专利名称：上肢偏瘫康复机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种上肢偏瘫康复机器人。
背景技术：
对偏瘫患者的肢体进行康复训练能有效的辅助患者重获瘫痪肢体的运动功能。传统的运动康复训练由治疗师人力协助患者进行。采用机器人辅助治疗，不仅弥补传统运动康复训练效率低、内容枯燥、评价指标不够精确等缺点，而且辅助分析患肢的各项运动参数，以促进康复训练模式的改进，为康复医学提供了全新的治疗手段。经过对现有技术的检索发现，中国发明专利申请号200810064878. 6，名称五自由度外骨骼式上肢康复机器人，该技术包括机器人的安装架，安装架设计有导轨，导轨上安装升降架，升降架上带有高度调节机构，可旋转安装臂通过旋转轴安装在升降架上，由横肩、上臂、前臂和手柄构成的康复机械臂本体安装在可旋转安装臂上，5个关节自由度，5个驱动电机分别安装在各个关节的转动轴上，与驱动电机级联的四个力矩传感器分别安装在肩部，肘部及腕部，其中肩部两个、肘部一个、腕部屈伸处一个，力矩传感器作为传动装置及检查装置连接电机减速器与执行机构。该机器人为患者提供各关节的单自由度运动与三维多关节复合运动，并提供简单、基本的日常生活动作训练。该发明可辅助患者进行上肢肩关节的屈/伸、外摆/内收；肘关节的屈/伸；腕关节的屈/伸四个运动自由度的运动训练，而人体上肢除手掌外主要有七个自由度，分别是上肢肩关节的屈/伸、旋内/旋外、外摆 /内收；肘关节的屈/伸；前臂的旋内/旋外和腕关节的屈/伸、外展/内收，故此发明所提供的训练较为有限。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种上肢偏瘫康复机器人，辅助患者进行上肢肩关节的屈/伸、旋内/旋外、外摆/内收；肘关节的屈/伸；前臂的旋内/旋外； 腕关节的屈/伸、外展/内收七个运动自由度的主动运动训练，有益于丰富康复训练手段， 提高康复训练效率。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括肩关节运动模块、肘关节运动模块、前臂和腕关节运动模块、重力补偿模块、支撑架和数据采集模块，其中重力补偿模块的两端分别与肩关节运动模块相连，肩关节运动模块、肘关节运动模块和前臂和腕关节运动模块依次连接，肩关节运动模块与支撑架的顶部固定连接，数据采集模块固定设置于肩关节运动模块、肘关节运动模块、前臂和腕关节运动模块上。所述的肩关节运动模块包括基座、第一转动轴、肩部弯杆、第二转动轴、导杆、固定块、夹持块、上臂外环、上臂内环、限位块和上臂侧板，其中第一转动轴与基座连接，肩部弯杆固定设置于第一转动轴的下端，第二转动轴与肩部弯杆连接，导杆一端径向连接于第二转动轴，另一端与固定块相连，上臂外环和夹持块夹持固定于导杆之上，上臂内环安置于上臂外环内，上臂侧板的一段固定设置于上臂内环的内侧，另一端与肘关节运动模块活动连接，限位块固定设置于上臂侧板上。所述的肘关节运动模块包括前臂侧板和前臂半环，其中前臂侧板的一端肩关节运动模块活动连接，另一端与前臂半环的内侧固定连接，前臂半环的背侧设有方形通槽并与前臂和腕关节运动模块活动连接。所述的前臂和腕关节运动模块包括前臂板、第一手部弯杆、第二手部弯杆和手柄，其中前臂板与肘关节运动模块活动连接，第一手部弯杆的一端与前臂板活动连接，另一端与第二手部弯杆的一端活动连接，第二手部弯杆的另一端与手柄的底端活动连接。所述的重力补偿模块包括螺栓、拉伸弹簧和钢丝线，其中螺栓与肩关节运动模块固定连接，拉伸弹簧的一端与螺栓相连，另一端通过钢丝线与肩关节运动模块连接。