專利名稱：上肢偏癱康復機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種醫療器械技術領域的裝置，具體是一種上肢偏癱康復機器人。
背景技術：
對偏癱患者的肢體進行康復訓練能有效的輔助患者重獲癱瘓肢體的運動功能。傳統的運動康復訓練由治療師人力協助患者進行。采用機器人輔助治療，不僅彌補傳統運動康復訓練效率低、內容枯燥、評價指標不夠精確等缺點，而且輔助分析患肢的各項運動參數，以促進康復訓練模式的改進，為康復醫學提供了全新的治療手段。經過對現有技術的檢索發現，中國發明專利申請號200810064878. 6，名稱五自由度外骨骼式上肢康復機器人，該技術包括機器人的安裝架，安裝架設計有導軌，導軌上安裝升降架，升降架上帶有高度調節機構，可旋轉安裝臂通過旋轉軸安裝在升降架上，由橫肩、上臂、前臂和手柄構成的康復機械臂本體安裝在可旋轉安裝臂上，5個關節自由度，5個驅動電機分別安裝在各個關節的轉動軸上，與驅動電機級聯的四個力矩傳感器分別安裝在肩部，肘部及腕部，其中肩部兩個、肘部一個、腕部屈伸處一個，力矩傳感器作為傳動裝置及檢查裝置連接電機減速器與執行機構。該機器人為患者提供各關節的單自由度運動與三維多關節復合運動，并提供簡單、基本的日常生活動作訓練。該發明可輔助患者進行上肢肩關節的屈/伸、外擺/內收；肘關節的屈/伸；腕關節的屈/伸四個運動自由度的運動訓練，而人體上肢除手掌外主要有七個自由度，分別是上肢肩關節的屈/伸、旋內/旋外、外擺 /內收；肘關節的屈/伸；前臂的旋內/旋外和腕關節的屈/伸、外展/內收，故此發明所提供的訓練較為有限。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種上肢偏癱康復機器人，輔助患者進行上肢肩關節的屈/伸、旋內/旋外、外擺/內收；肘關節的屈/伸；前臂的旋內/旋外； 腕關節的屈/伸、外展/內收七個運動自由度的主動運動訓練，有益于豐富康復訓練手段， 提高康復訓練效率。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括肩關節運動模塊、肘關節運動模塊、前臂和腕關節運動模塊、重力補償模塊、支撐架和數據采集模塊，其中重力補償模塊的兩端分別與肩關節運動模塊相連，肩關節運動模塊、肘關節運動模塊和前臂和腕關節運動模塊依次連接，肩關節運動模塊與支撐架的頂部固定連接，數據采集模塊固定設置于肩關節運動模塊、肘關節運動模塊、前臂和腕關節運動模塊上。所述的肩關節運動模塊包括基座、第一轉動軸、肩部彎桿、第二轉動軸、導桿、固定塊、夾持塊、上臂外環、上臂內環、限位塊和上臂側板，其中第一轉動軸與基座連接，肩部彎桿固定設置于第一轉動軸的下端，第二轉動軸與肩部彎桿連接，導桿一端徑向連接于第二轉動軸，另一端與固定塊相連，上臂外環和夾持塊夾持固定于導桿之上，上臂內環安置于上臂外環內，上臂側板的一段固定設置于上臂內環的內側，另一端與肘關節運動模塊活動連接，限位塊固定設置于上臂側板上。所述的肘關節運動模塊包括前臂側板和前臂半環，其中前臂側板的一端肩關節運動模塊活動連接，另一端與前臂半環的內側固定連接，前臂半環的背側設有方形通槽并與前臂和腕關節運動模塊活動連接。所述的前臂和腕關節運動模塊包括前臂板、第一手部彎桿、第二手部彎桿和手柄，其中前臂板與肘關節運動模塊活動連接，第一手部彎桿的一端與前臂板活動連接，另一端與第二手部彎桿的一端活動連接，第二手部彎桿的另一端與手柄的底端活動連接。所述的重力補償模塊包括螺栓、拉伸彈簧和鋼絲線，其中螺栓與肩關節運動模塊固定連接，拉伸彈簧的一端與螺栓相連，另一端通過鋼絲線與肩關節運動模塊連接。