CN108852740A - 一种气动上肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗康复机械领域，尤其是一种气动上肢康复机器人。本发明每个上肢训练装置由第一关节组件、第二关节组件、第三关节组件、第四关节组件、第五关节组件串连而成，其中第一关节组件、第二关节组件、第三关节组件用于使用者肩部关节活动，第四关节组件用于实现使用者肘部关节活动，第五关节组件用于实现使用者腕关节活动。本发明装置为双侧十自由度气动上肢康复机器人，能辅助患者双侧的肩关节、肘关节和腕关节的康复训练，补充或替代专业医师。
Description
技术领域
本发明涉及医疗康复机械领域，尤其是一种气动上肢康复机器人。
背景技术
脑卒中(Stroke)，俗称中风，是一种突然起病的脑血管疾病，也是脑血管疾病最严重的并发症。脑卒中被认为是威胁人类健康的三大疾病之一。据统计，中国每年有多达达200万人发生脑中风疾病，脑卒中患者现在尚存700万人，其中450万例患者偏瘫或瘫痪，肢体不同程度丧失活动能力，生活不能自理，致残率高达75％。人体上肢在日常生活中承担着非常重要的责任，完成各种精细复杂的活动，上肢运动功能障碍将严重影响人们的日常生活。因此，偏瘫患者的上肢运动功能重建是康复医学研究领域的重要课题。临床医学的研究表明，大多数的脑卒中患者通过广泛和重复的任务型练习可以一定程度地恢复肢体运动能力。
目前上肢康复机器人按机械结构可分为末端牵引式和外骨骼式两类。末端牵引式康复机器人在康复运动中，其末端通常与患者手腕固联在一起，通过康复机器人末端执行器的运动带动患肢运动，其很难对患者上肢中某单个关节作独立的主动或被动康复运动。此外，该类康复机器人与患者通常仅仅通过手腕相连，康复运动时，其反作用力可能对患者手腕或患者肢体其他部分造成伤害。外骨骼式康复机器人可以直接穿戴于人体，其各自由度受人体关节的运动方式及尺寸的限制，因此机构较为复杂，由于该类康复机器人各关节依附于人体，机器人及患者肢体的重量及惯性会影响机器人的驱动特性和运动特性。然而，外骨骼康复机器人关节空间与人体关节空间几乎一致，安全性高，且在轨迹控制中无需进行空间转换的计算。此外，在康复运动中，机器人对患者上肢即可以对单个关节，也可以对多关节同时作主动、被动康复运动。因此，相比于末端牵引式康复机器人，外骨骼式康复机器人能提供更灵活、更安全、更丰富的康复运动。
上肢康复训练机器人是将机器人技术领域与康复治疗医学领域结合而产生的，是一种补充或替代专业医师完成人体上肢康复训练的新技术，它的出现为上肢偏瘫患者的康复治疗开辟了新的道路，弥补了偏瘫患者临床治疗的不足。康复训练机器人的治疗方法是将患肢与机器人相连，患者肢体在机器人的带动下，完成各种动作，刺激人体上肢关节及肌肉的神经控制***，从而达到恢复患者肢体运动机能的目的。这种方式减轻了对治疗医师的依赖，它能帮助医疗师完成繁重、反复的康复训练任务，帮助患者更好的恢复肢体运动机能。
上肢外骨骼康复机器人是一种与偏瘫患者身体直接接触的康复医疗装备，其安全性和柔顺性非常重要，此外，康复运动要力求平稳、自然，而这些主要依赖于康复机器人的执行器。目前大多数康复机器人采用电机驱动，其它类型的执行器主要是人工气动肌肉、气缸及液压人工肌肉等。而液压驱动在临床应用上存在局限性，电机驱动目前主要依赖串联或并联弹性执行器以增加其柔顺性，而气动肌肉驱动的外骨骼在布局上也存在局限性，目前还鲜有气缸驱动的双上肢外骨骼康复机器人，而气缸驱动在柔顺性和安全性问题上具有明显的优势，将气缸驱动应用到外骨骼上具有很大潜力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种气动上肢康复机器人。本发明每个上肢训练装置由第一关节组件、第二关节组件、第三关节组件、第四关节组件、第五关节组件串连而成，其中第一关节组件、第二关节组件、第三关节组件用于使用者肩部关节活动，第四关节组件用于实现使用者肘部关节活动，第五关节组件用于实现使用者腕关节活动。本发明装置为双侧十自由度气动上肢康复机器人，能辅助患者双侧的肩关节、肘关节和腕关节的康复训练，补充或替代专业医师。
