CN103720571A

CN103720571A - 一种龙门式上肢康复训练装置

Info

Publication number: CN103720571A
Application number: CN201310724242.0A
Authority: CN
Inventors: 孙容磊; 张宇; 王晓红; 高远
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: CN103720571B

Abstract

本发明公开了一种龙门式上肢康复训练装置，包括龙门式机架、XYZ三轴方向上的直线运动机构以及手柄组件，其中X轴直线运动机构用于使得钢丝绳可带动X向滑块沿着直线导轨实现水平左右方向的直线运动；Y轴直线运动机构用于带动龙门式机架及与其相连的其他机构实现水平前后方向的直线移动；Z轴直线运动机构用于使得钢丝绳带动X轴直线运动机构实现竖直上下方向的直线运动；此外，手柄组件设置在X向滑块上并随其一同运动，同时具备三个旋转轴正交的旋转自由度。通过本发明，能够以结构紧凑、便于操作的方式多自由度牵引患者手部从而带动患者整个上肢各个关节的运动，模拟各种人体上肢日常行为，进而达到有效恢复患者上肢运动功能的目的。

Description

一种龙门式上肢康复训练装置

技术领域

本发明属于康复医疗机械技术领域，更具体地，涉及一种龙门式上肢康复训练装置，其适用于辅助上肢肢体运动功能障碍患者恢复运动功能。

背景技术

国内外研究表明，大多数肢体残疾患者可以通过康复运动训练恢复其肢体运动功能，尤其是中风偏瘫早期患者，通过运动功能训练其康复率高达90%。而通过传统的人工方式对患者进行康复训练，既增加了护理人员的工作强度，而且不能获得可用于评定康复效果的详细数据，因此，将机器人技术与康复医学有机结合在一起的康复训练机器人能大大减轻康复护理人员的工作强度，提高患者康复训练效率，同时将康复机器人产业化，可以大大降低康复医疗成本，满足日益增加的残疾人康复训练需求，极大的推动了残疾人康复事业的发展。

随着机器人技术的不断发展，人们开始将机器人技术应用到康复医学领域，从而产生了康复医疗机器人这个新兴的产业和学科。从20世纪80年代美国率先开展康复机器人技术研究至今，全世界已经有数以百计的研究机构在从事康复医疗机器人的理论研究和技术开发。康复机器人领域已经成为工程技术和康复医学学科交叉的研究热点。其中，比较有代表性的上肢康复训练机器人有：1991年美国麻省理工学院MIT设计出世界上第一台上肢康复训练机器人***MIT-MANUS7；1999年美国斯坦福大学辅助测量患者上肢运动空间的THE ARM GUIDE；德国柏林的Klinic实验室与弗朗荷费研究所共同发明的Bi-Manu-Track训练机器人；2002年，以英国Reading大学为首的欧洲跨国研究小组研制出名为GENTLE/S的上肢康复医疗机器人；日本大阪大学、兵库医学院和旭化成株式会社的Junji Furusho,Kenichi Koyanagi等人联合研制的上肢康复训练***3DOF-EMUL和改进版的6DOF-Robotherapist等。

上述上肢康复训练装置的优点是结构简单，易于控制，但是装置的自由度数较少，可训练的关节数量有限，而且患者训练时的运动空间较小。因此，相关领域中亟需开发出更为完善的解决方案，以便更好地适应上肢肢体运动功能障碍患者恢复运动功能的各类需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种龙门式上肢康复训练装置，其中通过对关键组成部件的构造及其设置方式进行改进，使得该装置能够以结构紧凑、便于操作的方式多自由度牵引患者手部从而带动患者整个上肢各个关节的运动，模拟各种人体上肢日常行为，使患者上肢各关节、运动肌肉群以及运动功能神经群得到有效的物理刺激，进而达到有效恢复患者上肢运动功能的目的。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种龙门式上肢康复训练装置，该训练装置包括龙门式机架、配置于该机架的X轴直线运动机构、Y轴直线运动机构和Z轴直线运动机构，以及手柄组件，其特征在于：

