练机器人的前方，用手握住握套23，患者手臂支承在手臂支撑板22上，启动伸缩电机7，伸缩电机7的输出轴正向或反向转动，驱动丝杆2也正向或反向转动，这样丝杆2上的丝杆螺母3带动伸缩臂内套筒5向伸缩臂外套`筒I外伸长或向伸缩臂外套筒I内缩进，从而带动患者手臂进行水平训练平面内的手臂屈伸训练，由于在伸缩臂内套筒5后端的筒体外壁上设置有环状伸缩限位条51，伸缩臂外套筒I前端的筒体内壁上设置有伸缩限位螺栓101，伸缩限位螺栓101对伸缩限位条101起到限位作用，这样可防止伸缩臂内套筒5向外伸长后发生与伸缩臂外套筒I相脱离的现象。当需要进行水平训练平面内的手臂摆动训练时，启动旋转电机12，旋转电机12的输出轴正向或反向转动驱动旋转轴8在旋转轴承座11中正向或反向转动，使得伸缩臂运动机构26跟着旋转轴8转动，从而带动患者手臂在水平训练平面内进行手臂的摆动康复训练，由于在旋转轴8上设置有旋转限位螺栓81，在旋转安装架10上设置有与旋转限位螺栓81配合使用的弧形的旋转限位槽82，当旋转轴8转动时，旋转限位螺栓81在旋转限位槽82内转动，旋转限位槽82的弧度限制了旋转轴8旋转的幅度，即限制了患者手臂在水平训练平面内摆动的最大幅度，一般情况下，将旋转限位槽82的弧度设置为180度，即患者手臂来回摆动的幅度控制在O 180度范围内。当需要在不同的康复训练平面时，启动翻转驱动电机16，翻转驱动电机16的输出轴带动翻转轴9正向或反向转动，从而带动整个伸缩臂运动机构26和旋转驱动装置27共同正向或反向翻转，由于在翻转轴9上设置有弧形的翻转限位槽91，在翻转轴安装座14上设置有与翻转限位槽91配合使用的翻转限位螺栓92，当翻转轴9转动时，翻转限位槽91在翻转限位螺栓92上转动，通常将翻转限位槽的弧度限定在-90 90度，当翻转轴9翻转至90度时，伸缩臂运动机构26与旋转驱动装置27处于康复训练机器人一侧的竖直训练平面状态，当翻转轴9翻转至-90度时，伸缩臂运动机构26与旋转驱动装置27处于康复训练机器人另一侧的竖直训练平面状态，患者可以根据自己所需，选择适合自己的那一侧竖直训练平面进行康复训练。在进行竖直训练平面的康复训练时，患者身体需位于手臂康复训练机器人的一侧，手握住握套23，将手臂支撑板22向内转动，使手臂能支承在手臂支撑板22上，然后再启动旋转电机12，旋转电机12的输出轴正向或反向转动驱动旋转轴8在旋转轴承座11中正向或反向转动，使得伸缩臂运动机构26随着旋转轴8转动，从而带动患者手臂在该竖直训练平面内进行手臂的摆动康复训练，或者启动伸缩电机7，进行竖直训练平面内的手臂屈伸训练，可参见图5。本实施例中伸缩臂运动机构26中的伸缩限位，旋转驱动装置27中的旋转限位，以及翻转驱动装置28中的翻转限位均采用了机械阻挡限位的方式，在实际使用中，还可同时采用电磁感应控制进行限位，如分别在伸缩臂运动机构26中的伸缩臂外套筒I和伸缩臂内套筒5上、旋转驱动装置27中的旋转 轴8和旋转安装架10上、以及翻转驱动装置28中的翻转轴9和翻转轴安装座14上分别安装感应装置，如霍尔元件等，并将感应装置与控制装置18电连接，由控制装置18采集感应装置的电信号，然后控制相应电机的动作，来实现限位控制的目的。或者还可以直接编程后由微电脑控制相关电机的动作过程，从而实现限位控制。这些技术属于本领域中的常用技术，所以在此不再展开叙述。上述康复训练过程中，患者的手始终握住握套23，且手臂支承在手臂支撑板22上，由于安装手臂支撑板22的手臂支撑座21与二维力传感器20在两者的变形量范围内不接触，因此手臂的重力不会影响到二维力传感器20对患者握持力的测量值，握套23的底部与手臂支撑座21也不相接触，更加确保了二维力传感器20对握持力测量值的准确性。在患者握持力的作用下，握套23内的二维力传感器20受力变形，产生电信号传递至控制装置18内，从而使控制装置18内的控制系统和驱动系统对翻转驱动装置28、旋转驱动装置27以及伸缩臂运动机构26进行有效控制，并产生与握持力实时对应的助力或阻力供患者康复训练，从而实现了对患者康复训练时实际所需的助力或阻力进行实时控制的目的，使得康复训练机器人更加人性化，康复训练效果更好。