所述的支撑架包括机架和座位，其中机架与座位固定连接，机架的顶部与肩关节运动模块固定连接。所述的数据采集模块包括角位移传感器、齿轮轴、小齿轮、大齿轮、直流电源、数据采集卡，其中角位移传感器固定设置于肘关节运动模块的前臂侧板和前臂半环连接处， 直流电源给传感器供电，数据采集卡与传感器相连接并传输旋转角度信息，齿轮轴安装在上臂外环内，一端与传感器的自由端相连，另一端装有一个小齿轮。大齿轮固定于上臂内环的一侧，大齿轮和小齿轮相啮合，将上臂内环的转动传递给齿轮轴，从而测量出上臂内环相对于上臂外环的转动信息。本发明工作时患者坐于座椅的合适位置，调节坐位高度，使人体的肩关节对位于机器人肩关节的不动点(三个旋转轴的交点)。穿戴外骨骼机器人，调节上臂、前臂和手腕对应的机器人部位的长度到合适尺寸，设定需要的重力补偿弹簧伸长量，即可进行运动训练。由传感器采集到各个关节的运动信息，提供量化的训练数据供治疗师分析。本发明相比现有技术具有以下优点本发明中机器人的机械装置具有六个自由度，辅助患者进行上肢肩关节的屈/伸、旋内/旋外、外摆/内收；肘关节的屈/伸；前臂的旋内/旋外；腕关节的屈/伸、外展/内收七个运动自由度同时、协调进行的主动运动训练。 且每个机器人关节运动自由度与人体关节运动自由度基本保持了同轴，这一仿生设计增强了机器的舒适性和可靠性，更有益于机器人辅助康复训练。
图1是实施例1的整体结构示意图。图2是肩关节运动模块的局部示意图。图3是肘关节运动模块的局部示意图。图4是前臂和腕关节运动模块的局部示意图。图5是腕关节运动模块的传感器安置方式局部示意图；图中(a)为腕关节运动模块示意图，(b)为局部放大示意图。图6是肩关节旋内/旋外运动的传感器安置方式局部示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例包括肩关节运动模块1、肘关节运动模块2、前臂和腕关节运动模块3、重力补偿模块4、支撑架5以及数据采集模块6，其中重力补偿模块4的两端分别与肩关节运动模块1相连，肩关节运动模块1、肘关节运动模块2和前臂和腕关节运动模块3依次连接，肩关节运动模块1与支撑架5的顶部固定连接，数据采集模块6固定设置于肩关节运动模块1、肘关节运动模块2、前臂和腕关节运动模块3上。如图2所示，所述的肩关节运动模块1包括基座10、第一转动轴11、弯杆12、第二转动轴13、导杆14、固定块15、夹持块16、上臂外环17、上臂内环18、上臂侧板19、限位块 22，其中第一转动轴11通过一个推力轴承和一个深沟球轴承贯穿于基座10，并可绕Jl轴旋转，两个轴承分别承受第一转动轴11的轴向载荷和径向载荷。弯杆12固定设置于第一转动轴11的下端，可随第一转动轴11的旋转而绕Jl轴转动。第二转动轴13通过一对深沟球轴承与弯杆12连接，并可绕J2轴旋转。导杆14 一端固定设置于第二转动轴13的径向，另一端固定设置于固定块15，可随第二转动轴13的旋转而绕J2轴转动。上臂外环17 和夹持块16夹持固定于导杆14之上，可沿导杆滑动并用螺钉锁紧，以调节上臂对应部分的长度。上臂内环18通过一个滚针轴承安置于上臂外环17，并可绕J3轴旋转，滚针轴承径向厚度尺寸小，使结构更加紧凑。上臂侧板19通过螺钉固定设置于上臂内环18的内侧，用以连接后续的机构。限位块22通过螺钉固定设置于上臂侧板19上以限制肘关节运动模块2 的转动角度，以保证安全。所述的肩关节运动模块1实现以下三个自由度的运动a)肩关节的曲屈/伸展运动弯杆12绕Jl旋转到合适位置，使上臂指向体前时， 上臂绕J2轴旋转；b)肩关节的内收/外摆运动弯杆12绕Jl旋转到合适位置，使上臂指向体侧时， 上臂绕J2轴旋转；c)肩关节的旋内/旋外运动上臂绕J3轴旋转。