专利名称：一种基于虚拟现实技术的三自由度上肢康复训练装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种医疗康复设备，特别是一种基于虚拟现实技术的三自由度上 肢康复训练装置。
背景技术：
以往的康复训练机器一般与健身器械差不多，训练内容比较单调，患者感觉很枯 燥，难于长期坚持。三自由度上肢康复训练装置是利用虚拟空间技术和机器人技术，针对脑 中风等疾病引起的偏瘫患者的上肢康复训练而设计的专用康复训练设备。患者可用偏瘫侧 的手轻轻握住机器臂的手柄或用宽带绳把偏瘫侧手腕部绑在机械臂手柄上，然后在计算机 上选择适合自己的训练项目或游戏性很强的项目，根据训练项目的规则，患者看着计算机 屏幕操作装置的机械臂来完成虚拟空间中设计的训练或游戏。虚拟环境下进行康复训练的 患者手臂该感受到力时，装置的控制机构通过传动机构把力传递到患者的手臂，使患者具 有真实的感觉，以达到康复训练的目的。与传统的康复训练机器相比，该装置是利用虚拟空 间技术使患者在虚拟空间以玩游戏的形式进行康复训练，容易唤起患者的兴趣，以便进行 长期的康复训练。近年来美国，日本等发达国家已着手研究与开发此类专用康复装置，但其 机械手臂在平面上的两个自由度方向运动时与上下运动的自由度方向发生干涉现象，即机 械手臂做前后和左右运动时，上下运动的轴也随之转动一些角度。这种干涉现象导致机械 手臂与虚拟环境中的相应位置不能准确对应，减少了患者在虚拟环境中训练的趣味性，也 将影响患者的康复效果。另外，此类设备由于控制机构采用的是伺服电机输出转矩的形式， 即机器主动式的训练方式，当控制机构万一失灵时，患者会感到极其的恐惧，易造成患者的 心理阴影，进而影响之后的康复训练。
发明内容为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型要设计一种机械手臂平面运动与上 下运动无干涉、被动式的基于虚拟现实技术的三自由度上肢康复训练装置。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下一种基于虚拟现实技术的三自 由度上肢康复训练装置包括竖轴支架、横轴支架、连杆组、支架连杆组、显示器、电脑主机和 控制箱，竖轴支架与横轴支架之间通过支架连杆组连接，构成垂直平面内的平行四杆机构； 连杆组中的连杆关节C、连杆关节D分别与竖轴支架上的内轴和外轴连接，通过螺钉固定；所述的支架连杆组包括支架连杆A和支架连杆B，支架连杆A的中部通过焊接固定 在支架连杆轴上，其一端与固定在支架板E上的立式带座轴承连接、另一端通过螺钉装有 垂直平衡块；支架连杆B的两端分别与固定在支架板E上的立式带座轴承和固定在支架板 I上的立式带座轴承连接；所述的竖轴支架由编码器A、磁粉制动器A、内轴、外轴、小带轮A、内轴带轮、外轴 带轮、同步带A、带轮竖轴、内轴轴承、外轴轴承、外轴轴承座、圆型带座轴承A、轴承座支架 A、支架座A、同步带张紧器A、编码器定位块A、磁粉制动器定位块A、磁粉制动器固定板A、上
4支架、支架板A、支架板B、支架板C、支架板D组成；所述的内轴安装在内轴轴承上，内轴轴 承通过弹性挡圈固定在外轴的内部，外轴安装在外轴轴承上，外轴轴承以间隙配合的方式 安装在外轴轴承座上，外轴轴承座通过支架板B安装在支架板A上；内轴带轮通过紧固螺钉 安装在内轴下端，外轴带轮通过紧固螺钉安装在外轴下端，内轴带轮位于外轴带轮的下面； 编码器A、磁粉制动器A、小带轮A通过键与带轮竖轴连接，编码器A位于带轮竖轴的上端， 通过螺钉固定在编码器定位块A上，编码器定位块A通过螺钉固定在轴承座支架A上，磁粉 制动器A位于带轮竖轴的下端，通过螺钉与磁粉制动器固定板A连接，磁粉制动器固定板A 通过磁粉制动器定位块A与轴承座支架A连接，小带轮A位于带轮竖轴的中部；带轮竖轴安 装在圆型带座轴承A上，圆型带座轴承A位于小带轮A的两侧，通过螺钉固定在轴承座支架 A上，轴承座支架A与支架座A通过螺栓连接，支架座A通过螺钉固定在支架板A上；两个 