專利名稱：多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人用于心腦血管疾病或意外事故等造成上肢體損傷的患者作上肢康復(fù)訓(xùn)練，屬于醫(yī)療保健器械。
背景技術(shù)：
醫(yī)學(xué)理論和實踐證明，腦癱后遺癥或意外事故等造成上肢體損傷的患者必須進行肢體訓(xùn)練，防止肌肉“廢用性”萎縮，恢復(fù)其功能。由于患者已存在功能障礙，不能獨立完成肢體訓(xùn)練，故此項工作一般由護士或其他人實施。這不僅需要實施者具有一定的護理知識，也需要實施者具有一定的體力。盡管目前對此已有相關(guān)的專利申請，但亦有必要對該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)進行完善和補充，特別是將機器人原理運用于其中。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是公開一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人。它根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機合作機器人原理，運用計算機技術(shù)模擬人體上肢的運動規(guī)律。使用時可根據(jù)患者病患的輕重和體能自主調(diào)整康復(fù)訓(xùn)煉的速度和強度，從而使肌肉鍛煉和運動功能鍛煉取得最佳效果。
多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人包括運動面調(diào)整機構(gòu)、擺動運動機構(gòu)、伸縮運動機構(gòu)、控制箱和把手。其中運動面調(diào)整機構(gòu)包括支架、底座、緊固螺釘、端蓋、轉(zhuǎn)軸；擺動運動機構(gòu)包括機箱、擺動傳感器、伺服電機、減速機、連接套筒、聯(lián)軸器、軸承座、擺動頭和軸承；伸縮運動機構(gòu)包括伸縮傳感器、伺服電機、連接套筒、聯(lián)軸器、螺母、外套筒、絲杠、內(nèi)套筒、軸承和導(dǎo)套；控制箱內(nèi)安裝的運動控制系統(tǒng)包括PC機、單片機系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。
擺動運動機構(gòu)的零部件同軸線安裝在一個方形機箱內(nèi)，擺動動力來自機箱內(nèi)的雙出軸伺服電機且從機箱壁上的透孔中輸出。伺服電機的一端借助連接套筒和聯(lián)軸器與具有減速功能的雙出軸減速機相連，另一端借助連接套筒和聯(lián)軸器與擺動傳感器相連(伺服電機和擺動傳感器均有通到控制箱內(nèi)的引出線)。組裝后的整體又借助連接套筒固定在機箱內(nèi)壁上，此處的機箱壁上加工有一透孔，固裝軸承座和軸承；擺動頭的軸頭插裝在軸承內(nèi)并與減速機的另一個軸頭連接。擺動頭上還加工有一個軸線與其上軸頭軸線正交的透孔，用于固裝伸縮運動機構(gòu)。于是，在計算機系統(tǒng)的控制下伺服電機可帶動擺動頭(連同固裝于其上的伸縮運動機構(gòu))在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)擺動。伸縮運動機構(gòu)是將計算機控制下的伺服電機的轉(zhuǎn)動經(jīng)螺母、絲杠轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運動。其零部件也是同軸線安裝。雙出軸的伸縮伺服電機的一端借助連接套筒和聯(lián)軸器與伸縮傳感器相連(伺服電機和擺動傳感器均有通到控制箱內(nèi)的引出線)，另一端借助連接套筒與伸縮運動機構(gòu)的外套筒固連；而外套筒的另一端與一個導(dǎo)套固連；一端固裝螺母，另一端固裝把手的內(nèi)套筒可在旋入螺母內(nèi)且借助聯(lián)軸器與伸縮伺服電機相連的絲杠的帶動下在外套筒內(nèi)自由滑動，實現(xiàn)伸縮動作。運動面調(diào)整機構(gòu)中轉(zhuǎn)軸的一個端面與內(nèi)部含有所述組裝體的機箱側(cè)壁固連后從底座的一端插入其通孔內(nèi)，而底座的另一端固定一端蓋，底座又固定在支架的上平臺上。這樣做的目的是使擺動運動機構(gòu)并通過擺動頭帶動伸縮運動機構(gòu)繞處于水平狀態(tài)的轉(zhuǎn)軸軸線轉(zhuǎn)動。作康復(fù)訓(xùn)練時一般用到兩個位置，其一是擺動運動機構(gòu)的軸線與地面垂直，其二是與地面平行；兩個位置均可用端蓋上的緊固螺釘鎖定。擺動傳感器和伸縮傳感器用于拾取各自對應(yīng)的伺服電機的速度和轉(zhuǎn)角信號供計算機系統(tǒng)控制使用。
