CN105919777B - 一种可嫁接上肢康复训练机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可嫁接上肢康复训练机器人，其包括：依次串联的手腕运动机构、前臂运动机构、上臂运动机构、转动机构以及支柱；前臂运动机构的前端与腕部下端板固联，前臂运动机构的后端与上臂运动机构的前端铰接构成转动副；上臂运动机构的后端与转动机构的一端固联，转动机构的另一端与机构悬臂固联；在支柱的上端设有由前端板、后端板以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，构悬臂与前端板固联。本发明结构简单紧凑、应用范围广泛、可嫁接到其他康复和健身器械上、能应用于上肢的康复和健身训练、可实现三维空间运动的康复训练。
Description
技术领域：
本发明涉及一种可嫁接上肢康复训练机器人，属于康复医疗和运动健身器械领域。
背景技术：
社会老龄化程度日益加深、脑卒中、脊髓损伤等原因导致肢体运动功能降低，甚至全部丧失，严重影响了生活质量。康复治疗是恢复运动功能的有效途径，传统物理治疗师与病人一对一的康复治疗方式存在劳动强度大、治疗费用高等不足，因此，康复训练设备成为解决这一矛盾的有效途径。自上世纪中叶以来，科研人员在康复训练设备上取得了诸多成果，如单自由度式、外骨骼、悬吊式等康复训练设备的成功研制与商业化。但它们存在一些不足：操作复杂、运动形式单一等，研制一款能够实现人体上肢三维运动康复训练装置具有一定现实意义。
发明内容：
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、应用范围广泛、可嫁接到其他康复和健身器械上、能应用于上肢的康复和健身训练、可实现三维空间运动的康复训练机器人。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种可嫁接上肢康复训练机器人，其包括：
依次串联的手腕运动机构、前臂运动机构、上臂运动机构、转动机构以及支柱；
所述手腕运动机构的结构为：由腕部下端板、腕部上端板以及连接在腕部下端板与腕部上端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构；
所述前臂运动机构的前端与所述腕部下端板固联，前臂运动机构的后端与上臂运动机构的前端铰接构成转动副；
所述上臂运动机构的后端与所述转动机构的一端固联，所述转动机构的另一端与机构悬臂固联；
在所述支柱的上端设有由前端板、后端板以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，所述机构悬臂与所述前端板固联。
所述手腕运动机构的三自由度并联机构中，各直线推杆的下端通过平铰链与腕部下端板上的凸台铰接，各直线推杆的上端通过球铰链与腕部上端板铰接。
在前臂运动机构与上臂运动机构之间设置有前臂转动推杆推动前臂运动机构转动。
所述前臂运动机构具有前臂外支撑杆和前臂内支撑杆，两者通过滑槽连接构成滑动副，前臂内支撑杆的前端与腕部下端板固联，前臂外支撑杆的后端与上臂运动机构的前端铰接；
前臂外支撑杆的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与前臂转动推杆下端铰接，前臂转动推杆上端与上臂运动机构的前端底面铰接，构成四杆机构；前臂第一托盘、前臂第二托盘通过夹紧装置分别固定在前臂内支撑杆和前臂外支撑杆上，前臂绑带固定在前臂第一托盘的槽上。
所述上臂运动机构具有上臂前支撑杆和上臂后支撑杆，两者通过滑槽连接构成滑动副，上臂前支撑杆的前端与前臂外支撑杆、前臂转动推杆的上端铰接；上臂后支撑杆与转动机构的一端固联；
上臂前托盘上臂后托盘通过夹紧装置分别固定在上臂前支撑杆、上臂后支撑杆上，上臂绑带固定在上臂前托盘的槽上。
所述转动机构的一端与上臂后支撑杆固联，另一端与机构悬臂固联；转动机构的两端之间能发生相对转动。
与机构悬臂连接的转动机构一端内设有电机及减速机，与上臂后支撑杆连接的转动机构的一端与所述减速机的输出轴固联。
所述支柱与机架相连，形成转动副；齿轮固定在倒L形的支柱上，箭头型销子一端卡在齿轮槽内，一端与钢丝相连，钢丝绕过轴与脚踏相连，弹簧套在箭头型销子上。
所述机架外部设置有外罩，外罩是一个箱体结构，内部有四个圆形槽，分别用于固定倒L形的支柱上的两个大轴承和轴两端的小轴承，箭头型销子后部的挡板与箱体通过螺栓固连。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明可以实现上肢三维空间运动，实现上肢主被动康复训练和同步异步训练。
本发明结构简单、便于嫁接到其它康复和健身训练器械、座椅、按摩椅和轮椅上。
本发明应用范围广，可用于上肢在三维空间实现康复训练和锻炼。
