CN103393524B - 腰背部及两臂牵引康复机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种腰背部及双臂牵引康复机，可对病人腰背部和双臂进行针对性的牵引，从而进行康复治疗。包括腰背部系统和两个臂部系统。腰背部系统包括臀部基板、背部中间板、肩部基板、左侧运动机构和右侧运动机构。腰背部系统以电动推杆为动力，能够实现腰部的左右摆动；以气缸为动力能够实现前后俯仰运动。臂部系统包括肩部单元、肘部单元和腕部单元；其中肩部单元能够实现大臂相对于肩部的摆动和扭转，肘部单元能够实现小臂相对于大臂的摆动和扭转，腕部单元能够实现腕部相对于小臂的摆动。该康复机采用“圆型环包裹”式的结构，对人体关键关节来定位。采用气缸和电动推杆相结合作为动力源的方式，在直线运动方式的供给和速度、力度的可调节性上收到良好效果。

Description

腰背部及两臂牵引康复机

技术领域

本发明涉及一种医疗康复器材，具体涉及一种腰背部及两臂牵引康复机，属于机电设备技术领域。

背景技术

随着人们生活节奏的加快，工作压力的增大，越来越多的人长时间坐在办公桌前，而缺乏运动与休息，人们患腰背部、肩部和臂部的关节疾病概率大大增加。许多国家正在研发各种操作简便、功能齐全、安全性能高的牵引康复机器人，该机器人作为以一种医疗康复机器人，越来越受到欧洲、美国、日本等国家和地区的重视。如今外国的各种康复机器人已进入中国市场，但造价昂贵。而国内现有的康复机器人存在治疗部位单一、成本高、精度低、个性化低等不足。

申请号为201110076865.2的发明专利提供了一种可穿戴式7自由度上肢运动康复训练外装置，包括在底座上的支撑杆和外骨骼训练装置，其中外骨骼训练装置有肩部内收/外展关节、屈/伸关节、旋内/旋外关节、肘部屈/伸关节、旋内/旋外关节以及腕部内收/外展关节和屈/伸关节共七个旋转关节串联而成。该康复装置采用电机直接驱动关节，通过齿轮实现驱动，有回转误差，而且普通电机很难满足该申请中大扭矩的回转。

申请号为201110352097.9的发明专利提供了一种外骨骼可穿戴式上肢康复机器人，采用大功率电机使用谐波减速器传动及盘式电机，回转误差虽小，但一般电机无法满足其精度和功率要求，采用特殊电机会导致成本高；且该康复机结构复杂，不易维护，各部分替换性差。

申请号为201110029533.9的发明专利提供了一种外骨骼可穿戴式康复机器人，该康复机采用绑定的连接方式实现机器与人体的连接，舒适性差，人体活动范围受限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种腰背部及双臂牵引康复机，该康复机下采用气缸作为动力源，气缸为直线运动，没有回转误差，且功率大于普通电机，成本低；同时该康复机结构相对简单，便于维护和替换。

该腰背部及两臂牵引康复机整体为左右对称的结构，包括腰背部系统和两个臂部系统，两个臂部系统分别安装在背部系统的左右两边；所述腰背部系统与人体背部相贴合的一面为其正面，另一面为背面。

所述腰背部系统包括臀部基板、背部中间板、肩部基板、左侧运动机构和右侧运动机构；其中臀部基板和背部中间板位于同一竖直面内，且背部中间板位于臀部基板上方；所述肩部基板安装在背部中间板的正面，臀部基板和肩部基板的对称轴重合；所述左侧运动机构和右侧运动机构的结构形式相同，布置在康复机背面的左右两边。

所述右侧运动机构包括电动推杆、腰部承重连杆、背部横轴和背部气缸；其中电动推杆竖直安装在臀部基板的背面，其固定端与臀部基板铰接，动力输出端与腰部承重连杆中部的凸起铰接；所述腰部承重连杆的底部与臀部基板铰接，顶部竖直向上弯折后与背部横轴的右端铰接；所述背部横轴的左端铰接在背部中间板背面右侧的底部；所述背部气缸的固定端与背部横轴铰接，动力输出端与背部中间板正面顶部铰接。

