具有重力补偿机构的肩部康复系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有重力补偿机构的肩部康复系统，包括底座、支架、用于实现肩关节的内旋/外旋运动的第一旋转组件、用于实现肩关节的外展/内收运动的第二旋转组件、用于实现肩关节的屈/伸运动的第三旋转组件，支架的一端设于底座上，支架的另一端设有第一旋转组件，第一旋转组件的端部设有第二旋转组件，第二旋转组件的端部设有第三旋转组件；该种具有重力补偿机构的肩部康复系统，将肩关节设计成具有内旋/外旋、外展/内收和屈/伸三个自由度，这种设计方式完全模拟人体肩关节的所有自由度，可以帮助患者完成健康人能完成的肩关节动作。且通过重力补偿机构的设置，不仅可以增大重力补偿电机的输出力矩，还可以对患者起到保护作用。
【专利说明】
具有重力补偿机构的肩部康复系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种具有重力补偿机构的肩部康复系统，属于医疗器械领域。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步，尤其是医学的快速发展，康复医学工程越来越受到重视。康复医学研究表明，对于中风、脊髓损伤和各类事故引起的肢体功能障碍的患者来说，如果能及时进行正确的康复训练，对神经肌肉功能的恢复会有很大的帮助，这对患者及家庭来说是非常重要的。
[0003]传统的上肢康复训练方法是依靠专业的理疗医师对患者进行手把手的训练。对于偏瘫这种病患，医生的辅助训练虽有一定的帮助，但是不会太理想，不能完全达到理想的康复效果，而且存在诸多问题:首先，治疗师一次只能对一名患者进行运动训练，训练效率不尚;其次，缺少精确的控制指标和记录训练参数，不能为确定和改进治疗方案提供合理的理论依据;再有，康复评价指标不够客观，不利于后续更加深入的研究康复机理。
[0004]鉴于目前康复治疗手段的一些不足，康复训练这种频繁的、反复的工作，更适合机器人辅助完成，康复机器人的诞生给患者带来了福音。利用机器人及其相关技术对训练过程进行客观的监测与评价，提高偏瘫康复训练的针对性及科学性，同时将治疗医师从繁重的体力劳动中解脱出来，为患者制定更好的康复方案，进一步提高康复的效率。
[0005]肩关节是人体最灵活和最脆弱的关节，也是人体关节中结构最不稳固的关节，大约三分之一的偏瘫患者都是在肩关节处发生损坏。而肩关节康复训练机器人属于医疗机器人范畴，主要的功能是辅助患者的偏瘫手臂进行康复训练，以达到更科学、更规范的训练效果。目前，对肩关节进行单独的针对性训练的康复机械臂较少，且结构简单，自由度较少，无法满足肩关节的全方位训练，并且对于机械臂及患者上肢自身重力的影响没有进行适当的补偿，这导致了康复机械臂关节电机的负载增大，使得电机尺寸也随之增大。更为严重的是当控制电机失效时，由于缺少重力补偿，使得康复机械臂容易对患者的上肢造成二次损伤。
[0006]上述问题是在肩部康复过程中应当予以考虑并解决的问题。
【发明内容】
[0007]针对以上问题，本发明提供一种具有重力补偿机构的肩部康复系统，能够满足不同人群的肩部康复训练机构，它可以实现肩关节3个自由度的运动，具有重力补偿机构，功能齐全，适用性强，解决现有技术中存在的上述问题。
[0008]本发明采用如下技术方案:
[0009]—种具有重力补偿机构的肩部康复系统，包括支架、用于实现肩关节的内旋/外旋运动的第一旋转组件、用于实现肩关节的外展/内收运动的第二旋转组件、用于实现肩关节的屈/伸运动的第三旋转组件，支架的一端设于底座上，支架的另一端设有第一旋转组件，第一旋转组件的端部设有第二旋转组件，第二旋转组件的端部设有第三旋转组件；
[0010]第三旋转组件还设有重力补偿机构，重力补偿机构包括重力补偿电机、挡板、滚筒、滑轮组、钢丝绳和固定螺栓，重力补偿电机固定在挡板上，滚筒设于重力补偿电机的转动轴上，钢丝绳的一端连接在滚筒上，钢丝绳的另一端绕过滑轮组并连接固定螺栓，固定螺栓设于第三旋转组件上。
[0011 ]进一步地，第一旋转组件包括第一电机、水平连杆，第一电机设于支架上，支架采用倒L形支架，第一电机通过减速器与水平连杆的一端连接，水平连杆的另一端设有第二旋转组件。
[0012]进一步地，第二旋转组件包括第二电机、竖直连杆，第二电机设于水平连杆的端部，第二电机通过减速器与竖直连杆的一端连接，竖直连杆的另一端设有第三旋转组件。