本发明的技术方案是：一种气动上肢康复机器人，包括背部支架、上肢训练装置，两个上肢训练装置对称设置在背部支架上，且两个上肢训练装置结构相同，其特征在于：背部支架包括背部支架横梁、气缸支座、支撑外套管、调位插销、支撑内套管、夹紧支座、撑板，两个气缸支座焊接在背部支架横梁的导槽内，背部支架横梁套接在支撑外套管上，支撑外套管套接支撑内套管，支撑内套管上设置调位插销，支撑外套管上安装夹紧支座和撑板；每个上肢训练装置由第一关节组件、第二关节组件、第三关节组件、第四关节组件、第五关节组件串连而成，其中第一关节组件、第二关节组件、第三关节组件用于使用者肩部关节活动，第四关节组件用于实现使用者肘部关节活动，第五关节组件用于实现使用者腕关节活动。
根据如上所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第一关节组件包括第一气缸组件和第一肩关节转臂，第一连接转轴安装在背部支架横梁的孔径内，第一转轴齿轮通过固定在第一连接转轴上，第一连接转轴通过第一自润轴承连接第一肩关节转臂；第一转轴齿轮与第一增量式编码器齿轮啮合，第一增量式编码器齿轮连接第一增量式编码器，第一增量式编码器齿轮啮合第一霍尔传感器齿轮，第一霍尔传感器齿轮连接第一霍尔传感器，第一增量式编码器和第一霍尔传感器安装在第一肩关节转臂上；第一气缸体的输出轴连接第一拉压力传感器，第一气缸体一端设置第一I型连接头，通过第一固定插销和第一I型连接头将第一气缸体连接在气缸支座上，第一气缸体的另一端通过第一气缸底座连接在第二连接转轴。
根据如上所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第二关节组件包括第二气缸组件和第二肩关节转臂，第二连接转轴固定在第一肩关节转臂的孔径内，第二转轴齿轮固定在第二连接转轴上，第二连接转轴通过第二自润轴承连接在第二肩关节转臂上；第二转轴齿轮与第二增量式编码器齿轮啮合，第二增量式编码器齿轮连接第二增量式编码器，第二增量式编码器齿轮啮合与第二霍尔传感器齿轮，第二霍尔传感器齿轮连接第二霍尔传感器，第二增量式编码器和第二霍尔传感器固定在第一肩关节转臂上；第二气缸体的输出轴设置第二拉压力传感器，第二气缸体一端设置第二I型连接头，通过第二I型连接头和固定插销将第二气缸体连接在曲柄头上，曲柄头固定在第二肩关节转臂上，第二气缸体的另一端设置第二气缸底座，通过第二气缸底座将第二气缸体固定连接在第一连接转轴上。
根据如上所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第三关节组件包括第三气缸组件和大臂转臂组件，大臂转臂组件包括第一大臂转臂和第二大臂转臂，第三连接转轴固定在第一大臂转臂的孔径内，第三转轴齿轮固定在第三连接转轴上，第三连接转轴通过双侧第三自润轴承连接第一大臂转臂，第一大臂转臂通过双头调节螺杆连接第二大臂转臂；第三转轴齿轮与第三增量式编码器齿轮啮合，第三增量式编码器齿轮连接第三增量式编码器，第三增量式编码器齿轮啮合与第三霍尔传感器齿轮，第三霍尔传感器齿轮连接第三霍尔传感器，第三增量式编码器和第三霍尔传感器用螺丝安装在第一大臂转臂上；第三气缸体的输出轴连接第三拉压力传感器，第三气缸体一端设置第三I型连接头，通过第三I型连接头和固定插销将第三气缸体连接在第三气缸支座上，第三气缸支座焊接在第一大臂转臂上，第三气缸体的另一端连接第三气缸底座，通过第三气缸底座和气缸支座轴将第三气缸体连接在第二肩关节转臂上。
