一种左右手两用式上肢康复机器人的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种左右手两用式上肢康复机器人，包括调高立柱、肩部调整机构、肩关节运动单元、大臂调长机构、肘关节运动单元、前臂调长机构、腕关节运动单元。肩部调整机构可以实现左右移动，可根据不同训练者调整肩部宽度，同时为手臂康复机构提供安装位置。肩关节运动单元具有肩部水平回转和大臂上下摆动两个自由度。本发明结构紧凑，具有左手和右手两种康复训练模式，由一套机器人系统实现左手或者右手的肩、肘、腕关节的康复训练，“一机两用”降低了医疗康复设备的成本。
【专利说明】一种左右手两用式上肢康复机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种康复器械，具体地说是上肢康复器械。
【背景技术】
[0002]随着偏瘫和中风患者的日益增多以及呈现出来的年轻化趋势，这类人群的康复训练以及逐渐恢复生活能力的问题已成为国内外研宄的重点。大量研宄表明:半数以上的肢体运动功能障碍可通过康复训练得到一定程度的改善，而上肢康复训练装置是一种减轻患者痛苦，逐渐恢复生活自理能力以及运动机能的重要手段。因此，设计一款可以帮助残疾手臂进行肌肉运动功能锻炼和神经功能恢复的、可实现对手臂各关节和肌肉机群的康复训练的机器人系统具有重要意义。
[0003]目前国内外相关专利很多，功能也相似。一种三自由度混联上肢康复机器人(申请号201310020668.8)，提出了一种基于并联机构和串联转动副的上肢康复方法，可根据需要选择不同的驱动方式以实现腕关节和小臂的康复训练。拥有主被动模式的上肢康复训练系统(申请号201110365004.6)，设计了一种具有主被动训练模式的上肢康复装置。一种上肢康复训练机器人(申请号201210554494.9)，提出了一种移动式外骨骼上肢康复装置，但是该手臂康复装置仅可以实现右手的康复训练。一种上肢康复训练机器人(申请号201110237855.4)，提出了一种基于曲柄连杆机构可以实现6个自由度的手臂康复装置，但是康复机器人只适用于左手患者。虽然关于上肢康复训练的机构或装置不少，但是都只是针对左手或者右手的康复训练装置，而同时适用于左右手的康复装置却很少。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供方便不同患者进行康复训练，实现一机两用功效的一种左右手两用式上肢康复机器人。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]本发明一种左右手两用式上肢康复机器人，其特征是:包括调高立柱、肩部调整机构、肩关节运动单元、大臂调长机构、肘关节运动单元、前臂调长机构、腕关节运动单元；
[0007]可调整高度的调高立柱底部安装车轮；
[0008]肩部调整机构包括滑轨、滑轨安装板、滑块、滑块固定板、手轮、肩部安装架，滑轨安装板固定在调高立柱顶部，滑轨固定在滑轨安装板上，滑块安装在滑轨上，中空的肩部安装架通过滑块固定板连接滑块，滑轨安装板的两侧安装有限定滑块极限位置的轴承座，滑块固定板的中间开有螺纹孔，丝杠的中部穿过滑块固定板的螺纹孔并与其配合，丝杠的两端分别安装在两个轴承座上并均安装手轮；
[0009]肩关节运动单元包括肩部回转电机、L型减速器、L型回转肩、U型大臂安装架、大臂摆动电机和T型减速器，相连的肩部回转电机和L型减速器均设置在肩部安装架里，L型回转肩的侧面与U型大臂安装架相固定，L型回转肩的顶面与L型减速器的输出法兰相固定，大臂摆动电机与T型减速器相连，U型大臂安装架设置容纳大臂摆动电机和T型减速器的U型开口，T型减速器的输出法兰与U型大臂安装架固连；