所述臂部系统包括肩部单元、肘部单元和腕部单元；两个臂部系统分别通过肩部单元对称布置在肩部基板的左右两侧。

所述肩部单元包括三个肩部气缸、支架和三个十字万向节；所述支架为半圆形结构，支架通过其外圆周面底部的凸起与肩部基板相连，所述三个肩部气缸的固定端分别通过圆柱铰链安装在支架圆周面的三等分点上，动力输出端均向内倾斜后各通过一个肩部气缸接头连接一个十字万向节。

所述肘部单元包括大太阳轮、两个大行星轮、肘部舵机、大行星轮外环、大行星轮端盖、肘部气缸、两个肘部连杆组和环形护臂；所述肩部单元中的三个万向节各通过一个L型板与大太阳轮固接；所述大太阳轮外圆周面的中间位置加工有外齿，通过该外齿两侧的光滑圆周面将大太阳轮安装在大行星轮端盖和大行星轮外环之间；大行星轮端盖的底部固接肘部舵机，肘部舵机输出齿轮与大太阳轮啮合。两个大行星轮固定在大行星轮外环上，所述两个大行星轮均与大太阳轮啮合，保证两个大行星和肘部舵机输出齿轮在大太阳轮的圆周方向均匀分布；所述环形护臂的直径小于大行星轮外环的直径，肘部气缸的固定端与大行星轮外环外圆周面的顶部铰接，动力输出端向内倾斜后与环形护臂外圆周面顶部的圆柱铰链相连；所述肘部侧板和肘部横板构成肘部连杆组，所述肘部侧板的一端与大行星轮外环固接，另一端与肘部横板铰接，肘部横板的另一端与环形护臂固接；所述两个肘部连杆组的安装位置分别在对应圆周水平直径的两个端点上。

所述腕部单元包括小太阳轮、两个小行星轮、腕部舵机、小行星轮外环、小行星轮端盖、腕部气缸、两个腕部连杆组和护腕；腕部单元和肘部单元间通过均匀分布的三个L型板连接，所述L型板的一端与护腕的外圆周面固接，另一端与小行星轮外环的端面固接；所述腕部单元的结构与肘部单元的结构相同，区别在于：腕部单元中腕部气缸的固定端与小行星轮外环外圆周面的顶部铰接，动力输出端向前沿水平方向与护腕外圆周面顶部的圆柱铰链相连；所述护腕为半圆形；所述腕部单元中在护腕的前侧安装有把手，所述把手包括固定轴和套筒，固定轴的两端分别与两个腕部连杆组的端部固接，套筒套装在固定轴外，且与固定轴间隙配合。

所述腰背部系统中还包括高度调节机构；所述高度调节机构包括丝杆、螺母和电机；在所述背部中间板正面的对称轴上加工丝杆安装槽，所述丝杆通过其顶部和底部的丝杆端套竖直安装在丝杆安装槽内，所述丝杠端套固定在背部中间板上；与丝杠配合的螺母通过螺钉固定在肩部基板上，丝杠的底部通过联轴器与固定在背部中间板上的电机的输出轴相连。

在所述背部中间板上丝杆安装槽的左右两侧分别加工有与丝杠平行的条形槽，在肩部基板上与该条形槽对应的位置钻孔；通过丝杠螺母机构调整肩部基板的高度，所述肩部基板通过垫片和紧固螺栓固定。

在所述肩部单元与肩部基板的连接处设计有横向直槽，所述支架外圆周面底部的凸起能够在该横向直槽内滑动。

所述腰背部系统中的电动推杆应满足：当一侧电动推杆在最大行程时，另一侧的电动推杆正好或还未到达其最小行程，且该最大行程使背部中间板侧偏24度。

所述肩部单元中支架通过其外圆周面底部的凸起与肩部基板铰接。

所述肩部单元中支架的内圆周面上安装有肩垫。

所述肘部单元中，在大太阳轮内圆周面上，与所述L型板的连接处分别加工有矩形凸起，所述大太阳轮该矩形凸起与L型板连接。

有益效果：

（1）该康复机采用气缸及电动推杆相结合作为动力源，其动力输出方式均为直线运动，没有回转误差，且功率大于普通电机，成本低；且整体结构简单，模块化设计，便于维护和替换。