所述X轴直线运动机构设置在龙门式机架的中部，并包括第一驱动箱、第一伺服电机、钢丝绳张紧元件、转向滑轮、X向直线导轨和X向滑块，其中从第一驱动箱沿着水平X轴方向引出钢丝绳，该钢丝绳绕过钢丝绳张紧元件和转向滑轮后连接于X向滑块，然后继续绕过转向滑轮和钢丝绳张紧元件，最后返回第一驱动箱；以此方式，在第一伺服电机的驱动下，使得钢丝绳可带动所述X向滑块沿着直线导轨实现水平左右方向的直线运动；

所述Y轴直线运动机构设置在龙门式机架的底部，并包括第二伺服电机、滚珠丝杆、圆螺母组件和滚轮，其中第二伺服电机的输出轴与滚珠丝杆相连，使滚珠丝杆转动并带动圆螺母组件可沿着水平Y轴方向来回移动；圆螺母组件固定在龙门式机架上，由此带动龙门式机架及与其相连的其他机构一同沿着滚轮轨道实现水平前后方向的直线移动；

所述Z轴直线运动机构设置在龙门式机架的顶部，并包括第二驱动箱、第三伺服电机、转向滑轮、Z向导轨和滑块连接件，其中从第二驱动箱沿着水平左右方向引出钢丝绳，所述钢丝绳各自绕过转向滑轮后，分别连接于固定设置在X轴直线运动机构两端的滑块连接件；以此方式，在第一伺服电机的驱动下，使得钢丝绳可带动所述滑块连接件及X轴直线运动机构沿着Z向导轨实现竖直上下方向的直线运动；

所述手柄组件设置在所述X向滑块上并随其一同运动，同时具备三个旋转轴正交的旋转自由度，以此方式，使用者通过握住手柄组件，可带动其手臂在XYZ三直线轴方向以及三个旋转轴方向上组合执行多种上肢动作，从而实现对使用者上肢运动功能的康复训练过程。

作为进一步优选地，所述第一驱动箱和第二驱动箱的结构和尺寸均相同，它们各自包括齿轮轴、同轴设置的第一齿轮和第一驱动滑轮，以及同轴设置的第二齿轮和第二驱动滑轮，其中齿轮轴通过轴承与所述第一伺服电机的输出端相连，并带动与其相啮合的第一齿轮及第一驱动滑轮一同传动，所述第二齿轮与第一轮齿以1:1的传动比相互啮合，由此相应带动第二齿轮及第二驱动滑轮一同传动。

作为进一步优选地，对于第一驱动箱而言，钢丝绳在第一驱动滑轮和第二驱动滑轮上的绕向相同，由此通过钢丝绳的一边收、一边放的操作来实现所述X向滑块沿着水平左右方向的直线运动；对于第二驱动箱而言，钢丝绳在第一驱动滑轮和第二驱动滑轮上的绕向相反，由此通过钢丝绳的同时收、同时放的操作来实现所述滑块连接件沿着竖直上下方向的直线运动。

作为进一步优选地，所述齿轮轴的齿数为20，模数为2毫米，并与第一齿轮以1:3的传动比相互啮合；所述第一齿轮和第二齿轮的齿数为60，模数为2毫米。

作为进一步优选地，所述第一驱动滑轮和所述第二驱动滑轮的断面上均开有斜45度孔，该斜45度孔与第一、第二驱动滑轮各自的钢丝绳槽相通，用于将钢丝绳的一头固定其上。

作为进一步优选地，所述手柄组件包括滑块手柄连接件、旋转支撑件、手柄基座和手柄，其中滑块手柄连接件的上表面开有多个用于与所述X向滑块相连接的通孔，左右端面上分别具有用于固定钢丝绳的环状突出结构；所述旋转支撑件通过沿着Y轴方向延伸的销轴与滑块手柄连接件可相对旋转地联接，手柄基座通过沿着X轴方向延伸的销轴与旋转支撑件可相对旋转地联接；此外，手柄安装在手柄基座中，并通过沿着Z轴方向延伸的销轴与手柄基座可相对旋转地联接。