[0010]大臂调长机构包括大臂导向杆、大臂导向杆固定块、大臂丝杠、大臂旋转螺母、大臂丝杠定位块和大臂肘关节，固定在Τ型减速器外壳上的大臂导向杆固定块和大臂丝杠定位块均开有通孔，大臂旋转螺母包括相连的大臂螺母旋转段和大臂螺母螺纹段，大臂螺母螺纹段位于大臂丝杠定位块的通孔里并与大臂丝杠定位块形成转动副，大臂丝杠第一端固定在大臂肘关节上，大臂丝杠第二端位于大臂螺母螺纹段里并与其配合，大臂导向杆第一端固定在大臂肘关节上，大臂导向杆第二端位于大臂导向杆固定块的通孔里；
[0011]前臂调长机构包括前臂肘关节、前臂导向杆、前臂调节螺母、前臂丝杠、前臂腕关节，前臂肘关节上分别设置与前臂调节螺母、前臂导向杆配合的通孔，前臂调节螺母包括相连的前臂螺母旋转段和前臂螺母螺纹段，前臂螺母螺纹段位于前臂调节螺母对应的通孔里并与前臂肘关节形成转动副，前臂丝杠的第一端固定在前臂腕关节上，前臂丝杠的第二端位于前臂调节螺母里并与其配合，前臂导向杆的第一端固定在前臂腕关节上，前臂导向杆的第二端位于与其配合的通孔里；
[0012]腕关节运动单元包括腕关节电机、第一同步带轮、第二同步带轮、腕关节把手，腕关节电机安装在前臂腕关节里，第一同步带轮和第二同步带轮安装在前臂腕关节外部，第二同步带轮与腕关节把手固连，腕关节电机连接第一同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮上缠绕第一同步带；
[0013]肘关节运动单元包括肘关节电机、第三同步带轮、第四同步带轮，肘关节电机安装在大臂肘关节里，第三同步带轮和第四同步带轮安装在大臂肘关节外部，第四同步带轮与前臂肘关节固连，肘关节电机连接第三同步带轮，第三同步带轮和第四同步带轮上缠绕第二同步带。
[0014]本发明还可以包括:
[0015]1、大臂丝杠定位块上设置大臂丝杠定位孔，大臂旋转螺母的大臂螺母螺纹段上设置至少一个与大臂丝杠定位孔配合的大臂螺母定位孔，大臂丝杠定位孔里安装与大臂丝杠定位孔和大臂螺母定位孔配合的大臂紧定螺钉。
[0016]2、前臂肘关节上设置前臂定位孔，前臂调节螺母的前臂螺母螺纹段上设置至少一个与前臂定位孔配合的前臂螺母定位孔，前臂定位孔里安装与前臂定位孔和前臂螺母定位配合的前臂紧定螺钉。
[0017]3、大臂肘关节、前臂肘关节、前臂腕关节里分别安装大臂托、前臂托和手托。
[0018]本发明的优势在于:本发明具有左手和右手两个模式，只要通过简单的操作就可以实现左右手两个模式的切换，方便不同患者进行手臂康复训练，而且该机器人系统结构简单紧凑，可操作性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明未工作时的三维示意图；
[0020]图2为本发明未工作时的主视图；
[0021]图3为本发明肩部调整机构和肩部运动单元结构示意图；
[0022]图4为本发明右手康复模式示意图；
[0023]图5为本发明左手康复模式示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0025]结合图1?5，本发明主要由调高立柱、肩部调整机构、肩关节运动单元、大臂调长机构、肘关节运动单元、前臂调长机构、腕关节运动单元等构成。
[0026]肩部调整机构安装在调高立柱上，肩关节运动单元连接到肩部调整机构，大臂调长机构连接到肩关节运动单元，肘关节运动单元连接到大臂调长机构上，前臂调长机构连接到肘关节运动单元，腕关节运动单元与前臂调长机构连接。使用者可以根据自身的身高、大臂长度和前臂长度调节上肢康复机构的尺寸，从而使患者处于比较舒适的位置。
