專利名稱：一種可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療康復訓練設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種康復訓練連機器人，具體為一種可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人，該機器人能直接作用于患者進行康復訓練。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的進步、醫(yī)療水平的提高和居民生活水平的改善，我國正步入老齡化社會，年長人口規(guī)模逐年增大。在老齡人群中有大量的腦血管疾病、肌肉萎縮肌無力或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。由于患心腦血管疾病使中老年患者出現(xiàn)偏癱的人數(shù)不斷增多，而且在年齡上呈現(xiàn)年輕化 趨勢。同時，由于交通運輸工具數(shù)量的迅速增長，因交通事故而造成肢體損傷的人數(shù)也越來越多。臨床醫(yī)學和醫(yī)學理論證明，這類患者除了前期手術(shù)治療和藥物治療外，正確、科學、合理的康復訓練對于肢體運動功能的恢復起到十分重要的作用。然而如果采用人工輔助患者進行康復訓練，則需要幾個護理人員同時協(xié)調(diào)工作，而且極易由于疲勞產(chǎn)生運動不準確而達不到訓練效果。因此采用康復訓練機器人來輔助病人進行康復訓練十分必要?？祻蜋C器人是一種穿戴式的輔助人們運動的人機系統(tǒng)，是近年來發(fā)展起來的一種新的運動神經(jīng)康復治療技術(shù)。它可輔助或者替代醫(yī)師完成患肢康復訓練，其出現(xiàn)為偏癱康復開辟了新的技術(shù)途徑，彌補了臨床運動治療的諸多不足。人體關(guān)節(jié)的運動來自于骨骼肌的伸張/收縮，在康復機器人領(lǐng)域關(guān)節(jié)的驅(qū)動主要米用氣缸、液壓缸、電動缸和氣動肌肉。前三者驅(qū)動方式使機器人系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上呈剛性，若要在通過控制實現(xiàn)一定的柔順性會使控制變得復雜；氣動肌肉的力/長度輸出特性與生物肌肉的力/長度特性很相似，國內(nèi)外對其應用在柔性關(guān)節(jié)上研究較多，但也存在一些缺點氣動人工肌肉與傳統(tǒng)氣動執(zhí)行元件相比行程小(氣動人工肌肉空載時可達20% ;有載時只可達到10%;而有的傳統(tǒng)氣缸可達到40%);氣動人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時變性，使準確控制其位移十分困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人，其執(zhí)行器為柔性驅(qū)動器，使患者在康復訓練時有較好的舒適性和安全性，并且康復機器人關(guān)節(jié)的剛度控制和位置控制可以分開，以降低控制難度，實現(xiàn)良好的柔順性。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人，包括穿戴式外骨骼機構(gòu)和非線性驅(qū)動器，非線性驅(qū)動器包括連桿-彈簧非線性機構(gòu)和電機絲桿直線驅(qū)動機構(gòu)；其特征在于
I).所述穿戴式外骨骼機構(gòu)包括大臂、大臂支撐架、大臂調(diào)節(jié)軸、大臂支撐架底座、肘關(guān)節(jié)連接塊、關(guān)節(jié)連接銷軸、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪、編碼器安裝彈簧片、編碼器、小臂、小臂支撐架、小臂調(diào)節(jié)軸和小臂支撐底座，所述大臂支撐架為U型支架，U字形支架底端與大臂調(diào)節(jié)軸固連，大臂調(diào)節(jié)軸通過螺釘與大臂支撐架底座相連，大臂支撐架底座與大臂固連，肘關(guān)節(jié)連接塊分別與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪、小臂固連，大臂通過關(guān)節(jié)連接銷軸與肘關(guān)節(jié)連接塊轉(zhuǎn)動連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，編碼器安裝彈簧片將編碼器與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪相連，小臂與小臂支撐底座固連，小臂調(diào)節(jié)軸通過螺釘與小臂支撐底座相連，小臂支撐底座與小臂支撐架U字型底部固連；