小带轮A分别与内轴带轮、外轴带轮通过同步带A连接；同步带张紧器A—端固定在轴承座 支架A上，另一端固定在支架板D上；支架板A、支架板B、支架板C、支架板D之间通过螺钉 连接在一起，固定在上支架上；所述的横轴支架由编码器B、磁粉制动器B、小带轮B、横轴带轮、同步带B、带轮横 轴、支架连杆轴、圆型带座轴承B、立式带座轴承、轴承座支架B、支架座B、同步带张紧器B、 编码器定位块B、磁粉制动器定位块B、磁粉制动器固定板B、下支架、支架板F、支架板G、支 架板H、支架板I组成；所述的编码器B、磁粉制动器B、小带轮B通过键与带轮横轴连接，编 码器B位于带轮横轴的中部，通过螺钉固定在编码器定位块B上，编码器定位块B通过螺钉 固定在轴承座支架B上，磁粉制动器B位于带轮横轴的一端、通过螺钉与磁粉制动器固定板 B连接，磁粉制动器固定板B通过磁粉制动器定位块B与轴承座支架B连接，小带轮B位于 带轮横轴的另一端；所述的带轮横轴安装在圆型带座轴承B上，圆型带座轴承B位于编码器 B和磁粉制动器B之间，通过螺钉固定在轴承座支架B上，轴承座支架B与支架座B通过螺 栓连接，支架座B通过螺钉固定在下支架上；横轴带轮通过键安装在支架连杆轴的一端，与 小带轮B通过同步带B连接；同步带张紧器B—端固定在下支架上，另一端固定在轴承座支 架B上；立式带座轴承通过螺钉安装在支架板E、支架板H、支架板I上，支架板F、支架板G、 支架板H、支架板I之间通过螺钉连接在一起，安装在下支架上；所述的连杆组由连杆A、连杆B、连杆C、连杆D、连杆关节A、连杆关节B、连杆关节 C、连杆关节D、关节轴、连杆关节轴承、水平平衡块、把手组成；所述的连杆A的一端通过螺 钉装有把手、其中部和另一端分别通过关节螺栓装有连杆关节A ；连杆B—端通过关节螺栓 装有连杆关节A、另一端通过紧固螺钉安装在连杆关节C上；连杆C 一端通过螺钉装有连杆 关节B、另一端通过紧固螺钉安装在连杆关节D上；连杆D两端通过螺钉装有连杆关节B ；所 述的连杆关节A与连杆关节B通过关节轴和连杆关节轴承连接在一起，使连杆A、连杆B、连 杆C、连杆D组成平面四杆机构；在连杆B和连杆关节D上通过螺钉安装有水平平衡块；连 杆关节C通过螺钉与内轴连接，连杆关节D通过螺钉与外轴连接。与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果1、由于本实用新型采用了平行四边形连杆机构(机械臂)实现平面上的两个自由 度方向的运动，并通过双重竖轴把运动信息传递给相连的磁粉制动器与编码器，两个自由 度方向间的运动不发生干涉。2、由于本实用新型采用了双模块方式，即平面运动机构与相应控制机构组成的模
5块和实现上下运动的机构和相应的控制机构组成的模块，而且两个模块之间用平行四边形 连杆机构进行连接，并采用杆机构的平衡设计，使平面运动机构始终处于与最初设定的平 面相平行的平面中运动，保证了平面运动的两个自由度与上下运动方向的自由度不发生任 何干涉现象，确保了上下运动的准确性，提高了康复训练的质量与效果。3、由于本实用新型的控制机构只采用了转矩可控的磁粉制动器和编码器，患者在 虚拟环境中操作机械臂进行康复训练时手臂中应感觉到的力，由编码器的信息通过计算机 计算确定机械臂的手柄在虚拟环境中对应的位置，按照程序控制磁粉制动器的制动力的大 小，并把制动力通过机械臂准确地反映到患者的手臂上，即患者主动而机械为被动的方式， 具有操作安全，制造方便，结构简单等特点。