本发明康复训练模式多样，使用过程中把两对装置对称布置于左/右手旁，可以实现同步/异步训练。
本发明结构紧凑灵活，可以自由收放，不使用时可以折叠，占用空间小。
本发明具有可拆卸性，手腕、前臂和上臂三部分可实现串联组合也可以拆开进行分别对腕、肘、肩关节的康复训练。
本发明可使下肢在三维空间中实现不同轨迹、不同幅度的运动训练，使其既能适应同一位训练者在不同的康复期和训练状态的锻炼的情况，又能满足不同身高的训练者进行康复和健身锻炼的需求。
主动训练时，通过调节电机自身的控制电流可阻力环节，能够实现主动训练，不仅可以作为康复锻炼器使用来康复肢体，而且能够作为健身器械使用来增强体质。
附图说明：
图1为本发明的内部整体结构示意图；图2为本发明的外部整体结构示意图。
图中标号：1支柱，2前臂转动推杆，3悬臂，4机架，5齿轮，6箭头型销子，7挡板，8钢丝，9脚踏，10手腕运动机构，101腕部下端板，102腕部上端板，20前臂运动机构，201前臂内支撑杆，202前臂外支撑杆，203夹紧装置，204A前臂第一托盘，204B前臂第二托盘，205前臂绑带，30上臂运动机构，301上臂前支撑杆，302上臂后支撑杆，303A上臂后托盘，303B上臂前托盘，304上臂绑带，305转动机构，11前端板，12后端板，13外罩，14弹簧。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式：
实施例：参见图1、2，本实施例的可嫁接三维运动上肢康复训练机构，其包括：
依次串联的手腕运动机构10、前臂运动机构20、上臂运动机构30、转动机构305以及支柱1。
具体结构中，手腕运动机构10的结构为：由腕部下端板101、腕部上端板102以及连接在腕部下端板与腕部上端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构；
在手腕运动机构的三自由度并联机构中，各直线推杆的下端通过平铰链与腕部下端板101上的凸台铰接，各直线推杆的上端通过球铰链与腕部上端板102铰接，并且三根直线推杆在圆周方向上呈等分分布；腕部上端板102的顶面为半球面(或者呈蘑菇冠部形状)，三根直线推杆同时伸缩，则带动腕部上端板102做升降运动，即带动腕部做上下运动，一根或两根直线推杆伸缩，则带动腕部做摆动动作。
进一步的，前臂运动机构20的前端与腕部下端板101固联，前臂运动机构20的后端与上臂运动机构30的前端铰接构成转动副，在前臂运动机构与上臂运动机构之间设置有前臂转动推杆2推动前臂运动机构转动；
具体结构中，前臂运动机构20具有前臂外支撑杆202和前臂内支撑杆201，两者通过滑槽连接构成滑动副，前臂内支撑杆201的前端与腕部下端板101固联，前臂外支撑杆202的后端与上臂运动机构30的前端铰接；
上臂运动机构具有上臂前支撑杆301和上臂后支撑杆302，两者通过滑槽连接构成滑动副，上臂前支撑杆301的前端与前臂外支撑杆202、前臂转动推杆的上端铰接；上臂后支撑杆302与转动机构的一端固联。
具体结构中，前臂外支撑杆202的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与前臂转动推杆下端铰接，前臂转动推杆上端与上臂运动机构的前端底面铰接，构成四杆机构；前臂第一托盘204A、前臂第二托盘204B通过夹紧装置203分别固定在前臂内支撑杆201和前臂外支撑杆202上，前臂绑带205固定在前臂第一托盘204A的槽上。
上臂前托盘303B、上臂后托盘303A通过夹紧装置分别固定在上臂前支撑杆301、上臂后支撑杆302上，上臂绑带304固定在上臂前托盘303B的槽上。
图1中所示，转动机构的一端与上臂后支撑杆302固联，另一端与机构悬臂3固联；转动机构的两端之间能发生相对转动。具体设置中，在与机构悬臂3连接的转动机构一端内设有电机及减速机，与上臂后支撑杆302连接的转动机构的一端与减速机的输出轴固联，由输出轴支撑上臂运动机构、前臂运动机构和腕部运动机构，并由输出轴带动这几个机构转动，当然，转动机构的两端之间也可通过平面轴承连接，从外部驱动。
图1、2所示，在支柱的上端设有由前端板11、后端板(12)以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，机构悬臂3与前端板11固联。
为实现整个机构的转动让位，将支柱1设计为可在机架4上转动和锁定，具体结构中，支柱通过滚动轴承与机架4相连，形成转动副；齿轮5固定在倒L形的支柱1上，箭头型销子6一端卡在齿轮5槽内，一端与钢丝8相连，钢丝绕过轴7与脚踏9相连，弹簧14套在箭头型销子(6)上。踩下脚踏时，钢丝拉动箭头型销子6脱离齿轮5的槽，此时可转动支柱1，到位后，松开脚踏，在弹簧14的复位力的作用下，箭头型销子6***齿轮5的槽内，从而将支柱1锁定在机架4上。
