CN203841986U - 一种便携式二自由度腕关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式二自由度腕关节康复机器人，包括穿戴在人体小臂外侧的手臂架、穿戴在人体手背处的手背架、以及连接两者的二自由度驱动机构；二自由度驱动机构包括滑动机构，气动肌肉机构，旋转关节，主动连杆，从动连杆，通过气动肌肉的驱动力控制旋转关节从而使主动连杆、从动连杆带动手背架实现腕关节的屈伸康复训练；二自由度驱动机构还包括中心立柱、弧形齿条、圆柱齿轮、导轨固定在所述手背架外侧，通过电机驱动圆形齿轮的转动实现手背架带动手腕的摇摆运动。按照本实用新型的关节康复机器人，能够利于便携化及家用化，对旋转关节角的控制起到了增益放大的作用。

Description

一种便携式二自由度腕关节康复机器人

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，具体是一种便携式二自由度腕关节康复训练机器人，特别适用于中风病人早期腕关节康复训练。 

背景技术

随着我国人口老龄化的加剧，伴随老龄化过程中的健康问题，生理机能衰退导致四肢的灵活性不断下降，而在老龄人群中，脑中风作为严重威胁中老年人身体健康的疾病，发病率有逐年上升的趋势。这种疾病会引发患者肢体运动功能的丧失，即偏瘫。而上肢偏瘫更是极大的影响了患者的日常生活能力。目前，临床上对偏瘫患者的治疗主要依赖于治疗师的一对一的徒手训练，费时费力的同时也缺乏量化且客观的评价。针对康复训练过程的问题，安全、定量可进行重复训练的机器人辅助训练技术应运而生。研究表明，康复机器人的辅助训练对患者的运动功能的重建和康复是有益的。 

目前，对于上肢康复机器人的研究，国外的辅助康复治疗机器人设备已有很多；而国内研究起步较晚，但一些科研院所和高校也已展开研究，并取得了可喜的进展，如CN103417361A中公开的一种二自由度上肢康复机器人，CN103340734A中公开的三自由度脑卒中早期上肢康复机器人，CN103083156A中公开的一种三自由度混联上肢康复机器人，但现有的研究存在以下问题：(1)结构复杂、质量大，使 用不便；(2)成本高，价格昂贵；(3)主体驱动刚性大、柔性差，这是造成上肢康复机器人难以面向患者家庭普及的根本原因。 

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷，本实用新型的目的在于提出一种自重小、成本低、柔顺性大的便携式二自由度腕关节康复机器人，并能够以结构紧凑、便于操控的方式实现中风病人腕关节俯仰及摇摆康复训练。 

为实现上述目的，按照本发明，提供了便携式二自由度腕关节康复机器人，包括用于穿戴在人体小臂外侧的手臂架、用于穿戴在人体手背处的手背架、以及用于联接所述手臂架和手背架的二自由度驱动机构，其中： 

所述二自由度驱动机构包括滑动机构、气动肌肉机构、旋转关节、主动连杆以及从动连杆； 

所述气动肌肉机构滑动设置于所述滑动机构的上部，所述旋转关节滑动设置于所述滑动机构的一侧； 

所述主动连杆一端与所述旋转关节输出旋转轴相连，另一端与手背架相连，所述从动连杆一端与所述滑动机构的另一侧相连，另一端与手背架相连； 

所述气动肌肉机构通过闸线与所述旋转关节相连构成传动机构，并驱动旋转关节在滑动机构上来回运动，从而通过所述主动连杆、从动连杆带动手背架实现绕腕关节的俯仰运动； 

所述二自由度驱动机构还包括中心立柱、弧形齿条、圆柱齿轮、 导轨； 

所述中心立柱、弧形齿条、圆柱齿轮、导轨依次固定在所述手背架的上侧； 

所述滑动机构前部通过销轴紧固于所述中心立柱的上部，后部支撑于导轨上； 

所述滑动机构上设置有电机，所述圆柱齿轮通过与所述电机输出轴相连，并与所述弧形齿条啮合构成传动机构，从而带动滑动机构和气动肌肉机构以销轴为轴沿着弧形齿条做来回运动，从而通过主动连杆、从动连杆带动手背架实现腕关节的摇摆运动。 

所述滑动机构包括滑动平台，4根直线滑轨、4个滑块，滑块分别与所述直线滑轨配套，用于固定支持滑动的部件；所述直线滑轨中2根分别固定于滑动平台两侧面，用于支持旋转关节和从动连杆的滑动，另2根间隔一定距离并行固定在滑动平台顶面，用于支持气动肌肉机构的滑动； 