[0013]进一步地，第三旋转组件包括圆形转动体、前臂固定连杆、前臂固定滑块和用于转动圆形转动体的第三电机，前臂固定连杆的端部连接圆形转动体，圆形转动体设有固定螺栓，前臂固定连杆设有位置可调节式前臂固定滑块，前臂固定滑块设有用于前臂固定连杆穿过的通孔。
[0014]进一步地，前臂固定滑块设有束缚带和握杆。
[0015]进一步地，所述钢丝绳连接固定螺栓的一端安装有用于重力补偿电机的输出调节的角度传感器。
[0016]进一步地，第一电机、第二电机、第三电机均采用直流电机，第一电机、第二电机、第三电机均安装有增量式光电编码器和力传感器。光电编码器用于测量电机的转向和转速;力传感器用于测量转动关节处的力和力矩;从而实现对各电机的控制。
[0017]进一步地，所述支架设有用于限制水平连杆转动的限位装置一，所述水平连杆设有用于限制竖直连杆转动的限位装置二，所述竖直连杆设有用于限制圆形转动体转动的限位装置三。各限位装置可以是电气限位开关，也可以是机械限位装置，主要起到保护患者的作用。
[0018]进一步地，所述支架采用可升降式支架。
[0019]进一步地，该具有重力补偿机构的肩部康复系统现患者左手臂和右手臂的切换，具体为:右手到左手切换时，将水平连杆绕第一电机的转动轴旋转180°，再将圆形转动体绕第三电机的转动轴旋转180°即可。
[0020]该种具有重力补偿机构的肩部康复系统，将肩关节设计成具有内旋/外旋、外展/内收和屈/伸三个自由度，这种设计方式完全模拟人体肩关节的所有自由度，可以帮助患者完成健康人能完成的肩关节动作。
[0021]该种具有重力补偿机构的肩部康复系统中，通过重力补偿机构的设置，能够避免当控制电机失效时，由于缺少重力补偿，使得康复机械臂容易对患者的上肢造成二次损伤的问题。
[0022]重力补偿机构由小型直流电机提供驱动力，重力补偿电机固定在挡板上，并通过减速箱和滚筒相连，滚筒上装有力传感器并缠绕有钢丝绳，通过水平滑轮和固定在竖直连杆上的滑轮组与圆形转动体上的固定螺栓相连接。该重力补偿机构可以对机械臂及患者手臂自身的重力进行补偿，同时也可以重力补偿电机的输出力矩。
[0023]由于肩关节是人体最复杂最脆弱的部位之一，本发明在各转动部位均设有电气限位或机械限位装置，限制机械臂的运动范围在人体关节的最大转动角度和极限转动角度之间，起到保护患者的目的。
[0024]该种具有重力补偿机构的肩部康复系统，为满足不同患者人群的康复训练，将底座和固定支架设计成可升降，以满足不同高度的患者;将前臂固定滑块设计成可以自由伸缩，以满足不同臂长的患者。
[0025]根据患者的不同需求，该康复系统可以实现患者左手臂和右手臂的切换，不需要重新组装机构，方便快捷，操作简单。切换时，只需将水平连杆绕第一电机的转动轴旋转180°，再将圆形转动体绕第三电机的转动轴旋转180°即可。
[0026]本发明的有益效果是:本发明一种具有重力补偿机构的肩部康复系统，将肩关节设计成具有内旋/外旋、外展/内收和屈/伸三个自由度，这种设计方式完全模拟人体肩关节的所有自由度，可以帮助患者完成健康人能完成的肩关节动作。增加一个实施位移-力矩复合控制的重力补偿电机，平衡机械臂的主要重力，减小关节电机负载，提高康复运动效率。该种具有重力补偿机构的肩部康复系统，操作简单，功能齐全，运行安全可靠，适用种类人群多，能够满足医学上对肩关节的康复需求，有利于推广应用。
【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例具有重力补偿机构的肩部康复系统的结构示意图；
[0028]图2是实施例具有重力补偿机构的肩部康复系统的另一结构示意图；
[0029]图3是实施例中重力补偿机构的结构示意图；
[0030]图4是图3中A部的放大示意图；
[0031]其中:1-支架，2-第一电机，3-第二电机，4-第三电机，5-前臂固定滑块，6-前臂固定连杆，7-束缚带，8-握杆，9-固定螺栓，10-重力补偿机构，11-水平连杆，12-竖直连杆，13-圆形转动体，14-支架调节装置，15-紧锁件；
[0032]101-重力补偿电机，102-钢丝绳，103-滚筒，104-挡板，105-滑轮一，106-滑轮二，107-滑轮三，108-滑轮四，109-滑轮支架。
【具体实施方式】