作为进一步优选地，所述龙门式机架优选由工业铝型材搭建而成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对其与手柄组件相关组件的结构及其设置方式进行设计，能够以结构紧凑、便于操控的方式实现手柄末端的多自由度（3个平移方向和3个旋转方向及其组合）运动，并使得手柄末端具备精确的位置和姿态；

2、通过采用龙门式结构并对三轴直线运动机构进行相应设计，可以实现大范围的运动形成，便于牵引患者手部从而带动患者整个上肢各个关节的运动，例如，手柄末端的水平左右运动行程形成可达到1000毫米，水平前后运动行程可达到800毫米，竖直上下运动行程可达到1100毫米；

3、通过对三轴直线运动分别采用伺服电机独立进行控制，可有效消除运动耦合，降低了使用者的操控难度，保证整个训练装置的适用性；

4、按照本发明的龙门式上肢康复训练装置适用于辅助上肢肢体运动功能障碍患者恢复运动功能，能够精确模拟各种人体上肢日常行为，使患者上肢各关节、运动肌肉群以及运动功能神经群得到有效的物理刺激，达到恢复患者上肢运动功能的目的。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例的龙门式上肢康复训练装置的整体结构示意图；

图2是图1中所示驱动箱的内部结构示意图；

图3是图1中所示手柄组件的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第三伺服电机 2-第二驱动箱 3-钢丝绳 4-转向滑轮支座 5-龙门式机架 6-第一伺服电机 7-第一驱动箱 8-钢丝绳张紧机构 9-转向滑轮支座 10-滑块限位挡块 11-手柄组件 12-第二伺服电机 13-底板14-圆螺母组件 15-滚珠丝杆 16-丝杆固定端 17-滚轮 18-滚轮轨道19-转向滑轮 20-电机支架 21-Z向导轨 22-转向滑轮 23-滑块连接件24-电机支架 25-水平基板 26-钢丝绳 27-X向滑块 28-第二驱动滑轮29-驱动滑轮轴 30-轴承 31-齿轮轴 32-第二齿轮 33-第一齿轮 34-第一驱动滑轮 36-轴承 37-滑块手柄连接件 38-外六角螺母 39-手柄基座 40-销轴 41-手柄 42-旋转支撑件

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例的龙门式上肢康复训练装置的整体结构示意图。如图1所示，本发明所提供的龙门式上肢康复训练装置主要包括龙门式机架、配置于该机架的X轴直线运动机构、Y轴直线运动机构和Z轴直线运动机构，以及手柄组件，其中通过结合上肢康复训练自身的特点和需求来对其关键组件的结构及设置方式进行设计，相应能够以结构紧凑、便于操控的方式实现手柄末端的多自由度运动，并使得手柄末端具备精确的位置和姿态。

具体而言，X轴直线运动机构设置在龙门式机架的中部，并包括第一驱动箱7、第一伺服电机6、钢丝绳张紧元件8、转向滑轮22、X向直线导轨和X向滑块27，其中从第一驱动箱7沿着水平X轴方向引出钢丝绳，该钢丝绳绕过钢丝绳张紧元件和转向滑轮后连接于X向滑块27，然后继续绕过转向滑轮和钢丝绳张紧元件，最后返回第一驱动箱7；以此方式，在第一伺服电机6的驱动下，使得钢丝绳可带动所述X向滑块27沿着直线导轨实现水平左右方向的直线运动。

Y轴直线运动机构设置在龙门式机架的底部，并包括第二伺服电机12、滚珠丝杆15、圆螺母组件14和滚轮17，其中第二伺服电机12的输出轴与滚珠丝杆15相连，使滚珠丝杆15转动并带动圆螺母组件14可沿着水平Y轴方向来回移动；圆螺母组件14固定在龙门式机架5上，由此带动龙门式机架及与其相连的其他机构一同沿着滚轮轨道18实现水平前后方向的直线移动。

