CN105997437B - 全身协调多功能四臂机器人及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全身协调多功能四臂机器人，包括履带式步行机、底座、升降丝杠机构、扶持手臂部分和配重机构。扶持手臂部分分为上身扶持机械手和下身扶持机械手。本发明可实现在步态训练过程中对人体髋部三个直线自由度和两个回转自由度的康复训练；可高度模拟髋部在步态训练中的生理运动，有效增强康复训练效果。

Description

全身协调多功能四臂机器人及其操作方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种全身协调多功能四臂机器人及其操作方法。
背景技术
随着我国正逐步步入老龄化社会，老年人的健康越来越引起人们的重视，而对老年人健康造成重大威胁的病症中脑卒中占据了很大比率，因此针对脑卒中偏瘫后遗症的康复治疗尤为关键。而以偏瘫康复后期患者而言，平衡障碍和偏瘫步态是最大的困扰，因此对于步态的训练以及矫正须加以重视。
对于传统的步态康复训练，都是以治疗师为主导，手扶患者肩部或者髋部进行，在无法进行定量性的时间与强度的训练条件下，康复程度也因治疗师的个人经验与患者个人因素而异，不仅是对患者身心的考验，也是对治疗师身心的考验。现有的步态训练康复设备过于注重步行训练，而忽略了髋部的生理结构，不能综合的针对髋部的运动学分析设计，从而限制了步态训练的效果。
发明内容
为了解决现有技术存在的传统步态康复训练工作量大、效率低下和普通康复设备训练不全面、训练模式单一等问题，本发明通过分析髋部生理结构，提供一种用于多种康复训练的四臂扶持机器人及其操作方法，为患者训练提供一个高效的训练平台。
其技术方案为：
一种全身协调多功能四臂机器人，包括履带式步行机1、底座2、升降丝杠机构、扶持手臂部分和配重机构。
升降丝杠机构包括丝杠导杆3、丝杠5、上身扶持升降平台12、上升降平台电机10、下身扶持升降平台7、下升降平台电机52和丝杠顶板13；扶持手臂部分分为上身扶持机械手和下身扶持机械手，上身扶持机械手包括：上肢手臂连接管15、上肢肩关节电机16、上肢肩部支撑板17、上肢内齿轮组18、上肢肩关节谐波减速器19、上肢回转关节电机20、上肢肩弹簧安装块21、上肢大臂支撑板22、上肢回转关节谐波减速器23、上肢肘关节电机24、上肢肘关节支撑板25、上肢锥齿轮组26、上肢肘关节谐波减速器27、上肢肘关节同步带8、上肢前臂支撑板28、上肢腕部万向节29和上肢肘弹簧安装块51；下身扶持机械手包括：下肢手臂连接管30、下肢肩关节电机31、下肢肩部支撑板32、下肢肩弹簧安装块33、下肢回转关节电机34、下肢肩关节谐波减速器35、下肢内齿轮组36、下肢回转关节谐波减速器37、下肢肘关节电机38、下肢肘关节支撑板39、下肢锥齿轮组40、下肢前臂支撑板41、下肢腕部万向节42、下肢肘弹簧安装块43、外骨骼谐波减速器44、下肢肘关节谐波减速器45、外骨骼电机46、外骨骼电机安装板47、外骨骼同步带48、下肢肘关节同步带49和外骨骼同步带盖板50；配重机构包括配重底板4、配重块6和导向杆9和钢丝绳11；
进一步，履带式步行机1固定在底座2上；升降机构通过丝杠导杆3和丝杠5也固定在底座2上；上身扶持机械手通过上肢手臂连接管15与上身扶持升降平台12固定，下身扶持机械手通过下肢手臂连接管30与下身扶持升降平台7固定，分别由上升降平台电机10和下升降平台电机52带动上身扶持升降平台12和下身扶持升降平台7，沿着丝杠导杆3上下运动实现机械手扶持患者蹲起康复训练；配重机构通过钢丝绳11、滑轮组14分别与上身扶持升降平台12、下身扶持升降平台7相连；
