CN110393655A - 一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，包括驱动部件和执行部件。驱动部件包括：肩部旋转电机、肘部屈伸气动肌肉、腕部屈伸气动肌肉。执行部件包括：座椅、肩部、上肢机械臂。其中，座椅包括上椅背、下椅背、椅背高度调节机构、手扶把手、座垫、座垫高度调节机构以及底部移动支撑。肩部包括肩部电机固定机构和电机旋转机构，肩部电机固定机构与座椅椅背上端可调节固定连接，旋转机构与机械臂固定连接。上肢机械臂包括上臂、小臂以及手部固定机构，上臂包括上臂固定机构。本发明可实现左臂或右臂绕肩关节的水平转动，肘部的屈伸以及腕部的屈伸三个自由度的运动，安全性高，仿生性高，重量轻，成本低，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于康复机器人领域，具体是一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人。
背景技术
随着科技的进步以及人们生活水平的提高，社会也逐渐老龄化，带来一系列老年疾病问题，其中脑卒中疾病带来的伤害较为严重，并且呈上升趋势，患者中超过一半的人伴有上肢瘫痪的痛苦，尽管医疗水平不断提高，但依然不能有效地解决脑卒中疾病导致的残疾问题。日常生活中，人体上肢功能是不可或缺的，各类活动都离不开上肢的配合。目前，对上肢瘫痪的治疗仍比较棘手，需要大量的，重复的，机械性的上肢运动，以保障上肢肌肉不萎缩，并且保证关节在一定自由度内运动，传统的治疗方案一般采用一对一康复训练，消耗了大量的人力物力，价格昂贵，一定程度上限制了患者的康复，改善效果并不明显。因此，对辅助上肢康复治疗的机器人的开发与应用已迫在眉睫，通过康复机器人代替人工进行康复训练，建立标准化的重复运动机制，温和、持续地牵引患肢关节做周期性运动，加速关节软骨及周围韧带和肌腱的愈合和再生，重塑神经功能，恢复患者上肢的运动及控制能力。康复机器人可提供不同的模式以适应不同瘫痪程度的肢体患者，具有价格可为普通患者接受，安全性高，康复效果明显，结构简易，质量轻，仿生性高的特点。
发明内容
本发明目的是针对上述现状，旨在至少解决现有技术问题之一，设计一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，可代替传统的康复治疗师，在保证了效率的同时具有质量轻、应用范围广、仿生性高、使用方便、成本低等优点。
一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，该上肢康复机器人包括座椅、肩部以及上肢机械臂。座椅上端与肩部电机固定机构可调节固定连接，肩部电机旋转机构与上肢机械臂固定连接，上肢机械臂包括上臂固定机构，小臂固定机构，手部固定机构及驱动机构；
所述座椅包括上椅背、下椅背、椅背高度调节机构、手扶把手、座垫、座垫高度调节机构以及底部移动支撑，上椅背与椅背高度调节机构固定连接，椅背高度调节机构内嵌在下椅背中，下椅背与座垫的一侧固定连接，座垫底面中心与座垫高度调节机构固定连接，座垫高度调节机构与底部移动支撑固定连接；
所述肩部包括肩部电机固定机构以及电机旋转机构，电机固定机构与座椅椅背上部调节固定机构固定连接，电机旋转机构通过摆杆与上臂固定连接；
所述上臂固定机构包括两块钢型支撑板、半圆形钢板，钢型支撑板与半圆形钢板固定连接，半圆形钢板顶端平面与摆杆固定连接；
所述小臂固定机构包括两根钢型支撑板，半圆形钢板，钢型支撑板与半圆形钢板固定连接，小臂与大臂之间通过调节固定机构固定连接；
所述手部固定机构包括钢型支撑板和机械臂末端水平放置的圆形握把，两侧的两根钢型支撑板与握把固定连接，手部钢型支撑板与小臂之间通过调节固定机构固定连接；
所述驱动机构包括肩部旋转电机、肘关节屈伸气动肌肉以及腕关节屈伸气动肌肉，所述肘关节屈伸组件包括两个气动肌肉连接上臂和小臂，双向拉伸，实现肘关节的屈伸运动；所述腕关节屈伸组件包括两个气动肌肉连接小臂和手部，双向拉伸，实现腕关节的屈伸运动；
所述座椅包括上椅背、下椅背、椅背高度调节机构、手扶把手、座垫、座垫高度调节机构以及底部移动支撑，上椅背与下椅背之间通过椅背高度调节机构连接，椅背高度调节机构内嵌在下椅背中，椅背高度调节机构中含有气缸伸缩装置，气缸内装有高压氮气，通过上椅背右侧的椅背高度调节杆调节椅背高度调节机构，实现上椅背的升降，下椅背与座垫通过钢型弯板固定连接，座垫与座垫高度调节机构固定连接，座垫固定调节机构中内嵌有气缸伸缩装置，气缸内充有高压氮气，座垫高度调节机构与底部移动支撑固定连接。