Z轴直线运动机构设置在龙门式机架的顶部，并包括第二驱动箱2、第三伺服电机1、转向滑轮、Z向导轨21和滑块连接件23，其中从第二驱动箱7沿着水平左右方向引出钢丝绳，所述钢丝绳各自绕过转向滑轮后，分别连接于固定设置在X轴直线运动机构两端的滑块连接件23；以此方式，在第一伺服电机6的驱动下，使得钢丝绳3可带动所述滑块连接件23及X轴直线运动机构沿着Z向导轨21实现竖直上下方向的直线运动。

此外，所述手柄组件设置在X向滑块27上并随其一同运动，同时具备三个旋转轴正交的旋转自由度，以此方式，使用者通过握住手柄组件，可带动其手臂在XYZ三直线轴方向以及三个旋转轴方向上组合执行多种上肢动作，从而实现对使用者上肢运动功能的康复训练过程。

按照本发明的一个优选实施方式，为了实现上述运动过程，第一驱动箱7和第二驱动箱2可采用结构和尺寸均相同的组件，具体而言，如图2中所示，驱动箱包括第一驱动滑轮28、驱动滑轮轴29、轴承30、第一齿轮32、第二驱动滑轮34、第二齿轮33、齿轮轴31和轴承36等。其中第一齿轮32和第二齿轮33的齿数优选为60，模数为2毫米，互相啮合，传动比为1:1。齿轮轴31的齿数优选为20，模数为2毫米，与第二齿轮33啮合，传动比为1:3。第一驱动滑轮28和第二驱动滑轮34断面上均可开有斜45度孔，以便与第一驱动滑轮28和第二驱动滑轮34的钢丝绳槽相通，作用是将钢丝绳26的一头固定在第一驱动滑轮28和第二驱动滑轮34上。在第二驱动箱2和第一驱动箱7中，齿轮轴31转动带动与其相啮合的第二齿轮33转动，第二齿轮33带动与其相啮合的第一齿轮32转动，第一驱动滑轮28与第一齿轮32同轴，第二驱动滑轮34与第二齿轮33同轴，又由于第二齿轮33与第一齿轮32的传动比为1:1，因此第一驱动滑轮28与第二驱动滑轮34的转速相等，转向相反。

通过以上设置，在第一驱动箱7中，由于钢丝绳26在第一驱动滑轮28和第二驱动滑轮34绕向相同，从而能够实现钢丝绳26一边收、一边放。钢丝绳26从第一驱动箱7中引出后绕过钢丝绳张紧机构8和转向滑轮22与X向滑块27连接。由于钢丝绳26一边收、一边放可实现X向滑块27的左右平移运动。此外，在第二驱动箱2中，钢丝绳3在第一驱动滑轮28和第二驱动滑轮34上的绕向相反，能够实现钢丝绳3同时收、同时放。钢丝绳3从驱动箱2中引出后绕过转向滑轮19与滑块连接件23连接。滑块连接件23继续与X轴直线运动机构连接。因此，钢丝绳的收、放可带动滑块连接件23及X轴直线运动机构作竖直上下直线运动，从而带动患者手部上下直线运动。

按照本发明的另一优选实施方式，Y轴直线运动机构中的第二伺服电机12与丝杠固定端16均固定在底板13上，第二伺服电机12的输出轴与滚珠丝杠15通过联轴器连接，第二伺服电机12的输出轴转动带动滚珠丝杠15转动，滚珠丝杠15转动带动圆螺母组件14沿滚珠丝杠轴线方向直线运动，圆螺母组件14固定在机架5上，因此实现整个装置前后直线运动。

除了上述XYZ三直线轴的直线运动之外，按照本发明的训练装置还可实现多旋转轴的旋转运动。如图3中所示，按照本发明优选实施方式的手柄组件11包括：滑块手柄连接件37、外六角螺母38、销轴40、手柄41、手柄基座39、旋转支撑件42。

具体而言，滑块手柄连接件37上表面开有4个与滑块连接用的通孔，滑块手柄连接件37的左右端面上分别有2对环状突起结构，作用是固定钢丝绳。旋转支撑件42可绕滑块手柄连接件伸出轴轴线方向旋转，外六角螺母38起限制旋转支撑件42轴线位置作用。手柄基座39与旋转支撑件42通过销轴40连接，手柄基座39可绕销轴40的轴线方向旋转。手柄41可绕自身轴线方向旋转。

