CN1258351C - 偏瘫患者上肢复合运动的康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

偏瘫患者上肢复合运动的康复训练机器人，涉及一种对偏瘫患者的上肢进行多关节、大幅度复合动作的康复训练机器人设备。该机器人主要包括立柱、安装在立柱上的机械臂，腕部固定托架、座椅以及一个对患者肘关节进行悬吊支撑的悬吊支撑架；机械臂采用由机械大臂和机械小臂构成的二连杆结构，并可沿立柱进行升降；所述的立柱安置在座椅的侧面。本发明结构简单，控制简便，可以满足患者患肢在多个平面做大幅度运动训练的要求以及患者患肢在不同俯仰平面上训练时的支撑需要，并且还更有利于患者发挥患肢残余功能，达到最好的康复效果。

Description

偏瘫患者上肢复合运动的康复训练机器人

技术领域

本发明涉及一种康复训练机器人，特别涉及一种对偏瘫患者的上肢进行多关节、大幅度复合动作的康复训练机器人，属于辅助医疗康复训练设备技术领域。

背景技术

目前，我国每年有120-150万人患中风，其中半数残留严重的后遗症，影响生活质量。并且，随着世界各国相继进入老龄化国家，中风患者势必越来越多。由中风产生的众多患者后遗症中尤以偏瘫居首位。因中风而导致偏瘫，常常对患者本人、家庭造成心理及其它方面的冲击。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会资源的极大浪费。因此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提高患者本身的生活质量，也可以减轻社会的总体负担。

在偏瘫上肢康复训练中引入机器人技术，其优点在于，机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求，从而把治疗师从繁重的训练任务中解放出来；机器人可以客观记录训练过程中患者患肢各种运动参数，供治疗师分析，以评价治疗的效果；还有，使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，使患者能够积极参与治疗；最后，使用机器人治疗技术，使得远程治疗和集中治疗(一名治疗师同时为几名患者提供指导)成为可能。

一种偏瘫上肢康复训练机器人已在5,466,213号美国专利“交互式机器人治疗师(Interactive robotic therapist)”中作了介绍。该文件中介绍的机器人，安放在患者座椅的对侧，其机械臂具有两自由度，由机械大臂和机械小臂构成，两臂间为铰链连接。机械大臂和机械小臂分别由两部同轴安放的电机进行驱动，其中机械大臂直接与电机相连，机械小臂通过一个四连杆机构与电机相连。训练时，患者患肢的腕部固定在机械小臂的端部，机械臂在两部电机的驱动下带动患者患肢进行康复运动训练，主要是进行针对患肢肩、肘关节的复合运动训练。并且，训练时为了防止患者软弱无力的患肢下垂，该装置用一个安装在座椅上的托架对患者的肘关节进行辅助支撑，该托架具有两自由度，可以跟随患肢一起运动。该已知装置采用阻抗控制，能够实现反向可驱动性，具有主动和被动训练方式，能够记录训练动作的运动轨迹、速度、辅助力等参数。

但是，该已知偏瘫上肢康复训练机器人的缺点在于：机器人只能带动患者患肢做小幅度的运动，运动范围仅限于患者身体正前方的小块区域，不能带动患者患肢做向体侧的大范围大幅度的伸展运动，从而不能充分提供中枢神经康复所需的运动刺激。而且，该机器人只能带动患者患肢在水平面内进行运动，不能在多个运动平面进行训练，所能实现的训练动作种类较少。其次，该机器人安放在患者相对的位置，机械臂的运动与患肢的运动是相反的，不利于机械臂运动的控制和程序中算法的实现。再有，该机器人的肘关节支撑托架不够灵活，且只有单一的支撑功能，不能根据不同情况允许患者进行自主支撑，不利于患者发挥患肢的残余功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于偏瘫患者上肢复合运动的康复训练机器人，它不仅可以在多个运动平面内帮助患者完成上肢多关节、大范围、大幅度的康复运动训练，而且可根据不同情况允许患者进行自主支撑，有利于患者发挥患肢的残余功能。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种偏瘫患者上肢复合运动的康复训练机器人，包括立柱，安装在立柱上的机械臂，设置在机械臂端部的腕部固定托架和座椅，其特征在于：该机械人还包括一个对患者肘关节进行悬吊支撑的悬吊支撑架，所述的悬吊支撑架由支撑架立柱、支撑架大臂、支撑架小臂和悬吊线组成，所述的支撑架大臂和支撑架立柱以及支撑架大臂和支撑架小臂间采用铰链连接，所述的支撑架大臂与支撑架立柱间的铰链轴、支撑架大臂与支撑架小臂间的铰链轴以及支撑架立柱均为中空结构，所述的悬吊线一端从它们中间穿过缠绕在支撑架下端的卷筒轴上，卷筒轴与驱动电机相连接；在悬吊线的另一端吊有肘关节支撑套；所述的机械臂采用由机械大臂和机械小臂构成的二连杆结构，通过机械臂托架与所述的立柱相连，并可沿立柱进行升降；所述的立柱安置在座椅的侧面。