[0027]肩部调整机构由滑轨安装板、滑轨、滑块、滑块固定板、手轮、轴承座、丝杠、肩部安装架等构成。滑轨安装板通过螺栓固结在调高立柱的顶部，两根滑轨通过螺钉固结在滑轨安装板上；2个滑块通过螺钉连接到滑块固定板上，滑块与滑轨配合安装；滑块固定板的上端安装肩部安装架，肩部安装架是中空的矩形管，为了保证上肢康复机器人的美观将肩部水平回转电机安装在中空的矩形管内；在滑轨安装板的两端、两根滑轨的中间安装2个轴承座，轴承座一方面为丝杠旋转提供转动副，另一方面为滑块提供左右限位；在滑块固定板的中间开孔并攻螺纹与丝杠配合，丝杠的两端穿过轴承座与手轮固结，通过转动手轮就可以实现肩部安装架在左右方向上的位置变化，从而达到改变肩宽的目的。
[0028]肩关节运动单元主要由肩部回转电机、L型减速器、L型回转肩、U型大臂安装架、大臂摆动电机和T型减速器等组成。肩部回转电机与L型减速器通过螺栓连接，L型减速器与肩部安装架的定位孔配合，并隐藏在肩部安装架内部山型回转肩是一个成90度的L型构件，该构件是平直的，U型大臂安装架是U型构件；L型回转肩的顶侧与L型减速器的输出法兰固结，L型回转肩的侧面与倒置的U型大臂安装架固结。U型大臂安装架开口端钻光孔来为大臂摆动电机提供安装位置，大臂摆动电机与T型减速器通过法兰连接，T型减速器的输出法兰与U型大臂安装架的光孔通过螺钉固结，T型减速器的外壳与大臂调长机构连接，大臂摆动电机可以绕T型减速器的输出法兰的轴线转动山型大臂安装架的深度必须大于T型减速器输出法兰轴线到电机尾部的距离。
[0029]左右手两用式上肢康复机器人的工作原理是这样的:未工作时，上肢康复机器人自然下垂(与地面垂直，0度)，L型回转肩转动至腰部安装架下面，并与腰部安装架平齐(0度)；当需要采用左手康复模式时，L型回转肩顺时针转动90度(与肩部安装架平面垂直)，同时大臂摆动电机逆时针旋转90度(上肢康复装置与地面平行)，从而切换到左手康复模式；当需要采用右手康复模式时，L型回转肩逆时针转动90度(与肩部安装架平面垂直)，同时大臂摆动电机逆时针旋转90度(上肢康复装置与地面平行)，从而切换到右手康复模式。该上肢康复机器人只需要设置两个按钮，通过肩部回转电机和大臂摆动电机的伺服控制就可以实现左右手康复模式的切换，操作简单，而且安全可靠。
[0030]本发明是这样进行实施手臂康复训练的。
[0031]结合图1至图3，肩部调整机构由滑轨安装板11、滑轨2、滑块10、滑块固定板5、手轮3、轴承座9、丝杠4、肩部安装架6等构成。滑轨安装板11通过螺栓固结在调高立柱1的顶部，两根滑轨2通过螺钉固结在滑轨安装板11上；2个滑块10通过螺钉连接到滑块固定板5上，滑块10与滑轨2配合安装；滑块固定板5的上端安装肩部安装架6，肩部安装架6是中空的矩形管，且将肩部水平回转电机17和L型减速器18安装在中空的矩形管内；2个轴承座9分别安装在滑轨安装板11的两端以及两根滑轨2的中间，轴承座9 一方面为丝杠4提供转动副，另一方面为滑块10移动提供左右限位；在滑块固定板5的中间开孔并攻螺纹与丝杠4配合，丝杠4的两端穿过轴承座9与手轮3固结，通过转动手轮3就可以实现肩部安装架6在左右方向上的位置变化，从而达到改变肩宽的目的。
[0032]结合图3，肩关节运动单元主要由肩部回转电机17、L型减速器18、L型回转肩7、U型大臂安装架16、大臂摆动电机19和T型减速器20等组成。由于所提出的上肢康复机构可以同时实现左右手的康复训练，这需要上肢康复机器人具有一定的结构对称性，因此L型回转肩7和U型大臂安装架16必须为平直的杆件，这样大臂摆动电机17的上举角度就小于90度，本发明的手臂上举角度为80度。肩部回转电机17与L型减速器18通过螺栓连接，L型减速器18与肩部安装架6的定安装位孔配合，并隐藏在肩部安装架6内部；L型回转肩7是一个成90度的L型构件，U型大臂安装架16是U型构件；L型回转肩7的顶侧与L型减速器18的输出法兰固结，L型回转肩7的侧面与倒置的U型大臂安装架16固结。