CN107007429A - 一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人 - Google Patents

一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，具体涉及医疗康复机械技术领域，用于脑中风造成的肢体偏瘫进行康复训练治疗。该装置包括主体部件和安装支座两个大部件；主体部件的静平台一端剖开了一部分，使得康复训练患者可以从侧面伸入手臂，通过静平台的中心轴线后到达大齿轮，然后握住手柄进行动作；主体部件和安装支座之间通过螺栓连接，并且在实际应用的时候可以根据偏瘫患者的需要调节主体部件的安装高度，安装底座配有脚轮，可以随意移动进行康复训练的地点。

Description

一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人
技术领域
本发明主要涉及医疗康复机械技术领域，尤其涉及到一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，针对脑中风造成的偏瘫患者前肢进行康复治疗训练。
技术背景
脑卒中所引起的偏瘫属于中枢性运动功能障碍，也是大脑运动中枢受损的典型症状，患者本身的骨骼、肌肉功能并没有丧失或者衰退，只是由于运动中枢神经受损，不能对肢体运动进行有效的控制。脑卒中发病以后，康复治疗的最佳时期是在前三个月之内，因此要在发病之后要立即转入康复治疗阶段，通过一系列的康复训练逐步重新恢复受损运动中枢神经与肢体之间的联系，达到对脑部受损部位刺激目的使其能够有效地控制肢体运动行为。目前传统的康复治疗方法均是人为的与患者进行单独的、长时间肢体接触来帮助患者进行肢体重复性运动，并附加一些外界刺激和药物治疗达到修复脑部神经的目的，康复效果很大程度上取决于医师的业务水平，这种一对一的康复训练存在效率低、劳动强度大、成本高、不适合在家庭操作。
目前前肢康复机器人的结构形式主要是以串联结构为主，工作空间比较大、支链长、质量大、需要较大的驱动力来进行动作的驱动执行，并且运动的时候机器结构不平稳，很难达到预期的康复效果，甚至有可能会对患者的病情产生一些不良的后果，影响偏瘫患者后期的复健效果。
本发明的并联康复机器人结构简单紧凑、刚度大、精度高、控制简单、使用方便、适合家庭康复训练治疗，并且更加适用于偏瘫患者在不同时期的康复训练治疗过程中使用。
发明内容
本发明针对现有康复机器人技术存在的一些问题，提供了一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，能够针对现有的技术问题，弥补不足，结合康复训练治疗师的治疗方案以及偏瘫患者的实际情况，实现偏瘫患者前肢康复训练目标，更好地达到预期的康复治疗效果，满足治疗双方的运动预期效果，并且适宜结合康复治疗医师的治疗方案在家进行康复训练，简单易于操作。
本发明的一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，能够通过动力输入实现偏瘫患者前肢部位的康复训练动作，即腕关节的屈/伸、内收/外展，小臂的内旋/外旋；与串联康复机器人相比较而言，本发明的并联前肢康复机器人结构紧凑、控制精度高、动作平缓，更加适合偏瘫患者前肢的康复训练。
本发明技术实现是通过以下方案实现的：一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，该并联康复机器人包括主体部件和安装支座两大部分；所述主体部件安装在安装支座上，并可以通过调整螺栓的位置在安装支座上下移动；所述主体部件包括静平台、转动副安装座、电动推杆、连杆、球副、大齿轮、大齿轮端盖、手柄、手柄安装座、小齿轮、键、小齿轮电机安装座、电机和转动副固定轴；所述大齿轮与大齿轮端盖连接；所述手柄安装在手柄安装支架上且手柄安装支架安装在大齿轮上表面上；所述电动推杆和连