專(zhuān)利名稱(chēng)：多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人用于心腦血管疾病或意外事故等造成上肢體損傷的患者作上肢康復(fù)訓(xùn)練，屬于醫(yī)療保健器械。
背景技術(shù)：
醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐證明，腦癱后遺癥或意外事故等造成上肢體損傷的患者必須進(jìn)行肢體訓(xùn)練，防止肌肉“廢用性”萎縮，恢復(fù)其功能。由于患者已存在功能障礙，不能獨(dú)立完成肢體訓(xùn)練，故此項(xiàng)工作一般由護(hù)士或其他人實(shí)施。這不僅需要實(shí)施者具有一定的護(hù)理知識(shí)，也需要實(shí)施者具有一定的體力。盡管目前對(duì)此已有相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)，但亦有必要對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)進(jìn)行完善和補(bǔ)充，特別是將機(jī)器人原理運(yùn)用于其中。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是公開(kāi)一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。它根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人體上肢的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。使用時(shí)可根據(jù)患者病患的輕重和體能自主調(diào)整康復(fù)訓(xùn)煉的速度和強(qiáng)度，從而使肌肉鍛煉和運(yùn)動(dòng)功能鍛煉取得最佳效果。
多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人包括運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制箱和把手。其中運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)包括支架、底座、緊固螺釘、端蓋、轉(zhuǎn)軸；擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括機(jī)箱、擺動(dòng)傳感器、伺服電機(jī)、減速機(jī)、連接套筒、聯(lián)軸器、軸承座、擺動(dòng)頭和軸承；伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伸縮傳感器、伺服電機(jī)、連接套筒、聯(lián)軸器、螺母、外套筒、絲杠、內(nèi)套筒、軸承和導(dǎo)套；控制箱內(nèi)安裝的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括PC機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件同軸線安裝在一個(gè)方形機(jī)箱內(nèi)，擺動(dòng)動(dòng)力來(lái)自機(jī)箱內(nèi)的雙出軸伺服電機(jī)且從機(jī)箱壁上的透孔中輸出。伺服電機(jī)的一端借助連接套筒和聯(lián)軸器與具有減速功能的雙出軸減速機(jī)相連，另一端借助連接套筒和聯(lián)軸器與擺動(dòng)傳感器相連(伺服電機(jī)和擺動(dòng)傳感器均有通到控制箱內(nèi)的引出線)。組裝后的整體又借助連接套筒固定在機(jī)箱內(nèi)壁上，此處的機(jī)箱壁上加工有一透孔，固裝軸承座和軸承；擺動(dòng)頭的軸頭插裝在軸承內(nèi)并與減速機(jī)的另一個(gè)軸頭連接。擺動(dòng)頭上還加工有一個(gè)軸線與其上軸頭軸線正交的透孔，用于固裝伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。于是，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下伺服電機(jī)可帶動(dòng)擺動(dòng)頭(連同固裝于其上的伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)擺動(dòng)。伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是將計(jì)算機(jī)控制下的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)螺母、絲杠轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。其零部件也是同軸線安裝。雙出軸的伸縮伺服電機(jī)的一端借助連接套筒和聯(lián)軸器與伸縮傳感器相連(伺服電機(jī)和擺動(dòng)傳感器均有通到控制箱內(nèi)的引出線)，另一端借助連接套筒與伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的外套筒固連；而外套筒的另一端與一個(gè)導(dǎo)套固連；一端固裝螺母，另一端固裝把手的內(nèi)套筒可在旋入螺母內(nèi)且借助聯(lián)軸器與伸縮伺服電機(jī)相連的絲杠的帶動(dòng)下在外套筒內(nèi)自由滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)軸的一個(gè)端面與內(nèi)部含有所述組裝體的機(jī)箱側(cè)壁固連后從底座的一端插入其通孔內(nèi)，而底座的另一端固定一端蓋，底座又固定在支架的上平臺(tái)上。這樣做的目的是使擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)并通過(guò)擺動(dòng)頭帶動(dòng)伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)繞處于水平狀態(tài)的轉(zhuǎn)軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。作康復(fù)訓(xùn)練時(shí)一般用到兩個(gè)位置，其一是擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸線與地面垂直，其二是與地面平行；兩個(gè)位置均可用端蓋上的緊固螺釘鎖定。擺動(dòng)傳感器和伸縮傳感器用于拾取各自對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)角信號(hào)供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制使用。