如图3所示，所述的肘关节运动模块2包括前臂侧板20、前臂半环21，其中前臂侧板20的一端有轴，通过一个深沟球轴承与上臂侧板19连接，该轴可绕J4轴旋转；另一端通过螺钉固定设置于前臂半环21的内侧。前臂半环21可随前臂侧板20上的轴的旋转而绕J4轴转动，前臂半环21的背侧有方形通槽，用以连接后续的机构。所述的肘关节运动模块实现肘关节的曲屈/伸展运动即前臂和腕关节运动模块绕J4轴旋转。如图4所示，所述的前臂和腕关节运动模块3包括前臂板30、第一手部弯杆31、 第二手部弯杆32、手柄33、紧定螺钉34、限位螺钉35，其中前臂板30插于前臂半环21的槽内，可沿槽滑动并用紧定螺钉34锁紧，以调节前臂对应部分的长度。限位螺钉35可防止前臂板30脱出前臂半环21，保证了安全。第一手部弯杆31的一端有轴，通过一个深沟球轴承与前臂板30连接，该轴可绕J5轴旋转，第一手部弯杆31的另一端开有孔。第二手部弯杆32的一端有轴，通过一个深沟球轴承与第一手部弯杆31连接，该轴可绕J6轴旋转；第二手部弯杆32的另一端有U型通槽，手柄33可在该槽内滑动并用螺母锁定，以调节手掌对应部分的尺寸。所述的前臂和腕关节运动模块实现如下三个自由度的运动a)前臂的旋内/旋外运动前臂绕J6旋转；b)腕关节的曲屈/伸展运动当手柄绕J6旋转到与J5轴平行时，手部绕J5旋转；c)腕关节的内收/外展运动当手柄绕J6旋转到与J5轴垂直时，手部绕J5旋转。如图2所示，所述的重力补偿模块4包括螺栓40、拉伸弹簧41、钢丝线42，其中 螺栓40螺纹连接于弯杆12。拉伸弹簧41的一端通过一个吊环螺母与螺栓40的下端连接， 另一端通过钢丝线42与固定块15连接。通过拉伸弹簧41的弹力来补偿外骨骼和患者上肢的重力，弹簧的伸长量可由螺栓40调节，以提供一定范围内的弹力，满足不同的训练要求。如图1所示，所述的支撑架5包括机架50、座位51，其中座位51与机架50为一体式结构，保证了机架的稳定性，且座椅和机架的相互位置固定。基座10通过螺栓固定在机架50上。如图5和图6所示，所述的数据采集模块6包括角位移传感器60、传感器座63、 内六角紧定螺钉64、齿轮轴65、小齿轮66、大齿轮67、直流电源和数据采集卡，其中直流电源给各个传感器60供电，数据采集卡与角位移传感器60连接，实时采集角位移传感器60 的数据信息。六个角位移传感器60的分别安装在每个自由度关节上，以J6自由度为例，如图5 所示。传感器座63的一端通过螺钉固定设置于第一手部弯杆31上，另一端开有螺孔。传感器60通过自身的外螺纹61固定于传感器座63中，传感器自由端62插入第二手部弯杆 32的轴上的孔中。两个互成90°的内六角紧定螺钉64使传感器自由端62与孔无相对滑动。这样，当第二手部弯杆32与第一手部弯杆31有相对转动时，转动的角度就会被传感器 60获取。其它的自由度Jl、J2、J4、J5，都采用相同的方法安置传感器60。J3自由度无法采用上述方法，故为其设计特殊结构，如图6所示。齿轮轴65通过深沟球轴承安装在上臂外环17内，一端与传感器60的自由端相连，另一端装有一个小齿轮 66。大齿轮67通过螺钉固定设置于上臂内环18的一侧，大齿轮67和小齿轮66相啮合，将上臂内环18的转动传递给齿轮轴65，从而测量出上臂内环18相对于上臂外环17的转动信肩、ο本实施例工作时机器人通过基座10牢固的固定在机架50的合适位置上。患者坐于座椅的合适位置，调节坐位高度，使人体的肩关节对位于机器人肩关节的不动点(J1、 J2、J3三个旋转轴的交点)。穿戴外骨骼机器人，调节上臂、前臂和手腕对应的机器人部位的长度到合适尺寸，设定需要的重力补偿弹簧伸长量，即可进行运动训练。由传感器采集到各个关节的运动信息，提供量化的训练数据供治疗师分析。