杆的末端分别通过转动副安装座以转动副安装的形式和转动副固定轴安装在静平台上；三个转动副安装座呈120度均匀分布，通过螺栓与静平台相连接，并且的中心轴线交汇于同一点；电动推杆和连杆的首端均通过球副安装在大齿轮端盖的下表面上，球副呈120°均匀分布；电机的轴线与小齿轮的轴线重合，电机垂直安装在小齿轮上；电机带动小齿轮转动，通过啮合从而带动大齿轮一起缓慢转动；安装初始状态时，静平台所在的平面和大齿轮所在的平面平行，并且静平台中心孔的轴线和大齿轮中心轴线重合；启动与小齿轮相连接的电机，小齿轮随着电机的转动带动大齿轮通过啮合作用一起转动，实现手柄沿着X轴方向转动；启动电动推杆Ⅰ，可以带动大齿轮上的手柄沿着Y轴转动；启动电动推杆Ⅱ，可以带动与大齿轮上的手柄沿着Z轴转动。
进一步的，所述安装支座包括第一支架、第二支架、第三支架、第四支架、安装底板和脚轮；所述安装底板的下端面安装有脚轮，上端面上垂直安装有第二支架、第三支架；所述第二支架、第三支架内侧设置有滑道，第一支架、第四支架可以在滑道里上下滑动，且第一支架与第四支架相互平行与安装底板设置。
进一步的，所述第一支架、第二支架、第三支架、第四支架均是采用铝型材。进一步的，所述电动推杆和连杆呈1200均匀分布安装在静平台的上端面上。所述静平台的一侧设计成局部剖开，使得康复训练时，手臂可以从该局部剖开处平移进入静平台，然后穿过三条支链到达大齿轮的手柄处。
本发明的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人包括主体部件和安装支座组成，主体部件的静平台通过螺栓固定在安装支座的支架上，组装完成后，在主体部件的一侧放置一座椅，偏瘫患者坐在座椅上，根据训练时所需的高度位置，不断调节第三支架和第四支架的位置，直至满足偏瘫患者的训练需求；由于安装支座配备了四个脚轮，可以选择偏瘫患者感觉舒适放松的训练场所进行康复训练，更加人性化。
本发明的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，可以根据偏瘫患者的不同偏瘫程度调节动力输入，使得偏瘫患者根据不同速度的动力输入获得不同速度的训练动作，实现偏瘫患者前肢部位的康复训练动作，即腕关节的屈/伸、内收/外展，小臂的内旋/外旋。
所述的静平台与主体部件一起装配，等安装支座安装完成后，主体部件和安装支座通过螺栓连接装配；再进行整体的装配调试。
所述的动力有与小齿轮装配在一起的电机，两根电动推杆。
有益效果：
1.本发明的一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，能够通过动力输入实现偏瘫患者前肢部位的康复训练动作，即腕关节的屈/伸、内收/外展，小臂的内旋/外旋；与串联康复机器人相比较而言，本发明的并联前肢康复机器人结构紧凑、控制简单、动作平缓，更加适合偏瘫患者前肢的康复训练；适宜结合康复治疗医师的治疗方案在家进行康复训练，简单易于操作。
2.本发明的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，在操作使用的时候，可以在装置的一侧放置一座椅，偏瘫患者所在座椅上，由于不同患者的身高差异，可以调节支架安装的位置，直至调节到与偏瘫患者的高度适宜的位置再进行康复训练。
3.本发明的基于并联机构度的三自由度前肢康复机器人装置，安装座配备了脚轮，可以四处推动，根据使用者的喜好和心情选择进行康复训练的场所，方便简单，不需要大量的人力来推动就可以实现移位的目的。
附图说明
图1所示为本发明的总装结构示意图；
图2所示为本发明图1中的主体部件的结构示意图；
图3所示为本发明图2另一侧的结构示意图；
图4所示为本发明图1中的安装支座的结构示意图。
附图标记如下：