进一步，机械手固定在手臂连接管上，肩关节电机藏在手臂连接管内，内齿轮组、肩关节谐波减速器和大臂支撑板相连，肩弹簧安装块作为辅助支撑与大臂支撑板固定，肩部弹簧连接着肩弹簧安装块和肩部支撑板，由肩关节电机带动大臂实现绕肩关节的前屈后伸运动；
回转关节电机固定在大臂支撑板上，通过回转关节谐波减速器带动肘关节支撑板，实现肘关节绕大臂的内旋外旋运动；
肘关节电机固定在肘关节支撑板上，通过锥齿轮组与肘关节同步带带动大带轮轴，肘关节谐波减速器固定在轴上且与肘弹簧安装块、前臂支撑板相连，肘部弹簧连接着肘弹簧安装块与肘关节支撑板，实现前臂支撑板绕肘关节的伸展屈曲运动；
下肢腕部万向节42安装于下肢前臂支撑板41的前端并与外骨骼谐波减速器44固定，外骨骼谐波减速器44与外骨骼电机46通过外骨骼同步带48传动并安装在外骨骼电机安装板47上，外骨骼同步带盖板50作为保护性部件和引导性部件也安装在外骨骼电机安装板47上，通过外骨骼电机46带动外骨骼同步带盖板50实现步态引导运动；
进一步，配重机构通过钢丝绳11和滑轮组14分别与上身扶持升降平台12、下身扶持升降平台7相连，并通过配重块6提供拉力，作用于两个个平台，有效的达到了减重的效果；
进一步，该装置可实现在步态训练过程中，对人体肩部与髋部三个直线自由度和两个回转自由度的康复训练，高度模拟人体在步态训练中的生理运动，有效增强康复训练效果。
一种全身协调多功能四臂机器人的操作方法，包括以下步骤：
首先用绑带将被训者肩部固定于上肢腕部万向节29上，髋部固定于下肢腕部万向节42上；再把外骨骼同步带盖板50以与大腿竖直方向固定；
实施被训者步态训练时，配合履带式步行机1，电机工作在力矩模式下：肩关节电机通过内齿轮组和肩关节谐波减速器带动大臂实现绕肩关节的前屈后伸运动；回转关节电机通过回转关节谐波减速器带动肘关节支撑板，实现肘关节绕大臂的内旋外旋运动；肘关节电机通过锥齿轮组与肘关节同步带带动前臂支撑板，实现前臂绕肘关节的伸展屈曲运动；外骨骼电机46通过外骨骼同步带48、外骨骼谐波减速器44带动外骨骼电机安装板47，实现以外骨骼同步带盖板50为引导的步态引导运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
其一，直线自由度与回转自由度组合运动，高度契合人体在步态训练中的生理运动；其二，装置自由度灵活，可以高度模拟治疗师在步态训练过程中的操作；其三，在肩关节与肘关节处都分别设计有弹簧安装块，利用拉伸弹簧的拉力抵消掉部分结构自身重量，设计安全性高；其四，整体式减重装置，降低患者与电机的负载；其五，下身扶持机械手外骨骼具有迈步引导作用；其六，机械手同时作用于上下身，有利于训练时保持身体平衡。
附图说明
图1为本发明一种全身协调多功能四臂机器人的结构示意图；其中，1、履带式步行机；2、底座；3、丝杠导杆；4、配重底板；5、丝杠；6、配重块；7、下身扶持升降平台；8、上肢肘关节同步带；9、导向杆；10、上升降平台电机；11、钢丝绳；12、上身扶持升降平台；13、丝杠顶板；14、滑轮组；15、上肢手臂连接管；16、上肢肩关节电机；17、上肢肩部支撑板；18、上肢内齿轮组；19、上肢肩关节谐波减速器；20、上肢回转关节电机；21、上肢肩弹簧安装块；22、上肢大臂支撑板；23、上肢回转关节谐波减速器；24、上肢肘关节电机；25、上肢肘关节支撑板；26、上肢锥齿轮组；27、上肢肘关节谐波减速器；28、上肢前臂支撑板；29、上肢腕部万向节；30、下肢手臂连