所述肩部包括肩部电机固定机构以及电机旋转机构，电机固定机构包括U型电机架、背板、螺钉、螺栓，电机内置编码器，电机靠轴端设有四个自上而下的螺纹通孔，减速器上底座设有四个相对应的螺纹孔，减速器与电机通过螺钉固定连接，减速器下底座设有四个螺纹通孔，U型电机架与减速器连接的侧面设有与之对应的四个螺纹孔，减速器与U型电机架通过螺钉固定连接，U型电机架的上、下层各设有两个螺纹通孔，背板设有与之对应的四个螺纹孔，U型电机架与背板通过螺钉固定连接，背板中下部设有四个螺纹通孔，与上椅背两条通槽相对应，背板与上椅背通过螺栓可调节固定连接，电机旋转机构包括联轴器、旋转轴、摆杆，螺钉，电机轴与联轴器通过键固定连接，联轴器与旋转轴通过键固定连接，摆杆的一端与旋转轴通过键固定连接，另一端设有四个螺纹通孔，上臂固定机构的半圆形钢板顶端平面设有四个与之相对应的螺纹孔，摆杆与上肢机械臂通过螺钉固定连接。
所述上臂固定机构包括两块钢型支撑板、半圆形钢板、螺栓、螺钉、绑带，半圆形钢板顶端为矩形，与摆杆固定连接，半圆形钢板两侧附件有耳状挂钩结构，对称布置，半圆形钢板两端设有螺纹通孔，两块钢型支撑板位于人体上臂内外两侧，一端设有与之相对应的螺纹通孔，半圆形钢板与钢型支撑板通过螺栓固定连接，另一端开有矩形通槽，与小臂支撑板通过螺栓可调节连接，钢型支撑板中间附近上下面均有绑带固定矩形环，用于固定绑带。
所述小臂固定机构包括两根钢型支撑板、半圆形钢板、螺钉、螺栓、绑带，半圆形钢板两侧附件有耳状挂钩结构，对称布置，半圆形钢板两端设有螺纹通孔，两块钢型支撑板两侧设有与之相对应的螺纹孔，半圆形钢板与钢型支撑板通过螺钉固定连接，两端开有矩形通槽，一端与上臂通过螺栓可调节连接，另一端与腕部支撑板通过螺栓可调节连接，两根钢型支撑板上表面各焊有一个半圆形钢环，与气动肌肉的一端连接，钢型支撑板中间附近底面有绑带固定矩形环，用于固定绑带。
所述手部固定机构包括钢型支撑板和机械臂末端水平放置的圆形握把，两侧的两根钢型支撑板上表面各焊有一个半圆形钢环，与气动肌肉的一端连接，钢型支撑板与握把通过焊接固定连接，手部钢型支撑板与小臂之间通过可调节螺栓固定连接。
所述肘关节屈伸组件包括两根气动肌肉，双向拉伸，两根气动肌肉的一端固定在大臂顶部两侧的小圆型耳状挂钩结构，另一端固定在肘关节往下，小臂上端两侧的小半圆形钢环，大臂和小臂之间通过可调节螺栓连接。
所述腕关节屈伸组件包括两根气动肌肉，双向拉伸，两根气动肌肉的一端固定在小臂半圆形钢板两侧附近的耳状小圆环，另一端固定在腕关节往下，手部握把中间两侧附近的小半圆形钢环，小臂和手部之间通过可调节螺栓连接。
一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于上肢康复机器人可适用于左臂或者右臂进行康复训练。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1.该机器人能实现肩关节的旋转，肘关节的屈伸以及腕关节的屈伸，康复机械臂距离人体肩部中心的距离可调节，摆杆距离人体肩部的高度可调节，上臂和小臂及小臂和手部支撑条之间均可以通过矩形槽调节以适应患者关节的位置，以保证人机的肘关节和腕关节轴线对齐，更适应广大患者,具有高柔性，可实现极慢速运动，动作平滑，仿生性高。
2.本发明采用可移动型穿戴式结构，结构简易，不固定康复地点，且座椅的背部支撑结构采用双层弹性网设计，弹性网四周采用橡胶包裹，交叉形钢板两端固定在弹性网边缘，提供刚性支撑，减轻了重量的同时提高人机贴合度，更有益于患者康复，上椅背的具体高度可根据患肢进行调节，更好的适应了患者人群，上椅背设有两条通槽，可移动背板实现左手或者右手的康复训练。
3.本发明中，大臂固定结构和小臂固定结构基本相同，简化了加工步骤，提高了加工效率，减少了加工费用。
4.本发明中，采用电机与气动肌肉相结合的方式驱动，减轻了机器人的重量，解决了现有康复机器人功能单一，刚性大，柔顺性不佳的问题，更具有实用性。
5.肩关节的旋转通过肩部摆杆上的电机实现，肘关节屈伸通过大臂和小臂之间两根气动肌肉伸缩实现，腕关节屈伸通过大臂和小臂之间两根气动肌肉伸缩实现，气动肌肉伸长时，轴向拉长，径向减小，收缩时，径向增大，轴向缩短。
6.各关节的运动范围可通过电机和气动肌肉实时控制。
7.结构设计紧凑合理，成本低，方便安装和拆卸，实用性强，方便操作。