根据如上所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第四关节组件包括第四气缸组件和小臂转臂组件，小臂转臂组件包括第一小臂转臂和第二小臂转臂，第四连接转轴固定在第一小臂转臂的孔径内，第四转轴齿轮固定在第四连接转轴上，第四连接转轴通过双侧第四自润轴承连接在第二大臂转臂上，第一小臂转臂通过双头调节螺杆连接第二小臂转臂，第四转轴齿轮与第四增量式编码器齿轮啮合，第四增量式编码器齿轮连接第四增量式编码器，第四增量式编码器齿轮与第四霍尔传感器齿轮啮合，第四霍尔传感器齿轮连接第四霍尔传感器，第四增量式编码器和第四霍尔传感器安装在第二大臂转臂上；第四气缸体的输出轴连接第四拉压力传感器，第四气缸体一端设置第四I型连接头，通过第四I型连接头和固定插销将第四气缸体连接在第四气缸支座上，第四气缸支座焊接在第二大臂转臂上，第四气缸体的另一端设置第四气缸底座，通过第四气缸底座和第四气缸支撑座将第四气缸体连接在第二小臂转臂上。
根据如上所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第五关节组件包括第五气缸组件和腕关节组件，第二小臂转臂通过固定插销与腕关节曲柄相连，第五转轴齿轮固定在第五连接转轴上，第五连接转轴上的第五转轴齿轮通过过渡齿轮与第五增量式编码器齿轮啮合，第五增量式编码器齿轮连接第五增量式编码器，第五增量式编码器齿轮啮合与第五霍尔传感器齿轮，第五霍尔传感器齿轮连接第五霍尔传感器，第五增量式编码器和第五霍尔传感器安装在第二小臂转臂上，腕关节曲柄上安装六轴力(矩)传感器，六轴力(矩)传感器上连接把手，转动带动第五增量式编码器和第五霍尔传感器的转动，第五气缸体通过第五I型连接头和固定插销连接在腕关节曲柄上，第五气缸体设置第五气缸底座，通过第五气缸底座和第五气缸支撑轴将第五气缸体连接在第一小臂转臂上。
根据如上所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：所述的第一气缸体、第二气缸体、第三气缸体、第四气缸体、第五气缸体采用伺服阀进行控制。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明所述的气动驱动康复机器人，包括可穿戴的双侧驱动的外骨骼设计，可以使患者在坐姿、站姿或自由移动的状态下进行康复训练，同时双侧驱动可以开发更多的康复训练模式，有科学证据证明这些因素都对康复效果有非常大的帮助；
2、与电机驱动、液压驱动、气动肌肉驱动相比，气缸驱动在柔顺性和安全性优势明显，同时，本设计克服了气缸物理尺寸原因而造成的布局局限，也采用了相关传感器弥补了纯气缸控制性能的不足；
3、轻质紧凑的结构设计，采用了气缸驱动关节，利用了气缸轻质的特点，摆臂设计成薄壁结构，使整体结构凸显出轻质特性；将传感器内置在康复机器人摆臂内，是结构更加紧凑，采用薄壁轻质的自润轴承替代常规滚珠轴承，兼顾了质量、体积和摩擦力问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种气动驱动康复机器人正机较佳实施例的立体结构示意图；
图2为本发明一种气动驱动康复机器人正机较佳实施例的立体结构示意图；
图3为本发明一种气动驱动康复机器人的背部支架结构示意图；
图4为本发明一种气动驱动康复机器人肩关节一的立体结构示意图；
图5为本发明一种气动驱动康复机器人肩关节一和肩关节二的***结构示意图；
图6为本发明一种气动驱动康复机器人肩关节二的立体结构示意图；
图7为本发明一种气动驱动康复机器人肩关节三的立体结构示意图；
图8为本发明一种气动驱动康复机器人肩关节三的***结构示意图；
图9为本发明一种气动驱动康复机器人肘关节的立体结构示意图；
图10为本发明一种气动驱动康复机器人肘关节的***结构示意图；
图11为本发明一种气动驱动康复机器人腕关节的立体结构示意图；
图12为本发明一种气动驱动康复机器人腕关节的***结构示意图。