接管；31、下肢肩关节电机；32、下肢肩部支撑板；33、下肢肩弹簧安装块；34、下肢回转关节电机；35、下肢肩关节谐波减速器；36、下肢内齿轮组；37、下肢回转关节谐波减速器；38、下肢肘关节电机；39、下肢肘关节支撑板；40、下肢锥齿轮组；41、下肢前臂支撑板；42、下肢腕部万向节；43、下肢肘弹簧安装块；44、外骨骼谐波减速器；45、下肢肘关节谐波减速器；46、外骨骼电机；47、外骨骼电机安装板；48、外骨骼同步带；49、下肢肘关节同步带；50、外骨骼同步带盖板；51、上肢肘弹簧安装块；52、下升降平台电机。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
参照图1，本发明实施例的一种全身协调多功能四臂机器人，包括履带式步行机1、底座2、升降丝杠机构、扶持手臂部分和配重机构。
升降丝杠机构包括丝杆导杆3、丝杠5、上身扶持升降平台12、上升降平台电机10、下身扶持升降平台7、下升降平台电机52和丝杠顶板13；扶持手臂部分分为上身扶持机械手和下身扶持机械手，上身扶持机械手包括：上肢手臂连接管15、上肢肩关节电机16、上肢肩部支撑板17、上肢内齿轮组18、上肢肩关节谐波减速器19、上肢回转关节电机20、上肢肩弹簧安装块21、上肢大臂支撑板22、上肢回转关节谐波减速器23、上肢肘关节电机24、上肢肘关节支撑板25、上肢锥齿轮组26、上肢肘关节谐波减速器27、上肢肘关节同步带8、上肢前臂支撑板28、上肢腕部万向节29和上肢肘弹簧安装块51；下身扶持机械手包括：下肢手臂连接管30、下肢肩关节电机31、下肢肩部支撑板32、下肢肩弹簧安装块33、下肢回转关节电机34、下肢肩关节谐波减速器35、下肢内齿轮组36、下肢回转关节谐波减速器37、下肢肘关节电机38、下肢肘关节支撑板39、下肢锥齿轮组40、下肢前臂支撑板41、下肢腕部万向节42、下肢肘弹簧安装块43、外骨骼谐波减速器44、下肢肘关节谐波减速器45、外骨骼电机46、外骨骼电机安装板47、外骨骼同步带48、下肢肘关节同步带49和外骨骼同步带盖板50；配重机构包括配重底板4、配重块6和导向杆9和钢丝绳11；
作为进一步改进，履带式步行机1固定在底座2上；升降机构通过丝杠导杆3和丝杠5也固定在底座2上；上身扶持机械手通过上肢手臂连接管15与上身扶持升降平台12固定，下身扶持机械手通过下肢手臂连接管30与下身扶持升降平台7固定，分别由上升降平台电机10和下升降平台电机52带动上身扶持升降平台12和下身扶持升降平台7，沿着丝杠导杆3上下运动实现机械手扶持患者蹲起康复训练；配重机构通过钢丝绳11、滑轮组14分别与上身扶持升降平台12、下身扶持升降平台7相连；
作为进一步改进，机械手固定在手臂连接管上，肩关节电机藏在手臂连接管内，内齿轮组、肩关节谐波减速器和大臂支撑板相连，肩弹簧安装块作为辅助支撑与大臂支撑板固定，肩部弹簧连接着肩弹簧安装块和肩部支撑板，由肩关节电机带动大臂实现绕肩关节的前屈后伸运动；
回转关节电机固定在大臂支撑板上，通过回转关节谐波减速器带动肘关节支撑板，实现肘关节绕大臂的内旋外旋运动；
肘关节电机固定在肘关节支撑板上，通过锥齿轮组与肘关节同步带带动大带轮轴，肘关节谐波减速器固定在轴上且与肘弹簧安装块、前臂支撑板相连，肘部弹簧连接着肘弹簧安装块与肘关节支撑板，实现前臂支撑板绕肘关节的伸展屈曲运动；
下肢腕部万向节42安装于下肢前臂支撑板41的前端并与外骨骼谐波减速器44固定，外骨骼谐波减速器44与外骨骼电机46通过外骨骼同步带48传动并安装在外骨骼电机安装板47上，外骨骼同步带盖板50作为保护性部件和引导性部件也安装在外骨骼电机安装板47上，通过外骨骼电机46带动外骨骼同步带盖板50实现步态引导运动；
