一种视觉及力反馈型上肢康复机器人

1.本发明属于上肢康复机器人技术领域，涉及一种视觉及力反馈型上肢康复机器人。


背景技术：

2.面对我国人口老龄化越来越严峻的形势，脑卒中又称“中风”，作为一种集中于老年人群体中的脑血管疾病，已成为中国第一大致死原因。虽然现代医学的进步能够减少其死亡率，但是患者患病后由于运动神经缺失造成的运动功能障碍仍然非常普遍。康复作为治疗脑卒中致残率最有效的方法，然而因医师数量、训练成本等原因受到制约。目前存在的康复机器人也有很多地方需要加以改进：1)临床应用较少；2)结构庞大，成本高；3)康复效果不明显，用户体验不高。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对有运动功能障碍的脑卒中患者，设计一种视觉及力反馈型上肢康复机器人。该机器人可以实现无场地限制的高效率康复训练，不仅可以减低康复成本还可以通过趣味训练，还能提高患者的康复体验。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
5.一种视觉及力反馈型上肢康复机器人，主要由以下四部分组成：支撑座椅ⅰ、肘部平移装置ⅱ、肘部升降装置ⅲ、肘部旋转装置ⅳ。所述的支撑座椅ⅰ作为整个机器人的载体，主要起到支撑人体和固定机构的作用。所述的肘部平移机构ⅱ安装于下部装置支撑横梁1-2和上部装置支撑横梁1-4中，能够满足机器人的平移自由度要求。所述的肘部升降机构ⅲ通过装置支撑板4安装在肘部平移机构ⅱ上，能够在平移的基础上实现升降运动。所述的肘部旋转装置ⅳ同样安装在肘部平移机构ⅱ，在满足旋转运动的同时通过扭矩传动套25上配合的扭矩杆连接件9与滑块连接件18进行升降运动。
6.所述的支撑座椅ⅰ包括两条支撑前腿1-1、两条支撑后腿1-3、两条正向固定横梁1-6、两条侧面固定横梁1-5、两条下部装置支撑横梁1-2、内外侧两条装置支撑横梁1-4、椅背横梁1-9、两条椅面正向横梁1-8和椅面侧面横梁1-7。所述每条侧面固定横梁1-5均固定于支撑前腿1-1和支撑后腿1-3之间，两条侧面固定横梁1-5位于前后腿端部。所述的一条正向固定横梁1-6固定于两条支撑前腿1-1之间，另一条固定于两条支撑后腿1-3之间，且相互平行位于同一平面。所述的上部装置支撑横梁1-4与一条下部装置支撑横梁1-2均水平安装于一条前腿1-1和一条支撑后腿1-3之间，另外一条下部装置支撑横梁1-2安装于两条正向固定横梁1-6之间，且两条下部装置支撑横梁1-2相互水平。内侧下部装置支撑横梁1-4安装于两条正向固定横梁1-6。所述的两条椅面正向横梁1-8和椅面侧面横梁1-7构成椅面，可以支撑人体，其中椅面正向横梁1-8固定于两条支撑后腿1-3之间，侧面横梁1-7固定于支撑前腿1-1与支撑后腿1-3之间。
7.所述的肘部平移装置包括底部平行滑轨2、两个底部滑块3、装置支撑板4、顶部平
移滑轨6、顶部滑块7。所述的两条底部平行滑轨2分别安装于下部装置支撑横梁1-2上且保持平行。所述的两个底部滑块3安装于滑轨2上，装置支撑板4与两个平移滑块2之间通过螺母连接，底部滑块3能够在滑轨上做平移运动。所述的顶部平移滑轨6安装在上部装置支撑横梁1-4上，其中顶部平移滑轨6与外侧底部平行滑轨2在同一竖直平面且相互平行，顶部滑块7安装在顶部平移滑轨6上。
