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二自由度上肢康復訓練機器人系統.pdf

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自由度 上肢 康復訓練 機器人 系統
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摘要
申請專利號:

CN201310392998.X

申請日:

20130903

公開號:

CN103417361A

公開日:

20131204

當前法律狀態:

有效性:

失效

法律詳情:
IPC分類號: A61H1/02 主分類號: A61H1/02
申請人: 東南大學
發明人: 李會軍,王茜,宋愛國
地址: 210096 江蘇省南京市四牌樓2號
優先權: CN201310392998A
專利代理機構: 江蘇永衡昭輝律師事務所 代理人: 王斌
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310392998.X

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開了一種二自由度上肢康復訓練機器人系統,其包括:康復機器人機構、機構支撐臺、肘部支撐架。所述的康復機器人機構包括機構外框、可以進行兩個自由度運動的雙并行連桿機構、驅動所述雙并行連桿機構進行x方向運動的第一驅動機構和驅動所述雙并行連桿機構進行y方向運動的第二驅動機構。所述的肘部支撐架包括固定用的底座、固定在所述底座上的支撐軸、轉動設置在所述支撐軸上的旋轉軸、固定在所述旋轉軸上的帶有凹槽的導軌和沿著導軌凹槽自由滑動的滑塊。本發明結構簡單,運動靈活,能夠幫助具有上肢運動功能障礙的患者進行上肢康復訓練,以達到提高康復效果的目的。

權利要求書

1.一種二自由度康復訓練機器人系統,其包括康復機器人機構、機構支撐臺35和肘部支撐架,所述的康復機器人機構包括機構外框1、進行兩個自由度運動的雙并行連桿機構、驅動所述雙并行連桿機構進行x方向運動的第一驅動機構和驅動所述雙并行連桿機構進行y方向運動的第二驅動機構。2.如權利要求1所述的二自由度康復訓練機器人系統,其特征在于:所述雙并行連桿機構由四根連桿15、16、17、18構成,連桿下端分別通過連接件19、20、21、22與配重軸25、26、27、28相連,配重軸上設有螺紋,用于連接不同重量的配重;連桿15、16、17、18上端分別通過萬向節與手部托盤23相連接。3.如權利要求1所述的二自由度康復訓練機器人系統,其特征在于:所述第一驅動機構包括固定在機構外框1上的第一電機組、通過聯軸器7與所述第一電機組相連的第一旋轉軸5和設置在機構外框1中的與第一旋轉軸平行的從動旋轉軸6,所述第一旋轉軸5通過連接件20的中間孔與所述雙并行連桿機構的第一連桿16轉動相連,所述從動旋轉軸6通過連接件19的中間孔與所述雙并行連桿機構的第二連桿15轉動相連。4.如權利要求1所述的二自由度康復訓練機器人系統,其特征在于:所述第二驅動機構包括固定在機構外框1上的第二電機組和通過聯軸器13與第二電機組相連的第二旋轉軸12,所述第二旋轉軸12通過連接件22、21的中間孔與所述雙并行連桿機構的第三連桿18、第四連桿17轉動相連。5.如權利要求1所述的二自由度康復訓練機器人系統,其特征在于:所述肘部支撐架包括固定用的底座36、固定在所述底座上的支撐軸40、轉動設置在所述支撐軸上的旋轉軸37、固定在所述旋轉軸上的帶有凹槽的導軌38和沿著導軌凹槽自由滑動的滑塊39,所述肘部支撐架有兩個自由度,一個是導軌38,其繞著支撐軸40旋轉運動,另一個是滑塊39,其沿著帶有凹槽的導軌38來回滑動。

說明書

技術領域

本發明屬于康復機器人技術領域,尤其涉及一種二自由度上肢康復訓練機器人系統。??

背景技術

對于腦卒中后遺癥患者,對其偏癱部位進行康復訓練是十分重要的醫療手段,及早進行康復訓練可以明顯減少殘疾的可能性。在傳統的康復治療中,治療師通常手把手地對患者進行單調的一對一的康復訓練,缺乏科學評價訓練參數和康復效果的客觀數據,難以對訓練參數進行優化以獲得最佳治療效果。?因此,將機器人技術運用于康復領域,研制一種滿足康復需要的康復訓練機器人以提高康復訓練效率和效果,具有重大的應用價值和實際的緊迫性。?