本实用新型共有附图11张，其中图1是上肢康复训练装置主视图。图2是图1的俯视图。图3是图1的左视图。图4是上肢康复训练装置轴视图。图5是上肢康复训练装置的竖轴支架剖视图。图6是图5的A-A剖面图。图7是上肢康复训练装置的横轴支架剖视图。图8是图7的B-B剖面图。图9是上肢康复训练装置连杆组主视图。图10是图9的C-C剖面图。图11是图9的左视图。图中1、显示器，2、电脑主机，3、控制箱；101、外轴，102、外轴轴承座，103、支架板B, 104、支架板A，105、编码器定位块A， 106、轴承座支架A，107、支架座A，108、磁粉制动器定位块A，109、磁粉制动器固定板A，110、 上支架，111、磁粉制动器A，112、圆型带座轴承A，113、小带轮A，114、同步带张紧器A，115、 支架板D，116、编码器A，117、支架板C，118、带轮竖轴，119、同步带A，120、内轴带轮，121、外 轴带轮，122、内轴轴承，123、外轴轴承，124、内轴；201、支架板E，202、立式带座轴承，203、支架连杆B，204、支架连杆A，205、支架座 B，206、轴承座支架B，207、同步带张紧器B，208、编码器B，209、带轮横轴，210、同步带B， 211、支架连杆轴，212、垂直平衡块，213、下支架，214、支架板F，215、支架板G，216、支架板 H，217、磁粉制动器B，218、磁粉制动器固定板B，219、圆型带座轴承B，220、磁粉制动器定位 块B，221、编码器定位块B，222、支架板I，223、小带轮B，224、横轴带轮；301、把手，302、连杆关节B，303、连杆D，304、连杆关节D，305、连杆关节A，306、水 平平衡块，307、连杆关节C，308、连杆B，309、连杆A，310、连杆C，311、关节螺栓，312、连杆关 节轴承，313、关节轴。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行进一步地描述。如图1-11所示，一种基于虚拟现 实技术的三自由度上肢康复训练装置包括竖轴支架、横轴支架、连杆组、支架连杆组、显示 器1、电脑主机2和控制箱3，竖轴支架与横轴支架之间通过支架连杆组连接，构成垂直平 面内的平行四杆机构；连杆组中的连杆关节C307、连杆关节D304分别与竖轴支架上的内轴 124和外轴101连接，通过螺钉固定；所述的支架连杆组包括支架连杆A204和支架连杆B203，支架连杆A204的中部通 过焊接固定在支架连杆轴211上，其一端与固定在支架板E201上的立式带座轴承202连 接、另一端通过螺钉装有垂直平衡块212 ；支架连杆B203的两端分别与固定在支架板E201 上的立式带座轴承202和固定在支架板1222上的立式带座轴承202连接；所述的竖轴支架由编码器A116、磁粉制动器A111、内轴124、外轴101、小带轮 A113、内轴带轮120、外轴带轮121、同步带A119、带轮竖轴118、内轴轴承122、外轴轴承 123、外轴轴承座102、圆型带座轴承A112、轴承座支架A106、支架座A107、同步带张紧器 A114、编码器定位块A105、磁粉制动器定位块A108、磁粉制动器固定板A109、上支架110、支 架板A104、支架板B103、支架板C117、支架板D115组成；所述的内轴124安装在内轴轴承 122上，内轴轴承122通过弹性挡圈固定在外轴101的内部，外轴101安装在外轴轴承123 上，外轴轴承123以间隙配合的方式安装在外轴轴承座102上，外轴轴承座102通过支架 板B103安装在支架板A104上；内轴带轮120通过紧固螺钉安装在内轴124下端，外轴带 轮121通过紧固螺钉安装在外轴101下端，内轴带轮120位于外轴带轮121的下面；编码器 Al 16、磁粉制动器Al 11、小带轮Al 13通过键与带轮竖轴118连接，编码器Al 16位于带轮竖 轴118的上端，通过螺钉固定在编码器定位块A105上，编码器定位块A105通过螺钉固定在 轴承座支架A106上，磁粉制动器Alll位于带轮竖轴118的下端，通过螺钉与磁粉制动器固 定板A109连接，磁粉制动器固定板A109通过磁粉制动器定位块A108与轴承座支架A106 连接，小带轮A113位于带轮竖轴118的中部；带轮竖轴118安装在圆型带座轴承A112上， 圆型带座轴承A112位于小带轮A113的两侧，通过螺钉固定在轴承座支架A106上，轴承座 支架A106与支架座A107通过螺栓连接，支架座A107通过螺钉固定在支架板A104上；两个 