8.功率质量比大，与人体肌肉类似，动作缓慢柔和，仿生性高。
附图说明
图1a为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人的结构示意图之一；
图1b为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人的结构示意图之二；
图2为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人中肩部电机固定结构的放大结构示意图；
图3为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人俯视结构示意图；
图4为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人中上臂支撑板的放大结构示意图；
图5为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人中上臂半圆形钢板放大结构示意图；
图6为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人中小臂半圆形钢板放大结构示意图；
图7为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人中小臂支撑板放大结构示意图；
图8为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人中手部固定放大结构示意图；
图9为本发明实施例的电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人中椅背高度调节机构示意图.
图中各主要附图标记的含义为：1、椅背滑动通槽；2、上椅背；3、上椅背高度调节杆；4、下椅背；5、手扶把手；6、座垫；7、座垫高度调节杆；8、座垫高度调节机构；9、座椅底部移动支撑；10、U型电机架；11、电机；12、减速器；13、联轴器；14、摆杆；15、上臂半圆形钢板；16、上臂气动肌肉；17、小臂半圆形钢板；18、小臂气动肌肉；19、手部固定；20、绑带；21、小臂支撑板；22、上臂支撑板；23、螺钉；24、背板；25、旋转轴；28、第一滑动通槽；29、大臂绑带固定端；30、上臂气动肌肉固定环；31、摆杆固定端；32、小臂气动肌肉固定环；33、小臂支撑板气动肌肉固定环；34、第二滑动通槽；35、小臂绑带固定端；36、手部气动肌肉固定端；37、圆形握把；38、手部支撑板；39、调节杆；40、活塞；41、高压氮气；42、活塞连杆；43、气缸；44、轴承支座；45、开关栓。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利的保护范围。基于本发明的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他技术方案，都属于本发明的保护范围。
如图1至图9，本发明提供了一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，包括座椅、背板、肩部电机固定机构、肩部电机旋转机构、上臂固定机构、肘关节屈伸机构、小臂固定机构、腕关节屈伸机构以及手部固定机构；背板与座椅连接，肩部电机固定机构与背板连接，肩部电机旋转机构与上臂固定机构连接，上臂固定机构与小臂固定机构连接，小臂固定机构与手部固定机构连接。
所述座椅包括椅背滑动通槽1、上椅背2、下椅背4、椅背高度调节机构3、手扶把手5、座垫6、座垫高度调节机构8以及底部移动支撑9，上椅背2与下椅背4之间通过椅背高度调节机构3连接，椅背高度调节机构3内嵌在下椅背4中，椅背高度调节机构3中含有气缸伸缩装置43，气缸43内装有高压氮气41，通过上椅背2右侧的椅背高度调节杆3调节椅背高度调节机构，实现上椅背2的升降，下椅背4与座垫6通过钢型弯板固定连接，座垫5与座垫高度调节机构8固定连接，座垫固定调节机构8中内嵌有气缸伸缩装置43，气缸内充有高压氮气41，座垫高度调节机构7与底部移动支撑9固定连接。
