一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人制造技术

本发明专利技术公开一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人，在康复训练中将患者的上肢前臂和手固定在机器人的臂托和末端手柄上，机器人手臂驱动人体上肢末端从而带动上肢在人体水平面和矢状面内完成各种康复训练模式。本装置的驱动共有三个电机，第一关节电机驱动大臂相对于立柱摆动，第二关节电机驱动小臂相对于大臂摆动，第三关节电机驱动丝杠带动机器人末端做垂直直线运动。采用伺服闭环控制系统精确控制人体上肢的姿态、活动范围和训练强度。人机界面由触摸屏和开关按钮组成，通过触摸屏可以选择康复训练模式，各康复模式训练都有对应的动态示意图显示，方便易懂，还可以根据病人的情况，调节各康复训练模式的速度、时间及各关节的活动范围。

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人
本专利技术属于医疗保健器械
，具体的说是一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人。
技术介绍
利用上肢康复机器人对上肢进行康复训练是上肢康复的一种方式,非常适用于上肢脑神经损伤、肌肉损伤导致上肢运动能力丧失患者的康复训练，如脑中风偏瘫患者，他们多数身体一侧肢体会部分或全部丧失运动能力，如果常时间缺乏科学有效的康复训练或活动，患者肢体将出现不同程度肌肉萎缩和关节粘连，最终使上肢失去活动能力。上肢康复训练机器人可以对此类病人进行有针对性的训练，使上肢得到充分的活动从而达到神经重塑和肢体恢复运动能力的目的。早些时间市场上用于上肢康复的大多是CPM机（关节恢复器），此类设备结构简单，训练模式固定，只能进行关节的被动训练。近些年市场上出现的多数是采用6自由度的外骨骼机器人，体积庞大，将人体上肢与外骨骼杆件捆绑在一起，让上肢关节跟随外骨骼机器人的关节运动。6自由度的外骨骼机器人的臂长尺寸和不同患者的上肢配合调节不方便或者不能调节，结构复杂，另外采用对整个上肢捆绑的方式进行固定，一旦机器人出现故障，或者患者肌肉痉挛的情况容易对患者造成二次伤害。另外市场上还有2自由度直角坐标的上肢康复机器人，采用直角坐标的方式通过直线运动来合成曲线轨迹使机器人的整体尺寸会很大，不便于移动。另外，2自由度的上肢康复机器人仅能实现上肢在水平面内的运动，存在着对人体上肢关节训练不全面、模式单一、上肢韧带不能得到全方位拉伸运动、训练效果有限等问题。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，提供了一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人，本装置操作空间大但整体尺寸小且训练模式多样、训练参数调整方便。本专利技术通过以下技术方案来实现：一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人，包括机器人本体、机器人支撑机构和控制驱动单元，所述机器人本体包括大臂、与大臂一端连接的小臂和末端组件构成的三自由度，所述机器人支撑机构包括支撑立柱，所述控制驱动单元包括控制器以及电机驱动器，所述电机驱动器设置在支撑立柱内；所述大臂一端水平连接于支撑立柱的顶部端面上形成第一水平关节，所述小臂水平连接于大臂的另一端平面形成第二水平关节，所述小臂的另一端内腔通过设置的丝杠减速器连接有丝杠螺母以及丝杠形成第三水平关节，所述第一水平关节由驱动传动机构Ⅰ驱动转动从而实现大臂相对于支撑立柱的水平摆动，所述第二水平关节由驱动传动机构Ⅱ驱动转动从而实现小臂相对于大臂的水平摆动，所述第三水平关节由驱动传动机构Ⅲ驱动丝杠螺母转动从而实现丝杠的上下垂直运动；所述驱动传动机构Ⅲ包括第三关节电机，所述第三关节电机设置在小臂与大臂连接的一端内腔中，且所述第三关节电机输出轴设置的主动带轮Ⅲ通过同步带Ⅲ与丝杠减速器一端设置的从动带轮Ⅲ连接，所述丝杠减速器的一端设置在小臂另一端内腔中，所述丝杠减速器的另一端连接有丝杠螺母，所述丝杠螺母与竖直设置的丝杠连接，所述丝杠一端延伸至小臂外部上方，通过第三关节电机带动丝杠螺母转动从而带动丝杠上下移动；所述末端组件包括联轴器、三维力传感器、手托以及臂托，所述丝杠的顶部通过联轴器与三维力传感器相连接，所述三维力传感器的顶部通过腕关节法兰连接有水平设置的手托，所述手托的一端设置有手柄，所述手托的另一端与三维力传感器顶部转动连接，所述臂托与三维力传感器顶部的一侧固定连接。