所述气动肌肉机构包括2根气动肌肉，2块L形气动肌肉连接板，前端连接板，后端连接板； 

所述2块L形气动肌肉连接板分别与滑动平台顶面的2滑块相连； 

所述前、后端连接板分别固定于滑动平台前后两端面； 

所述2根气动肌肉开口端与所述后端连接板相连，气动肌肉封闭端分别与所述2块L形气动肌肉连接板相连。 

所述滑动平台两侧面的滑块分别与2块小连接板相连，2块小连 接板连接旋转关节和从动连杆。 

所述旋转关节由旋转关节底壳、旋转关节内轮及旋转关节顶盖构成，所述闸线与所述旋转关节内轮相连构成传动机构。 

所述闸线工作原理为自行车刹车闸线，闸线外皮相当于一个轨道，内芯是一个强度高的线，气动肌肉驱动力拉内芯时，内芯与外皮发生相对位移，将力量传递到旋转关节； 

进一步的，所述中心立柱为Z字形； 

进一步的，所述导轨为倒立的T型，利用T型的竖直部分对滑动机构在随着弧形轨道进行摇摆运动时对其进行支撑，利用T型的横直杆将导轨固定于手臂架上； 

通过按照本实用新型以上构思的便携式二自由度腕关节康复机器人，获得的有益效果是：采用功率/自重比较高的气动肌肉作为俯仰运动的驱动机构，减轻了装置的自重，降低了制作成本；气动肌肉的柔性驱动力保证患者训练安全；用微型电机作为腕关节摇摆的驱动机构，节约了机械设计空间；用闸线代替钢丝绳作为驱动与关节之间的连接，避免了张紧机构的空间制约；整体机构重量较轻，穿戴方便，利于便携化及家用化；通过圆周运动与直线运动的复合运动方式实现腕关节屈伸动作，对旋转关节角的控制起到了增益放大的作用。 

附图说明

图1是按照本实用新型的便携式二自由度腕关节康复训练机器人的整体结构示意图； 

图2是按照本实用新型优选实施例的滑动平台的装配示意图； 

图3是按照本实用新型中的旋转关节装配图的示意图； 

其中： 

1-手臂架  2-手背架  3-滑动平台  4-T形导轨  5-弧形齿条6-Z字形中心立柱  7-销轴  8、9、10、11-直线滑轨  12、13、14、15-滑块  16-前端连接板  17-后端连接板  18、19-小连接板  20、21-L形气动肌肉连接板  22-旋转关节  23-主动连杆  24-从动连杆25、26-气动肌肉  27-微型电机  28-圆柱齿轮  29、30-闸线  31-旋转关节内轮  32-旋转关节底壳  33-旋转关节顶盖 

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本实用新型。 

参见图1、2，图1是按照本实用新型的便携式二自由度康复训练机器人整体结构图，图2是按照本实用新型的优选的一个实施例的滑动平台的装配示意图。如图1、2中所示，一种便携式二自由度腕关节康复机器人，包括手臂架1、二自由度驱动机构、手背架2； 

手臂架1通过魔术扎带穿戴在人体小臂外侧；手背架2通过魔术扎带穿戴在人体手背处； 

二自由度驱动机构包括滑动机构、气动肌肉机构、旋转关节22、主动连杆23以及从动连杆24； 

气动肌肉机构滑动设置于所述滑动机构的上部，旋转关节22滑 动设置于所述滑动机构的一侧； 

主动连杆23一端与旋转关节22输出旋转轴相连，另一端与手背架2相连，从动连杆24一端与滑动机构的另一侧相连，另一端与手背架2相连； 

气动肌肉机构通过闸线29,30与旋转关节22相连构成传动机构，并驱动旋转关节22在滑动机构上来回运动，从而通过所述主动连杆23、从动连杆24带动手背架2实现绕腕关节的俯仰运动； 

滑动机构包括滑动平台3，4根直线滑轨8,9,10,11、4个滑块12,13,14,15，滑块12,13,14,15分别与直线滑轨8,9,10,11配套，用于固定支持滑动的部件；直线滑轨中2根10,11分别固定于滑动平台3两侧面，用于支持旋转关节22和从动连杆24的滑动，另2根8,9通过间隔一定距离并行固定在滑动平台顶面，用于支持气动肌肉机构的滑动； 

气动肌肉机构通过闸线29,30与旋转关节22相连构成传动机构，并驱动旋转关节22在滑动机构上来回运动，从而通过所述主动连杆23、从动连杆24带动手背架2实现绕腕关节的俯仰运动； 