小带轮A113分别与内轴带轮120、外轴带轮121通过同步带A119连接；同步带张紧器A114 一端固定在轴承座支架A106上，另一端固定在支架板D115上；支架板A104、支架板B103、 支架板C117、支架板D115之间通过螺钉连接在一起，固定在上支架110上；所述的横轴支架由编码器B208、磁粉制动器B217、小带轮B223、横轴带轮224、同 步带B210、带轮横轴209、支架连杆轴211、圆型带座轴承B219、立式带座轴承202、轴承座支 架B206、支架座B205、同步带张紧器B207、编码器定位块B221、磁粉制动器定位块B220、磁 粉制动器固定板B218、下支架213、支架板F214、支架板G215、支架板H216、支架板1222组 成；所述的编码器B208、磁粉制动器B217、小带轮B223通过键与带轮横轴209连接，编码器 B208位于带轮横轴209的中部，通过螺钉固定在编码器定位块B221上，编码器定位块B221 通过螺钉固定在轴承座支架B206上，磁粉制动器B217位于带轮横轴209的一端、通过螺钉 与磁粉制动器固定板B218连接，磁粉制动器固定板B218通过磁粉制动器定位块B220与轴 承座支架B206连接，小带轮B223位于带轮横轴209的另一端；所述的带轮横轴209安装 在圆型带座轴承B219上，圆型带座轴承B219位于编码器B208和磁粉制动器B217之间，通过螺钉固定在轴承座支架B206上，轴承座支架B206与支架座B205通过螺栓连接，支架座 B205通过螺钉固定在下支架213上；横轴带轮224通过键安装在支架连杆轴211的一端，与 小带轮B223通过同步带B210连接；同步带张紧器B207 —端固定在下支架213上，另一端 固定在轴承座支架B206上；立式带座轴承202通过螺钉安装在支架板E201、支架板H216、 支架板1222上，支架板F214、支架板G215、支架板H216、支架板1222之间通过螺钉连接在 一起，安装在下支架213上；所述的连杆组由连杆A309、连杆B308、连杆C310、连杆D303、连杆关节A305、连 杆关节B302、连杆关节C307、连杆关节D304、关节轴313、连杆关节轴承312、水平平衡块 306、把手301组成；所述的连杆A309的一端通过螺钉装有把手301、其中部和另一端分别 通过关节螺栓311装有连杆关节A305 ；连杆B308 —端通过关节螺栓311装有连杆关节 A305、另一端通过紧固螺钉安装在连杆关节C307上；连杆C310—端通过螺钉装有连杆关节 B302、另一端通过紧固螺钉安装在连杆关节D304上；连杆D303两端通过螺钉装有连杆关节 B302 ；所述的连杆关节A305与连杆关节B302通过关节轴313和连杆关节轴承312连接在 一起，使连杆A309、连杆B308、连杆C310、连杆D303组成平面四杆机构；在连杆B308和连 杆关节D304上通过螺钉安装有水平平衡块306 ；连杆关节C307通过螺钉与内轴124连接， 连杆关节D304通过螺钉与外轴101连接。本实用新型工作时，连杆组在水平面内运动，四个连杆构成平行四边形，连杆A309 平行连杆B308，连杆C310平行连杆D303，把手301运动带动连杆组运动，连杆B308将χ方 向上的运动转换成内轴124的转动，连杆D303将y方向上的运动转换成外轴101的转动， 内轴带轮120和外轴带轮121分别带动对应的小带轮A113转动，从而使小带轮A113带动 带轮竖轴118上的编码器A116和磁粉制动器Alll转动，编码器A116测出转动的方向和角 度，磁粉制动器Alll控制带轮竖轴118的运动，使把手301在水平面内两个自由度方向受 到制动力。运动过程中水平平衡块306用于平衡连杆组的重量。当把手301上下运动，带 动竖轴支架整体运动，竖轴支架、横轴支架、支架连杆A204和支架连杆B203构成垂直面内 的平行四杆机构，将把手301在ζ方向上的运动转换成支架连杆轴211的转动，支架连杆轴 211轴端的横轴带轮224带动小带轮B223转动，从而带动带轮横轴209上的编码器B208和 磁粉制动器B217转动，编码器B208测出转动的方向和角度，磁粉制动器B217控制带轮横 轴209的运动，使把手301在ζ方向上受到制动力，支架连杆A204的末端装有垂直平衡块 212，以平衡连杆组和竖轴支架。三个编码器将数据通过控制箱3传送给电脑主机2，电脑主 机2分析确定把手301在显示器1中展现的虚拟空间中的位置，并通过控制箱3输出信号 控制磁粉制动器的制动力。