2).所述連桿-彈簧非線性機構(gòu)包括機架、從動搖桿底座、從動搖桿轉(zhuǎn)動軸、從動搖桿彈簧、搖桿-連桿連接軸、連桿、主動搖桿、滾筒、主動搖桿轉(zhuǎn)動軸和主動搖桿底座，所述從動搖桿底座固連在機架上，通過從動搖桿轉(zhuǎn)動軸與從動搖桿轉(zhuǎn)動相連，從動搖桿與連桿由搖桿-連桿連接軸轉(zhuǎn)動相連，彈簧一端與從動搖桿轉(zhuǎn)動軸相連，另一端與連桿下端通過銷軸相連，搖桿-連桿連接軸將連桿與主動搖桿轉(zhuǎn)動相連，主動搖桿固連在滾筒上，滾筒與前后2個主動搖桿底座由主動搖桿轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動相連構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；
3).所述電機絲桿直線機構(gòu)包括動滑輪、銷軸、動滑輪支架、絲桿、絲桿螺母套、大帶輪、同步帶、小帶輪、支、電機、套筒和端蓋 ，所述動滑輪通過銷軸支承在動滑輪支架上，絲桿前端有螺紋與動滑輪連接架固定相連，大帶與絲桿螺母固連，同步帶將小帶輪與大帶輪相連，電機輸出軸通過鍵與小帶輪相連，電機固定在支架上，絲桿螺母套與套筒同樣固定在支架上，端蓋固定在套筒；
4).所述兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)分別安裝在穿戴式外骨骼機構(gòu)的大臂和小臂的下方，所述兩個電機絲桿直線運動機構(gòu)分別安裝在兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的下方；一根鋼絲繩的的一端繞在一個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的滾筒上，然后依次繞過同側(cè)安裝的電機絲桿直線運動機構(gòu)的動滑輪、穿戴式外骨骼機構(gòu)的肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪、另一電機絲桿直線運動機構(gòu)的動滑輪，最后另一端繞在另一個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的滾筒上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著技術(shù)進
I K
少
本發(fā)明機器人根據(jù)康復醫(yī)學理論和人機工程學數(shù)據(jù)來設(shè)計，能對上肢肘關(guān)節(jié)進行康復訓練。本發(fā)明的非線性驅(qū)動機構(gòu)模擬肱二頭肌和肱三頭肌驅(qū)動肘關(guān)節(jié)運動，有良好的柔順性，保證患者訓練安全，非線性機構(gòu)可以使施加在肘關(guān)節(jié)的力為二次非線性，這使得肘關(guān)節(jié)的剛度和位置可以分別控制，不會因為柔性而影響位置精度。下面簡要介紹非線性驅(qū)動器工作原理。電機轉(zhuǎn)動，通過同步帶-絲桿使動滑輪移動，其移動位移是滾筒上鋼絲繩長度變化和肘關(guān)節(jié)上鋼絲繩長度變化之和。滾筒上鋼絲繩的拉力與其滾筒轉(zhuǎn)過的角度即鋼絲繩長度變化為二次非線性關(guān)系。當關(guān)節(jié)處于平衡時，肘關(guān)節(jié)所受的力即為滾筒上鋼絲繩的拉力，此時兩個驅(qū)動器對肘關(guān)節(jié)的合力矩為0，即兩滾筒上鋼絲繩拉力相等，滾筒上鋼絲繩長度變化也相等。因此，肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度與兩驅(qū)動器電機轉(zhuǎn)動角度之差呈正比。肘關(guān)節(jié)剛度等于所受力矩對角度求導，由于所受的力是角度的二次關(guān)系，最后求導變換得出的結(jié)果是剛度與電機轉(zhuǎn)動角度之和成正比。如上所述，肘關(guān)節(jié)角度位置與兩驅(qū)動器電機轉(zhuǎn)角之差成正t匕，肘關(guān)節(jié)剛度與兩驅(qū)動器電機轉(zhuǎn)角之和呈正比，故可以將位置與剛度分開控制，在對剛度進行控制時不會影響關(guān)節(jié)位置精度。


圖I為本發(fā)明可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I中穿戴式外骨骼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖I中連桿-彈簧非線性機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖I中電機絲桿直線驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合

說下
參見圖I 圖4本可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人包括一個穿戴式外骨骼機構(gòu)、兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)和兩個電機絲桿直線運動機構(gòu)；其特征在于