此外，龙门式机架5优选由工业铝型材通过连接件搭建而成，由此在满足机架整体刚度需要的同时，可减轻装置整体的重量。

下面将具体解释按照本发明的龙门式上肢康复训练装置的使用过程。

第一伺服电机6输出轴旋转带动第一驱动箱7中的齿轮轴31旋转，齿轮轴31转动带动相啮合的第一齿轮33转动，第一齿轮33带动相啮合的第二齿轮32转动，同时驱动同轴设置的第二驱动滑轮28和第一驱动滑轮34，钢丝绳3在驱动滑轮28和驱动滑轮34绕向相同，可实现钢丝绳3一边收、一边放。钢丝绳3从驱动箱7中引出后绕过钢丝绳张紧机构8和转向滑轮22与X向滑块27连接，进而实现滑块27的左右平移运动。手柄组件11固定在滑块27上，患者手部握住手柄组件11中的手柄41，从而带动患者手部左右平移运动。

第三伺服电机1输出轴旋转带动第二驱动箱2中的齿轮轴31旋转，齿轮轴31转动带动相啮合的第一齿轮33转动，第一齿轮33带动相啮合的第二齿轮32转动，同时驱动同轴设置的第二驱动滑轮28与第一驱动滑轮34，钢丝绳3在驱动滑轮28和驱动滑轮34绕向相反，可实现钢丝绳3同时收、同时放。钢丝绳3从驱动箱2中引出后绕过转向滑轮19与滑块连接件23连接。滑块连接件23与X轴直线运动机构连接。因此，钢丝绳的收、放可带动X轴直线运动机构作竖直上下直线运动，从而带动患者手部上下直线运动。

此外，第二伺服电机12与丝杠固定端16均固定在底板13上，第二伺服电机12的输出轴与滚珠丝杠15通过联轴器连接，第二伺服电机12的输出轴转动带动滚珠丝杠15转动，滚珠丝杠15转动带动圆螺母组件14沿滚珠丝杠轴线方向直线运动，圆螺母组件14固定在机架5上，因此实现整个装置前后直线运动，从而带动患者手部前后直线运动。

综上所述，患者手部握住手柄41，本发明装置可以带动患者手部作水平的左右、水平的前后和竖直的上下三个方向的直线运动，同时，手柄组件11具有3个旋转轴正交的旋转自由度，因此通过三个方向的直线运动和三个旋转轴正交的旋转运动可以合成出任意复杂的上肢动作。使患者上肢各关节、运动肌肉群以及运动功能神经群得到有效的物理刺激，达到恢复患者上肢运动功能的目的。另一方面，还可以通过位置、速度、力以及患者上肢关键部位肌电信号等传感器能够实时反映康复训练的强度和效果，为康复医务人员提供有参考价值的临床治疗数据。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种龙门式上肢康复训练装置，该训练装置包括龙门式机架、配置于该机架的X轴直线运动机构、Y轴直线运动机构和Z轴直线运动机构，以及手柄组件，其特征在于：

所述X轴直线运动机构设置在龙门式机架的中部，并包括第一驱动箱（7）、第一伺服电机（6）、钢丝绳张紧元件（8）、转向滑轮（22）、X向直线导轨和X向滑块（27），其中从第一驱动箱（7）沿着水平X轴方向引出钢丝绳，该钢丝绳绕过钢丝绳张紧元件和转向滑轮后连接于X向滑块（27），然后继续绕过转向滑轮和钢丝绳张紧元件，最后返回第一驱动箱（7）；以此方式，在第一伺服电机（6）的驱动下，使得钢丝绳可带动所述X向滑块（27）沿着直线导轨实现水平左右方向的直线运动；

所述Y轴直线运动机构设置在龙门式机架的底部，并包括第二伺服电机（12）、滚珠丝杆（15）、圆螺母组件（14）和滚轮（17），其中第二伺服电机（12）的输出轴与滚珠丝杆（15）相连，使滚珠丝杆（15）转动并带动圆螺母组件（14）可沿着水平Y轴方向来回移动；圆螺母组件（14）固定在龙门式机架（5）上，由此带动龙门式机架及与其相连的其他机构一同沿着滚轮轨道（18）实现水平前后方向的直线移动；