1-大齿轮端盖；2-大齿轮套筒；3-大齿轮；4-球副Ⅰ；5-手柄；6-手柄安装支架；7-球副Ⅱ；8-小齿轮电机安装座；9-小齿轮；10-输入电机；11-键；12-静平台；13-转动副安装座Ⅰ；14-转动副固定轴Ⅰ；15-转动副固定轴Ⅱ；16-转动副安装座Ⅱ；17-转动副安装座Ⅲ；18-转动副固定轴Ⅲ；19-电动推杆Ⅰ；20-电动推杆Ⅱ；21-连杆；22-球副Ⅲ；23-第一支架；24-第二支架；25-第三支架；26-第四支架；27-脚轮Ⅰ；28脚轮Ⅱ；29-脚轮Ⅲ；30-安装底板；31-脚轮Ⅳ。
具体实施方式
本发明是通过以下方案实现的：一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，其包括主体部件和安装支座两大部分；主体部件是前肢康复机器人的执行康复训练的关键部件，主要包括静平台12、电动推杆Ⅰ19、电动推杆Ⅱ20、连杆21、大齿轮3、小齿轮9、输入电机10、手柄5、手柄安装支架6、大齿轮端盖1、转动副安装座Ⅰ13、转动副安装座Ⅱ16、转动副安装座Ⅲ17、球副Ⅰ4、球副Ⅱ7、球副Ⅲ22、转动副固定轴Ⅰ14、转动副固定轴Ⅱ15、转动副固定轴Ⅲ18、安装底板30、第一支架23、第二支架24、第三支架25和第四支架26。初始安装时，大齿轮3所在平面和静平台12所在平面处于平行位置关系；并且静平台12中心孔的轴线和大齿轮3中心轴线重合；电动推杆Ⅰ19、电动推杆Ⅱ20和连杆21的末端分别通过转动副安装座Ⅰ13、转动副安装座Ⅱ16、转动副安装座Ⅲ17以转动副安装的形式和转动副固定轴Ⅰ14、转动副固定轴Ⅱ15、转动副固定轴Ⅲ18安装在静平台12上，并且呈120°均匀分布安装在静平台12的同一个平面上，转动副安装座Ⅰ13、转动副安装座Ⅱ16、转动副安装座Ⅲ17呈120°均匀分布的，通过螺栓与静平台相连接，并且与转动副固定轴装配后，三个转动副安装轴的轴线中心相互交于一点；电动推杆Ⅰ19、电动推杆Ⅱ20和连杆21的首端均是通过球副Ⅰ4、球副Ⅱ7、球副Ⅲ22安装在大齿轮端盖1上，三个球副呈120°均匀分布；三条支链的中心轴线和XY所在平面的夹角为60°；静平台12的一侧设计成局部剖开形状，手臂可以从侧面剖开处直接水平伸进静平台，然后再穿过大齿轮到达手柄处。
所述安装支座包括第一支架23、第二支架24、第三支架25、第四支架26、安装底板30和脚轮Ⅰ27、脚轮Ⅱ28、脚轮Ⅲ29、脚轮Ⅳ31；所述安装底板30的下端面安装有脚轮Ⅰ27、脚轮Ⅱ28、脚轮Ⅲ29、脚轮Ⅳ31，上端面上垂直安装有第二支架24、第三支架25；所述第二支架24、第三支架25内侧设置有滑道，第一支架23、第四支架26可以在滑道里上下滑动，且第一支架23与第四支架26相互平行与安装底板30，所述静平台12的一侧开口，从而在静平台12的侧开口处穿过大齿轮3上的中心孔到达手柄5，使得康复训练时，手臂可以从该静平台局部剖开处平移进入静平台，然后穿过三条支链到达大齿轮的手柄处。第一支架23和第二支架24的安装位置偏向于安装底板的一侧，四个支架在设计时是偏向于安装底板30的一侧的，支架24和25是偏向于安装底板的一侧，这样两个竖直的确定了，那么就是四个支架都是偏向于一侧了。若是由于安装支板30的重心偏向于一侧而引起不稳，可以在安装底板30的闲置处堆放相应质量，安装座配备了脚轮，可以四处推动移动，根据使用者的喜好和心情选择进行康复训练的场所，不需要大量的人力来推动就可以实现移位的目的。
整个装置装配完成后，给该装置配上相应的控制***，调试完成后，若驱动与小齿轮相连接的电机，电机带动小齿轮转动，通过啮合作用带动大齿轮转动，握住手柄的前肢手臂可以跟着大齿轮缓慢转动进行康复训练；若是启动电动推杆，电动推杆通过动力沿着自身轴线方向伸缩，实现大齿轮的转动，进而带动握着手柄的前肢手臂动作；同时启动电机和电动推杆，可以最终实现前肢手臂的屈/伸、内收/外展，小臂的内旋/外旋动作。
本发明的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，通过驱动支链，即两个电动推杆以及电机，可以腕关节的屈/伸、内收/外展，小臂的内旋/外旋的康复训练动作。