（2）在腰背部系统中增加了肩宽及肩高的调节机构，以适应不同身高的使用者，尽可能保证使用者在进行康复训练时舒适，训练效果好。

（3）肩部单元中支架通过其外圆周面底部的凸起与肩部基板铰接，使用者在穿戴该康复机时可以向后转动整个臂部系统，使穿戴比较方便。

附图说明

图1为该康复机的整体结构示意图；

图2为腰背部系统的正面（与人体贴合的一面）的结构示意图；

图3为腰背部系统的背面的结构示意图；

图4为臂部系统结构示意图；

图5为肩部单元结构示意图；

图6为肘部单元结构示意图；

图7为大太阳轮的结构示意图；

图8为腕部单元结构示意图。

其中：1-腰背部系统，2-臂部系统，3-臀部基板，4-背部中间板，5-肩部基板，6-腰部承重连杆，7-电动推杆，8-背部横轴，9-背部气缸，10-丝杆，11-肩部单元，12-肘部单元，13-腕部单元，14-支架，15-肩部气缸，16-十字万向节，17-肩垫，18-大行星轮外环，19-肘部气缸，20-环形护臂，21-肘部侧板，22-肘部舵机，23-肘部外横板，24-肘部内横板，25-大太阳轮，26-腕部气缸，27-护腕，28-腕部舵机，29-腕部连杆组，30-把手，31-小行星轮外环1。

具体实施方式

下面结合附图并举实例，对本发明进行详述。

本实施例提供一种腰背部及双臂牵引康复机，该康复机的整体结构如图1所示，包括腰背部系统1和两个臂部系统2，两个臂部系统2分别安装在背部系统的左右两边，并沿其竖直中心线对称。

将腰背部系统1与人体背部相贴合的一面视为其正面，另一面为背面。则腰背部系统1正面结构如图2所示，背面结构如图3所示。腰背部系统1整体左右对称，具体包括臀部基板3、背部中间板4、肩部基板5、高度调节机构、左侧运动机构和右侧运动机构。

其中臀部基板3和背部中间板4位于同一竖直面内，且背部中间板4位于臀部基板3上方，肩部基板5位于背部中间板4的正面；其中臀部基板3和肩部基板5的对称轴重合。左侧运动机构和右侧运动机构的结构形式相同，且左右对称布置在康复机的背面。下面仅以右侧运动机构为例，具体介绍其结构。

右侧运动机构包括电动推杆7、腰部承重连杆6、背部横轴8和背部气缸9。其中腰部承重连杆6的一端弯折后形成钝角。所述电动推杆7竖直安装在臀部基板3的背面，其固定端通过推杆连接架与臀部基板3铰接，动力输出端与腰部承重连杆6中部的凸起铰接。腰部承重连杆6的弯折端竖直向上与背部横轴8的右端铰接，并在该铰接处安装轴承及腰部小心轴端盖；另一端通过臀部心轴与臀部基板3铰接，臀部心轴通过轴承、轴承座、轴承座端盖等安装在臀部基板3上，实现腰部承重连杆6绕臀部心轴的转动。背部横轴8的左端通过轴承、腰部心轴端盖和背部俯仰轴座铰接在背部中间板4背面右侧的底部。以上所述的臀部基板3、腰部承重连杆6、背部横轴8和背部中间板4形成了四连杆机构，可以在电动推杆7的作用下实现人体的左右侧摆运动。目前医学研究表明，正常人体侧摆的极限为从脊柱中线向左右侧偏24度，本实施例中为保证康复机使用的有效性，所选电动推杆7的最大行程及最小行程应满足：当一侧电动推杆7在最大行程时，另一侧的电动推杆7正好或还未到达其最小行程，且该最大行程使背部中间板4侧偏24度，从而与人体侧摆的极限拟合。

所述背部气缸9的固定端与背部横轴8的中部铰接，动力输出端与背部中间板4正面的顶部铰接。所述背部气缸9提供背部前后俯仰的动力，并通过背部俯仰轴座、轴承、背部横轴8组成转动副，实现背部的前后俯仰。

