專利名稱：一種可控變剛度柔性肘關節康復機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于醫療康復訓練設備技術領域，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節康復機器人，該機器人能直接作用于患者進行康復訓練。
背景技術：
隨著科學技術的進步、醫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系統疾病患者，這類患者多數伴有偏癱癥狀。由于患心腦血管疾病使中老年患者出現偏癱的人數不斷增多，而且在年齡上呈現年輕化 趨勢。同時，由于交通運輸工具數量的迅速增長，因交通事故而造成肢體損傷的人數也越來越多。臨床醫學和醫學理論證明，這類患者除了前期手術治療和藥物治療外，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調工作，而且極易由于疲勞產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。康復機器人是一種穿戴式的輔助人們運動的人機系統，是近年來發展起來的一種新的運動神經康復治療技術。它可輔助或者替代醫師完成患肢康復訓練，其出現為偏癱康復開辟了新的技術途徑，彌補了臨床運動治療的諸多不足。人體關節的運動來自于骨骼肌的伸張/收縮，在康復機器人領域關節的驅動主要米用氣缸、液壓缸、電動缸和氣動肌肉。前三者驅動方式使機器人系統在結構上呈剛性，若要在通過控制實現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，國內外對其應用在柔性關節上研究較多，但也存在一些缺點氣動人工肌肉與傳統氣動執行元件相比行程小(氣動人工肌肉空載時可達20% ;有載時只可達到10%;而有的傳統氣缸可達到40%);氣動人工肌肉的變形為非線性環節，具有時變性，使準確控制其位移十分困難。
發明內容
本發明的目的在針對已有技術存在的缺陷，提供一種可控變剛度柔性肘關節康復機器人，其執行器為柔性驅動器，使患者在康復訓練時有較好的舒適性和安全性，并且康復機器人關節的剛度控制和位置控制可以分開，以降低控制難度，實現良好的柔順性。為達到上述目的，本發明采用下述技術方案
一種可控變剛度柔性肘關節康復機器人，包括穿戴式外骨骼機構和非線性驅動器，非線性驅動器包括連桿-彈簧非線性機構和電機絲桿直線驅動機構；其特征在于
I).所述穿戴式外骨骼機構包括大臂、大臂支撐架、大臂調節軸、大臂支撐架底座、肘關節連接塊、關節連接銷軸、肘關節驅動輪、編碼器安裝彈簧片、編碼器、小臂、小臂支撐架、小臂調節軸和小臂支撐底座，所述大臂支撐架為U型支架，U字形支架底端與大臂調節軸固連，大臂調節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，肘關節連接塊分別與肘關節驅動輪、小臂固連，大臂通過關節連接銷軸與肘關節連接塊轉動連接，構成轉動副，編碼器安裝彈簧片將編碼器與肘關節驅動輪相連，小臂與小臂支撐底座固連，小臂調節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-彈簧非線性機構包括機架、從動搖桿底座、從動搖桿轉動軸、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，通過從動搖桿轉動軸與從動搖桿轉動相連，從動搖桿與連桿由搖桿-連桿連接軸轉動相連，彈簧一端與從動搖桿轉動軸相連，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動軸轉動相連構成轉動副；
3).所述電機絲桿直線機構包括動滑輪、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-彈簧非線性機構分別安裝在穿戴式外骨骼機構的大臂和小臂的下方，所述兩個電機絲桿直線運動機構分別安裝在兩個連桿-彈簧非線性機構的下方；一根鋼絲繩的的一端繞在一個連桿-彈簧非線性機構的滾筒上，然后依次繞過同側安裝的電機絲桿直線運動機構的動滑輪、穿戴式外骨骼機構的肘關節驅動輪、另一電機絲桿直線運動機構的動滑輪，最后另一端繞在另一個連桿-彈簧非線性機構的滾筒上。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著技術進
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本發明機器人根據康復醫學理論和人機工程學數據來設計，能對上肢肘關節進行康復訓練。本發明的非線性驅動機構模擬肱二頭肌和肱三頭肌驅動肘關節運動，有良好的柔順性，保證患者訓練安全，非線性機構可以使施加在肘關節的力為二次非線性，這使得肘關節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動器工作原理。電機轉動，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節上鋼絲繩長度變化之和。滾筒上鋼絲繩的拉力與其滾筒轉過的角度即鋼絲繩長度變化為二次非線性關系。當關節處于平衡時，肘關節所受的力即為滾筒上鋼絲繩的拉力，此時兩個驅動器對肘關節的合力矩為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，肘關節轉動的角度與兩驅動器電機轉動角度之差呈正比。肘關節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系，最后求導變換得出的結果是剛度與電機轉動角度之和成正比。如上所述，肘關節角度位置與兩驅動器電機轉角之差成正t匕，肘關節剛度與兩驅動器電機轉角之和呈正比，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節位置精度。
圖I為本發明可控變剛度柔性肘關節康復機器人裝置的結構示意圖。圖2為圖I中穿戴式外骨骼機構的結構示意圖。圖3為圖I中連桿-彈簧非線性機構的結構示意圖。圖4為圖I中電機絲桿直線驅動機構的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的一個優選實施例結合