本发明基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，整体刚度大、尺寸空间紧凑、控制简单、操作方便、可以随意移动安装底座的位置，并且可以根据偏瘫患者的不同身高需求调节主体部件的安装高度，甚至可以让偏瘫患者坐在座椅上配合康复治疗；本发明的装置控制简单，可以适用于不同偏瘫程度的患者进行康复训练。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，其特征在于：该并联康复机器人包括主体部件和安装支座两大部分；所述主体部件安装在安装支座上，并可以通过调整螺栓的位置在安装支座上下移动；所述主体部件包括静平台(12)、转动副安装座(13、16、17)、电动推杆(19、20)、连杆(21)、球副(4、7、22)、大齿轮(3)、大齿轮端盖(1)、手柄(5)、手柄安装座(6)、小齿轮(9)、键(11)、小齿轮电机安装座(8)、电机(10)和转动副固定轴(14、15、18)；所述大齿轮(3)与大齿轮端盖(1)固连；所述手柄(5)安装在手柄安装支架(6)上且手柄安装支架(6)安装在大齿轮(3)上表面上；所述电动推杆(19、20)和连杆(21)的末端分别通过转动副安装座(13、16、17)以转动副安装的形式和转动副固定轴(14、15、18)安装在静平台(12)上；转动副安装座(13、16、17)呈120°均匀分布的，且中心轴线交汇于同一点；电动推杆(19、20)和连杆(21)的首端均通过球副(4、7、22)安装在大齿轮套(1)的下表面上，球副(4、7、22)呈120°均匀分布；电机(10)的轴线与小齿轮(9)的轴线重合，电机(10)垂直安装在小齿轮(9)上；电机(10)带动小齿轮(9)转动，通过啮合从而带动大齿轮(3)一起缓慢转动；安装初始状态时，静平台(12)所在的平面和大齿轮(3)所在的平面平行，并且静平台(12)中心孔的轴线和大齿轮(3)中心轴线重合；启动与小齿轮(9)相连接的电机(10)，小齿轮(9)随着电机(10)的转动带动大齿轮(3)通过啮合作用一起转动，实现手柄(5)沿着X轴方向转动；启动电动推杆Ⅰ(19)，可以带动大齿轮(3)上的手柄(5)沿着Y轴转动；启动电动推杆Ⅱ(20)，可以带动与大齿轮(3)上的手柄(5)沿着Z轴转动。
2.根据权利要求1所述的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，其特征在于：所述安装支座包括第一支架(23)、第二支架(24)、第三支架(25)、第四支架(26)、安装底板(30)和脚轮(27、28、29、31)；所述安装底板(30)的下端面安装有脚轮(27、28、29、31)，上端面上垂直安装有第二支架(24)、第三支架(25)；所述第二支架(24)、第三支架(25)内侧设置有滑道，第一支架(23)、第四支架(26)可以在滑道里上下滑动，且第一支架(23)与第四支架(26)相互平行与安装底板(30)。
3.根据权利要求2所述的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，其特征在于：所述第一支架(23)、第二支架(24)、第三支架(25)、第四支架(26)均是采用铝型材。
4.根据权利要求1所述的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，其特征在于：所述电动推杆(19、20)和连杆(21)呈120°均匀分布安装在静平台(12)的上端面上。
5.根据权利要求1所述的基于并联机构的三自由度前肢康复机器人，其特征在于：所述静平台(12)的一侧开口，从而使得康复训练者可以直接从静平台(12)剖开的侧面平移伸进静平台(12)，进而穿过三条支链到达大齿轮(3)上的中心孔握住手柄(5)。
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