穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种医学机械用具的技术领域，尤其涉及穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理。
【背景技术】
[0002]上肢康复训练矫形器是协助上肢各自由度运动不灵活的病患进行康复训练的医疗设备。人体上肢包括肘部和肩部多个自由度，而肘部自由度是实现前臂相对上臂的屈曲与舒张运动，是日常生活和工作中拿取、移动、提举物体的重要运动枢纽。肘部自由度的缺陷将会给患者生活带来巨大的不便。现有的上肢康复训练器大部分是非穿戴式的上肢康复训练器，即康复训练器须固定到墙壁、立柱或天花板上，肘部自由度的实现是将前臂固定到连杆型肘部自由度实现机构的末端执行器上，由机构的转动带动前臂相对于上臂的转动，典型的是MIT MANUS[1]和清华大学设计的偏瘫上肢复合运动康复训练机器人[2]。对于可穿戴式的肘部自由度的实现机构，如韩国汉阳大学的HEXA可穿戴式机器人[3]，其技术方案是在肘部的体外侧布置电机和盘式减速器，电机通过盘式减速器来降低转速和提高扭矩。减速器的输出轴线与肘部运动轴线重合，继而带动前臂相对于上臂转动。
[0003]由于非穿戴式的上肢康复训练矫形器固定在体外，如墙壁、立柱或天花板上，肘部自由度实现机构也由体外伸到上肢，其主要问题是移动性较差，限制了病患和医生的可移动性。针对可穿戴式的肘部自由度实现机构，其传统实现方案存在的问题有:第一，机构臃月中，穿戴不便。传统方案使用电机叠加减速器的设计，为满足前臂和手部训练任务所需的扭矩要求，此种机构方案须采用输出扭矩大的电机和大减速比(前臂托举重物时需要减速比超过100)的减速器(或多级减速器)，根据现有产品的选型情况，此种机构沿着肘部轴线方向的尺寸偏大，封装性差，致使穿戴不便。此外，向外突出的电机和减速器还易与外界环境干涉，造成难以预料的风险。第二，使用钢制的大减速比或多级减速器，材料不可改变，重量较重，增加病患的训练负担；第三，须另行设计自锁和限位装置，保证肘部运动的范围不超过限制范围，提高康复训练器的可控性与安全性；第四，经济成本高，使用大减速比或多级减速器产品，价格昂贵，增加了机构的经济成本。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提出穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置及其工作原理，以解决上述机构臃肿，重量大，穿戴不便，自锁与限位装置复杂以及价格昂贵的问题。
[0005]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]一种穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，包括电机、左右旋一体丝杆、螺母、固定板、连接轴、上臂托和前臂托，所述螺母包括左旋螺母和右旋螺母，所述固定板包括内侧固定板和外侧固定板，其中，
[0007]所述电机固定基座设于所述内侧固定板和所述外侧固定板之间并连接所述内侧固定板和所述外侧固定板，所述电机与所述左右旋一体丝杆的一端通过联轴器连接，所述电机固定于电机固定基座上；
[0008]同步带轮通过连接轴和轴承安装在内外侧固定板之间，所述连接轴通过键和紧钉螺钉与所述同步带轮固定，并于所述内侧固定板的外部连接所述上臂托和所述前臂托；所述上臂托和所述前臂托分别套设于手臂的上臂和前臂上；
[0009]所述左旋螺母下侧设有同步带固定装置，所述右旋螺母的上侧设有同步带调整装置，，保证同步带处于张紧状态。所述同步带固定装置和所述同步带调整装置通过同步带连接，所述同步带绕设于所述同步带轮上。
[0010]上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述上臂托上设置上臂托绑带，所述前臂托上设置前臂托绑带，绑带将所述上臂托和所述前臂托牢固固定于手臂上。
[0011]上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述内侧固定板外部还安装有肩肘部连接板，所述肩肘部连接板与外设的肩部机构固定。
[0012]上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述内侧固定板和所述外侧固定板的相对面各设置有安装槽，所述左旋螺母和所述右旋螺母旋设于所述左右旋一体丝杆上，螺母两侧的凸出部分嵌入到所述安装槽，由所述安装槽限制其运动时不翻转。
[0013]上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述左右旋一体丝杆与所述连接轴相对垂直的设置。
[0014]上述穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置，其中，所述连接轴与所述内侧固定板连接处安装有涡卷弹簧，所述连接轴与所述外侧固定板连接处安装有所述涡卷弹簧。
[0015]还包括一种自由度实现装置的工作原理，其中，所述工作原理如下:
[0016]所述电机旋转，通过所述联轴器带动所述左右旋一体丝杆旋转，所述右旋螺母和所述左旋螺母顺着所述左右旋一体丝杆上的螺纹方向分别做方向相反的直线运动，同时所述同步带带动所述同步带轮旋转，所述同步带轮转动的同时带动所述连接轴旋转，所述连接轴最终带动所述前臂托做转动。
[0017]本发明由于采用了上述技术，产生的积极效果是:
[0018](I)本发明的肘部自由度实现装置为可穿戴式设计，整体机构固定在上肢，背部将携带动力源，可以解决移动性差的弊端，使患者可以随时随地进行相应的康复训练，并完成生活中必要的上肢动作。
[0019](2)本发明的肘部自由度实现装置沿上臂轴线(如图1中标识A所示)方向，在上臂体外侧布置驱动电机和传动机构，可以避免肘部自由度轴线(如图1中标识B所示)方向尺寸过大造成的封装问题，同时减少运动过程中与外界环境的干涉。显著减小了机构沿着肘部自由度轴线方向的尺寸(小于50mm，远小于单个电机加减速器的厚度)，让整体传动机构沿着对尺寸不敏感的上臂轴线布置。
[0020](3)本发明的肘部自由度实现装置减轻了重量且避免了重量的集中，减小肘部自由度实现机构的重量，便于穿戴。整体机构的重量为800g以下，而使用传统的电机加减速器方案的重量要超过900g。更重要的是，让整体传动机构沿着对尺寸不敏感的上臂轴线布置，可以让重量分布更加平均，而非集中在肘部轴线附近。
[0021](4)本发明的肘部自由度实现装置使用左右旋一体滚珠丝杆加滑块机构作为传动系，具备了很好的自锁性能，可控性好，左旋和右旋螺母都有确定的行程，保证了整体机构具备限位功能。这样，即便在训练时电机失控，该实现机构也能在机械上保证不会让提升物体的前臂马上掉下，给患者带来二次伤害。
[0022](5)本发明的肘部自由度实现装置整体实现机构多使用现有标准件，较昂贵的盘式减速器而言，经济成本降低。
【附图说明】
[0023]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0024]图1为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的结构示意图；
[0025]图2为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的侧视图；
[0026]图3为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的结构简图；
[0027]图4为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的前臂舒张状态示意图；
[0028]图5为本发明的穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置的前臂屈曲状态示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0030]实施例
[0031]请结合图1至图3所示，本发明的一种穿戴式康复训练器的肘部自由度实现装置100，包括电机1、左右旋一体丝杆4、螺母、固定板、连接轴10、上臂托13和前臂托14，螺母包括左旋螺母5和右旋螺母6，固定板包括内侧固定板11和外侧固定板12，其中，
[0032]电机固定基座2设于内侧固定板11和外侧固定板12之间并连接内侧固定板11和外侧固定板12，电机I与左右