所述的支撐架包括機架和座位，其中機架與座位固定連接，機架的頂部與肩關節運動模塊固定連接。所述的數據采集模塊包括角位移傳感器、齒輪軸、小齒輪、大齒輪、直流電源、數據采集卡，其中角位移傳感器固定設置于肘關節運動模塊的前臂側板和前臂半環連接處， 直流電源給傳感器供電，數據采集卡與傳感器相連接并傳輸旋轉角度信息，齒輪軸安裝在上臂外環內，一端與傳感器的自由端相連，另一端裝有一個小齒輪。大齒輪固定于上臂內環的一側，大齒輪和小齒輪相嚙合，將上臂內環的轉動傳遞給齒輪軸，從而測量出上臂內環相對于上臂外環的轉動信息。本發明工作時患者坐于座椅的合適位置，調節坐位高度，使人體的肩關節對位于機器人肩關節的不動點(三個旋轉軸的交點)。穿戴外骨骼機器人，調節上臂、前臂和手腕對應的機器人部位的長度到合適尺寸，設定需要的重力補償彈簧伸長量，即可進行運動訓練。由傳感器采集到各個關節的運動信息，提供量化的訓練數據供治療師分析。本發明相比現有技術具有以下優點本發明中機器人的機械裝置具有六個自由度，輔助患者進行上肢肩關節的屈/伸、旋內/旋外、外擺/內收；肘關節的屈/伸；前臂的旋內/旋外；腕關節的屈/伸、外展/內收七個運動自由度同時、協調進行的主動運動訓練。 且每個機器人關節運動自由度與人體關節運動自由度基本保持了同軸，這一仿生設計增強了機器的舒適性和可靠性，更有益于機器人輔助康復訓練。


圖1是實施例1的整體結構示意圖。圖2是肩關節運動模塊的局部示意圖。圖3是肘關節運動模塊的局部示意圖。圖4是前臂和腕關節運動模塊的局部示意圖。圖5是腕關節運動模塊的傳感器安置方式局部示意圖；圖中(a)為腕關節運動模塊示意圖，(b)為局部放大示意圖。圖6是肩關節旋內/旋外運動的傳感器安置方式局部示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括肩關節運動模塊1、肘關節運動模塊2、前臂和腕關節運動模塊3、重力補償模塊4、支撐架5以及數據采集模塊6，其中重力補償模塊4的兩端分別與肩關節運動模塊1相連，肩關節運動模塊1、肘關節運動模塊2和前臂和腕關節運動模塊3依次連接，肩關節運動模塊1與支撐架5的頂部固定連接，數據采集模塊6固定設置于肩關節運動模塊1、肘關節運動模塊2、前臂和腕關節運動模塊3上。如圖2所示，所述的肩關節運動模塊1包括基座10、第一轉動軸11、彎桿12、第二轉動軸13、導桿14、固定塊15、夾持塊16、上臂外環17、上臂內環18、上臂側板19、限位塊 22，其中第一轉動軸11通過一個推力軸承和一個深溝球軸承貫穿于基座10，并可繞Jl軸旋轉，兩個軸承分別承受第一轉動軸11的軸向載荷和徑向載荷。彎桿12固定設置于第一轉動軸11的下端，可隨第一轉動軸11的旋轉而繞Jl軸轉動。第二轉動軸13通過一對深溝球軸承與彎桿12連接，并可繞J2軸旋轉。導桿14 一端固定設置于第二轉動軸13的徑向，另一端固定設置于固定塊15，可隨第二轉動軸13的旋轉而繞J2軸轉動。上臂外環17 和夾持塊16夾持固定于導桿14之上，可沿導桿滑動并用螺釘鎖緊，以調節上臂對應部分的長度。上臂內環18通過一個滾針軸承安置于上臂外環17，并可繞J3軸旋轉，滾針軸承徑向厚度尺寸小，使結構更加緊湊。上臂側板19通過螺釘固定設置于上臂內環18的內側，用以連接后續的機構。限位塊22通過螺釘固定設置于上臂側板19上以限制肘關節運動模塊2 的轉動角度，以保證安全。所述的肩關節運動模塊1實現以下三個自由度的運動a)肩關節的曲屈/伸展運動彎桿12繞Jl旋轉到合適位置，使上臂指向體前時， 上臂繞J2軸旋轉；b)肩關節的內收/外擺運動彎桿12繞Jl旋轉到合適位置，使上臂指向體側時， 上臂繞J2軸旋轉；c)肩關節的旋內/旋外運動上臂繞J3軸旋轉。