控制擺動運動機構(gòu)和伸縮運動機構(gòu)動作的是裝在控制箱內(nèi)的PC機和單片機系統(tǒng)組成的二級控制系統(tǒng)以及兩套驅(qū)動器系統(tǒng)(擺動和伸縮運動各一套)。其中單片機系統(tǒng)包括單片機、電源、通訊接口、鍵盤、顯示器；驅(qū)動器系統(tǒng)分別包括驅(qū)動器。電源將AC220V轉(zhuǎn)換為DC5V和DC28V，分別供給單片機和2個驅(qū)動器。PC機通過通訊接口向單片機發(fā)出控制指令，產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過兩個驅(qū)動器后分別控制擺動和伸縮伺服電機。擺動傳感器(光電編碼器)和伸縮傳感器(光電編碼器)分別將測得的角速度和角位移信號反饋給單片機；構(gòu)成兩路閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。與此同時PC機接收來自單片機所傳送的傳感器速度和位置信息，進行運動軌跡規(guī)劃，模擬上肢運動規(guī)律，使之符合患者的需要。控制箱臺面上布置功能鍵盤和狀態(tài)顯示屏供使用者選擇，功能鍵盤發(fā)出的信息可通過電纜接入單片機控制機器人的工作方式，顯示屏用來顯示機器人的工作狀態(tài)。
左右或上下?lián)u擺的角度可設(shè)定在-45°～+45°內(nèi)，伸縮運動的幅度為30cm，搖擺速度0～40次/分，伸縮速度0～20cm/S。
本實用新型用于心腦血管疾病致癱和因意外事故等造成的上肢體損傷患者做上肢康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。


圖1 多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的機構(gòu)示意圖圖2 多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的計算機系統(tǒng)原理框圖具體實施方式
下面給出本實用新型實施的優(yōu)選方案，并結(jié)合附圖加以說明。
如圖1所示的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，它包括運動面調(diào)整機構(gòu)1、擺動運動機構(gòu)2、伸縮運動機構(gòu)3、控制箱4和把手5。其中運動面調(diào)整機構(gòu)1包括支架10、底座11、緊固螺釘12、端蓋13、轉(zhuǎn)軸14；擺動運動機構(gòu)2包括機箱20、擺動傳感器21、擺動伺服電機22、減速機23、連接套筒24-1、24-2、24-3、聯(lián)軸器25-1、25-2、軸承座26、擺動頭27和軸承28；伸縮運動機構(gòu)3包括伸縮傳感器30、伸縮伺服電機31、連接套筒32-1、32-2、聯(lián)軸器33-1、33-2、螺母34、外套筒35、絲杠36、內(nèi)套筒37和導(dǎo)套38；又如圖2所示，圖1中所示的控制箱4內(nèi)裝有PC機41、單片機系統(tǒng)42、控制擺動和伸縮的兩套驅(qū)動系統(tǒng)43、44。