所述肩部包括肩部电机固定机构以及电机旋转机构，电机固定机构包括U型电机架10、背板24、螺钉23、螺栓，电机11内置编码器，电机靠轴端设有四个自上而下的螺纹通孔，减速器12上底座设有四个相对应的螺纹孔，减速器12与电机11通过螺钉23固定连接，减速器12下底座设有四个螺纹通孔，U型电机架10与减速器12连接的侧面设有与之对应的四个螺纹孔，减速器12与U型电机架10通过螺钉23固定连接，U型电机架10的上、下层各设有两个螺纹通孔，背板24设有与之对应的四个螺纹孔，U型电机架10与背板24通过螺钉23固定连接，背板24中下部设有四个螺纹通孔，与上椅背2两条通槽1相对应，背板24与上椅背2通过螺栓可调节固定连接，电机旋转机构包括联轴器13、旋转轴25、摆杆14，螺钉23，电机轴11与联轴器13通过键固定连接，联轴器13与旋转轴25通过键固定连接，摆杆的一端与旋转轴25通过键固定连接，另一端设有四个螺纹通孔，上臂半圆形钢板15的顶端平面31设有四个与之相对应的螺纹孔，摆杆14与上肢机械臂通过螺钉23固定连接。
所述上臂固定机构包括两块钢型支撑板22、半圆形钢板15、螺栓、螺钉23、绑带20，半圆形钢板15顶端为矩形，与摆杆14固定连接，半圆形钢板15两侧附件有上臂气动肌肉固定环30，对称布置，半圆形钢板15两端设有螺纹通孔，两块钢型支撑板22位于人体上臂内外两侧，一端设有与之相对应的螺纹通孔，半圆形钢板15与钢型支撑板22通过螺栓固定连接，另一端开有矩形通槽28，与小臂支撑板21通过螺栓可调节连接，钢型支撑板21中间附近上下面均有绑带固定矩形环35，用于固定绑带20。
所述小臂固定机构包括两根钢型支撑板21、半圆形钢板17、螺钉23、螺栓、绑带20，半圆形钢板17两侧附件有气动肌肉固定环32，对称布置，半圆形钢板17两端设有螺纹通孔，两块钢型支撑板21两侧设有与之相对应的螺纹孔，半圆形钢板17与钢型支撑板21通过螺钉23固定连接，两端开有矩形通槽34，一端与上臂通过螺栓可调节连接，另一端与腕部支撑板19通过螺栓可调节连接，两根钢型支撑板21上表面各焊有一个半圆形钢环17，与气动肌肉18的一端连接，钢型支撑板21中间附近底面有绑带固定矩形环35，用于固定绑带20。
所述手部固定机构包括钢型支撑板38和机械臂末端水平放置的圆形握把37，两侧的两根钢型支撑板38上表面各焊有一个半圆形钢环36，与气动肌肉18的一端连接，钢型支撑板38与握把37通过焊接固定连接，手部钢型支撑板38与小臂之间通过可调节螺栓固定连接。
所述肘关节屈伸组件包括两根气动肌肉16，双向拉伸，两根气动肌肉16的一端固定在大臂顶部两侧的小圆型耳状挂钩结构30，另一端固定在肘关节往下，小臂上端两侧的小半圆形钢环33，大臂和小臂之间通过可调节螺栓连接。
所述腕关节屈伸组件包括两根气动肌肉18，双向拉伸，两根气动肌肉18的一端固定在小臂半圆形钢板两侧附近的固定环32，另一端固定在腕关节往下，手部握把37中间两侧附近的小半圆形钢环36，小臂和手部之间通过可调节螺栓连接。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，需说明的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或者修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，该上肢康复机器人包括座椅、肩部以及上肢机械臂；座椅上端与肩部电机固定机构可调节固定连接，肩部电机旋转机构与上肢机械臂固定连接，上肢机械臂包括上臂固定机构，小臂固定机构，手部固定机构及驱动机构；
所述座椅包括上椅背、下椅背、椅背高度调节机构、手扶把手、座垫、座垫高度调节机构以及底部移动支撑，上椅背与椅背高度调节机构固定连接，椅背高度调节机构内嵌在下椅背中，下椅背与座垫的一侧固定连接，座垫底面中心与座垫高度调节机构固定连接，座垫高度调节机构与底部移动支撑固定连接；
所述肩部包括肩部电机固定机构以及电机旋转机构，电机固定机构与座椅椅背上部调节固定机构固定连接，电机旋转机构通过摆杆与上臂固定连接；
所述上臂固定机构包括两块钢型支撑板、半圆形钢板，钢型支撑板与半圆形钢板固定连接，半圆形钢板顶端平面与摆杆固定连接；
所述小臂固定机构包括两根钢型支撑板，半圆形钢板，钢型支撑板与半圆形钢板固定连接，小臂与大臂之间通过调节固定机构固定连接；
所述手部固定机构包括钢型支撑板和机械臂末端水平放置的圆形握把，两侧的两根钢型支撑板与握把固定连接，手部钢型支撑板与小臂之间通过调节固定机构固定连接；
所述驱动机构包括肩部旋转电机、肘关节屈伸气动肌肉以及腕关节屈伸气动肌肉，所述肘关节屈伸组件包括两个气动肌肉连接上臂和小臂，双向拉伸，实现肘关节的屈伸运动；所述腕关节屈伸组件包括两个气动肌肉连接小臂和手部，双向拉伸，实现腕关节的屈伸运动。