作为进一步改进，配重机构通过钢丝绳11和滑轮组14分别与上身扶持升降平台12、下身扶持升降平台7相连，并通过配重块6提供拉力，作用于两个个平台，有效的达到了减重的效果；
作为进一步改进，该装置可实现在步态训练过程中，对人体肩部与髋部三个直线自由度和两个回转自由度的康复训练，高度模拟人体在步态训练中的生理运动，有效增强康复训练效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
其一，直线自由度与回转自由度组合运动，高度契合人体在步态训练中的生理运动；其二，装置自由度灵活，可以高度模拟治疗师在步态训练过程中的操作；其三，在肩关节与肘关节处都分别设计有弹簧安装块，利用拉伸弹簧的拉力抵消掉部分结构自身重量，设计安全性高；其四，整体式减重装置，降低患者与电机的负载；其五，下身扶持机械手外骨骼具有迈步引导作用；其六，机械手同时作用于上下身，有利于训练时保持身体平衡。
使用本发明时，首先用绑带将被训者肩部固定于上肢腕部万向节29上，髋部固定于下肢腕部万向节42上；再把外骨骼同步带盖板50以与大腿竖直方向固定；
实施被训者步态训练时，配合履带式步行机1，电机工作在力矩模式下：肩关节电机通过内齿轮组和肩关节谐波减速器带动大臂实现绕肩关节的前屈后伸运动；回转关节电机通过回转关节谐波减速器带动肘关节支撑板，实现肘关节绕大臂的内旋外旋运动；肘关节电机通过锥齿轮组与肘关节同步带带动前臂支撑板，实现前臂绕肘关节的伸展屈曲运动；外骨骼电机46通过外骨骼同步带48、外骨骼谐波减速器44带动外骨骼电机安装板47，实现以外骨骼同步带盖板50为引导的步态引导运动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种全身协调多功能四臂机器人，包括履带式步行机(1)、底座(2)、升降丝杠机构、扶持手臂部分和配重机构；
升降丝杠机构包括丝杠导杆(3)、丝杠(5)、上身扶持升降平台(12)、上升降平台电机(10)、下身扶持升降平台(7)、下升降平台电机(52)和丝杠顶板(13)；扶持手臂部分分为上身扶持机械手和下身扶持机械手，上身扶持机械手包括：上肢手臂连接管(15)、上肢肩关节电机(16)、上肢肩部支撑板(17)、上肢内齿轮组(18)、上肢肩关节谐波减速器(19)、上肢回转关节电机(20)、上肢肩弹簧安装块(21)、上肢大臂支撑板(22)、上肢回转关节谐波减速器(23)、上肢肘关节电机(24)、上肢肘关节支撑板(25)、上肢锥齿轮组(26)、上肢肘关节谐波减速器(27)、上肢肘关节同步带(8)、上肢前臂支撑板(28)、上肢腕部万向节(29)和上肢肘弹簧安装块(51)；下身扶持机械手包括：下肢腿部连接管(30)、下肢髋关节电机(31)、下肢髋部支撑板(32)、下肢髋弹簧安装块(33)、下肢回转关节电机(34)、下肢髋关节谐波减速器(35)、下肢内齿轮组(36)、下肢回转关节谐波减速器(37)、下肢膝关节电机(38)、下肢膝关节支撑板(39)、下肢锥齿轮组(40)、下肢小腿支撑板(41)、下肢踝部万向节(42)、下肢膝弹簧安装块(43)、外骨骼谐波减速器(44)、下肢膝关节谐波减速器(45)、外骨骼电机(46)、外骨骼电机安装板(47)、外骨骼同步带(48)、下肢膝关节同步带(49)和外骨骼同步带盖板(50)；配重机构包括配重底板(4)、配重块(6)、导向杆(9)和钢丝绳(11)；