进一步的，所述支撑立柱为矩形框架结构，所述支撑立柱的顶部设置有第一安装板，在第一安装板的下方依次水平设置有第二安装板以及第三安装板，所述大臂水平设置在第一安装板的端面上，所述大臂一端的底部通过大臂减速器固定在第一安装板上，所述大臂减速器贯穿于第一安装板设置，所述驱动传动机构Ⅰ设置在第一安装板与第二安装板之间，所述驱动传动机构Ⅰ包括第一关节电机，所述第一关节电机的一端竖直设置在第二安装板以及第三安装板之间，且第一关节电机另一端穿过第二安装板设置的主动带轮Ⅰ通过水平设置的同步带Ⅰ与大臂减速器输入端设置的从动带轮Ⅰ连接，从而通过第一关节电机控制大臂相对于支撑立柱摆动。进一步的，在大臂位于大臂减速器的一端固定设置有电机法兰，所述驱动传动机构Ⅱ包括在电机法兰上竖直设置的第二关节电机，所述第二关节电机的输出轴连接有位于大臂内腔的主动带轮Ⅱ，位于大臂内腔的另一端设置有从动带轮Ⅱ，所述主动带轮Ⅱ与从动带轮Ⅱ之间设置有同步带Ⅱ，所述从动带轮Ⅱ连接有小臂减速器，所述小臂减速器的输出端与小臂连接，使得第二关节电机控制小臂相对于大臂摆动。进一步的，位于主动带轮Ⅱ以及从动带轮Ⅱ之间的同步带Ⅱ内设置有张紧轮Ⅱ，通过调节张紧轮的位置调节同步带Ⅱ的张紧。进一步的，所述同步带Ⅲ之间设置有张紧轮Ⅲ，且张紧轮Ⅲ连接有张紧轮支架，所述张紧轮支架连接有调节螺钉，通过调节螺钉使得张紧轮支架带动张紧轮Ⅲ移动，从而压紧同步带Ⅲ。进一步的，所述联轴器将丝杠的末端和三维力传感器下方的传感器下法兰固连在一起，所述传感器下法兰通过螺钉与三维力传感器连接。进一步的，所述三维力传感器的上方依次通过螺钉连接传感器上法兰、腕关节法兰。进一步的，所述第三关节电机通过电机支架固定在小臂上，且第三关节电机与小臂的旋转中心同轴，所述第三关节电机设置有光电编码器检测机构。进一步的，所述大臂和小臂可折叠放置。进一步的，所述控制器包括控制界面，所述控制界面包括触摸屏和开关按钮，通过触摸屏选择康复训练模式。本专利技术的有益效果在于：（1）本装置采用水平多关节的串联机器人的结构形式，康复训练时末端有较大的操作空间便于对上肢肌肉的全方位拉伸，不做康复训练时机器人水平多关节的串联结构可以收展自如，以较小的体积实现三维空间内的康复训练，且机器人大臂、小臂可折叠而占用较小的空间便于移动等操作，降低空间占用率，在医院里方便移动，甚至可以居家使用。另外，康复模式可以根据病人的具体情况选择，实现肩关节在水平面内的内收、外展模式以及在矢状面内的屈伸，肘关节在水平面内的屈伸模式，同时根据三维力传感器以及光电编码器检测机构分别对应实时采集机器人末端的力信号和和各旋转关节的角度信号达到对上肢精确的控制，在不伤害病人的前提上获得良好的康复训练效果，且各关节活动范围可根据需要而调节，以适应不同患者的康复训练需求；（2）本装置中第一关节电机和第二关节电机均集中布置在支撑立柱上，从而在一定程度上减轻机械臂上所受电机的重力，减低惯性力对机械系统产生的影响，提高了机械系统的控制性能。附图说明图1是本专利技术三关节位置示意图；图2是本专利技术的整体结构示意图；图3是本专利技术机器人空闲折叠状态图；图4是本专利技术机器人支撑立柱的局部示意图；图5是本专利技术机器人大臂内腔及小臂内腔的局部示意图；图6是本专利技术机器人末端组件的局部示意图；附图标记：1、第一安装板，2、第二安装板，3、第三安装板，4、支撑立柱，5、电机驱动器，6、第一关节电机，7、主动带轮Ⅰ，8、从动带轮Ⅰ，9、大臂减速器，10、大臂，11、第二关节电机，12、主动带轮Ⅱ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人，其特征在于：包括机器人本体、机器人支撑机构和控制驱动单元，所述机器人本体包括大臂（10）、与大臂一端连接的小臂（20）和末端组件构成的三自由度，所述机器人支撑机构包括支撑立柱（4），所述控制驱动单元包括控制器以及电机驱动器（5），所述电机驱动器（5）设置在支撑立柱（4）内；/n所述大臂（10）一端水平连接于支撑立柱的顶部端面上形成第一水平关节（39），所述小臂（20）水平连接于大臂的另一端平面形成第二水平关节（40），所述小臂（20）的另一端内腔通过设置的丝杠减速器（28）连接有丝杠螺母（29）以及丝杠（30）形成第三水平关节（41），所述第一水平关节由驱动传动机构Ⅰ驱动转动从而实