本发明所述的机械大臂和机械小臂为一铰链连接，在机械小臂上设有一带轮，通过圆弧齿同步带与机械小臂驱动电机相连。在所述的机械臂托架上设有梯形螺纹螺母和矩形槽；所述的梯形螺纹螺母和矩形槽分别与所述的立柱上的梯形螺纹丝杠和直角导轨相配合。所述的肘关节支撑套由小臂支撑套和大臂支撑套组成，两支撑套间采用铰链连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：①由于该机器人的机械臂为二连杆结构，避免了机械臂臂长增加后，四连杆机构中杆件过多、结构复杂、质量过大、驱动困难等缺点，不仅结构简单，更有利于机械臂的驱动和控制，从而可以满足患者患肢做大范围、大幅度运动训练的要求，其中患者大臂的活动范围可以达到与额状面(将人体分为前后两部分的平面)的夹角从0°到100°，患者小臂的活动范围可以达到与大臂的夹角从60°到180°，基本与正常人的活动范围相同。②由于该机器人的立柱可以对机械臂进行升降，因此，该机器人不仅可以带动患者患肢在水平面上进行康复训练，而且还可以在不同的俯仰平面内进行训练，训练平面可达到的最大俯仰角度为±40°。采用梯形螺纹的丝杠螺母，可使丝杠与螺母间具有自锁功能。③立柱摆放在座椅侧面，即训练时机械臂在患者患肢的同侧，可使机械臂的运动方向与患肢运动方向相同，便于机械臂运动控制和程序算法的实现。④悬吊支撑架的优点是，训练时患者患肢套入肘关节支撑套内，并由连接在肘关节支撑套上的悬吊线带动支撑臂一起运动，使悬吊支撑架成为一个随动支撑系统，可以调节悬吊线长度，以满足患者患肢在不同俯仰平面上训练时的支撑需要。并且，通过安装在悬吊线上传感器反馈的信号，还可以调节支撑力的大小，使支撑系统可以提供可使患者完成训练的最小支撑力，尽量发挥患者残肢的剩余功能。此悬吊支撑架为一柔性支撑系统，其比刚性支撑系统更节省空间，更具灵活性。

附图说明

图1为偏瘫上肢复合运动康复训练机器人系统的总体结构示意图。

图2为机械臂部件结构示意图。

图3为机械大臂与机械小臂连接处的剖面图。

图4为机械臂托架部分装配结构的剖面图。

图5为机器人立柱部件的结构示意图。

图6为图5(I)处的局部放大图。

图7为悬吊支撑架部件的结构示意图。

图8为悬吊支撑架中支撑架小臂与支撑架大臂连接处的剖面图。

图9为悬吊支撑架中支撑架大臂与支撑架立柱连接处的剖面图。

图10为悬吊支撑架底座部分装配结构的剖面图。

具体实施方式

图1为整个机器人系统的总体结构示意图，其主要由支撑和固定系统的基座1、对患者患肢进行训练的机械臂2、安放机械臂并可对机械臂进行升降的立柱3、用于对患者患肢进行悬吊支撑的悬吊支撑架4、固定患者腕部的腕部固定托架5和固定患者的座椅6等部件组成。其中，立柱3安放在座椅6的侧面，即训练时机械臂在患者患肢的同侧，可使机械臂的运动方向与患肢运动方向相同，便于机械臂运动控制和程序算法的实现。

图2为机械臂部件结构示意图。机械臂2主要由机械大臂7和机械小臂8构成，机械臂安装在机械臂托架9上，在机械小臂端部安装有腕部固定托架5。机械臂托架9背面加工有一矩形槽，与立柱上的直角导轨26相配合。机械臂托架9背面安装有梯形螺纹螺母10，与立柱内的梯形螺纹丝杠23相配合。机械臂托架9上还安装有两部交流伺服电机11、12，用以分别驱动机械大臂7和机械小臂8。其中，机械大臂7由电机11直接驱动，机械小臂8由电机12通过圆弧齿同步带13进行驱动。

图3为机械大臂7与机械小臂8连接处的剖面图。机械大臂7和机械小臂8通过轴14进行铰链连接。机械大臂7和轴14之间安装有滚动轴承，机械小臂8和带轮15通过轴键16安装在轴14上。带轮15上套有圆弧齿同步带13。