8.所述的肘部升降装置ⅲ包括升降轴固定块5、四根升降轴8、重物托盘12、四个法兰13、滑块连接件18、滑轮固定块17、两个滑轮15、绳子16、以及扭矩杆连接件9。所述的升降轴固定块5安装在装置支撑板4上，四根升降轴8承矩形分布且两端分别与滑轮固定块17和升降轴固定块5连接，全部保持竖直状态。所述的重物托盘12和扭矩杆连接件9分别通过两个法兰13与升降轴8连接，重物托盘12和扭矩杆连接件9能够沿升降轴8做平移运动，即实现竖直方向上的自由度要求，具体的：重物托盘12与两个法兰13通过螺母连接，此两个法兰安装于外侧两根升降轴8上，且能沿升降轴8平移即起到升降作用；剩下的两个法兰13与扭矩杆连接件9通过螺母连接，并且与内侧升降轴配合。所述的滑块连接件18为阶梯状，其低端平面与顶部滑块7固接，高端平面通过中心通孔与直线轴承配合。所述的两个滑轮15通过轮滑杆与滑轮固定块17固定安装，滑轮固定块17通过滑块连接件18与顶部滑块7连接，滑轮15能够以滑轮杆为轴线做旋转运动；所述的两个滑轮杆上装有绳索16，绳索16两端分别与重物托盘12和扭矩杆连接件9固连。此时，由于肘部升降装置ⅲ全部安装在装置支撑板4上，所以可以同时满足水平和竖直运动。
9.所述的肘部旋转装置ⅳ包括电机11、微型转台14、扭矩传动杆25、扭矩传动套19、直线轴承20、小臂旋转支撑件21、小臂固定杆22、小臂活动杆23、小臂托24。所述的电机11安装在装置支撑板4上，扭矩传动杆25底部为圆盘状，扭矩传动杆圆盘端部与电机11固接，能够保证电机在工作的时候带动扭矩传动杆25旋转。所述的微型转台14安装在扭矩杆连接件9与扭矩传动套19端部之间，可以避免装置同时做升降运动与旋转运动时相互干涉，具体的：微型转台14安装在扭矩杆连接件25上，扭矩传动杆25与小臂旋转支撑件21分别与扭矩传动套19两端相互配合。扭矩传动杆25与扭矩传动套19两者相互配合，截面为圆形互补，扭矩传动杆25横截面为大割圆，可以实现平移运动的同时还能传动扭矩。所述的扭矩传动杆25顶部安装有直线轴承20，小臂固定杆22安装与小臂旋转支撑件21上，小臂活动杆23与小臂固定杆22铰接，小臂托24安装与小臂活动杆23上。
10.进一步的，所述的扭矩杆连接件9为阶梯状，低端平面与法兰13固接，且有两个通孔与内侧升降轴相配合，高端平面中心设有通孔与扭矩传动套相配合。
11.所述机器人具体使用过程以及工作原理为：
12.使用者正坐于支撑座椅1椅面上，同时将小臂放置于小臂托24上。由于机器人旋转运动为电机11带动，平移和升降运动均为被动状态即使用者自身为动力源，以达到康复训练的目的。首先，使用者手臂放置于小臂托24上，调整重物托盘12上悬挂重物的重量使手臂和重物保持平衡状态，此时，扭矩杆连接件9与滑块连接件18通过绕过滑轮15的绳索16相连接，重物托盘12与小臂托24分别与扭矩杆连接件9与滑块连接件18连接。升降运动是指当使用者具备一定的运动能力时，使用者可以向下按压小臂托24使重物托盘12上的重物上移，当小臂取消向下运动时，重物会由于重力向下运动带动小臂托24向上运动。平移运动是指使用者小臂的前后运动会带动小臂托24及与其相串联的小臂旋转支撑件21、扭矩传动杆
25、扭矩传动套19、电机11、装置支撑板4和底部滑块3整体在底部平行滑轨2上做平移运动。若使用者小臂不具备前后运动能力，可对底部滑块3添加一个驱动，使平移运动变为主动自由度。机器人旋转运动是指电机11工作时，扭矩传动杆25旋转驱动扭矩传动套19，从而控制小臂旋转支撑件21与小臂固定杆22做旋转运动，同时小臂托上的小臂活动杆23可以使使用者在训练时更加灵活。