考虑到该康复机应适应使用者不同身高的需要，在腰背部系统1中设计了高度调节机构。该高度调节机构通过丝杆10螺母运动副实现。具体为：在背部中间板4正面的对称轴上加工丝杆10安装槽，丝杆10通过其顶部和底部的丝杆10端套竖直安装在丝杆10安装槽内，所述丝杠端套通过轴承和轴承座固定在背部中间板4上。与丝杠配合的螺母通过螺钉固定在肩部基板5上，丝杠的底部通过联轴器与固定在背部中间板4上的步进电机的输出轴相连，通过步进电机的正反转调整肩部基板5的高度，从而适应不同使用者的肩高。为了增强高度调节机构的稳定性，在背部中间板4上丝杆10安装槽的左右两侧分别加工有与丝杠平行的条形槽，在肩部基板5上与该条形槽对应的位置钻孔。通过丝杠螺母机构将肩部基板5调整到适宜高度后，通过垫片和紧固螺栓固定肩部基板5。

臂部系统2的结构如图4所示，包括肩部单元11、肘部单元12和腕部单元13。两个臂部系统2分别通过肩部单元11对称布置在肩部基板5的左右两侧。

其中肩部单元11的结构如图5所示，包括三个肩部气缸15、支架14和三个十字万向节16。本实施例中所述支架14为半圆形机构，支架14外圆周面的底部通过一个凸起与肩部基板5铰接，使用者在穿戴该康复机时可以向后转动整个臂部系统2，使穿戴比较方便。三个肩部气缸15的固定端分别通过圆柱铰链安装在支架14圆周面的三等分点上，动力输出端各通过一个肩部气缸15接头连接一个十字万向节16。三个肩部气缸15同时充当动力源和结构件，结构比较稳定且动力充足。三个肩部气缸15及万向节组成的三并联肩部气缸15结构具有三个自由度，可以模拟人肩部的球铰结构，同时具有长度调节的功能（通过肩部气缸15实现）。为保证该康复机穿戴舒适，在支架14的内圆周面上安装有肩垫17。为实现肩部的宽度调节，在肩部单元11与肩部基板5的连接处设计有横向直槽，可以在一定范围内调节肩部两个臂部系统2之间的距离。

肘部单元12的结构如图6所示，包括大太阳轮25、两个大行星轮、肘部舵机22、大行星轮外环18、大行星轮端盖、肘部气缸19、两个肘部连杆组和环形护臂20。肘部单元12可以模拟大臂相对于肩部的扭转及摆动。其中大太阳轮25的结构如图7所示，其外圆周面的中间位置加工有外齿，在该外齿两侧的光滑圆周面上分别安装大行星轮端盖和大行星轮外环18，实现大太阳轮25的轴向定位。大行星轮端盖的底部固接肘部舵机22，肘部舵机22输出齿轮与大太阳轮25啮合。大行星轮外环18构成行星轮系的行星架，两个大行星轮分别固定在大行星轮外环18关于竖直截面对称且成120度的位置，两个大行星轮均与大太阳轮25啮合，使两个大行星和肘部舵机22输出齿轮分别位于大太阳轮25的三等分点上。肘部舵机22输出齿轮驱动大太阳轮25转动，实现大臂相对于肩部的运动，并通过两个大行星轮维持大太阳轮25的正常运转，保证其定位可靠。而肩部单元11中的三个万向节各通过一个L型板与大太阳轮25内圆周面上的三等分点固定接，并保证连接可靠，在大太阳轮25内圆周面上上述三个连接处分别加工有矩形凸起，使大太阳轮25通过该矩形凸起与L型板连接，保证其连接面为紧密接触的平面。所述环形护臂20的直径小于大行星轮外环18的直径，肘部气缸19的固定端与大行星轮外环18外圆周面的顶部铰接，动力输出端向内倾斜后与环形护臂20外圆周面顶部的圆柱铰链相连。肘部侧板21、肘部外横板23和肘部内横板24构成肘部连杆组，肘部外横板23和肘部内横板24相互平行，其中肘部侧板21的一端与大行星轮外环18固接，另一端通过柱铰分别与肘部外横板23和肘部内横板24铰接，肘部外横板23和肘部内横板24的另一端与环形护臂20固接。两个肘部连杆组的安装位置分别在对应圆周水平直径的端点上。使用时，所述环形护臂20位于肘关节以下的位置，通过肘部气缸19的伸缩可以推动肘部外横板23和肘部内横板24绕柱铰转动，从而实现肘关节的屈伸。