2.根据权利要求1所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，所述座椅包括上椅背、下椅背、椅背高度调节机构、手扶把手、座垫、座垫高度调节机构以及底部移动支撑，上椅背与下椅背之间通过椅背高度调节机构连接，椅背高度调节机构内嵌在下椅背中，椅背高度调节机构中含有气缸伸缩装置，气缸内装有高压氮气，通过上椅背右侧的椅背高度调节杆调节椅背高度调节机构，实现上椅背的升降，下椅背与座垫通过钢型弯板固定连接，座垫与座垫高度调节机构固定连接，座垫固定调节机构中内嵌有气缸伸缩装置，气缸内充有高压氮气，座垫高度调节机构与底部移动支撑固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，所述肩部包括肩部电机固定机构以及电机旋转机构，电机固定机构包括U型电机架、背板、螺钉、螺栓，电机内置编码器，电机靠轴端设有四个自上而下的螺纹通孔，减速器上底座设有四个相对应的螺纹孔，减速器与电机通过螺钉固定连接，减速器下底座设有四个螺纹通孔，U型电机架与减速器连接的侧面设有与之对应的四个螺纹孔，减速器与U型电机架通过螺钉固定连接，U型电机架的上、下层各设有两个螺纹通孔，背板设有与之对应的四个螺纹孔，U型电机架与背板通过螺钉固定连接，背板中下部设有四个螺纹通孔，与上椅背两条通槽相对应，背板与上椅背通过螺栓可调节固定连接，电机旋转机构包括联轴器、旋转轴、摆杆，螺钉，电机轴与联轴器通过键固定连接，联轴器与旋转轴通过键固定连接，摆杆的一端与旋转轴通过键固定连接，另一端设有四个螺纹通孔，上臂固定机构的半圆形钢板顶端平面设有四个与之相对应的螺纹孔，摆杆与上肢机械臂通过螺钉固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，所述上臂固定机构包括两块钢型支撑板、半圆形钢板、螺栓、螺钉、绑带，半圆形钢板顶端为矩形，与摆杆固定连接，半圆形钢板两侧附件有耳状挂钩结构，对称布置，半圆形钢板两端设有螺纹通孔，两块钢型支撑板位于人体上臂内外两侧，一端设有与之相对应的螺纹通孔，半圆形钢板与钢型支撑板通过螺栓固定连接，另一端开有矩形通槽，与小臂支撑板通过螺栓可调节连接，钢型支撑板中间附近上下面均有绑带固定矩形环，用于固定绑带。
5.根据权利要求4所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，所述小臂固定机构包括两根钢型支撑板、半圆形钢板、螺钉、螺栓、绑带，半圆形钢板两侧附件有耳状挂钩结构，对称布置，半圆形钢板两端设有螺纹通孔，两块钢型支撑板两侧设有与之相对应的螺纹孔，半圆形钢板与钢型支撑板通过螺钉固定连接，两端开有矩形通槽，一端与上臂通过螺栓可调节连接，另一端与腕部支撑板通过螺栓可调节连接，两根钢型支撑板上表面各焊有一个半圆形钢环，与气动肌肉的一端连接，钢型支撑板中间附近底面有绑带固定矩形环，用于固定绑带。
6.根据权利要求5所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，所述手部固定机构包括钢型支撑板和机械臂末端水平放置的圆形握把，两侧的两根钢型支撑板上表面各焊有一个半圆形钢环，与气动肌肉的一端连接，钢型支撑板与握把通过焊接固定连接，手部钢型支撑板与小臂之间通过可调节螺栓固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，所述肘关节屈伸组件包括两根气动肌肉，双向拉伸，两根气动肌肉的一端固定在大臂顶部两侧的小圆型耳状挂钩结构，另一端固定在肘关节往下，小臂上端两侧的小半圆形钢环，大臂和小臂之间通过可调节螺栓连接。
8.根据权利要求7所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，所述腕关节屈伸组件包括两根气动肌肉，双向拉伸，两根气动肌肉的一端固定在小臂半圆形钢板两侧附近的耳状小圆环，另一端固定在腕关节往下，手部握把中间两侧附近的小半圆形钢环，小臂和手部之间通过可调节螺栓连接。
9.根据权利要求1到7任一项所述的一种电机与气动肌肉混合的穿戴式上肢康复机器人，其特征在于，上肢康复机器人可适用于左臂或者右臂进行康复训练。
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