机架4外部设置有外罩13，外罩13是一个箱体结构，内部有四个圆形槽，分别用于固定倒L形的支柱1上的两个大轴承和轴7两端的小轴承，箭头型销子6后部的挡板7与箱体通过螺栓固连。
本发明康复训练装置可应用于上肢运动功能下降或丧失人群的康复训练，帮助使用者实现三维空间下运动轨迹的康复训练。对于上肢体功能健全的普通人群来说，也可以进行健康训练，帮助其增强身体运动能力，本发明康复训练装置能够使患者上肢完成更加复杂的空间运动，应用范围广，具有非常大的产业化应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于包括：
依次串联的手腕运动机构(10)、前臂运动机构(20)、上臂运动机构(30)、转动机构(305)以及支柱(1)；
所述手腕运动机构(10)的结构为：由腕部下端板(101)、腕部上端板(102)以及连接在腕部下端板与腕部上端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构；
所述前臂运动机构(20)的前端与所述腕部下端板(101)固联，前臂运动机构(20)的后端与上臂运动机构(30)的前端铰接构成转动副；
所述上臂运动机构的后端与所述转动机构的一端固联，所述转动机构的另一端与机构悬臂(3)固联；
在所述支柱的上端设有由前端板(11)、后端板(12)以及连接在前端板与后端板之间的三根直线推杆构成的三自由度并联机构，所述机构悬臂(3)与所述前端板(11)固联。
2.根据权利要求1所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，所述手腕运动机构的三自由度并联机构中，各直线推杆的下端通过平铰链与腕部下端板(101)上的凸台铰接，各直线推杆的上端通过球铰链与腕部上端板(102)铰接。
3.根据权利要求1所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，在前臂运动机构与上臂运动机构之间设置有前臂转动推杆(2)推动前臂运动机构转动。
4.根据权利要求1所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，所述前臂运动机构(20)具有前臂外支撑杆(202)和前臂内支撑杆(201)，两者通过滑槽连接构成滑动副，前臂内支撑杆(201)的前端与腕部下端板(101)固联，前臂外支撑杆(202)的后端与上臂运动机构(30)的前端铰接；
前臂外支撑杆(202)的底面中部固设有延伸杆，该延伸杆的末端与前臂转动推杆下端铰接，前臂转动推杆上端与上臂运动机构的前端底面铰接，构成四杆机构；前臂第一托盘(204A)、前臂第二托盘(204B)通过夹紧装置(203)分别固定在前臂内支撑杆(201)和前臂外支撑杆(202)上，前臂绑带(205)固定在前臂第一托盘(204A)的槽上。
5.根据权利要求4所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，所述上臂运动机构具有上臂前支撑杆(301)和上臂后支撑杆(302)，两者通过滑槽连接构成滑动副，上臂前支撑杆(301)的前端与前臂外支撑杆(202)、前臂转动推杆的上端铰接；上臂后支撑杆(302)与转动机构的一端固联；
上臂前托盘(303B)、上臂后托盘(303A)通过夹紧装置分别固定在上臂前支撑杆(301)、上臂后支撑杆(302)上，上臂绑带(304)固定在上臂前托盘(303B)的槽上。
6.根据权利要求5所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，所述转动机构的一端与上臂后支撑杆(302)固联，另一端与机构悬臂(3)固联；转动机构的两端之间能发生相对转动。
7.根据权利要求6所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，与机构悬臂连接的转动机构一端内设有电机及减速机，与上臂后支撑杆(302)连接的转动机构的一端与所述减速机的输出轴固联。
8.根据权利要求1所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，所述支柱与机架(4)相连，形成转动副；齿轮(5)固定在倒L形的支柱(1)上，箭头型销子(6)一端卡在齿轮(5)槽内，一端与钢丝(8)相连，钢丝绕过轴与脚踏(9)相连，弹簧(14)套在箭头型销子(6)上。
9.根据权利要求8所述的一种可嫁接上肢康复训练机器人，其特征在于，所述机架(4)外部设置有外罩(13)，外罩(13)是一个箱体结构，内部有四个圆形槽，分别用于固定倒L形的支柱(1)上的两个大轴承和轴两端的小轴承，箭头型销子(6)后部的挡板(7)与箱体通过螺栓固连。
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