腕部单元13的结构如图8所示，包括小太阳轮、两个小行星轮、腕部舵机28、小行星轮外环31、小行星轮端盖、腕部气缸26、两个腕部连杆组29和护腕27，腕部单元13可以模拟小臂相对于大臂的扭转和摆动以及腕部相对于小臂的摆动。腕部单元13的结构与肘部单元12的结构类似，区别在于：腕部单元13中腕部气缸26的固定端与小行星轮外环31外圆周面的顶部铰接，动力输出端向前沿水平方向与护腕27外圆周面顶部的圆柱铰链相连；所述护腕27为半圆形；腕部单元13中在护腕27的前侧安装有把手30，所述把手30包括固定轴和套筒，固定轴的两端分别与两个腕部连杆组29的端部固接，套筒套装在固定轴外，且与固定轴间隙配合。肘部单元12和腕部单元13间通过均匀分布的三个L型板连接，所述L型板的一端与环形护腕27的外圆周面固接，另一端与小行星轮外环31的端面固接。并保证连接可靠，在环形护腕27外圆周面上上述三个连接处分别加工有矩形凸起，使环形护腕27通过该矩形凸起与L型板连接，保证其连接面为紧密接触的平面。

采用该康复机进行康复治疗的过程为：

在进行牵引康复治疗前，先将臀部基板3固定，依据康复人员的身高、肩宽、臂长分别调节肩部基板5的高度、宽度及臂部系统2的长度。调节时，保持臀部基板3的位置不变，通过调节肩部基板5的相对位置调节身长，使肩垫17与康复人员肩部同高。通过调节手臂固定件的位置调节肩宽，使肩垫17与康复人员肩部同宽。通过调节各气缸的长度调节臂长，使肘部单元12和腕部运动与康复人员身体的对应部位对齐。

在进行康复治疗时，康复人员握住两端把手30。改变铰接在臀部基体和腰部承重连杆6中部的两个电动推杆7长度，实现身体的左右摆动。改变后背部两个气缸的长度，实现肩部的俯仰运动。通过改变两臂部系统2各气缸的长度，牵拉手臂，并带动手臂做相应的动作。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：所述康复机整体为左右对称的结构，包括腰背部系统和两个臂部系统，两个臂部系统分别安装在背部系统的左右两边；所述腰背部系统与人体背部相贴合的一面为其正面，另一面为背面；

所述腰背部系统包括臀部基板、背部中间板、肩部基板、左侧运动机构和右侧运动机构；其中臀部基板和背部中间板位于同一竖直面内，且背部中间板位于臀部基板上方；所述肩部基板安装在背部中间板的正面，臀部基板和肩部基板的对称轴重合；所述左侧运动机构和右侧运动机构的结构形式相同，布置在康复机背面的左右两边；

所述右侧运动机构包括电动推杆、腰部承重连杆、背部横轴和背部气缸；其中电动推杆竖直安装在臀部基板的背面，电动推杆的固定端与臀部基板铰接，电动推杆的动力输出端与腰部承重连杆中部的凸起铰接；所述腰部承重连杆的底部与臀部基板铰接，顶部竖直向上弯折后与背部横轴的右端铰接；所述背部横轴的左端铰接在背部中间板背面右侧的底部；所述背部气缸的固定端与背部横轴铰接，背部气缸的动力输出端与背部中间板正面顶部铰接；

所述臂部系统包括肩部单元、肘部单元和腕部单元；两个臂部系统分别通过肩部单元对称布置在肩部基板的左右两侧；

所述肩部单元包括三个肩部气缸、支架和三个十字万向节；所述支架为半圆形结构，支架通过其外圆周面底部的凸起与肩部基板相连，所述三个肩部气缸的固定端分别通过圆柱铰链安装在支架圆周面的三等分点上，肩部气缸的动力输出端均向内倾斜后各通过一个肩部气缸接头连接一个十字万向节；