附图标记说明：包括背部支架1、上肢训练装置2、第一关节组件3、第二关节组件4、第三关节组件5、第四关节组件6、第五关节组件7、背部支架横梁11、气缸支座12、支撑外套管13、调位插销14、支撑内套管15、夹紧支座16、撑板17、第一气缸组件31、第一肩关节转臂32、第一连接转轴33、第一转轴齿轮331、第一自润轴承34、第一增量式编码器齿轮35、第一增量式编码器36、第一霍尔传感器齿轮37、第一霍尔传感器38、第一I型连接头311、第一气缸体314、第一拉压力传感器313、第一气缸底座315、第二气缸组件41、第二肩关节转臂42、固定插销412、第二连接转轴43、第二转轴齿轮431、第二自润轴承44、第二增量式编码器齿轮45、第二增量式编码器46、第二霍尔传感器齿轮47、第二霍尔传感器48、第二I型连接头411、第二拉压力传感器413、第二气缸体414、第二I型连接头411、曲柄头421、第二气缸底座415、第三关节组件5、第三气缸组件51、大臂转臂组件52、第三连接转轴53、第三转轴齿轮531、第三自润轴承54、第一大臂转臂521、第二大臂转臂522、双头调节螺杆59、第三增量式编码器齿轮55、第三增量式编码器56、第三霍尔传感器齿轮57、第三霍尔传感器58、第三气缸体514、第三拉压力传感器513、第三I型连接头511、固定插销512、第三气缸支座519、第三气缸底座515、气缸支座轴516、第四气缸组件61、小臂转臂组件62、第一小臂转臂621、第四连接转轴63、第四转轴齿轮631、第四自润轴承64、双头调节螺杆69、第二小臂转臂622、第四增量式编码器齿轮65、第四增量式编码器66、第四霍尔传感器齿轮67、第四霍尔传感器68、第四气缸体614、第四拉压力传感器613、第四I型连接头611、固定插销612、第四气缸底座615、第四气缸支座617、第四气缸支撑座618、固定插销726、第五转轴齿轮731、过渡齿轮733、腕关节曲柄723、六轴力(矩)传感器724、把手725、第五气缸体714、第五I型连接头711、第五气缸底座715、第五气缸支撑轴716、第五增量式编码器齿轮75、第五增量式编码器76、第五霍尔传感器齿轮77、第五霍尔传感器78。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
如图1至图3所示，在具体使用时，一种双侧十自由度气动上肢康复机器人，包括背部支架1、上肢训练装置2，两个上肢训练装置2对称设置在背部支架1，且两个上肢训练装置2结构相同。上肢训练装置2通过背部支架横梁11设置在背部支架1上。
如图3所示，背部支架1包括背部支架横梁11、气缸支座12、支撑外套管13、调位插销14、支撑内套管15、夹紧支座16、撑板17，两个气缸支座12焊接在背部支架横梁11的导槽内，背部支架横梁11套接在支撑外套管13上，支撑外套管13套接支撑内套管15，支撑内套管15上设置调位插销14，通过调位插销14来调节支撑内套管15嵌套在支撑外套管13的长度，从而调节支撑外套管13和支撑内套管15总的长度。支撑外套管13上安装夹紧支座16和螺丝固定的撑板17，撑板17通过绑带实现背负功能。
本实施例中，如图1、图2所示，每个上肢训练装置2由单边5个旋转运动关节组件串连而成的外骨骼式机械臂，上肢训练装置2包括用于实现使用者肩部关节活动的第一关节组件3、与第一关节组件3相连接用于实现使用者肩部关节活动的第二关节组件4、与第二关节组件4相连接用于实现使用者肩部关节活动的第三关节组件5、与第三关节组件5相连接用于实现使用者肘部关节活动的第四关节组件6和与第四关节组件6相连接用于实现使用者腕关节活动的第五关节组件7。
本实施例中，如图4、图5所示，第一关节组件3包括第一气缸组件31和第一肩关节转臂32，第一连接转轴33安装在背部支架横梁11的孔径内，尼龙材质的第一转轴齿轮331通过紧定螺钉固定在第一连接转轴33上，第一连接转轴33通过第一自润轴承34连接第一肩关节转臂32；第一转轴齿轮331与第一增量式编码器齿轮35啮合，第一增量式编码器齿轮35连接第一增量式编码器36，第一增量式编码器齿轮35啮合与第一霍尔传感器齿轮37，第一霍尔传感器齿轮37连接第一霍尔传感器38，第一增量式编码器36和第一霍尔传感器38用螺丝安装在第一肩关节转臂32上。这样，第一肩关节转臂32的转动带动第一增量式编码器36和第一霍尔传感器38转动，同时记录第一肩关节转臂32的运动状态。第一气缸体314的输出轴连接第一拉压力传感器313，第一气缸体314一端设置第一I型连接头311，通过第一固定插销和第一I型连接头311将第一气缸体314连接在气缸支座12上，第一气缸体314的另一端通过第一气缸底座315连接在第二连接转轴43。气缸驱动第一肩关节转臂32的旋转，所述第一肩关节转臂32的转动带动了第一增量式编码器36和第一霍尔传感器38的转动，同时记录第一肩关节转臂32的运动状态。