U型大臂安装架16开口端钻光孔来为大臂摆动电机19提供安装位置，大臂摆动电机19与T型减速器20通过法兰连接，T型减速器20的输出法兰与U型大臂安装架16的光孔通过螺钉固结，T型减速器20的外壳与大臂调长机构12连接，大臂摆动电机19可以绕T型减速器20的输出法兰的轴线转动；为保护大臂摆动电机19和编码器，在大臂摆动电机19和T型减速器20的外面套装电机罩8，故U型大臂安装架16的深度必须大于T型减速器20输出法兰轴线到电机罩8尾部的距离。
[0033]肩部调整机构安装在调高立柱1上，肩关节运动单元连接到肩部调整机构，并可以实现大臂的水平回转和上下摆动；大臂调长机构12连接到肩关节运动单元，肘关节运动单元13连接到大臂调长机构12上，前臂调长机构14连接到肘关节运动单元13，腕关节运动单元15与前臂调长机构14连接。使用者可以根据自身的身高、大臂长度和前臂长度调节上肢康复机构的尺寸，从而使患者处于比较舒适的位置。
[0034]本发明是这样工作的:未工作时，上肢康复机器人自然下垂，与地面垂直呈0度，L型回转肩7转动至腰部安装架6下面，并与腰部安装架6呈0度对齐；当采用左手康复模式时，L型回转肩7在肩部回转电机17的驱动下顺时针转动90度，并与肩部安装架6侧平面垂直，同时大臂摆动电机19驱动大臂调长机构12及前臂调长机构14等康复训练装置逆时针旋转90度，从而切换到左手康复模式；当采用右手康复模式时，L型回转肩7在肩部回转电机17的驱动下逆时针转动90度，并与肩部安装架6的侧平面垂直，同时大臂摆动电机19逆时针旋转90度，从而切换到右手康复模式。该上肢康复机器人只需要通过肩部回转电机17和大臂摆动电机19的伺服控制就可以实现左右手康复模式的切换，操作简单，而且安全可靠。
[0035]本发明一种左右手两用式上肢康复机器人，它主要包括调高立柱、肩部调整机构、肩关节运动单元、大臂调长机构、肘关节运动单元、前臂调长机构、腕关节运动单元等。肩部调整机构由滑轨安装板、滑轨、滑块、滑块固定板、手轮、轴承座、丝杠、肩部安装架等构成。肩关节运动单元由肩部回转电机、L型减速器、L型回转肩、U型大臂安装架、大臂摆动电机、T型减速器等组成；肩部回转电机与L型减速器固结，L型回转肩与L型减速器的输出法兰固结，L型回转肩与U型大臂安装架的侧面固连；U型大臂安装架的开口端有安装孔，大臂摆动电机与T型减速器固连，T型减速器两端输出且为输出法兰形式，并与U型大臂安装架开口端的安装孔通过螺钉连接，T型减速器的外壳与大臂调长机构连接。大臂调长机构连接到大臂摆动电机上，肘关节运动单元的一端连接到大臂调长机构上，肘关节运动单元的另一端连接到前臂调长机构上，腕关节运动单元与前臂调长机构连接。
[0036]根据上肢康复机器人机构的对称性，L型回转肩的两个安装面是平直的，且与U型大臂安装架成90度安装。
[0037]大臂摆动电机在U型安装架内绕T型减速器的输出法兰的轴线转动，U型大臂安装架的深度必须大于大臂摆动电机尾部自带编码器尾部与T型减速器输出法兰轴线的距离。
[0038]上肢康复机器人的上举角度小于90度，大臂摆动电机的转角范围在0至170度之间。
[0039]L型回转肩逆时针转动90度、大臂摆动电机逆时针转动90度，此时为右手康复模式；L型回转肩顺时针转动90度、大臂摆动电机逆时针转动90度，此时为左手康复模式。
【权利要求】