所述肘部单元包括大太阳轮、两个大行星轮、肘部舵机、大行星轮外环、大行星轮端盖、肘部气缸、两个肘部连杆组和环形护臂；所述肩部单元中的三个万向节各通过一个L型板与大太阳轮固接；所述大太阳轮外圆周面的中间位置加工有外齿，通过该外齿两侧的光滑圆周面将大太阳轮安装在大行星轮端盖和大行星轮外环之间；大行星轮端盖的底部固接肘部舵机，肘部舵机输出齿轮与大太阳轮啮合；两个大行星轮固定在大行星轮外环上，所述两个大行星轮均与大太阳轮啮合，保证两个大行星轮和肘部舵机输出齿轮在大太阳轮的圆周方向均匀分布；所述环形护臂的直径小于大行星轮外环的直径，肘部气缸的固定端与大行星轮外环外圆周面的顶部铰接，肘部气缸的动力输出端向内倾斜后与环形护臂外圆周面顶部的圆柱铰链相连；所述肘部连杆组由肘部侧板和肘部横板构成，所述肘部侧板的一端与大行星轮外环固接，另一端与肘部横板铰接，肘部横板的另一端与环形护臂固接；所述两个肘部连杆组的安装位置分别在对应圆周水平直径的两个端点上；

所述腕部单元包括小太阳轮、两个小行星轮、腕部舵机、小行星轮外环、小行星轮端盖、腕部气缸、两个腕部连杆组和护腕；腕部单元和肘部单元间通过均匀分布的三个L型板连接，所述三个L型板的一端分别与护腕的外圆周面固接，另一端分别与小行星轮外环的端面固接；所述腕部单元的结构与肘部单元的结构相同，区别在于：腕部单元中腕部气缸的固定端与小行星轮外环外圆周面的顶部铰接，腕部气缸的动力输出端向前沿水平方向与护腕外圆周面顶部的圆柱铰链相连；所述护腕为半圆形；所述腕部单元中在护腕的前侧安装有把手，所述把手包括固定轴和套筒，固定轴的两端分别与两个腕部连杆组的端部固接，套筒套装在固定轴外，且与固定轴间隙配合。

2.如权利要求1所述的一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：所述腰背部系统中还包括高度调节机构；所述高度调节机构包括丝杆、螺母和电机；在所述背部中间板正面的对称轴上加工丝杆安装槽，所述丝杆通过其顶部和底部的丝杆端套竖直安装在丝杆安装槽内，所述丝杆端套固定在背部中间板上；与丝杆配合的螺母通过螺钉固定在肩部基板上，丝杆的底部通过联轴器与固定在背部中间板上的电机的输出轴相连。

3.如权利要求2所述的一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：在所述背部中间板上丝杆安装槽的左右两侧分别加工有与丝杆平行的条形槽，在肩部基板上与该条形槽对应的位置钻孔；通过丝杆螺母机构调整肩部基板的高度，所述肩部基板通过垫片和紧固螺栓固定。

4.如权利要求1所述的一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：在所述肩部单元与肩部基板的连接处设计有横向直槽，所述支架外圆周面底部的凸起能够在该横向直槽内滑动。

5.如权利要求1、2或4所述的一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：所述腰背部系统中的电动推杆应满足：当一侧电动推杆在最大行程时，另一侧的电动推杆正好或还未到达其最小行程，且该最大行程使背部中间板侧偏24度。

6.如权利要求1、2或4所述的一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：所述肩部单元中支架通过其外圆周面底部的凸起与肩部基板铰接。

7.如权利要求1、2或4所述的一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：所述肩部单元中支架的内圆周面上安装有肩垫。

8.如权利要求1、2或4所述的一种腰背部及两臂牵引康复机，其特征在于：所述肘部单元中，在大太阳轮内圆周面上，与所述L型板的连接处分别加工有矩形凸起，所述大太阳轮的该矩形凸起与L型板连接。