本实施例中，如图5、图6所示，第二关节组件4包括第二气缸组件41和第二肩关节转臂42，第二连接转轴43通过紧定螺丝锁紧固定在第一肩关节转臂32的孔径内，尼龙材质的第二转轴齿轮431通过紧定螺钉固定在第二连接转轴43上，第二连接转轴43通过第二自润轴承44连接在第二肩关节转臂42上；第二转轴齿轮431与第二增量式编码器齿轮45啮合，第二增量式编码器齿轮45连接第二增量式编码器46，第二增量式编码器齿轮45啮合与第二霍尔传感器齿轮47，第二霍尔传感器齿轮47连接有第二霍尔传感器48，第二增量式编码器46和第二霍尔传感器48用螺丝安装固定在第一肩关节转臂32上。第二肩关节转臂42的转动带动第二增量式编码器46和第二霍尔传感器48的转动，同时记录第二肩关节转臂42的运动状态；第二气缸体414的输出轴设置第二拉压力传感器413，第二气缸体414一端设置第二I型连接头411，通过第二I型连接头411和固定插销412将第二气缸体414连接在曲柄头421上，曲柄头421通过焊接的方式固定在第二肩关节转臂42上，第二气缸体414的另一端设置第二气缸底座415，通过第二气缸底座415将第二气缸体414固定连接在第一连接转轴33上。
本实施例中，如图7、图8所示，第三关节组件5包括第三气缸组件51和大臂转臂组件52，大臂转臂组件52包括第一大臂转臂521和第二大臂转臂522，第三连接转轴53通过紧定螺丝锁紧固定在第一大臂转臂521的孔径内，尼龙材质的第三转轴齿轮531通过紧定螺钉固定在第三连接转轴53上，第三连接转轴53通过双侧第三自润轴承54连接第一大臂转臂521，第一大臂转臂521通过双头调节螺杆59连接第二大臂转臂522，双头调节螺杆59通过松紧圆螺母调节第一大臂转臂521和第二大臂转臂522，从而实现整个大臂转臂组件52长度的调节。第三转轴齿轮531与第三增量式编码器齿轮55啮合，第三增量式编码器齿轮55连接第三增量式编码器56，第三增量式编码器齿轮55啮合与第三霍尔传感器齿轮57，第三霍尔传感器齿轮57连接第三霍尔传感器58，第三增量式编码器56和第三霍尔传感器58用螺丝安装在第一大臂转臂521上。第一大臂转臂521的转动带动第三增量式编码器56和第三霍尔传感器58的转动，同时记录大臂转臂组件52的运动状态。第三气缸体514的输出轴连接第三拉压力传感器513，第三气缸体514一端有第三I型连接头511，通过第三I型连接头511和固定插销512将第三气缸体514连接在第三气缸支座上，所述第三气缸支座焊接固定在第一大臂转臂521上，第三气缸体514的另一端连接第三气缸底座515，通过第三气缸底座515和气缸支座轴516将第三气缸体514连接在第二关节转臂42上。
本实施例中，如图9、图10所示，第四关节组件6包括第四气缸组件和小臂转臂组件62，小臂转臂组件62包括第一小臂转臂621和第二小臂转臂622，第四连接转轴63通过紧定螺丝锁紧固定在第一小臂转臂621的孔径内，尼龙材质的第四转轴齿轮631通过紧定螺钉固定在第四连接转轴63上，第四连接转轴63通过双侧第四自润轴承64连接在第二大臂转臂522上，第一小臂转臂621通过双头调节螺杆69连接第二小臂转臂622，双头调节螺杆69通过松紧圆螺母来调节有第一小臂转臂621和第二小臂转臂622，从而实现整个小臂转臂组件62长度的调整。第四转轴齿轮631与第四增量式编码器齿轮65啮合，第四增量式编码器齿轮65连接第四增量式编码器66，第四增量式编码器齿轮65啮合与第四霍尔传感器齿轮67，第四霍尔传感器齿轮67连接第四霍尔传感器68，第四增量式编码器66和第四霍尔传感器68用螺丝安装在第二大臂转臂522上。小臂转臂组件62的转动带动第四增量式编码器66和第四霍尔传感器68的转动，同时记录小臂转臂组件62的运动状态。第四气缸体614的输出轴连接第四拉压力传感器613，第四气缸体614一端设置第四I型连接头611，通过第四I型连接头611和固定插销612将第四气缸体614连接在第四气缸支座617上，第四气缸支座617焊接在第二大臂转臂522上，第四气缸体614的另一端与设置第四气缸底座615，通过第四气缸底座615和第四气缸支撑座618将第四气缸体614连接在第二小臂转臂622上，第四气缸支撑座618通过第二小臂转臂622上的调节孔来调节长度。