履带式步行机(1)固定在底座(2)上；升降丝杠机构通过丝杠导杆(3)和丝杠(5)也固定在底座(2)上；上身扶持机械手通过上肢手臂连接管(15)与上身扶持升降平台(12)固定，下身扶持机械手通过下肢腿部连接管(30)与下身扶持升降平台(7)固定，分别由上升降平台电机(10)和下升降平台电机(52)带动上身扶持升降平台(12)和下身扶持升降平台(7)，沿着丝杠导杆(3)上下运动实现上身扶持机械手和下身扶持机械手扶持患者蹲起康复训练；配重机构通过钢丝绳(11)、滑轮组(14)分别与上身扶持升降平台(12)、下身扶持升降平台(7)相连；
上肢肩部支撑板(17)和上肢手臂连接管(15)是固定连接，上肢肩关节电机(16)安装在上肢肩部支撑板(17)上，上肢肩关节电机(16)的伸出端依次连接上肢内齿轮组(18)和上肢肩关节谐波减速器(19)，上肢肩关节谐波减速器(19)与上肢大臂支撑板(22)相连，上肢肩弹簧安装块(21)作为辅助支撑与上肢大臂支撑板(22)固定，上肢肩部弹簧连接着上肢肩弹簧安装块(21)和上肢肩部支撑板(17)，由上肢肩关节电机(16)带动大臂实现大臂绕肩关节的前屈后伸运动；
上肢回转关节电机(20)固定在上肢大臂支撑板(22)上，通过上肢回转关节谐波减速器(23)带动上肢肘关节支撑板(25)，实现肘关节的内旋外旋运动；
上肢肘关节电机(24)固定在上肢肘关节支撑板(25)上，通过上肢锥齿轮组(26)与上肢肘关节同步带(8)带动第一大带轮轴，上肢肘关节谐波减速器(19)固定在第一大带轮轴上且与上肢肘弹簧安装块(51)、上肢前臂支撑板(28)相连，上肢肘部弹簧连接着上肢肘弹簧安装块(51)与上肢肘关节支撑板(25)，实现上肢前臂支撑板(25)绕肘关节的伸展屈曲运动；
下肢髋部支撑板(32)和下肢腿部连接管(30)固定连接，下肢髋关节电机(31)安装在下肢髋部支撑板(32)下，下肢髋关节电机(31)的伸出端依次连接下肢内齿轮组(36)和下肢髋关节谐波减速器(35)，下肢髋关节谐波减速器(35)与下肢大腿支撑板相连，下肢髋弹簧安装块(33)作为辅助支撑与下肢大腿支撑板固定，下肢髋部弹簧连接着下肢髋弹簧安装块(33)和下肢髋部支撑板(32)，由下肢髋关节电机(31)带动大腿实现大腿绕髋关节的前屈后伸运动；
下肢回转关节电机(38)固定在下肢大腿支撑板上，通过下肢回转关节谐波减速器(37)带动下肢膝关节支撑板(39)，实现膝关节的内旋外旋运动；
下肢膝关节电机(38)固定在下肢膝关节支撑板(39)上，通过下肢锥齿轮组(40)与下肢膝关节同步带(49)带动第二大带轮轴，下肢膝关节谐波减速器(45)固定在第二大带轮轴上且与下肢膝弹簧安装块(43)、下肢小腿支撑板(41)相连，下肢膝部弹簧连接着下肢膝弹簧安装块(43)与下肢膝关节支撑板(39)，实现下肢小腿支撑板(41)绕膝关节的伸展屈曲运动；
下肢踝部万向节(42)安装于下肢小腿支撑板(41)的前端并与外骨骼谐波减速器(44)固定，外骨骼谐波减速器(44)与外骨骼电机(46)通过外骨骼同步带(48)传动并安装在外骨骼电机安装板(47)上，外骨骼同步带盖板(50)作为保护性部件和引导性部件也安装在外骨骼电机安装板(47)上，通过外骨骼电机(46)带动外骨骼同步带盖板(50)实现步态引导运动。
2.根据权利要求1所述的全身协调多功能四臂机器人，其特征在于：所述配重机构通过钢丝绳(11)和滑轮组(14)分别与上身扶持升降平台(12)、下身扶持升降平台(7)相连，并通过配重块(6)提供拉力。
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