1).所述穿戴式外骨骼機構(gòu)包括大臂(I)、大臂支撐架(2)、大臂調(diào)節(jié)軸(3)、大臂支撐架底座(4)、肘關(guān)節(jié)連接塊(5)、關(guān)節(jié)連接銷軸(6)、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪(7)、編碼器安裝彈簧片(8)、編碼器(9)、小臂(10)、小臂支撐架(11)、小臂調(diào)節(jié)軸(12)和小臂支撐底座(13)，所述大臂支撐架(2)為U型支架，U字形支架底端與大臂調(diào)節(jié)軸(3)固連，大臂調(diào)節(jié)軸(3)通過螺釘與大臂支撐架底座(4)相連，大臂支 撐架底座(4)與大臂(I)固連，肘關(guān)節(jié)連接塊(5)分別與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪(7)、小臂(10)固連，大臂(I)通過關(guān)節(jié)連接銷軸(6)與肘關(guān)節(jié)連接塊
(5)轉(zhuǎn)動連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，編碼器安裝彈簧片(8)將編碼器(9)與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪(7)相連，小臂(10)與小臂支撐底座(13)固連，小臂調(diào)節(jié)軸(12)通過螺釘與小臂支撐底座(13)相連，小臂支撐底座(13)與小臂支撐架(11) U字型底部固連；
2).所述連桿-彈簧非線性機構(gòu)包括機架(15)、從動搖桿底座(16)、從動搖桿轉(zhuǎn)動軸(17)、從動搖桿(18)、彈簧(19)、搖桿-連桿連接軸(20)、連桿(21)、主動搖桿(22)、滾筒(23)、主動搖桿轉(zhuǎn)動軸(24)和主動搖桿底座(25)，所述從動搖桿底座(16)固連在機架上，通過從動搖桿轉(zhuǎn)動軸(17)與從動搖桿(18)轉(zhuǎn)動相連，從動搖桿(18)與連桿(21)由搖桿-連桿連接軸轉(zhuǎn)動相連，彈簧(19) 一端與從動搖桿轉(zhuǎn)動軸(17)相連，另一端與連桿(21)下端通過銷軸相連，搖桿-連桿連接軸(20)將連桿(21)與主動搖桿(22)轉(zhuǎn)動相連，主動搖桿(22)固連在滾筒(23)上，滾筒(23)與前后2個主動搖桿底座(25)由主動搖桿轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動(24)相連構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；
3).所述電機絲桿直線機構(gòu)包括動滑輪(26)、銷軸(27)、動滑輪支架(28)、絲桿(29)、絲桿螺母套(30)、大帶輪(31)、同步帶(32)、小帶輪(33)、支架(34)、電機(35)、套筒(36)和端蓋(37 )，所述動滑輪(26 )通過銷軸(27 )支承在動滑輪支架(28 )上，絲桿(29 )前端有螺紋與動滑輪連接架(28)固定相連，大帶輪(31)與絲桿螺母固連，同步帶(32)將小帶輪
(33)與大帶輪(31)相連，電機(35)輸出軸通過鍵與小帶輪(33)相連，電機(35)固定在支架(34)上，絲桿螺母套(30)與套筒(36)同樣固定在支架(34)上，端蓋固定在套筒(36)；
4).所述兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)分別安裝在穿戴式外骨骼機構(gòu)的大臂(I)和小臂(10)的下方，所述兩個電機絲桿直線運動機構(gòu)分別安裝在兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的下方；一根鋼絲繩(14)的的一端繞在一個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的滾筒(23)上，然后依次繞過同側(cè)安裝的電機絲桿直線運動機構(gòu)的動滑輪(26)、穿戴式外骨骼機構(gòu)的肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪
(7)、另一電機絲桿直線運動機構(gòu)的動滑輪(26)，最后另一端繞在另一個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的滾筒(23)上。本實施例的具體使用過程如下該康復機器人包含一個肘關(guān)節(jié)自由度，可以對肘關(guān)節(jié)進行康復運動。兩個對稱的非線性驅(qū)動器模擬人體肱二頭肌和肱三頭肌帶動肘關(guān)節(jié)實現(xiàn)屈/伸運動，促進運動功能的恢復，避免肌肉萎縮。
權(quán)利要求
1. 一種可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人，包括一個穿戴式外骨骼機構(gòu)、兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)和兩個電機絲桿直線運動機構(gòu)；其特征在于 1).