所述Z轴直线运动机构设置在龙门式机架的顶部，并包括第二驱动箱（2）、第三伺服电机（1）、转向滑轮、Z向导轨（21）和滑块连接件（23），其中从第二驱动箱（7）沿着水平左右方向引出钢丝绳，所述钢丝绳各自绕过转向滑轮后，分别连接于固定设置在X轴直线运动机构两端的滑块连接件（23）；以此方式，在第三伺服电机（1）的驱动下，使得钢丝绳（3）可带动所述滑块连接件（23）及X轴直线运动机构沿着Z向导轨（21）实现竖直上下方向的直线运动；

所述手柄组件设置在所述X向滑块（27）上并随其一同运动，同时具备三个旋转轴正交的旋转自由度，以此方式，使用者通过握住手柄组件，可带动其手臂在XYZ三直线轴方向以及三个旋转轴方向上组合执行多种上肢动作，从而实现对使用者上肢运动功能的康复训练过程。

2.如权利要求1所述的龙门式上肢康复训练装置，其特征在于，所述第一驱动箱（7）和第二驱动箱（2）的结构和尺寸均相同，它们各自包括齿轮轴（31）、同轴设置的第一齿轮（33）和第一驱动滑轮（34），以及同轴设置的第二齿轮（32）和第二驱动滑轮（28），其中齿轮轴（31）通过轴承（36）与所述第一伺服电机（6）的输出轴相连，并带动与其相啮合的第一齿轮（33）及第一驱动滑轮（34）一同传动，所述第二齿轮（32）与第一轮齿（33）以1:1的传动比相互啮合，由此相应带动第二齿轮（32）及第二驱动滑轮（28）一同传动。

3.如权利要求2所述的龙门式上肢康复训练装置，其特征在于，对于第一驱动箱（7）而言，钢丝绳在第一驱动滑轮（34）和第二驱动滑轮（28）上的绕向相同，由此通过钢丝绳的一边收、一边放的操作来实现所述X向滑块（27）沿着水平左右方向的直线运动；对于第二驱动箱（2）而言，钢丝绳在第一驱动滑轮（34）和第二驱动滑轮（28）上的绕向相反，由此通过钢丝绳的同时收、同时放的操作来实现所述滑块连接件（27）沿着竖直上下方向的直线运动。

4.如权利要求2或3所述的龙门式上肢康复训练装置，其特征在于，所述齿轮轴（31）的齿数为20，模数为2毫米，并与第一齿轮（33）以1:3的传动比相互啮合；所述第一齿轮（33）和第二齿轮（32）的齿数为60，模数为2毫米。

5.如权利要求2-4任意一项所述的龙门式上肢康复训练装置，其特征在于，所述第一驱动滑轮（34）和所述第二驱动滑轮（28）的断面上均开有斜45度孔，该斜45度孔与第一、第二驱动滑轮各自的钢丝绳槽相通，用于将钢丝绳的一头固定其上。

6.如权利要求1-5任意一项所述的龙门式上肢康复训练装置，其特征在于，所述手柄组件包括滑块手柄连接件（37）、旋转支撑件（42）、手柄基座（39）和手柄（41），其中滑块手柄连接件（37）的上表面开有多个用于与所述X向滑块（27）相连接的通孔，左右端面上分别具有用于固定钢丝绳的环状突出结构；所述旋转支撑件（42）通过沿着Y轴方向延伸的销轴与滑块手柄连接件（37）可相对旋转地联接，手柄基座（39）通过沿着X轴方向延伸的销轴（40）与旋转支撑件（42）可相对旋转地联接；此外，手柄（41）安装在手柄基座（39）中，并通过沿着Z轴方向延伸的销轴与手柄基座可相对旋转地联接。

7.如权利要求6所述的龙门式上肢康复训练装置，其特征在于，所述龙门式机架（5）优选由工业铝型材搭建而成。