控制擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的是裝在控制箱內(nèi)的PC機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)組成的二級(jí)控制系統(tǒng)以及兩套驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)(擺動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)各一套)。其中單片機(jī)系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源、通訊接口、鍵盤(pán)、顯示器；驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)分別包括驅(qū)動(dòng)器。電源將AC220V轉(zhuǎn)換為DC5V和DC28V，分別供給單片機(jī)和2個(gè)驅(qū)動(dòng)器。PC機(jī)通過(guò)通訊接口向單片機(jī)發(fā)出控制指令，產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器后分別控制擺動(dòng)和伸縮伺服電機(jī)。擺動(dòng)傳感器(光電編碼器)和伸縮傳感器(光電編碼器)分別將測(cè)得的角速度和角位移信號(hào)反饋給單片機(jī)；構(gòu)成兩路閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。與此同時(shí)PC機(jī)接收來(lái)自單片機(jī)所傳送的傳感器速度和位置信息，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，模擬上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使之符合患者的需要?？刂葡渑_(tái)面上布置功能鍵盤(pán)和狀態(tài)顯示屏供使用者選擇，功能鍵盤(pán)發(fā)出的信息可通過(guò)電纜接入單片機(jī)控制機(jī)器人的工作方式，顯示屏用來(lái)顯示機(jī)器人的工作狀態(tài)。
左右或上下?lián)u擺的角度可設(shè)定在-45°～+45°內(nèi)，伸縮運(yùn)動(dòng)的幅度為30cm，搖擺速度0～40次/分，伸縮速度0～20cm/S。
本實(shí)用新型用于心腦血管疾病致癱和因意外事故等造成的上肢體損傷患者做上肢康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。


圖1 多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的機(jī)構(gòu)示意圖圖2 多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理框圖具體實(shí)施方式
下面給出本實(shí)用新型實(shí)施的優(yōu)選方案，并結(jié)合附圖加以說(shuō)明。
如圖1所示的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，它包括運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)1、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、控制箱4和把手5。其中運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)1包括支架10、底座11、緊固螺釘12、端蓋13、轉(zhuǎn)軸14；擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2包括機(jī)箱20、擺動(dòng)傳感器21、擺動(dòng)伺服電機(jī)22、減速機(jī)23、連接套筒24-1、24-2、24-3、聯(lián)軸器25-1、25-2、軸承座26、擺動(dòng)頭27和軸承28；伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3包括伸縮傳感器30、伸縮伺服電機(jī)31、連接套筒32-1、32-2、聯(lián)軸器33-1、33-2、螺母34、外套筒35、絲杠36、內(nèi)套筒37和導(dǎo)套38；又如圖2所示，圖1中所示的控制箱4內(nèi)裝有PC機(jī)41、單片機(jī)系統(tǒng)42、控制擺動(dòng)和伸縮的兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)43、44。
擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2的零部件同軸線安裝在一個(gè)方形機(jī)箱20內(nèi)。擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自于雙出軸的擺動(dòng)伺服電機(jī)22，其一端借助連接套筒24-2和聯(lián)軸器25-2與具有減速功能的雙出軸減速機(jī)23相連，另一端借助連接套筒24-1和聯(lián)軸器25-1與擺動(dòng)傳感器21相連(擺動(dòng)伺服電機(jī)22和擺動(dòng)傳感器21均有通到控制箱4的引出線)。所述組裝體又借助連接套筒24-3固定在機(jī)箱20的內(nèi)壁上，此處的機(jī)箱20的壁上有一透孔，固裝軸承座26和軸承28；擺動(dòng)頭27上的軸頭插裝在軸承28內(nèi)并與減速機(jī)23的另一個(gè)軸頭連接。擺動(dòng)頭27上還加工有一個(gè)軸線與其上軸頭軸線正交的透孔，用于固裝伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3。伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3的零部件也同軸線安裝。伸縮運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自于另一個(gè)雙出軸伺服電機(jī)31，其一端借助連接套筒32-1和聯(lián)軸器33-1與伸縮傳感器30相連(伺服電機(jī)31和伸縮傳感器30均有通到控制箱4的引出線)，另一端借助連接套筒32-2與伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3的外套筒35固連；而外套筒35的另一端與導(dǎo)套38固連；一端固裝螺母34、另一端固裝把手5的內(nèi)套筒37可在旋入螺母34后并借助聯(lián)軸器33-2與伸縮伺服電機(jī)31相連的絲杠36的帶動(dòng)下在外套筒35內(nèi)自由滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)1中轉(zhuǎn)軸14的端面與擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2中機(jī)箱20的側(cè)壁固連后將其另一端插入底座11的通孔內(nèi)，在底座11的另一端面上固定一端蓋13。底座11又固定在支架10的上平臺(tái)上。這樣做的目的是使整個(gè)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2和擺動(dòng)頭27帶動(dòng)的伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3可繞轉(zhuǎn)軸14的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。作康復(fù)訓(xùn)練時(shí)一般用到兩個(gè)位置，其一是擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2的軸線與地面垂直；其二是與地面平行；兩個(gè)位置均可用端蓋13上的緊固螺釘12鎖定。
如圖2所示，控制擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2和伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3動(dòng)作的是裝在控制箱4內(nèi)的PC機(jī)41和單片機(jī)系統(tǒng)42組成的二級(jí)控制系統(tǒng)以及兩套驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)43、44(擺動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)各一套)。其中單片機(jī)系統(tǒng)42包括單片機(jī)425、電源421、通訊接口422、鍵盤(pán)423、顯示器424。
電源421將AC220V轉(zhuǎn)換為DC5V和DC28V，分別供給單片機(jī)425和2個(gè)驅(qū)動(dòng)器43、44。PC機(jī)41通過(guò)通訊接口422向單片機(jī)425發(fā)出控制指令，產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器43、44后分別控制擺動(dòng)和伸縮伺服電機(jī)22、31。擺動(dòng)傳感器21和伸縮傳感器30分別將測(cè)得其角速度和角位移信號(hào)反饋給單片機(jī)425；構(gòu)成兩路閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。與此同時(shí)PC機(jī)41接收來(lái)自單片機(jī)425所傳送的傳感器速度和位置信息，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，模擬上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使之符合患者的需要?？刂葡?臺(tái)面上布置功能鍵盤(pán)423和狀態(tài)顯示屏424供使用者選擇，功能鍵盤(pán)423發(fā)出的信息送給單片機(jī)425并在狀態(tài)顯示屏424上顯示。
本實(shí)用新型用于心腦血管疾病致癱和因意外事故等造成的上肢體損傷患者做上肢康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。
權(quán)利要求1.一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，它包括運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)(1)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)、控制箱(4)和把手(5)；其特征在于擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)的零部件同軸線安裝在一個(gè)方形機(jī)箱(20)內(nèi)，擺動(dòng)動(dòng)力來(lái)自機(jī)箱(20)內(nèi)的擺動(dòng)伺服電機(jī)(22)且經(jīng)擺動(dòng)頭(27)輸出，擺動(dòng)頭(27)上加工有一個(gè)軸線與其上軸頭軸線正交的透孔，用于固裝伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)；伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