本实施例中，如图11、图12所示，第五关节组件7包括第五气缸组件和腕关节组件，第二小臂转臂622通过固定插销726与腕关节曲柄723相连，尼龙材质的第五转轴齿轮731通过紧定螺钉固定在第五连接转轴上，第五连接转轴上的第五转轴齿轮731通过过渡齿轮733与第五增量式编码器齿轮75啮合，第五增量式编码器齿轮75连接第五增量式编码器76，第五增量式编码器齿轮75啮合与第五霍尔传感器齿轮77啮合，第五霍尔传感器齿轮77连接有第五霍尔传感器78，第五增量式编码器76和第五霍尔传感器78用螺丝安装在第二小臂转臂622上，所述腕关节曲柄723上安装六轴力(矩)传感器724，六轴力(矩)传感器724上连接把手725，腕关节组件的转动带动第五增量式编码器76和第五霍尔传感器78的转动，同时记录腕关节组件的运动状态；第五气缸体714一端设置第五I型连接头711，第五气缸体714通过第五I型连接头711和固定插销连接在腕关节曲柄723上，第五气缸体714设置第五气缸底座715，通过第五气缸底座715和第五气缸支撑轴716将第五气缸体714连接在第一小臂转臂621上。
本发明中第一气缸体314、第二气缸体414、第三气缸体514、第四气缸体614、第五气缸体714可以采用伺服阀进行控制，且每两个相邻关节运动时，其夹角变化可以实时精确，这样通过气缸的控制，提高了整个装置具有柔顺性和安全性。
本发明的第三关节组件5、第四关节组件6长度可调，这样使本发明的装置可以适应不同的使用者。本发明两个相邻关节组件相对为旋转运动，运动距离为相应气缸体输出轴的长度，这样从机械结构上确保相关关节的最长运动距离。
本发明的关节组件克服了气缸物理尺寸原因而造成的布局局限，也采用了增量式编码器和霍尔传感器弥补了纯气缸控制性能的不足；将增量式编码器和霍尔传感器内置在康复机器人摆臂内，使结构更加紧凑，采用薄壁轻质的自润轴承替代常规滚珠轴承，兼顾了质量、体积和摩擦力问题。同时由于气缸行程的原因，无需另设机械硬限位，使结构简化。
本发明为双侧十自由度气动上肢康复机器人，其能辅助患者双侧的肩关节、肘关节和腕关节的康复训练，补充或替代专业医师。康复机器人整机如图1、2所示，其为左右镜像对称结构。
本发明气动驱动康复机器人，双侧的上肢外骨骼设计可以实现更多元的康复策略，可以辅助偏瘫患者或双上肢瘫痪患者，也可以一侧引导另外一侧进行康复训练或双侧协调康复训练等，提高了康复效率。可穿戴设计使康复患者可以实现坐姿、站姿或移动状态下进行康复训练，其康复效果会有明显提升。本发明克服了气缸的物理尺寸在布局上的局限性，也利用了气缸质量轻的优点，设计了一款可穿戴双侧十自由度上肢康复机器人，可实现肩关节、肘关节、腕关节的康复训练，可穿戴模式和双侧训练模式对提高康复效果和优化康复模式都很有帮助；气缸驱动的具有动态力矩反馈的康复机器人摆动关节：气缸驱动在柔顺性和安全性上不言而喻，具有动态力矩反馈的康复机器人关节可以实现康复患者的被动康复训练，还可以辅助患者进行主动康复训练，对康复过程中的患者进行力补偿或力仿真，从康复方式的多样性和康复效果来讲都大有好处；轻质紧凑的结构设计：本发明设计中各摆臂均采用薄壁结构，降低重量，并使用齿轮传动巧妙的将增量式编码器、霍尔传感器内置于薄壁结构内，实现了检测目的也使结构更加紧凑；手动双头螺栓位置调节设计：本发明为了能够适应大臂小臂长度调节采用了手动双头螺栓位置调节的设计，结构轻巧，并可进行无级调距。