二自由度驱动机构还包括Z字型中心立柱6、弧形齿条5、圆柱齿轮28、T形导轨4； 

Z字型中心立柱6、弧形齿条5、圆柱齿轮28、T形导轨4依次固定在所述手背架2的上侧； 

滑动机构前部通过销轴7紧固于所述中心立柱6的上部，后部支撑于导轨4上。 

滑动机构上设置有电机27，圆柱齿轮28通过与所述电机27输出轴相连，并与所述弧形齿条5啮合构成传动机构，从而带动滑动机构和气动肌肉机构以销轴7为轴沿着弧形齿条5做来回运动，从而通过主动连杆23、从动连杆24带动手背架2实现腕关节的摇摆运动。 

滑动平台3通过销轴7穿过内嵌轴承与所述Z字形中心立柱6联接；销轴7末端通过顶丝与所述Z字形中心立柱6紧固；直线滑轨中2根10,11通过紧固螺丝分别与滑动平台两侧面相连，另2根8,9通过紧固螺丝并行相隔一段距离固定在滑动平台3顶面；4个滑块12,13,14,15分别与所述直线滑轨8,9,10,11配套以限定气动肌肉的收缩方向和连杆末端的移动方向；前、后端连接板16,17通过紧固螺丝分别固定于滑动平台前后两端面；2块小连接板18,19通过紧固螺丝分别与滑动平台两侧面的滑块14,15相连用以转接2根连杆23,24与滑块14，15；2块L形气动肌肉连接板20,21通过紧固螺丝分别与滑动平台顶面的2滑块12,13相连；旋转关节22通过紧固螺丝与滑动平台一侧面的小连接板18相连；主动连杆23一端通过键与旋转关节22输出轴相连，另一端通过轴套螺丝与手背架2相连；从动连杆24一端通过轴套螺丝与非旋转关节侧的所述小连接板19相连，另一端通过轴套螺丝与手背架2相连。 

2根气动肌肉25,26开口端通过紧固螺丝与所述后端连接板17相连，气动肌肉25,26封闭端通过紧固螺丝分别与所述2块L形气动肌肉连接板20,21相连；L形气动肌肉连接板20,21通过闸线29,30与所述旋转关节内轮31相连构成传动机构。 

电机27通过顶丝与滑动平台3相连；圆柱齿轮28通过顶丝与微型电机27输出轴相连，并与弧形齿条5啮合构成传动机构，使电机转动通过齿轮与齿条的啮合带动滑动机构和气动肌肉机构整体沿弧形齿条5做来回运动，形成腕关节的摇摆动作。 

旋转关节22如图3所示，由旋转关节底壳32、旋转关节内轮31及旋转关节顶盖33构成；其中旋转关节内轮31为圆盘结构并在其顶面的中心处带有圆柱形凸台，内轮圆盘的侧面挖有过线槽和过线孔，用以引导自行车刹车闸线的线芯，并固定线端；其圆柱形凸台间隔90度角，分立3个键齿，用以与主动连杆23上的键槽进行镶嵌连接传动；内轮顶面围绕圆柱形凸台有2段圆弧形贯通内轮顶面和底面的通槽，用以通过定/限位螺丝；旋转关节底壳32为一顶面中央挖孔，并在孔边对称钻通2个小孔的圆柱壳，圆柱壳外侧面上沿旋转关节内轮31过线槽中心线的切线方向凸起2个带通孔的圆柱形凸台；旋转关节底壳32的作用是将旋转关节内轮31包裹，使闸线的套管末端限制在其外侧的凸台顶面，而线芯由凸台中心的通孔穿入；圆柱壳顶面中央挖有大孔用以通过内轮31中央的圆柱凸台，2个小的限位孔距顶面中心的位置与内轮上2段圆弧形通槽的中心线相对应，用以通过定/限位螺丝；旋转关节顶盖33为一薄圆柱体，顶面对应旋转关节底壳32的限位孔位置钻有2个同样的限位孔用以通过定/限位螺丝；装配时，用2个长螺丝依次穿过旋转关节顶盖33的限位孔、旋转关节内轮31的通槽、旋转关节底盖32的限位孔将旋转关节3个组成部分连接起来构成旋转关节22，并将之固定在小连接板18上； 

本实例的具体使用过程如下： 

腕关节的屈/伸运动，采用“气动肌肉对”25,26以主动肌25—拮抗肌26的方式驱动旋转关节。当向主动肌25充气时，主动肌25膨胀使其长度压缩，同时，将拮抗肌26放气使得拮抗肌26收缩从而使其长度伸展，通过上述“气动肌肉对”的对拉作用，将气动肌肉的直线运动转变为旋转关节22的圆周运动。 