1.一种左右手两用式上肢康复机器人，其特征是:包括调高立柱、肩部调整机构、肩关节运动单元、大臂调长机构、肘关节运动单元、前臂调长机构、腕关节运动单元； 可调整高度的调高立柱底部安装车轮； 肩部调整机构包括滑轨、滑轨安装板、滑块、滑块固定板、手轮、肩部安装架，滑轨安装板固定在调高立柱顶部，滑轨固定在滑轨安装板上，滑块安装在滑轨上，中空的肩部安装架通过滑块固定板连接滑块，滑轨安装板的两侧安装有限定滑块极限位置的轴承座，滑块固定板的中间开有螺纹孔，丝杠的中部穿过滑块固定板的螺纹孔并与其配合，丝杠的两端分别安装在两个轴承座上并均安装手轮； 肩关节运动单元包括肩部回转电机、L型减速器、L型回转肩、U型大臂安装架、大臂摆动电机和T型减速器，相连的肩部回转电机和L型减速器均设置在肩部安装架里，L型回转肩的侧面与U型大臂安装架相固定，L型回转肩的顶面与L型减速器的输出法兰相固定，大臂摆动电机与T型减速器相连，U型大臂安装架设置容纳大臂摆动电机和T型减速器的U型开口，T型减速器的输出法兰与U型大臂安装架固连； 大臂调长机构包括大臂导向杆、大臂导向杆固定块、大臂丝杠、大臂旋转螺母、大臂丝杠定位块和大臂肘关节，固定在T型减速器外壳上的大臂导向杆固定块和大臂丝杠定位块均开有通孔，大臂旋转螺母包括相连的大臂螺母旋转段和大臂螺母螺纹段，大臂螺母螺纹段位于大臂丝杠定位块的通孔里并与大臂丝杠定位块形成转动副，大臂丝杠第一端固定在大臂肘关节上，大臂丝杠第二端位于大臂螺母螺纹段里并与其配合，大臂导向杆第一端固定在大臂肘关节上，大臂导向杆第二端位于大臂导向杆固定块的通孔里； 前臂调长机构包括前臂肘关节、前臂导向杆、前臂调节螺母、前臂丝杠、前臂腕关节，前臂肘关节上分别设置与前臂调节螺母、前臂导向杆配合的通孔，前臂调节螺母包括相连的前臂螺母旋转段和前臂螺母螺纹段，前臂螺母螺纹段位于前臂调节螺母对应的通孔里并与前臂肘关节形成转动副，前臂丝杠的第一端固定在前臂腕关节上，前臂丝杠的第二端位于前臂调节螺母里并与其配合，前臂导向杆的第一端固定在前臂腕关节上，前臂导向杆的第二端位于与其配合的通孔里； 腕关节运动单元包括腕关节电机、第一同步带轮、第二同步带轮、腕关节把手，腕关节电机安装在前臂腕关节里，第一同步带轮和第二同步带轮安装在前臂腕关节外部，第二同步带轮与腕关节把手固连，腕关节电机连接第一同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮上缠绕第一同步带； 肘关节运动单元包括肘关节电机、第三同步带轮、第四同步带轮，肘关节电机安装在大臂肘关节里，第三同步带轮和第四同步带轮安装在大臂肘关节外部，第四同步带轮与前臂肘关节固连，肘关节电机连接第三同步带轮，第三同步带轮和第四同步带轮上缠绕第二同步带。
2.根据权利要求1所述的一种左右手两用式上肢康复机器人，其特征是:大臂丝杠定位块上设置大臂丝杠定位孔，大臂旋转螺母的大臂螺母螺纹段上设置至少一个与大臂丝杠定位孔配合的大臂螺母定位孔，大臂丝杠定位孔里安装与大臂丝杠定位孔和大臂螺母定位孔配合的大臂紧定螺钉。
3.根据权利要求1或2所述的一种左右手两用式上肢康复机器人，其特征是:前臂肘关节上设置前臂定位孔，前臂调节螺母的前臂螺母螺纹段上设置至少一个与前臂定位孔配合的前臂螺母定位孔，前臂定位孔里安装与前臂定位孔和前臂螺母定位配合的前臂紧定螺钉。
4.根据权利要求1或2所述的一种左右手两用式上肢康复机器人，其特征是:大臂肘关节、前臂肘关节、前臂腕关节里分别安装大臂托、前臂托和手托。
5.根据权利要求3所述的一种左右手两用式上肢康复机器人，其特征是:大臂肘关节、前臂肘关节、前臂腕关节里分别安装大臂托、前臂托和手托。
【文档编号】A61H1/00GK104473751SQ201410826999
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】张立勋, 梁迎彬, 蒋延达, 王勇, 裴悦 申请人:哈尔滨工程大学