擺動運動機構(gòu)2的零部件同軸線安裝在一個方形機箱20內(nèi)。擺動運動的動力來自于雙出軸的擺動伺服電機22，其一端借助連接套筒24-2和聯(lián)軸器25-2與具有減速功能的雙出軸減速機23相連，另一端借助連接套筒24-1和聯(lián)軸器25-1與擺動傳感器21相連(擺動伺服電機22和擺動傳感器21均有通到控制箱4的引出線)。所述組裝體又借助連接套筒24-3固定在機箱20的內(nèi)壁上，此處的機箱20的壁上有一透孔，固裝軸承座26和軸承28；擺動頭27上的軸頭插裝在軸承28內(nèi)并與減速機23的另一個軸頭連接。擺動頭27上還加工有一個軸線與其上軸頭軸線正交的透孔，用于固裝伸縮運動機構(gòu)3。伸縮運動機構(gòu)3的零部件也同軸線安裝。伸縮運動的動力來自于另一個雙出軸伺服電機31，其一端借助連接套筒32-1和聯(lián)軸器33-1與伸縮傳感器30相連(伺服電機31和伸縮傳感器30均有通到控制箱4的引出線)，另一端借助連接套筒32-2與伸縮運動機構(gòu)3的外套筒35固連；而外套筒35的另一端與導(dǎo)套38固連；一端固裝螺母34、另一端固裝把手5的內(nèi)套筒37可在旋入螺母34后并借助聯(lián)軸器33-2與伸縮伺服電機31相連的絲杠36的帶動下在外套筒35內(nèi)自由滑動，實現(xiàn)伸縮運動。運動面調(diào)整機構(gòu)1中轉(zhuǎn)軸14的端面與擺動運動機構(gòu)2中機箱20的側(cè)壁固連后將其另一端插入底座11的通孔內(nèi)，在底座11的另一端面上固定一端蓋13。底座11又固定在支架10的上平臺上。這樣做的目的是使整個擺動運動機構(gòu)2和擺動頭27帶動的伸縮運動機構(gòu)3可繞轉(zhuǎn)軸14的軸線轉(zhuǎn)動。作康復(fù)訓(xùn)練時一般用到兩個位置，其一是擺動運動機構(gòu)2的軸線與地面垂直；其二是與地面平行；兩個位置均可用端蓋13上的緊固螺釘12鎖定。
如圖2所示，控制擺動運動機構(gòu)2和伸縮運動機構(gòu)3動作的是裝在控制箱4內(nèi)的PC機41和單片機系統(tǒng)42組成的二級控制系統(tǒng)以及兩套驅(qū)動器系統(tǒng)43、44(擺動和伸縮運動各一套)。其中單片機系統(tǒng)42包括單片機425、電源421、通訊接口422、鍵盤423、顯示器424。
電源421將AC220V轉(zhuǎn)換為DC5V和DC28V，分別供給單片機425和2個驅(qū)動器43、44。PC機41通過通訊接口422向單片機425發(fā)出控制指令，產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過驅(qū)動器43、44后分別控制擺動和伸縮伺服電機22、31。擺動傳感器21和伸縮傳感器30分別將測得其角速度和角位移信號反饋給單片機425；構(gòu)成兩路閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。與此同時PC機41接收來自單片機425所傳送的傳感器速度和位置信息，進行運動軌跡規(guī)劃，模擬上肢運動規(guī)律，使之符合患者的需要。控制箱4臺面上布置功能鍵盤423和狀態(tài)顯示屏424供使用者選擇，功能鍵盤423發(fā)出的信息送給單片機425并在狀態(tài)顯示屏424上顯示。
本實用新型用于心腦血管疾病致癱和因意外事故等造成的上肢體損傷患者做上肢康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。
權(quán)利要求1.一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，它包括運動面調(diào)整機構(gòu)(1)、擺動運動機構(gòu)(2)、伸縮運動機構(gòu)(3)、控制箱(4)和把手(5)；其特征在于擺動運動機構(gòu)(2)的零部件同軸線安裝在一個方形機箱(20)內(nèi)，擺動動力來自機箱(20)內(nèi)的擺動伺服電機(22)且經(jīng)擺動頭(27)輸出，擺動頭(27)上加工有一個軸線與其上軸頭軸線正交的透孔，用于固裝伸縮運動機構(gòu)(3)；伸縮運動機構(gòu)(3)是一套包括伸縮伺服電機(31)和螺桿副的直線運動機構(gòu)；擺動運動機構(gòu)(2)通過機箱(20)壁與插裝在運動面調(diào)整機構(gòu)(1)中底座(11)透孔內(nèi)的轉(zhuǎn)軸(14)端面固連，從而可使擺動運動機構(gòu)(2)和伸縮運動機構(gòu)(3)繞轉(zhuǎn)軸(14)的軸線旋轉(zhuǎn)并借助緊固螺釘(12)鎖定；分別與兩個伺服電機相連的擺動傳感器(21)和伸縮傳感器(30)用于拾取各自對應(yīng)的伺服電機的速度和轉(zhuǎn)角信號供計算機系統(tǒng)控制使用。