所述穿戴式外骨骼機構(gòu)包括大臂(I)、大臂支撐架(2)、大臂調(diào)節(jié)軸(3)、大臂支撐架底座(4)、肘關(guān)節(jié)連接塊(5) 、關(guān)節(jié)連接銷軸(6)、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪(7)、編碼器安裝彈簧片(8)、編碼器(9)、小臂(10)、小臂支撐架(11)、小臂調(diào)節(jié)軸(12)和小臂支撐底座(13)，所述大臂支撐架(2)為U型支架，U字形支架底端與大臂調(diào)節(jié)軸(3)固連，大臂調(diào)節(jié)軸(3)通過螺釘與大臂支撐架底座(4)相連，大臂支撐架底座(4)與大臂(I)固連，肘關(guān)節(jié)連接塊(5)分別與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪(7)、小臂(10)固連，大臂(I)通過關(guān)節(jié)連接銷軸(6)與肘關(guān)節(jié)連接塊(5)轉(zhuǎn)動連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，編碼器安裝彈簧片(8)將編碼器(9)與肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪(7)相連，小臂(10)與小臂支撐底座(13)固連，小臂調(diào)節(jié)軸(12)通過螺釘與小臂支撐底座(13)相連，小臂支撐底座(13)與小臂支撐架(11) U字型底部固連； 2).所述連桿-彈簧非線性機構(gòu)包括機架(15)、從動搖桿底座(16)、從動搖桿轉(zhuǎn)動軸(17)、從動搖桿(18)、彈簧(19)、搖桿-連桿連接軸(20)、連桿(21)、主動搖桿(22)、滾筒(23)、主動搖桿轉(zhuǎn)動軸(24)和主動搖桿底座(25)，所述從動搖桿底座(16)固連在機架上，通過從動搖桿轉(zhuǎn)動軸(17)與從動搖桿(18)轉(zhuǎn)動相連，從動搖桿(18)與連桿(21)由搖桿-連桿連接軸轉(zhuǎn)動相連，彈簧(19) 一端與從動搖桿轉(zhuǎn)動軸(17)相連，另一端與連桿(21)下端通過銷軸相連，搖桿-連桿連接軸(20 )將連桿(21)與主動搖桿(22 )轉(zhuǎn)動相連，主動搖桿(22)固連在滾筒(23)上，滾筒(23)與前后2個主動搖桿底座(25)由主動搖桿轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動(24)相連構(gòu)成轉(zhuǎn)動副； 3).所述電機絲桿直線機構(gòu)包括動滑輪(26)、銷軸(27)、動滑輪支架(28)、絲桿(29)、絲桿螺母套(30)、大帶輪(31)、同步帶(32)、小帶輪(33)、支架(34)、電機(35)、套筒(36)和端蓋(37 )，所述動滑輪(26 )通過銷軸(27 )支承在動滑輪支架(28 )上，絲桿(29 )前端有螺紋與動滑輪連接架(28)固定相連，大帶輪(31)與絲桿螺母固連，同步帶(32)將小帶輪(33)與大帶輪(31)相連，電機(35)輸出軸通過鍵與小帶輪(33)相連，電機(35)固定在支架(34)上，絲桿螺母套(30)與套筒(36)同樣固定在支架(34)上，端蓋固定在套筒(36)； 4).所述兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)分別安裝在穿戴式外骨骼機構(gòu)的大臂(I)和小臂(10)的下方，所述兩個電機絲桿直線運動機構(gòu)分別安裝在兩個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的下方；一根鋼絲繩(14)的的一端繞在一個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的滾筒(23)上，然后依次繞過同側(cè)安裝的電機絲桿直線運動機構(gòu)的動滑輪(26)、穿戴式外骨骼機構(gòu)的肘關(guān)節(jié)驅(qū)動輪(7)、另一電機絲桿直線運動機構(gòu)的動滑輪(26)，最后另一端繞在另一個連桿-彈簧非線性機構(gòu)的滾筒(23)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可控變剛度柔性肘關(guān)節(jié)康復機器人，主要包括穿戴式外骨骼機構(gòu)、非線性驅(qū)動機構(gòu)。所述的穿戴式外骨骼機構(gòu)有一個自由度，用以模擬肘關(guān)節(jié)的運動，其結(jié)構(gòu)主要包括大臂、小臂、驅(qū)動輪和支撐架；非線性驅(qū)動機構(gòu)包括電機絲桿和連桿-彈簧非線性機構(gòu)；連桿-彈簧非線性機構(gòu)由Robert直線機構(gòu)和線性彈簧組成，其輸出力與鋼絲繩長度變化為二次非線性關(guān)系。康復機器人采用兩個非線性驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動，該結(jié)構(gòu)與人體關(guān)節(jié)相似。由于驅(qū)動系統(tǒng)的柔順性，患者在康復訓練過程中具有較高的安全性。由于連桿-彈簧非線性機構(gòu)輸出力與鋼絲繩長度變化為二次多項式，可以將關(guān)節(jié)剛度和關(guān)節(jié)角度分開控制，使整個系統(tǒng)在保持柔性的同時不會影響對關(guān)節(jié)位置的控制精度。
文檔編號A61H1/02GK102764188SQ20121024487
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者崔澤, 潘宏偉 申請人:上海大學