康復機器人技術在歐美國家得到了機器人研究者和醫療機構的普遍重視,許多機構都開展了相應的研究工作,并取得了一些有價值的成果。肢體運動功能康復的機器人最早的設想來自Dijkers,他設計了一種簡單的機器人幫助腦卒中患者進行上肢鍛煉,并記錄患者鍛煉的結果。1998年美國麻省理工學院的Hogan等研制出一種稱作MIT-MANUS的康復機器人,但由于該機器人自由度較少,僅局限于平面運動,因而康復訓練效果非常有限。2000年美國的Reinkensmeyer等研制了另一種輔助康復和測量導向器(ARM?Guide),主要針對抓取時上臂的動作進行設計。同年,美國的Lum等研制了鏡像運動使能器(MIME),在臨床實驗中表現出了較好的康復效果。但由于該機器人系統是以工業機器人為載體的,不僅慣性質量大,而且訓練中患者的安全性難以保證。英國Reading大學為首的歐洲跨國研究小組,于2002年研制出一種叫做GENTLE/S的上肢康復訓練機器人,機械臂為三自由度的升降式搖臂結構,可實現手臂的三維運動。瑞士的Nef等人研制的手臂康復機器人ARMin采用不完全外骨骼結構,可提供預記錄軌跡、指定運動治療、示教和患者主動力等四種控制模式。日本的Noritsugu等人用四根人造肌肉構造了一個2自由度的治療機器人。這些康復機器人系統雖然在一定程度上證明了機器人輔助康復訓練的有效性,但這些康復設備也存在一些亟待解決的問題,如:機器人系統比較復雜、康復訓練模式比較簡單、部分訓練模式需要康復醫師的參與等,目前還不能完全實現人-機之間的主被動協調運動。?

90年代末以來,隨著我國人口老齡化趨勢的加快,康復訓練機器人的研究得到了一些高校和科研院所的重視,東南大學、清華大學、哈爾濱工業大學等先后開展了康復訓練機器人技術的研究工作。清華大學研制了肩肘復合運動康復機器人,肩關節康復機器人和手的康復訓練器等多種康復機器人,在陳舊性偏癱患者的康復方面觀察到初步效果。浙江大學通過動力學建模與仿真以及機械結構的設計及仿真,開發研制出一套下肢外骨骼康復機器人的原型機構。哈爾濱工程大學的下肢康復訓練機器人實現對下肢各個關節的運動訓練。哈爾濱工業大學研制的5自由度外骨骼式上肢康復機器人,也屬于輔助型康復機器人的范疇。東南大學從2003年起開展了康復機器人技術的研究,并同美國西北大學智能機械機構實驗室合作,將力反饋遙操作機器人應用于康復醫學工程中,針對肢體康復訓練系統做了大量研究工作。?

康復機器人的研究已引起了各國的重視,發展較快;康復機器人的控制方法不斷完善,結構各式各樣,驅動方式由最先的外力控制,變為現在的肌電控制和腦電控制等,康復效果得到了改善。然而其普遍存在幾點關鍵問題:?

1、以串聯結構居多,?支鏈長,占用空間大,重量大,需要較大的驅動力。

2、大多數康復機器人結構復雜、對控制方法和安全性的要求也相對較高。?

3、缺乏對克服自身重力存在難度的患者進行必要的支撐和保護措施。?

4、患者訓練動作種類相對較少且僅限于某些單一的動作,難以提高患者康復訓練的積極性。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種二自由度康復訓練機器人系統,該機器人系統可以幫助具有上肢運動功能障礙的患者進行上肢康復訓練,促進上肢運動功能得到良好的恢復,有效避免肢體運動功能退化。?

本發明提供的二自由度康復訓練機器人系統,包括康復機器人機構、機構支撐臺、肘部支撐架,所述的康復機器人機構包括機構外框、進行兩個自由度運動的雙并行連桿機構、驅動所述雙并行連桿機構進行x方向運動的第一驅動機構、驅動所述雙并行連桿機構進行y方向運動的第二驅動機構。?

所述雙并行連桿機構由四根連桿構成,連桿下端分別通過連接件與配重軸相連,配重軸上設有螺紋,用于連接不同重量的配重;連桿上端分別通過萬向節與手部托盤相連接。?

所述第一驅動機構包括固定在機構外框上的第一電機組、通過第一聯軸器與第一電機組相連的第一旋轉軸和設置在機構外框中的與第一旋轉軸平行的從動旋轉軸,第一旋轉軸和從動旋轉軸分別通過第一連接件和第二連接件與雙并行連桿機構的第一、第二連桿轉動相連。

所述第二驅動機構包括固定在機構外框上的第二電機組和通過第二聯軸器與第二電機組相連的第二旋轉軸,所述第二旋轉軸分別通過第三連接件和第四連接件與雙并行連桿機構的第三、第四連桿轉動相連。?