由“气动肌肉对”25,26驱动旋转关节22带动所述主动连杆23绕轴做圆周运动，从而带动手背架2绕腕关节做圆周运动。手背架绕腕关节做圆周运动时，沿圆周径向所产生的分力作用在人体手背上，其反作用力通过主动、从动连杆23,24传递，从而推动旋转关节22在滑道10上向后运动，以补偿旋转关节22与手背架2之间的距离变化。因此，通过旋转关节22旋转与旋转关节22沿滑道10的直线运动所产生的复合运动，带动手背架2绕着腕关节进行旋转运动，从而实现对手腕关节进行俯仰动作的训练。 

腕关节的摇摆运动，采用微型电机27带动圆柱齿轮28沿弧形齿条5进行圆周运动的方式来实现。微型电机27内嵌于滑动平台3内，其转动通过齿轮28与弧形齿条5的啮合带动整个滑动平台3沿弧形齿条5做圆周运动，从而带动手背架2绕腕关节做摇摆运动，以实现患者腕关节的摇摆训练。 

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的 保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种便携式二自由度腕关节康复机器人，包括用于穿戴在人体小臂外侧的手臂架(1)、用于穿戴在人体手背处的手背架(2)、以及用于联接所述手臂架(1)和手背架(2)的二自由度驱动机构，其中： 

所述二自由度驱动机构包括滑动机构、气动肌肉机构、旋转关节(22)、主动连杆(23)以及从动连杆(24)； 

所述气动肌肉机构滑动设置于所述滑动机构的上部，所述旋转关节(22)滑动设置于所述滑动机构的一侧； 

所述主动连杆(23)一端与所述旋转关节(22)输出旋转轴相连，另一端与手背架(2)相连，所述从动连杆(24)一端与所述滑动机构的另一侧相连，另一端与手背架(2)相连； 

所述气动肌肉机构通过闸线(29,30)与所述旋转关节(22)相连构成传动机构，并驱动旋转关节(22)在滑动机构上来回运动，从而通过所述主动连杆(23)、从动连杆(24)带动手背架(2)实现绕腕关节的俯仰运动； 

所述二自由度驱动机构还包括中心立柱(6)、弧形齿条(5)、圆柱齿轮(28)、导轨(4)； 

所述中心立柱(6)、弧形齿条(5)、圆柱齿轮(28)、导轨(4)依次固定在所述手背架(2)的上侧； 

所述滑动机构前部通过销轴(7)紧固于所述中心立柱(6)的上部，后部支撑于导轨(4)上； 

所述滑动机构上设置有电机(27)，所述圆柱齿轮(28)通过与所述电机(27)输出轴相连，并与所述弧形齿条(5)啮合构成传动机构，从而带动滑动机构和气动肌肉机构以销轴(7)为轴沿着弧形齿条(5)做来回运动，从而通过主动连杆(23)、从动连杆(24)带动手背架(2)实现腕关节的摇摆运动。 

2.如权利要求1所述的便携式二自由度腕关节康复机器人，其特征在 于， 

所述滑动机构包括滑动平台(3)，4根直线滑轨(8,9,10,11)、4个滑块(12,13,14,15)，滑块(12,13,14,15)分别与所述直线滑轨(8,9,10,11)配套，用于固定支持滑动的部件；所述直线滑轨中2根分别固定于滑动平台(3)两侧面，用于支持旋转关节(22)和从动连杆(24)的滑动，另2根通过间隔一定距离并行固定在滑动平台顶面，用于支持气动肌肉机构的滑动。 

3.如权利要求2所述的便携式二自由度腕关节康复机器人，其特征在于， 

所述气动肌肉机构包括2根气动肌肉(25,26)，2块L形气动肌肉连接板(20,21)，前端连接板(16)，后端连接板(17)； 

所述2块气动肌肉连接板(20,21)分别与滑动平台(3)顶面的2滑块(12,13)相连； 

所述前、后端连接板(16,17)分别固定于滑动平台(3)前后两端面； 

所述2根气动肌肉(25,26)开口端与所述后端连接板(17)相连，气动肌肉(25,26)封闭端分别与所述2块L形气动肌肉连接板(20,21)相连。 

4.如权利要求3所述的便携式二自由度腕关节康复机器人，其特征在于， 

所述滑动平台两侧面的滑块(14,15)分别与2块小连接板(18,19)相连，2块小连接板(18,19)连接旋转关节(22)和从动连杆(24)。 

5.如权利要求1-4任意一项所述的便携式二自由度腕关节康复机器人，其特征在于，所述旋转关节由旋转关节底壳(32)、旋转关节内轮(31)及旋转关节顶盖(33)构成，所述闸线(29,30)与所述旋转关节内轮(31)相连构成传动机构。