现大臂（10）相对于支撑立柱的水平摆动，所述第二水平关节由驱动传动机构Ⅱ驱动转动从而实现小臂（20）相对于大臂的水平摆动，所述第三水平关节由驱动传动机构Ⅲ驱动丝杠螺母（29）转动从而实现丝杠（30）的上下垂直运动；/n所述驱动传动机构Ⅲ包括第三关节电机（19），所述第三关节电机（19）设置在小臂与大臂连接的一端内腔中，且所述第三关节电机（19）输出轴设置的主动带轮Ⅲ（21）通过同步带Ⅲ（22）与丝杠减速器（28）一端设置的从动带轮Ⅲ（27）连接，所述丝杠减速器（28）的一端设置在小臂另一端内腔中，所述丝杠减速器（28）的另一端连接有丝杠螺母（29），所述丝杠螺母（29）与竖直设置的丝杠（30）连接，所述丝杠（30）一端延伸至小臂外部上方，通过第三关节电机（19）带动丝杠螺母（29）转动从而带动丝杠（30）上下移动；/n所述末端组件包括联轴器（31）、三维力传感器（33）、手托（37）以及臂托（36），所述丝杠（30）的顶部通过联轴器（31）与三维力传感器（33）相连接，所述三维力传感器（33）的顶部通过腕关节法兰（35）连接有水平设置的手托（37），所述手托（37）的一端设置有手柄（38），所述手托（37）的另一端与三维力传感器（33）顶部转动连接，所述臂托（12）与三维力传感器（33）顶部的一侧固定连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人，其特征在于：包括机器人本体、机器人支撑机构和控制驱动单元，所述机器人本体包括大臂（10）、与大臂一端连接的小臂（20）和末端组件构成的三自由度，所述机器人支撑机构包括支撑立柱（4），所述控制驱动单元包括控制器以及电机驱动器（5），所述电机驱动器（5）设置在支撑立柱（4）内；
所述大臂（10）一端水平连接于支撑立柱的顶部端面上形成第一水平关节（39），所述小臂（20）水平连接于大臂的另一端平面形成第二水平关节（40），所述小臂（20）的另一端内腔通过设置的丝杠减速器（28）连接有丝杠螺母（29）以及丝杠（30）形成第三水平关节（41），所述第一水平关节由驱动传动机构Ⅰ驱动转动从而实现大臂（10）相对于支撑立柱的水平摆动，所述第二水平关节由驱动传动机构Ⅱ驱动转动从而实现小臂（20）相对于大臂的水平摆动，所述第三水平关节由驱动传动机构Ⅲ驱动丝杠螺母（29）转动从而实现丝杠（30）的上下垂直运动；
所述驱动传动机构Ⅲ包括第三关节电机（19），所述第三关节电机（19）设置在小臂与大臂连接的一端内腔中，且所述第三关节电机（19）输出轴设置的主动带轮Ⅲ（21）通过同步带Ⅲ（22）与丝杠减速器（28）一端设置的从动带轮Ⅲ（27）连接，所述丝杠减速器（28）的一端设置在小臂另一端内腔中，所述丝杠减速器（28）的另一端连接有丝杠螺母（29），所述丝杠螺母（29）与竖直设置的丝杠（30）连接，所述丝杠（30）一端延伸至小臂外部上方，通过第三关节电机（19）带动丝杠螺母（29）转动从而带动丝杠（30）上下移动；
所述末端组件包括联轴器（31）、三维力传感器（33）、手托（37）以及臂托（36），所述丝杠（30）的顶部通过联轴器（31）与三维力传感器（33）相连接，所述三维力传感器（33）的顶部通过腕关节法兰（35）连接有水平设置的手托（37），所述手托（37）的一端设置有手柄（38），所述手托（37）的另一端与三维力传感器（33）顶部转动连接，所述臂托（12）与三维力传感器（33）顶部的一侧固定连接。


2.根据权利要求1所述的一种三自由度水平多关节上肢康复训练机器人，其特征在于：所述支撑立柱（4）为矩形框架结构，所述支撑立柱（4）的顶部设置有第一安装板（1），在第一安装板（1）的下方依次水平设置有第二安装板（2）以及第三安装板（3），所述大臂（10）水平设置在第一安装板（1）的端面上，所述大臂（10）一端的底部通过大臂减速器（9）固定在第一安装板（1）上，所述大臂减速器（9）贯穿于第一安装板（1）设置，所述驱动传动机构Ⅰ设置在第一安装板（1）与第二安装板（2）之间，所述驱动传动机构Ⅰ包括第一关节电机（6），所述第一关节电机（6）的一端竖直设置在第二安装板（2）以及第三安装板（3）之间，且第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建海，李辽远，李向攀，郭冰菁，王志强，杨元，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41