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种气动上肢康复机器人，包括背部支架(1)、上肢训练装置(2)，两个上肢训练装置(2)对称设置在背部支架(1)上，且两个上肢训练装置(2)结构相同，其特征在于：背部支架(1)包括背部支架横梁(11)、气缸支座(12)、支撑外套管(13)、调位插销(14)、支撑内套管(15)、夹紧支座(16)、撑板(17)，两个气缸支座(12)焊接在背部支架横梁(11)的导槽内，背部支架横梁(11)套接在支撑外套管(13)上，支撑外套管(13)套接支撑内套管(15)，支撑内套管(15)上设置调位插销(14)，支撑外套管(13)上安装夹紧支座(16)和撑板(17)；每个上肢训练装置(2)由第一关节组件(3)、第二关节组件(4)、第三关节组件(5)、第四关节组件(6)、第五关节组件串连而成，其中第一关节组件(3)、第二关节组件(4)、第三关节组件(5)用于使用者肩部关节活动，第四关节组件(6)用于实现使用者肘部关节活动，第五关节组件(7)用于实现使用者腕关节活动。
2.根据权利要求1所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第一关节组件(3)包括第一气缸组件(31)和第一肩关节转臂(32)，第一连接转轴(33)安装在背部支架横梁(11)的孔径内，第一转轴齿轮(331)通过固定在第一连接转轴(33)上，第一连接转轴(33)通过第一自润轴承(34)连接第一肩关节转臂(32)；第一转轴齿轮(331)与第一增量式编码器齿轮(35)啮合，第一增量式编码器齿轮(35)连接第一增量式编码器(36)，第一增量式编码器齿轮(35)啮合第一霍尔传感器齿轮(37)，第一霍尔传感器齿轮(37)连接第一霍尔传感器(38)，第一增量式编码器(36)和第一霍尔传感器(38)安装在第一肩关节转臂(32)上；第一气缸体(314)的输出轴连接第一拉压力传感器(313)，第一气缸体(314)一端设置第一I型连接头(311)，通过第一固定插销和第一I型连接头(311)将第一气缸体(314)连接在气缸支座(12)上，第一气缸体(314)的另一端通过第一气缸底座(315)连接在第二连接转轴(43)。
3.根据权利要求2所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第二关节组件(4)包括第二气缸组件(41)和第二肩关节转臂(42)，第二连接转轴(43)固定在第一肩关节转臂(32)的孔径内，第二转轴齿轮(431)固定在第二连接转轴(43)上，第二连接转轴(43)通过第二自润轴承(44)连接在第二肩关节转臂(42)上；第二转轴齿轮(431)与第二增量式编码器齿轮(45)啮合，第二增量式编码器齿轮(45)连接第二增量式编码器(46)，第二增量式编码器齿轮(45)啮合与第二霍尔传感器齿轮(47)，第二霍尔传感器齿轮(47)连接第二霍尔传感器(48)，第二增量式编码器(46)和第二霍尔传感器(48)固定在第一肩关节转臂(32)上；第二气缸体(414)的输出轴设置第二拉压力传感器(413)，第二气缸体(414)一端设置第二I型连接头(411)，通过第二I型连接头(411)和固定插销将第二气缸体(414)连接在曲柄头(421)上，曲柄头(421)固定在第二肩关节转臂(42)上，第二气缸体(414)的另一端设置第二气缸底座(415)，通过第二气缸底座(415)将第二气缸体(414)固定连接在第一连接转轴(33)上。