如圖3所示，所述的肘關節運動模塊2包括前臂側板20、前臂半環21，其中前臂側板20的一端有軸，通過一個深溝球軸承與上臂側板19連接，該軸可繞J4軸旋轉；另一端通過螺釘固定設置于前臂半環21的內側。前臂半環21可隨前臂側板20上的軸的旋轉而繞J4軸轉動，前臂半環21的背側有方形通槽，用以連接后續的機構。所述的肘關節運動模塊實現肘關節的曲屈/伸展運動即前臂和腕關節運動模塊繞J4軸旋轉。如圖4所示，所述的前臂和腕關節運動模塊3包括前臂板30、第一手部彎桿31、 第二手部彎桿32、手柄33、緊定螺釘34、限位螺釘35，其中前臂板30插于前臂半環21的槽內，可沿槽滑動并用緊定螺釘34鎖緊，以調節前臂對應部分的長度。限位螺釘35可防止前臂板30脫出前臂半環21，保證了安全。第一手部彎桿31的一端有軸，通過一個深溝球軸承與前臂板30連接，該軸可繞J5軸旋轉，第一手部彎桿31的另一端開有孔。第二手部彎桿32的一端有軸，通過一個深溝球軸承與第一手部彎桿31連接，該軸可繞J6軸旋轉；第二手部彎桿32的另一端有U型通槽，手柄33可在該槽內滑動并用螺母鎖定，以調節手掌對應部分的尺寸。所述的前臂和腕關節運動模塊實現如下三個自由度的運動a)前臂的旋內/旋外運動前臂繞J6旋轉；b)腕關節的曲屈/伸展運動當手柄繞J6旋轉到與J5軸平行時，手部繞J5旋轉；c)腕關節的內收/外展運動當手柄繞J6旋轉到與J5軸垂直時，手部繞J5旋轉。如圖2所示，所述的重力補償模塊4包括螺栓40、拉伸彈簧41、鋼絲線42，其中 螺栓40螺紋連接于彎桿12。拉伸彈簧41的一端通過一個吊環螺母與螺栓40的下端連接， 另一端通過鋼絲線42與固定塊15連接。通過拉伸彈簧41的彈力來補償外骨骼和患者上肢的重力，彈簧的伸長量可由螺栓40調節，以提供一定范圍內的彈力，滿足不同的訓練要求。如圖1所示，所述的支撐架5包括機架50、座位51，其中座位51與機架50為一體式結構，保證了機架的穩定性，且座椅和機架的相互位置固定?；?0通過螺栓固定在機架50上。如圖5和圖6所示，所述的數據采集模塊6包括角位移傳感器60、傳感器座63、 內六角緊定螺釘64、齒輪軸65、小齒輪66、大齒輪67、直流電源和數據采集卡，其中直流電源給各個傳感器60供電，數據采集卡與角位移傳感器60連接，實時采集角位移傳感器60 的數據信息。六個角位移傳感器60的分別安裝在每個自由度關節上，以J6自由度為例，如圖5 所示。傳感器座63的一端通過螺釘固定設置于第一手部彎桿31上，另一端開有螺孔。傳感器60通過自身的外螺紋61固定于傳感器座63中，傳感器自由端62插入第二手部彎桿 32的軸上的孔中。兩個互成90°的內六角緊定螺釘64使傳感器自由端62與孔無相對滑動。這樣，當第二手部彎桿32與第一手部彎桿31有相對轉動時，轉動的角度就會被傳感器 60獲取。其它的自由度Jl、J2、J4、J5，都采用相同的方法安置傳感器60。J3自由度無法采用上述方法，故為其設計特殊結構，如圖6所示。齒輪軸65通過深溝球軸承安裝在上臂外環17內，一端與傳感器60的自由端相連，另一端裝有一個小齒輪 66。大齒輪67通過螺釘固定設置于上臂內環18的一側，大齒輪67和小齒輪66相嚙合，將上臂內環18的轉動傳遞給齒輪軸65，從而測量出上臂內環18相對于上臂外環17的轉動信肩、ο本實施例工作時機器人通過基座10牢固的固定在機架50的合適位置上。患者坐于座椅的合適位置，調節坐位高度，使人體的肩關節對位于機器人肩關節的不動點(J1、 J2、J3三個旋轉軸的交點)。穿戴外骨骼機器人，調節上臂、前臂和手腕對應的機器人部位的長度到合適尺寸，設定需要的重力補償彈簧伸長量，即可進行運動訓練。由傳感器采集到各個關節的運動信息，提供量化的訓練數據供治療師分析。