[0033 ]下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0034]实施例一种具有重力补偿机构的肩部康复系统，用于患者的肩部康复训练，可以实现肩关节的屈/伸、外展/内收和内旋/外旋三个自由度的运动，同时具有重力补偿机构10，不仅可以增大重力补偿电机101的输出力矩，还可以对患者起到保护作用。
[0035]实施例
[0036]—种具有重力补偿机构的肩部康复系统，如图1和图2，包括底座、支架1、用于实现肩关节的内旋/外旋运动的第一旋转组件、用于实现肩关节的外展/内收运动的第二旋转组件、用于实现肩关节的屈/伸运动的第三旋转组件，支架I的一端设于底座上，支架I的另一端设有第一旋转组件，第一旋转组件的端部设有第二旋转组件，第二旋转组件的端部设有第三旋转组件。
[0037]该种具有重力补偿机构的肩部康复系统，将肩关节设计成具有内旋/外旋、外展/内收和屈/伸三个自由度，这种设计方式完全模拟人体肩关节的所有自由度，可以帮助患者完成健康人能完成的肩关节动作。
[0038]如图1和图3，第三旋转组件还设有重力补偿机构10，如图4，重力补偿机构10包括重力补偿电机101、挡板104、滚筒103、滑轮组、钢丝绳102和固定螺栓9，重力补偿电机101固定在挡板104上，挡板104设于圆形转动体13的上方且固定在竖直连杆12上，滚筒103设于重力补偿电机101的转动轴上，钢丝绳102的一端连接在滚筒103上，钢丝绳102的另一端绕过滑轮组并连接固定螺栓9，固定螺栓9设于圆形转动体13上，固定螺栓9设置在靠近前臂固定连杆6处，使钢丝绳102与水平位置有一定角度即可，如30°-120°，优选90°。滑轮组用于调节钢丝绳102的走向并起到对钢丝绳102的一定定位作用。滑轮组包括滑轮一 105、滑轮二 106、滑轮三107和滑轮四108，滑轮一 105设于挡板104或竖直连杆12上，滑轮三107和滑轮四108分别设于钢丝绳102的两侧。滑轮三107和滑轮四108通过滑轮支架1091设于竖直连杆12上。钢丝绳102连接固定螺栓9的一端安装有用于重力补偿电机101的输出调节的角度传感器。
[0039]该种具有重力补偿机构的肩部康复系统中，通过重力补偿机构10的设置，能够避免当控制电机失效时，由于缺少重力补偿，使得康复机械臂容易对患者的上肢造成二次损伤的问题。
[0040]该种具有重力补偿机构的肩部康复系统中，重力补偿机构10由小型直流电机提供驱动力，重力补偿电机101固定在挡板104上，并通过减速箱和滚筒103相连，滚筒103上装有力传感器并缠绕有钢丝绳102，通过水平滑轮和固定在竖直连杆12上的滑轮组与圆形转动体13上的固定螺栓9相连接。该重力补偿机构10可以对机械臂及患者手臂自身的重力进行补偿，同时也可以增大重力补偿电机101的输出力矩。
[0041]第一旋转组件包括第一电机2、水平连杆11，第一电机2设于支架I上，支架I采用倒L形支架1，第一电机2通过减速器与水平连杆11的一端连接，水平连杆11的另一端设有第二旋转组件。
[0042]第二旋转组件包括第二电机3、竖直连杆12，第二电机3设于水平连杆11的端部，第二电机3通过减速器与竖直连杆12的一端连接，竖直连杆12的另一端设有第三旋转组件。
[0043]第三旋转组件包括圆形转动体13、前臂固定连杆6、前臂固定滑块5和用于转动圆形转动体13的第三电机4，第三电机4设于竖直连杆12上，前臂固定连杆6的端部连接圆形转动体13，圆形转动体13设有固定螺栓9，前臂固定连杆6设有位置可调节式前臂固定滑块5，前臂固定滑块5设有用于前臂固定连杆6穿过的通孔。
[0044]将前臂固定滑块5设计成可以自由伸缩，前臂固定滑块5通过紧锁件15如调节螺栓等固定在前臂固定连杆6，通过前臂固定滑块5在前臂固定连杆6上移动来调节长度，以满足不同臂长的患者。
[0045]第三旋转组件的第三电机4设于竖直连杆12的端部，第三电机4通过减速器连接圆形转动体13的中部，为圆形转动体13提高驱动力。前臂固定滑块5设有束缚带7和握杆8。用于前臂及手部的固定。
[0046]支架I设有用于限制水平连杆11转动的限位装置一，水平连杆11设有用于限制竖直连杆12转动的限位装置二，竖直连杆12设有用于限制圆形转动体13转动的限位装置三，限位装置图中未标出。