13.本发明的有益效果为：
14.(1)本发明的机器人基于患者肘部的运动进而带动上肢进行康复训练，为了适应康复前期的软瘫期患者，使用小臂支撑结构来支撑整体的重量。避免了简单的将手部与机器人末端进行固定会给患者带来极度的不舒适感以及无支撑情况下易产生的振动。
15.(2)机器人大部分结构由3d打印技术加工而成，选用pla材质，质量小，成本低。整体结构可以分为肘部平移，肘部升降，肘部旋转三个部分。充分满足了小臂康复训练的自由度要求。利用三个平行滑轨呈直角三角形分布且相互平行，增加了结构整体平稳性。
16.(3)同时设计了导向装置安装在支撑板上保证运动的流畅，避免升降扭矩传动结构轴向长度较大所以在运动过程中容易发生卡顿的现象。本发明安装相应的平衡重物(平衡重物置于重物托盘12内)，结构重量在平行导轨的作用下通过调节平衡重物的重量使整体在竖直方向上一直保持平衡状态，可以抵消人体重量对于驱动系统的负载，使机构实现了自重平衡的功能。
17.(4)另外机器人整体结构与患者康复的座位为一体，这样使整体结构紧凑，方便患者使用。
附图说明
18.图1为视觉及力反馈型上肢康复机器人右视图；
19.图2为视觉及力反馈型上肢康复机器人轴侧图；
20.图3为去掉支撑座椅的上肢康复机器人侧视图；
21.图4为视觉及力反馈型上肢康复机器人正视图；
22.图5为支撑座椅轴侧视图；
23.图6为扭矩传动杆与扭矩传动套轴侧视图；
24.图中：ⅰ支撑座椅；ⅱ肘部平移机构；ⅲ肘部升降机构；ⅳ肘部旋转机构；1支撑座椅；2底部平行滑轨；3底部滑块；4装置支撑板；5升降轴固定块；6顶部平移滑轨；7顶部滑块；8升降轴；9扭矩杆连接件；10内侧方法兰；11电机；12重物托盘；13外侧法兰；14微型转台；15滑轮；16绳子；17滑轮固定块；18滑块连接件；19扭矩传动杆；20直线轴承；21小臂旋转支撑件；22小臂固定杆；23小臂活动杆；24小臂托；25扭矩传动套；1-1支撑前腿；1-2下部装置支撑横梁；1-3支撑后腿；1-4上部装置支撑横梁；1-5侧面固定横梁；1-6正向固定横梁；1-7椅面侧面横梁；1-8椅面正向横梁；1-9椅背横梁。
具体实施方式
25.以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
26.一种视觉及力反馈型上肢康复机器人包括支撑座椅ⅰ、肘部平移装置ⅱ、肘部升降装置ⅲ、肘部旋转装置ⅳ。所述的支撑座椅ⅰ作为整个机器人的载体，主要起到支撑人体和
固定机构的作用。所述的肘部平移机构ⅱ安装于下部装置支撑横梁1-2和上部装置支撑横梁1-4中，能够满足机器人的平移自由度要求。肘部升降机构ⅲ通过装置支撑板4安装在肘部平移机构ⅱ上，能够在平移的基础上实现升降运动。肘部旋转装置ⅳ同样安装在肘部平移机构ⅱ，在满足旋转运动的同时通过扭矩传动套25上配合的扭矩杆连接件9与滑块连接件18进行升降运动。