2.如權(quán)利要求1所述的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征在于運動面調(diào)整機構(gòu)(1)由支架(10)、底座(11)、緊固螺釘(12)、端蓋(13)、轉(zhuǎn)軸(14)組成；其中底座(11)固定在支架(10)的上平臺上；轉(zhuǎn)軸(14)與擺動運動機構(gòu)(2)中機箱(20)的側(cè)壁固連后插入底座(11)的通孔內(nèi)，底座(11)的另一端面上固定一端蓋(13)，端蓋(13)上有緊固螺釘12。
3.如權(quán)利要求1所述的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征在于擺動運動機構(gòu)(2)由擺動傳感器(21)、擺動伺服電機(22)、減速機(23)、連接套筒(24-1，24-2，24-3)、聯(lián)軸器(25-1，25-2)、軸承座(26)、擺動頭(27)和軸承(28)組成；所述的零部件同軸線安裝在方形機箱(20)內(nèi)；雙出軸擺動伺服電機(22)的一端借助連接套筒(24-2)和聯(lián)軸器(25-2)與雙出軸減速機(23)相連，另一端借助連接套筒(24-1)和聯(lián)軸器(25-1)與擺動傳感器(21)相連；所述的組裝體又借助連接套筒(24-3)固定在機箱(20)的內(nèi)壁上，此處的機箱(20)壁上有一透孔，固裝軸承座(26)和軸承(28)；擺動頭(27)上的軸頭插裝在軸承(28)內(nèi)并與減速機(23)的另一個軸頭連接；擺動頭(27)上還加工有一個軸線與其上軸頭軸線正交的透孔。
4.如權(quán)利要求1所述的多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，其特征在于伸縮運動機構(gòu)(3)由伸縮傳感器(30)、伸縮伺服電機(31)、連接套筒(32-1，32-2)、聯(lián)軸(33-1，33-2)、螺母(34)、外套筒(35)、絲杠(36)、內(nèi)套筒(37)和導(dǎo)套(38)組成，所述的零部件同軸線安裝；雙出軸伺服電機(31)的一端借助連接套筒(32-1)和聯(lián)軸器(33-1)與伸縮傳感器(30)相連，另一端借助連接套筒(32-2)與外套筒(35)一端固連，而外套筒(35)另一端與導(dǎo)套(38)固連；一端固裝螺母(34)、另一端固裝把手(5)的內(nèi)套筒(37)可在旋入螺母(34)并借助聯(lián)軸器(33-2)與伸縮伺服電機(31)軸頭相連的絲杠(36)的帶動下在外套筒(35)內(nèi)自由滑動。
專利摘要本實用新型公開了一種多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，它是根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)理論和人機合作機器人原理，運用計算機技術(shù)模擬人體上肢的運動規(guī)律。使用時可根據(jù)病患的輕重和患者的體能自主調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練的速度和強度，從而達到最佳康復(fù)效果。多功能上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人包括運動面調(diào)整機構(gòu)、擺動運動機構(gòu)、伸縮運動機構(gòu)、控制箱和把手。控制箱內(nèi)裝有PC機、單片機和驅(qū)動器系統(tǒng)、輸入鍵盤和顯示器。控制信息可從鍵盤上輸入，運動狀況可在屏幕上顯示。本實用新型用于心腦血管疾病致癱和因意外事故等造成的上肢體損傷患者做上肢康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康老年人的體育鍛煉。
文檔編號A61H1/00GK2688278SQ20042001873
公開日2005年3月30日 申請日期2004年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月7日
發(fā)明者張立勛, 楊勇 申請人:哈爾濱工程大學(xué)