所述的肘部支撐架包括固定用的底座、固定在所述底座上的支撐軸、轉動設置在所述支撐軸上的旋轉軸、固定在所述旋轉軸上的帶有凹槽的導軌和沿著導軌凹槽自由滑動的滑塊。?

本發明的二自由度康復訓練機器人系統的優點是:該機器人系統采用雙并行連桿機構,體積小,重量輕,易于驅動;結構簡單,運行平穩,易于控制;同時提供了相應的肘部支撐機構,用于對克服自身重力存在難度的患者的肘部進行支撐和保護;康復機器人機構具有兩個自由度,兩個方向的運動可以單獨進行,也可以同時進行,增加了上肢的訓練范圍。??

附圖說明

圖1是本發明二自由度康復機器人系統的正視圖;?

圖2是本發明二自由度康復機器人機構的斜視圖;

圖3是本發明二自由度康復機器人機構的正視圖;

圖4是本發明二自由度康復機器人機構的俯視圖;

圖5是本發明肘部支撐架的正視圖;

圖6是本發明肘部支撐架的俯視圖;

圖7是本發明肘部支撐架的剖視圖。?

具體實施方式

如圖1所示,一種二自由度康復訓練機器人系統,其包括康復機器人機構、機構支撐臺35和肘部支撐架,所述機構支撐臺中間固定有康復機器人機構,所述康復機器人機構包括機構外框1、進行兩個自由度運動的雙并行連桿機構、驅動所述雙并行連桿機構進行x方向運動的第一驅動機構和驅動所述雙并行連桿機構進行y方向運動的第二驅動機構。?

如圖2所示,所述雙并行連桿機構由四根連桿15、16、17、18構成,連桿下端分別通過連接件19、20、21、22與配重軸25、26、27、28相連,配重軸上設有螺紋,用于連接不同重量的配重;連桿15、16、17、18上端分別通過萬向節與手部托盤23相連接,手部托盤上設有手柄24,用于康復訓練時牽引受訓者的患肢。?

所述第一驅動機構包括利用第一電機支架8固定在機構外框上的第一電機組、第一旋轉軸5和設置在機構外框中的與第一旋轉軸平行的從動旋轉軸6。第一電機組包括第一編碼器2、第一電機3和第一減速器4,所述第一減速器4通過聯軸器7與第一旋轉軸5相連,所述第一旋轉軸5通過連接件20的中間孔與所述雙并行連桿機構的第一連桿16轉動相連,所述從動旋轉軸6通過連接件19的中間孔與所述雙并行連桿機構的第二連桿15轉動相連。?

所述第二驅動機構包括利用第二電機支架14固定在機構外框上的第二電機組和第二旋轉軸12。第二電機組包括第二編碼器9、第二電機10和第二減速器11,所述第二減速器通過聯軸器13與第二旋轉軸12相連,所述第二旋轉軸12通過連接件22、21的中間孔與雙并行連桿機構的第三連桿18、第四連桿17相連。?

所述的肘部支撐架包括固定用的底座36、固定在所述底座上的支撐軸40、轉動設置在所述支撐軸上的旋轉軸37、固定在所述旋轉軸37上的帶有凹槽的導軌38和沿著導軌凹槽自由滑動的滑塊39,所述肘部支撐架有兩個自由度,一個是固定在旋轉軸上的導軌38,其繞著支撐軸40旋轉,另一個是滑塊39,其沿著帶有凹槽的導軌38來回滑動。使用時,用寬綁帶將患者的肘部固定在肘部支撐架上,則患肢將隨著康復機構牽引的方向進行運動。?

以上是對本發明二自由度康復訓練機器人系統的結構介紹,其運動原理是:第一電機3驅動第一減速器4運動,所述第一減速器4驅動第一旋轉軸5轉動,進而驅動雙并行連桿機構和從動軸在x方向進行運動,從而牽引上肢進行左右方向的運動。第二電機10驅動第二減速器11運動,所述第二減速器11驅動第二旋轉軸12轉動,進而驅動雙并行連桿機構在y方向進行運動,從而牽引上肢進行前后方向的運動。兩個電機同時工作時,將牽引上肢在運動空間內進行各種不同軌跡的運動。?

以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明原理的前提下,還可以做出若干可以預期的改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。?

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