27.所述的支撑座椅包括两条支撑前腿1-1、两条支撑后腿1-3、两条正向固定横梁1-6、两条侧面固定横梁1-5、两条下部装置支撑横梁1-2、上部装置支撑横梁1-4、椅背横梁1-9、两条椅面正向横梁1-8和侧面横梁1-7。上述的两条下部装置支撑横梁1-2与上部装置外侧支撑横梁1-4承直角三角形分布(两条1-2水平放置，与上部外侧支撑横梁1-4在椅子的正视图方向(截面)呈直角三角形)，且全部水平安装。其中上部装置支撑横梁1-2与外侧的下部装置支撑横梁1-4均水平安装于支撑座椅的前腿和后腿之间，内侧下部装置支撑横梁1-4安装于两条正向固定横梁1-6。两条椅面正向横梁1-8和侧面横梁1-7构成椅面，可以支撑人体。其中下部装置支撑横梁1-4分内外两侧，内侧1-4是椅面中间那条，比外侧的要低。支撑横梁共4条，两条1-2平行放置，两条1-2正上方的两条即为内外侧1-4，高度不同。
28.所述的肘部平移装置ⅱ包括两条底部平行滑轨2、两个底部滑块3、装置支撑板4、顶部平移滑轨6、顶部滑块7。所述的两条底部平行滑轨2分别安装于下部装置支撑横梁1-2上且保持水平；顶部平移滑轨6安装在上部装置支撑横梁1-4上。位于底部平行滑轨2上的底部滑块3能够在滑轨2上做平移运动；顶部平移滑轨6与顶部滑块7同理。
29.所述的肘部升降装置ⅲ包括升降轴固定块5、四根升降轴8、重物托盘12、四个方法兰13、滑块连接件18、滑轮固定块17、两个滑轮15、绳子16、以及扭矩杆连接件9。所述的升降轴固定块5安装在装置支撑板4上，四根升降轴8承矩形分布且两端分别与滑轮固定块17和升降轴固定块5连接且全部保持竖直状态。重物托盘12和扭矩杆连接件9分别通过两只方法兰与升降轴8连接。此时重物托盘12和扭矩杆连接件9能够沿升降轴8做平移运动，即实现了竖直方向上的自由度要求。重物托盘12和扭矩杆连接件9之间通过绳索16连接，所述的绳索16经过滑轮15。滑轮15固定连接在滑轮固定块17上，而滑轮固定块17则通过滑块连接件18与滑块7相连接。此时，由于肘部升降装置ⅲ全部安装在装置支撑板4上，所以可以同时满足水平和竖直运动。
30.所述的肘部旋转装置ⅳ包括电机11、微型转台14、扭矩传动杆25、扭矩传动套19、直线轴承20、小臂旋转支撑件21、小臂固定杆22、小臂活动杆23、小臂托24。所述的电机同样安装在装置支撑板4上，扭矩传动杆25为圆盘端部且与电机固接，能够保证电机在工作的时候带动扭矩传动杆25旋转。微型转台14安装在扭矩杆连接件与扭矩传动套19端部之间，可以避免装置同时做升降运动与旋转运动时相互干涉。扭矩传动杆25与扭矩传动套19两者相互配合，截面为圆形互补，扭矩传动杆25横截面为大割圆承d形。可以实现平移运动的同时还能传动扭矩。扭矩传动杆25顶部安装有直线轴承20，
31.扭矩传动套19与扭矩传动套19配合，并沿其做直线运动。
32.小臂固定杆22安装与小臂旋转支撑件21上，小臂活动杆23与小臂固定杆22铰接，小臂托24安装与小臂活动杆23上。肘部旋转装置ⅳ分别通过扭矩杆连接件9与滑块连接件18与升降轴8连接。扭矩杆连接件9与滑块连接件18均为阶梯状结构。扭矩杆连接件9低端平面与内侧升降轴8相配合，高端平面中心设有通孔与扭矩传动套19相配合。滑块连接件18低
端平面与顶部滑块7固接，高端平面通过中心通孔与直线轴承20固接。当重物托盘12通过绳索16带动滑块连接件18做升降运动时，微型转台14以及扭矩传动套19均会实现竖直方向上的移动。所以此时机器人可以同时实现平移、升降、旋转三个自由度要求。
33.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。