說下
參見圖I 圖4本可控變剛度柔性肘關節康復機器人包括一個穿戴式外骨骼機構、兩個連桿-彈簧非線性機構和兩個電機絲桿直線運動機構；其特征在于
1).所述穿戴式外骨骼機構包括大臂(I)、大臂支撐架(2)、大臂調節軸(3)、大臂支撐架底座(4)、肘關節連接塊(5)、關節連接銷軸(6)、肘關節驅動輪(7)、編碼器安裝彈簧片(8)、編碼器(9)、小臂(10)、小臂支撐架(11)、小臂調節軸(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節軸(3)固連，大臂調節軸(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，肘關節連接塊(5)分別與肘關節驅動輪(7)、小臂(10)固連，大臂(I)通過關節連接銷軸(6)與肘關節連接塊
(5)轉動連接，構成轉動副，編碼器安裝彈簧片(8)將編碼器(9)與肘關節驅動輪(7)相連，小臂(10)與小臂支撐底座(13)固連，小臂調節軸(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-彈簧非線性機構包括機架(15)、從動搖桿底座(16)、從動搖桿轉動軸(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，通過從動搖桿轉動軸(17)與從動搖桿(18)轉動相連，從動搖桿(18)與連桿(21)由搖桿-連桿連接軸轉動相連，彈簧(19) 一端與從動搖桿轉動軸(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)由主動搖桿轉動軸轉動(24)相連構成轉動副；
3).所述電機絲桿直線機構包括動滑輪(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-彈簧非線性機構分別安裝在穿戴式外骨骼機構的大臂(I)和小臂(10)的下方，所述兩個電機絲桿直線運動機構分別安裝在兩個連桿-彈簧非線性機構的下方；一根鋼絲繩(14)的的一端繞在一個連桿-彈簧非線性機構的滾筒(23)上，然后依次繞過同側安裝的電機絲桿直線運動機構的動滑輪(26)、穿戴式外骨骼機構的肘關節驅動輪
(7)、另一電機絲桿直線運動機構的動滑輪(26)，最后另一端繞在另一個連桿-彈簧非線性機構的滾筒(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節自由度，可以對肘關節進行康復運動。兩個對稱的非線性驅動器模擬人體肱二頭肌和肱三頭肌帶動肘關節實現屈/伸運動，促進運動功能的恢復，避免肌肉萎縮。
權利要求
1. 一種可控變剛度柔性肘關節康復機器人，包括一個穿戴式外骨骼機構、兩個連桿-彈簧非線性機構和兩個電機絲桿直線運動機構；其特征在于 1).所述穿戴式外骨骼機構包括大臂(I)、大臂支撐架(2)、大臂調節軸(3)、大臂支撐架底座(4)、肘關節連接塊(5) 、關節連接銷軸(6)、肘關節驅動輪(7)、編碼器安裝彈簧片(8)、編碼器(9)、小臂(10)、小臂支撐架(11)、小臂調節軸(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節軸(3)固連，大臂調節軸(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，肘關節連接塊(5)分別與肘關節驅動輪(7)、小臂(10)固連，大臂(I)通過關節連接銷軸(6)與肘關節連接塊(5)轉動連接，構成轉動副，編碼器安裝彈簧片(8)將編碼器(9)與肘關節驅動輪(7)相連，小臂(10)與小臂支撐底座(13)固連，小臂調節軸(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-彈簧非線性機構包括機架(15)、從動搖桿底座(16)、從動搖桿轉動軸(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，通過從動搖桿轉動軸(17)與從動搖桿(18)轉動相連，從動搖桿(18)與連桿(21)由搖桿-連桿連接軸轉動相連，彈簧(19) 一端與從動搖桿轉動軸(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)由主動搖桿轉動軸轉動(24)相連構成轉動副； 3).所述電機絲桿直線機構包括動滑輪(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-彈簧非線性機構分別安裝在穿戴式外骨骼機構的大臂(I)和小臂(10)的下方，所述兩個電機絲桿直線運動機構分別安裝在兩個連桿-彈簧非線性機構的下方；一根鋼絲繩(14)的的一端繞在一個連桿-彈簧非線性機構的滾筒(23)上，然后依次繞過同側安裝的電機絲桿直線運動機構的動滑輪(26)、穿戴式外骨骼機構的肘關節驅動輪(7)、另一電機絲桿直線運動機構的動滑輪(26)，最后另一端繞在另一個連桿-彈簧非線性機構的滾筒(23)上。
全文摘要
本發明公開了一種可控變剛度柔性肘關節康復機器人，主要包括穿戴式外骨骼機構、非線性驅動機構。所述的穿戴式外骨骼機構有一個自由度，用以模擬肘關節的運動，其結構主要包括大臂、小臂、驅動輪和支撐架；非線性驅動機構包括電機絲桿和連桿-彈簧非線性機構；連桿-彈簧非線性機構由Robert直線機構和線性彈簧組成，其輸出力與鋼絲繩長度變化為二次非線性關系。康復機器人采用兩個非線性驅動系統驅動，該結構與人體關節相似。由于驅動系統的柔順性，患者在康復訓練過程中具有較高的安全性。由于連桿-彈簧非線性機構輸出力與鋼絲繩長度變化為二次多項式，可以將關節剛度和關節角度分開控制，使整個系統在保持柔性的同時不會影響對關節位置的控制精度。
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 優先權日2012年7月16日
發明者崔澤, 潘宏偉 申請人:上海大學