)是一套包括伸縮伺服電機(jī)(31)和螺桿副的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)通過(guò)機(jī)箱(20)壁與插裝在運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)(1)中底座(11)透孔內(nèi)的轉(zhuǎn)軸(14)端面固連，從而可使擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)和伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)繞轉(zhuǎn)軸(14)的軸線旋轉(zhuǎn)并借助緊固螺釘(12)鎖定；分別與兩個(gè)伺服電機(jī)相連的擺動(dòng)傳感器(21)和伸縮傳感器(30)用于拾取各自對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)角信號(hào)供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制使用。
2.如權(quán)利要求1所述的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)(1)由支架(10)、底座(11)、緊固螺釘(12)、端蓋(13)、轉(zhuǎn)軸(14)組成；其中底座(11)固定在支架(10)的上平臺(tái)上；轉(zhuǎn)軸(14)與擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)中機(jī)箱(20)的側(cè)壁固連后插入底座(11)的通孔內(nèi)，底座(11)的另一端面上固定一端蓋(13)，端蓋(13)上有緊固螺釘12。
3.如權(quán)利要求1所述的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)由擺動(dòng)傳感器(21)、擺動(dòng)伺服電機(jī)(22)、減速機(jī)(23)、連接套筒(24-1，24-2，24-3)、聯(lián)軸器(25-1，25-2)、軸承座(26)、擺動(dòng)頭(27)和軸承(28)組成；所述的零部件同軸線安裝在方形機(jī)箱(20)內(nèi)；雙出軸擺動(dòng)伺服電機(jī)(22)的一端借助連接套筒(24-2)和聯(lián)軸器(25-2)與雙出軸減速機(jī)(23)相連，另一端借助連接套筒(24-1)和聯(lián)軸器(25-1)與擺動(dòng)傳感器(21)相連；所述的組裝體又借助連接套筒(24-3)固定在機(jī)箱(20)的內(nèi)壁上，此處的機(jī)箱(20)壁上有一透孔，固裝軸承座(26)和軸承(28)；擺動(dòng)頭(27)上的軸頭插裝在軸承(28)內(nèi)并與減速機(jī)(23)的另一個(gè)軸頭連接；擺動(dòng)頭(27)上還加工有一個(gè)軸線與其上軸頭軸線正交的透孔。
4.如權(quán)利要求1所述的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其特征在于伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)由伸縮傳感器(30)、伸縮伺服電機(jī)(31)、連接套筒(32-1，32-2)、聯(lián)軸(33-1，33-2)、螺母(34)、外套筒(35)、絲杠(36)、內(nèi)套筒(37)和導(dǎo)套(38)組成，所述的零部件同軸線安裝；雙出軸伺服電機(jī)(31)的一端借助連接套筒(32-1)和聯(lián)軸器(33-1)與伸縮傳感器(30)相連，另一端借助連接套筒(32-2)與外套筒(35)一端固連，而外套筒(35)另一端與導(dǎo)套(38)固連；一端固裝螺母(34)、另一端固裝把手(5)的內(nèi)套筒(37)可在旋入螺母(34)并借助聯(lián)軸器(33-2)與伸縮伺服電機(jī)(31)軸頭相連的絲杠(36)的帶動(dòng)下在外套筒(35)內(nèi)自由滑動(dòng)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，它是根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機(jī)合作機(jī)器人原理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人體上肢的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。使用時(shí)可根據(jù)病患的輕重和患者的體能自主調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練的速度和強(qiáng)度，從而達(dá)到最佳康復(fù)效果。多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人包括運(yùn)動(dòng)面調(diào)整機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制箱和把手?？刂葡鋬?nèi)裝有PC機(jī)、單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)、輸入鍵盤(pán)和顯示器。控制信息可從鍵盤(pán)上輸入，運(yùn)動(dòng)狀況可在屏幕上顯示。本實(shí)用新型用于心腦血管疾病致癱和因意外事故等造成的上肢體損傷患者做上肢康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。
文檔編號(hào)A61H1/00GK2688278SQ20042001873
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月7日
發(fā)明者張立勛, 楊勇 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)