[0047]由于肩关节是人体最复杂最脆弱的部位之一，实施例在各转动部位均设有电气限位或机械限位装置，限制机械臂的运动范围在人体关节的最大转动角度和极限转动角度之间，起到保护患者的目的。
[0048]支架I采用可升降式支架I。支架I与底座插接，并通过支架调节装置14如调节螺钉等实现对支架I的固定。实施例为满足不同患者人群的康复训练，将底座和固定支架I设计成可升降，以满足不同高度的患者;将前臂固定滑块5设计成可以自由伸缩，以满足不同臂长的患者。
[0049]第一电机2、第二电机3、第三电机4均采用直流电机，第一电机2、第二电机3、第三电机4均安装有增量式光电编码器和力传感器。
[0050]综上，本肩部康复系统另外，本发明还可以通过改进和扩展，进一步实现医疗康复设备的家庭化和操作简单化。
[0051]本发明不局限于上述最佳实施方式，在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:包括支架、用于实现肩关节的内旋/外旋运动的第一旋转组件、用于实现肩关节的外展/内收运动的第二旋转组件、用于实现肩关节的屈/伸运动的第三旋转组件，支架的一端设于底座上，支架的另一端设有第一旋转组件，第一旋转组件的端部设有第二旋转组件，第二旋转组件的端部设有第三旋转组件； 第三旋转组件还设有重力补偿机构，重力补偿机构包括重力补偿电机、挡板、滚筒、滑轮组、钢丝绳和固定螺栓，重力补偿电机固定在挡板上，滚筒设于重力补偿电机的转动轴上，钢丝绳的一端连接在滚筒上，钢丝绳的另一端绕过滑轮组并连接固定螺栓，固定螺栓设于第三旋转组件上。2.如权利要求1所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:第一旋转组件包括第一电机、水平连杆，第一电机设于支架上，支架采用倒L形支架，第一电机通过减速器与水平连杆的一端连接，水平连杆的另一端设有第二旋转组件。3.如权利要求2所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:第二旋转组件包括第二电机、竖直连杆，第二电机设于水平连杆的端部，第二电机通过减速器与竖直连杆的一端连接，竖直连杆的另一端设有第三旋转组件。4.如权利要求4所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:第三旋转组件包括圆形转动体、前臂固定连杆、前臂固定滑块和用于转动圆形转动体的第三电机，前臂固定连杆的端部连接圆形转动体，圆形转动体设有固定螺栓，前臂固定连杆设有位置可调节式前臂固定滑块，前臂固定滑块设有用于前臂固定连杆穿过的通孔。5.如权利要求4所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:前臂固定滑块设有束缚带和握杆。6.如权利要求1-5任一项所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:所述钢丝绳连接固定螺栓的一端安装有用于重力补偿电机的输出调节的角度传感器。7.如权利要求4或5所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:第一电机、第二电机、第三电机均米用直流电机，第一电机、第二电机、第三电机均安装有增量式光电编码器和力传感器。8.如权利要求4或5所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:所述支架设有用于限制水平连杆转动的限位装置一，所述水平连杆设有用于限制竖直连杆转动的限位装置二，所述竖直连杆设有用于限制圆形转动体转动的限位装置三。9.如权利要求1所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:所述支架采用可升降式支架。10.如权利要求4或5所述的具有重力补偿机构的肩部康复系统，其特征在于:该具有重力补偿机构的肩部康复系统现患者左手臂和右手臂的切换，具体为:右手到左手切换时，将水平连杆绕第一电机的转动轴旋转180°，再将圆形转动体绕第三电机的转动轴旋转180°即可。
【文档编号】A61H1/02GK105853141SQ201610183962
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】高翔, 姬翔, 陈盛, 徐国政, 王强
【申请人】南京邮电大学