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权利要求一种基于虚拟现实技术的三自由度上肢康复训练装置包括竖轴支架、横轴支架、连杆组、支架连杆组、显示器(1)、电脑主机(2)和控制箱(3)，竖轴支架与横轴支架之间通过支架连杆组连接，构成垂直平面内的平行四杆机构；连杆组中的连杆关节C(307)、连杆关节D(304)分别与竖轴支架上的内轴(124)和外轴(101)连接，通过螺钉固定；所述的支架连杆组包括支架连杆A(204)和支架连杆B(203)，支架连杆A(204)的中部通过焊接固定在支架连杆轴(211)上，其一端与固定在支架板E(201)上的立式带座轴承(202)连接、另一端通过螺钉装有垂直平衡块(212)；支架连杆B(203)的两端分别与固定在支架板E(201)上的立式带座轴承(202)和固定在支架板Ⅰ(222)上的立式带座轴承(202)连接；其特征在于所述的竖轴支架由编码器A(116)、磁粉制动器A(111)、内轴(124)、外轴(101)、小带轮A(113)、内轴带轮(120)、外轴带轮(121)、同步带A(119)、带轮竖轴(118)、内轴轴承(122)、外轴轴承(123)、外轴轴承座(102)、圆型带座轴承A(112)、轴承座支架A(106)、支架座A(107)、同步带张紧器A(114)、编码器定位块A(105)、磁粉制动器定位块A(108)、磁粉制动器固定板A(109)、上支架(110)、支架板A(104)、支架板B(103)、支架板C(117)、支架板D(115)组成；所述的内轴(124)安装在内轴轴承(122)上，内轴轴承(122)通过弹性挡圈固定在外轴(101)的内部，外轴(101)安装在外轴轴承(123)上，外轴轴承(123)以间隙配合的方式安装在外轴轴承座(102)上，外轴轴承座(102)通过支架板B(103)安装在支架板A(104)上；内轴带轮(120)通过紧固螺钉安装在内轴(124)下端，外轴带轮(121)通过紧固螺钉安装在外轴(101)下端，内轴带轮(120)位于外轴带轮(121)的下面；编码器A(116)、磁粉制动器A(111)、小带轮A(113)通过键与带轮竖轴(118)连接，编码器A(116)位于带轮竖轴(118)的上端，通过螺钉固定在编码器定位块A(105)上，编码器定位块A(105)通过螺钉固定在轴承座支架A(106)上，磁粉制动器A(111)位于带轮竖轴(118)的下端，通过螺钉与磁粉制动器固定板A(109)连接，磁粉制动器固定板A(109)通过磁粉制动器定位块A(108)与轴承座支架A(106)连接，小带轮A(113)位于带轮竖轴(118)的中部；带轮竖轴(118)安装在圆型带座轴承A(112)上，圆型带座轴承A(112)位于小带轮A(113)的两侧，通过螺钉固定在轴承座支架A(106)上，轴承座支架A(106)与支架座A(107)通过螺栓连接，支架座A(107)通过螺钉固定在支架板A(104)上；两个小带轮A(113)分别与内轴带轮(120)、外轴带轮(121)通过同步带A(119)连接；同步带张紧器A(114)一端固定在轴承座支架A(106)上，另一端固定在支架板D(115)上；支架板A(104)、支架板B(103)、支架板C(117)、支架板D(115)之间通过螺钉连接在一起，固定在上支架(110)上；所述的横轴支架由编码器B(208)、磁粉制动器B(217)、小带轮B(223)、横轴带轮(224)、同步带B(210)、带轮横轴