權利要求
1.一種上肢偏癱康復機器人，其特征在于，包括肩關節運動模塊、肘關節運動模塊、 前臂和腕關節運動模塊、重力補償模塊、支撐架和數據采集模塊，其中重力補償模塊的兩端分別與肩關節運動模塊相連，肩關節運動模塊、肘關節運動模塊和前臂和腕關節運動模塊依次連接，肩關節運動模塊與支撐架的頂部固定連接，數據采集模塊固定設置于肘關節運動模塊上。
2.根據權利要求1所述的上肢偏癱康復機器人，其特征是，所述的肩關節運動模塊包括基座、第一轉動軸、肩部彎桿、第二轉動軸、導桿、固定塊、夾持塊、上臂外環、上臂內環、 限位塊和上臂側板，其中第一轉動軸與基座連接，肩部彎桿固定設置于第一轉動軸的下端，第二轉動軸與肩部彎桿連接，導桿一端徑向連接于第二轉動軸，另一端與固定塊相連， 上臂外環和夾持塊夾持固定于導桿之上，上臂內環安置于上臂外環內，上臂側板的一段固定設置于上臂內環的內側，另一端與肘關節運動模塊活動連接，限位塊固定設置于上臂側板上。
3.根據權利要求1所述的上肢偏癱康復機器人，其特征是，所述的肘關節運動模塊包括前臂側板和前臂半環，其中前臂側板的一端肩關節運動模塊活動連接，另一端與前臂半環的內側固定連接，前臂半環的背側設有方形通槽并與前臂和腕關節運動模塊活動連接。
4.根據權利要求1所述的上肢偏癱康復機器人，其特征是，所述的前臂和腕關節運動模塊包括前臂板、第一手部彎桿、第二手部彎桿和手柄，其中前臂板與肘關節運動模塊活動連接，第一手部彎桿的一端與前臂板活動連接，另一端與第二手部彎桿的一端活動連接，第二手部彎桿的另一端與手柄的底端活動連接。
5.根據權利要求1所述的上肢偏癱康復機器人，其特征是，所述的重力補償模塊包括 螺栓、拉伸彈簧和鋼絲線，其中螺栓與肩關節運動模塊固定連接，拉伸彈簧的一端與螺栓相連，另一端通過鋼絲線與肩關節運動模塊連接。
6.根據權利要求1所述的上肢偏癱康復機器人，其特征是，所述的支撐架包括機架和座位，其中機架與座位固定連接，機架的頂部與肩關節運動模塊固定連接。
7.根據權利要求1所述的上肢偏癱康復機器人，其特征是，所述的數據采集模塊包括 角位移傳感器、齒輪軸、小齒輪、大齒輪、直流電源和數據采集卡，其中角位移傳感器固定設置于肘關節運動模塊的前臂側板和前臂半環連接處，直流電源給傳感器供電，數據采集卡與傳感器相連接并傳輸旋轉角度信息，齒輪軸安裝在上臂外環內，一端與傳感器的自由端相連，另一端裝有一個小齒輪，大齒輪固定于上臂內環的一側，大齒輪和小齒輪相嚙合。
全文摘要
一種醫療器械技術領域的上肢偏癱康復機器人，包括肩關節運動模塊、肘關節運動模塊、前臂和腕關節運動模塊、重力補償模塊、支撐架和數據采集模塊，重力補償模塊的兩端分別與肩關節運動模塊相連，肩關節運動模塊、肘關節運動模塊和前臂和腕關節運動模塊依次連接，肩關節運動模塊與支撐架的頂部固定連接，數據采集模塊固定設置于肘關節運動模塊上。本發明輔助患者進行上肢肩關節的屈/伸、旋內/旋外、外擺/內收；肘關節的屈/伸；前臂的旋內/旋外；腕關節的屈/伸、外展/內收七個運動自由度的主動運動訓練，有益于豐富康復訓練手段，提高康復訓練效率。
文檔編號A63B21/06GK102258849SQ20111010120
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者于海龍, 呂超, 謝叻, 邵衛 申請人:上海交通大學