权利要求1.带力控制功能的手臂康复训练机器人，包括伸缩臂运动机构，所述的伸缩臂运动机构支承在旋转驱动装置中的旋转轴上，在旋转驱动装置的驱动下伸缩臂运动机构能绕旋转轴在平面内转动，所述的旋转驱动装置支承在翻转驱动装置中的翻转轴上，在翻转驱动装置的驱动下伸缩臂运动机构和旋转驱动装置能绕翻转轴共同翻转，所述的翻转驱动装置安装在可升降的支撑柱的顶部，支撑柱的底部固定安装在底部支座上，底部支座上还设置有控制伸缩臂运动机构、旋转驱动装置和翻转驱动装置的控制装置，其特征在于在伸缩臂运动机构上安装有感应式握把装置，其结构包括固定安装在伸缩臂运动机构前端的握把组件安装座，握把组件安装座上固定设置有二维力传感器，二维力传感器的下端套装有手臂支撑座，所述的手臂支撑座与二维力传感器在两者变形量范围内不接触、且手臂支撑座固定安装在握把组件安装座上，在手臂支撑座上活动安装有手臂支撑板，位于手臂支撑板上方的二维力传感器上活动套装有握套，握套与手臂支撑座不接触，握套与二维力传感器之间设置有旋转轴套，旋转轴套套装在二维力传感器上；所述的二维力传感器的输出端与控制装置的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于伸缩臂运动机构的结构包括伸缩臂外套筒，伸缩臂外套筒内设置有丝杆，丝杆上设置有与丝杆配合使用的丝杆螺母，丝杆的尾部活动支承在伸缩臂外套筒后端的丝杆轴承座中，伸缩臂外套筒中设置有伸缩臂内套筒，伸缩臂内套筒的后端从伸缩臂外套筒的前端伸入至伸缩臂外套筒内并套装在丝杆外、且与丝杆螺母固定连接，伸缩臂外套筒的后端固定连接有电机座，电机座内安装有伸缩电机，伸缩电机的输出轴与丝杆的尾部通过联轴器相连接；伸缩臂外套筒的筒体固定连接在旋转轴上。
3.根据权利要求2所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于伸缩臂内套筒后端的筒体外壁上设置有环状伸缩限位条，伸缩臂外套筒前端的筒体内壁上设置有与伸缩限位条配合使用的伸缩限位螺栓，伸缩限位螺栓阻挡在伸缩限位条的外侧。
4.根据权利要求1或2或3所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于旋转驱动装置的结构包括与翻转轴的一端固定连接的旋转安装架，旋转安装架中设置有旋转轴承座，旋转轴的下端支承在旋转轴承座中，且旋转轴的下端部与旋转电机的输出轴相连接，所述的旋转电机安装在旋转安装架上。
5.根据权利要求4所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于所述的旋转轴上设置有旋转限位螺栓，所述的旋转安装架上设置有与旋转限位螺栓配合使用的弧形的旋转限位槽，当旋转轴转动时，旋转限位螺栓在旋转限位槽内转动。
6.根据权利要求1或2或3所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于所述的翻转驱动装置的结构包括固定安装在支撑柱顶端的翻转轴安装座，翻转轴安装座中设置有翻转轴，翻转轴与翻转轴安装座之间设置有翻转轴轴套，翻转轴轴套套装在翻转轴上，翻转轴的一端与翻转驱动电机的输出轴相连接，翻转轴的另一端与旋转安装架固定连接。
7.根据权利要求4所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于所述的翻转驱动装置的结构包括固定安装在支撑柱顶端的翻转轴安装座，翻转轴安装座中设置有翻转轴，翻转轴与翻转轴安装座之间设置有翻转轴轴套，翻转轴轴套套装在翻转轴上，翻转轴的一端与翻转驱动电机的输出轴相连接，翻转轴的另一端与旋转安装架固定连接。
8.根据权利要求6所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于在翻转轴上设置有弧形的翻转限位槽，在翻转轴安装座上设置有与翻转限位槽配合使用的翻转限位螺栓，当翻转轴转动时，翻转限位螺栓在翻转限位槽内转动。
9.根据权利要求1或2或3所述的带力控制功能的手臂康复训练机器人，其特征在于所述的二维力传感器上设置有一圈握套限位槽，握套与握套限位槽之间设置有握套限位螺栓，使得握套能绕二维力传感器转动、又不会相互脱离。
专利摘要本实用新型公开了一种能对患者康复训练时实际所需的助力或阻力进行实时控制的带力控制功能的手臂康复训练机器人，包括伸缩臂运动机构，在旋转驱动装置的驱动下伸缩臂机构能绕旋转轴在平面内转动，在翻转驱动装置的驱动下伸缩臂运动机构和旋转驱动装置能绕翻转轴共同翻转，所述的翻转驱动装置安装在可升降的支撑柱的顶部，支撑柱的底部固定安装在底部支座上，底部支座上还设置有控制装置，在伸缩臂运动机构上安装有带二维力传感器和手臂支撑板的感应式握把装置。
文档编号A61H1/00GK202875740SQ201220479139
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者张立勋, 王岚, 艾山, 尹正乾 申请人:张家港市永发机器人科技有限公司