(209)、支架连杆轴(211)、圆型带座轴承B(219)、立式带座轴承(202)、轴承座支架B(206)、支架座B(205)、同步带张紧器B(207)、编码器定位块B(221)、磁粉制动器定位块B(220)、磁粉制动器固定板B(218)、下支架(213)、支架板F(214)、支架板G(215)、支架板H(216)、支架板Ⅰ(222)组成；所述的编码器B(208)、磁粉制动器B(217)、小带轮B(223)通过键与带轮横轴(209)连接，编码器B(208)位于带轮横轴(209)的中部，通过螺钉固定在编码器定位块B(221)上，编码器定位块B(221)通过螺钉固定在轴承座支架B(206)上，磁粉制动器B(217)位于带轮横轴(209)的一端、通过螺钉与磁粉制动器固定板B(218)连接，磁粉制动器固定板B(218)通过磁粉制动器定位块B(220)与轴承座支架B(206)连接，小带轮B(223)位于带轮横轴(209)的另一端；所述的带轮横轴(209)安装在圆型带座轴承B(219)上，圆型带座轴承B(219)位于编码器B(208)和磁粉制动器B(217)之间，通过螺钉固定在轴承座支架B(206)上，轴承座支架B(206)与支架座B(205)通过螺栓连接，支架座B(205)通过螺钉固定在下支架(213)上；横轴带轮(224)通过键安装在支架连杆轴(211)的一端，与小带轮B(223)通过同步带B(210)连接；同步带张紧器B(207)一端固定在下支架(213)上，另一端固定在轴承座支架B(206)上；立式带座轴承(202)通过螺钉安装在支架板E(201)、支架板H(216)、支架板Ⅰ(222)上，支架板F(214)、支架板G(215)、支架板H(216)、支架板Ⅰ(222)之间通过螺钉连接在一起，安装在下支架(213)上；所述的连杆组由连杆A(309)、连杆B(308)、连杆C(310)、连杆D(303)、连杆关节A(305)、连杆关节B(302)、连杆关节C(307)、连杆关节D(304)、关节轴(313)、连杆关节轴承(312)、水平平衡块(306)、把手(301)组成；所述的连杆A(309)的一端通过螺钉装有把手(301)、其中部和另一端分别通过关节螺栓(311)装有连杆关节A(305)；连杆B(308)一端通过关节螺栓(311)装有连杆关节A(305)、另一端通过紧固螺钉安装在连杆关节C(307)上；连杆C(310)一端通过螺钉装有连杆关节B(302)、另一端通过紧固螺钉安装在连杆关节D(304)上；连杆D(303)两端通过螺钉装有连杆关节B(302)；所述的连杆关节A(305)与连杆关节B(302)通过关节轴(313)和连杆关节轴承(312)连接在一起，使连杆A(309)、连杆B(308)、连杆C(310)、连杆D(303)组成平面四杆机构；在连杆B(308)和连杆关节D(304)上通过螺钉安装有水平平衡块(306)；连杆关节C(307)通过螺钉与内轴(124)连接，连杆关节D(304)通过螺钉与外轴(101)连接。
专利摘要本实用新型公开了一种基于虚拟现实技术的三自由度上肢康复训练装置，包括竖轴支架、横轴支架、连杆组、支架连杆组。竖轴支架与横轴支架之间通过支架连杆组连接，构成垂直平面内的平行四杆机构。编码器A、磁粉制动器A、小带轮A通过键与竖轴支架的双重竖轴连接；编码器B、磁粉制动器B、小带轮B通过键与横轴支架的横轴连接；连杆A、B、C、D组成水平平面上的平面四杆机构。本实用新型采用了水平平面上的平行四边形连杆机构实现平面上的两个自由度方向的运动，垂直平面内的平行四杆机构，实现上下方向的运动。三个自由度方向间的运动彼此不发生干涉，确保了前后，左右与上下各方向运动的准确性，提高了康复训练的质量与效果。
文档编号A63B23/12GK201752559SQ20102020860
公开日2011年3月2日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者李国宾, 李成求, 王洋 申请人:大连海事大学