权利要求
1.一种上肢偏瘫康复机器人，其特征在于，包括肩关节运动模块、肘关节运动模块、 前臂和腕关节运动模块、重力补偿模块、支撑架和数据采集模块，其中重力补偿模块的两端分别与肩关节运动模块相连，肩关节运动模块、肘关节运动模块和前臂和腕关节运动模块依次连接，肩关节运动模块与支撑架的顶部固定连接，数据采集模块固定设置于肘关节运动模块上。
2.根据权利要求1所述的上肢偏瘫康复机器人，其特征是，所述的肩关节运动模块包括基座、第一转动轴、肩部弯杆、第二转动轴、导杆、固定块、夹持块、上臂外环、上臂内环、 限位块和上臂侧板，其中第一转动轴与基座连接，肩部弯杆固定设置于第一转动轴的下端，第二转动轴与肩部弯杆连接，导杆一端径向连接于第二转动轴，另一端与固定块相连， 上臂外环和夹持块夹持固定于导杆之上，上臂内环安置于上臂外环内，上臂侧板的一段固定设置于上臂内环的内侧，另一端与肘关节运动模块活动连接，限位块固定设置于上臂侧板上。
3.根据权利要求1所述的上肢偏瘫康复机器人，其特征是，所述的肘关节运动模块包括前臂侧板和前臂半环，其中前臂侧板的一端肩关节运动模块活动连接，另一端与前臂半环的内侧固定连接，前臂半环的背侧设有方形通槽并与前臂和腕关节运动模块活动连接。
4.根据权利要求1所述的上肢偏瘫康复机器人，其特征是，所述的前臂和腕关节运动模块包括前臂板、第一手部弯杆、第二手部弯杆和手柄，其中前臂板与肘关节运动模块活动连接，第一手部弯杆的一端与前臂板活动连接，另一端与第二手部弯杆的一端活动连接，第二手部弯杆的另一端与手柄的底端活动连接。
5.根据权利要求1所述的上肢偏瘫康复机器人，其特征是，所述的重力补偿模块包括 螺栓、拉伸弹簧和钢丝线，其中螺栓与肩关节运动模块固定连接，拉伸弹簧的一端与螺栓相连，另一端通过钢丝线与肩关节运动模块连接。
6.根据权利要求1所述的上肢偏瘫康复机器人，其特征是，所述的支撑架包括机架和座位，其中机架与座位固定连接，机架的顶部与肩关节运动模块固定连接。
7.根据权利要求1所述的上肢偏瘫康复机器人，其特征是，所述的数据采集模块包括 角位移传感器、齿轮轴、小齿轮、大齿轮、直流电源和数据采集卡，其中角位移传感器固定设置于肘关节运动模块的前臂侧板和前臂半环连接处，直流电源给传感器供电，数据采集卡与传感器相连接并传输旋转角度信息，齿轮轴安装在上臂外环内，一端与传感器的自由端相连，另一端装有一个小齿轮，大齿轮固定于上臂内环的一侧，大齿轮和小齿轮相啮合。
全文摘要
一种医疗器械技术领域的上肢偏瘫康复机器人，包括肩关节运动模块、肘关节运动模块、前臂和腕关节运动模块、重力补偿模块、支撑架和数据采集模块，重力补偿模块的两端分别与肩关节运动模块相连，肩关节运动模块、肘关节运动模块和前臂和腕关节运动模块依次连接，肩关节运动模块与支撑架的顶部固定连接，数据采集模块固定设置于肘关节运动模块上。本发明辅助患者进行上肢肩关节的屈/伸、旋内/旋外、外摆/内收；肘关节的屈/伸；前臂的旋内/旋外；腕关节的屈/伸、外展/内收七个运动自由度的主动运动训练，有益于丰富康复训练手段，提高康复训练效率。
文档编号A63B21/06GK102258849SQ20111010120
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者于海龙, 吕超, 谢叻, 邵卫 申请人:上海交通大学