图4为机械臂托架部分装配结构的剖面图。机械臂驱动电机11、12安装在机械臂托架9上。其中，驱动电机11通过联轴器17与大臂传动轴18的一端相连，大臂传动轴18的另一端与机械大臂7相连；驱动电机12通过联轴器19与小臂传动轴20的一端相连，小臂传动轴20的另一端安装有带轮21，带轮21上套有同步带13。

如图5、图6所示，立柱的外罩22安装在基座1上，立柱外罩内装有梯形螺纹丝杠23，丝杠23上端通过联轴器24与步进电机25相连。通过步进电机25驱动丝杠23转动，可以对机械臂2进行升降。立柱外罩22上还安装有直角导轨26，在机械臂2的升降过程中起导向作用。

图7为悬吊支撑架部件的结构示意图。悬吊支撑架4由支撑架底座27、支撑架立柱28、支撑架大臂29、支撑架小臂30、悬吊线31、肘关节支撑套32和电机33组成。其中，支撑架立柱28和电机33都安装在支撑架底座27上，支撑架大臂29安装在支撑架立柱28顶部，支撑架小臂30安装在支撑架大臂29一端。支撑架小臂30的另一端通过悬吊线31吊有肘关节支撑套32。肘关节支撑套32由小臂支撑套和大臂支撑套组成。为了不干涉训练过程中肘关节的转动，两支撑套间为铰链连接方式，两支撑套可以相对自由转动。

图8为悬吊支撑架中支撑架小臂与支撑架大臂连接处的剖面图。支撑架小臂30通过铰链轴34与支撑架大臂29相连。其中，支撑架小臂30与轴34固连，支撑架大臂29与轴34之间装有滚动轴承。轴34为中空轴，悬吊线31从轴34中穿过，并跨过支撑架小臂30前端的定滑轮35。这样，悬吊线31通过了支撑架小臂30和支撑架大臂29之间的转动中心，保证了在支撑架小臂30和支撑架大臂29之间发生相对转动的情况下，悬吊线31的长度不变。

图9为悬吊支撑架中支撑架大臂与支撑架立柱连接处的剖面图。支撑架大臂29通过轴36与支撑架立柱28相连。其中，支撑架立柱28与轴36固连，支撑架大臂29与轴36之间装有滚动轴承。轴36为中空轴，支撑架立柱28也为中空结构，悬吊线31从轴36和支撑架立柱28中穿过。这样，悬吊线31通过了支撑架大臂29和支撑架立柱28之间的转动中心，保证了在支撑架大臂29和支撑架立柱28之间发生相对转动的情况下，悬吊线31长度不变。

图10为悬吊支撑架底座部分装配结构的剖面图。一台直流电机33安装在支撑架底座27上，电机33通过联轴器37与卷筒轴38的一端相连。卷筒轴38安装在支撑架立柱28内，悬吊线31缠绕在卷筒轴38上。通过电机33驱动卷筒轴38，可以调节悬吊线31的长度和其上支撑力的大小。

Claims (4)

1.一种偏瘫患者上肢复合运动的康复训练机器人，包括立柱(3)，安装在立柱上的机械臂(2)，设置在机械臂端部的腕部固定托架(5)和座椅(6)，其特征在于：该机械人还包括一个对患者肘关节进行悬吊支撑的悬吊支撑架(4)，所述的悬吊支撑架(4)由支撑架立柱(28)、支撑架大臂(29)、支撑架小臂(30)和悬吊线(31)组成，所述的支撑架大臂和支撑架立柱以及支撑架大臂和支撑架小臂间采用铰链连接，所述的支撑架大臂与支撑架立柱间的铰链轴(36)、支撑架大臂与支撑架小臂间的铰链轴(34)以及支撑架立柱均为中空结构，所述的悬吊线一端从它们中间穿过缠绕在支撑架下端的卷筒轴(38)上，卷筒轴与驱动电机(33)相连接；在悬吊线的另一端吊有肘关节支撑套(32)；所述的机械臂采用由机械大臂(7)和机械小臂(8)构成的二连杆结构，通过机械臂托架(9)与所述的立柱相连，并可沿立柱进行升降；所述的立柱(3)安置在座椅(6)的侧面。

2.按照权利要求1所述的康复训练机器人，其特征在于：所述的机械大臂和机械小臂为一铰链连接，在机械小臂上设有一带轮(15)，通过圆弧齿同步带(13)与机械小臂驱动电机(12)相连。

3.按照权利要求1或2所述的康复训练机器人，其特征在于：所述的机械臂托架上设有梯形螺纹螺母(10)和矩形槽()；所述的梯形螺纹螺母和矩形槽分别与立柱上的梯形螺纹丝杠(23)和直角导轨(26)相配合。

4.按照权利要求3所述的康复训练机器人，其特征在于：所述的肘关节支撑套(32)由小臂支撑套和大臂支撑套组成，两支撑套间采用铰链连接。

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