4.根据权利要求3所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第三关节组件(5)包括第三气缸组件(51)和大臂转臂组件(52)，大臂转臂组件(52)包括第一大臂转臂(521)和第二大臂转臂(522)，第三连接转轴(53)固定在第一大臂转臂(521)的孔径内，第三转轴齿轮(531)固定在第三连接转轴(53)上，第三连接转轴(53)通过双侧第三自润轴承(54)连接第一大臂转臂(521)，第一大臂转臂(521)通过双头调节螺杆(59)连接第二大臂转臂(522)；第三转轴齿轮(531)与第三增量式编码器齿轮(55)啮合，第三增量式编码器齿轮(55)连接第三增量式编码器(56)，第三增量式编码器齿轮(55)啮合与第三霍尔传感器齿轮(57)，第三霍尔传感器齿轮(57)连接第三霍尔传感器(58)，第三增量式编码器(56)和第三霍尔传感器(58)用螺丝安装在第一大臂转臂(521)上；第三气缸体(514)的输出轴连接第三拉压力传感器(513)，第三气缸体(514)一端设置第三I型连接头(511)，通过第三I型连接头(511)和固定插销将第三气缸体(514)连接在第三气缸支座上，第三气缸支座焊接在第一大臂转臂(521)上，第三气缸体(514)的另一端连接第三气缸底座(515)，通过第三气缸底座(515)和气缸支座轴(516)将第三气缸体(514)连接在第二肩关节转臂(42)上。
5.根据权利要求4所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第四关节组件(6)包括第四气缸组件和小臂转臂组件(62)，小臂转臂组件(62)包括第一小臂转臂(621)和第二小臂转臂(622)，第四连接转轴(63)固定在第一小臂转臂(621)的孔径内，第四转轴齿轮(631)固定在第四连接转轴(63)上，第四连接转轴(63)通过双侧第四自润轴承(64)连接在第二大臂转臂(522)上，第一小臂转臂(621)通过双头调节螺杆(69)连接第二小臂转臂(622)，第四转轴齿轮(631)与第四增量式编码器齿轮(65)啮合，第四增量式编码器齿轮(65)连接第四增量式编码器(66)，第四增量式编码器齿轮(65)与第四霍尔传感器齿轮(67)啮合，第四霍尔传感器齿轮(67)连接第四霍尔传感器(68)，第四增量式编码器(66)和第四霍尔传感器(68)安装在第二大臂转臂(522)上；第四气缸体(614)的输出轴连接第四拉压力传感器(613)，第四气缸体(614)一端设置第四I型连接头(611)，通过第四I型连接头(611)和固定插销将第四气缸体(614)连接在第四气缸支座(617)上，第四气缸支座(617)焊接在第二大臂转臂(522)上，第四气缸体(614)的另一端设置第四气缸底座(615)，通过第四气缸底座(615)和第四气缸支撑座(618)将第四气缸体(614)连接在第二小臂转臂(622)上。
6.根据权利要求5所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：第五关节组件(7)包括第五气缸组件和腕关节组件，第二小臂转臂(622)通过固定插销与腕关节曲柄(723)相连，第五转轴齿轮(731)固定在第五连接转轴上，第五连接转轴上的第五转轴齿轮(731)通过过渡齿轮(733)与第五增量式编码器齿轮(75)啮合，第五增量式编码器齿轮(75)连接第五增量式编码器(76)，第五增量式编码器齿轮(75)与第五霍尔传感器齿轮(77)啮合，第五霍尔传感器齿轮(77)连接第五霍尔传感器(78)，第五增量式编码器(76)和第五霍尔传感器(78)安装在第二小臂转臂(622)上，腕关节曲柄(723)上安装六轴力(矩)传感器(724)，六轴力(矩)传感器(724)上连接把手(725)，腕关节组件(72)的转动带动第五增量式编码器(76)和第五霍尔传感器(78)的转动，同时记录腕关节组件(72)的运动状态；第五气缸体(714)一端通过第五I型连接头(711)和固定插销连接在腕关节曲柄(723)上，第五气缸体另一端(714)设置第五气缸底座(715)，通过第五气缸底座(715)和第五气缸支撑轴(716)将第五气缸体(714)连接在第一小臂转臂(621)上。
7.根据权利要求6所述的气动上肢康复机器人，其特征在于：所述的第一气缸体(314)、第二气缸体(414)、第三气缸体(514)、第四气缸体(614)、第五气缸体(714)采用伺服阀进行控制。
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