專利名稱：康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于因中風(fēng)、脊髓損傷和各種事故引起的肢體偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
康復(fù)醫(yī)學(xué)工程是隨著現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展而誕生的一個新興研究領(lǐng)域，而康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)則是康復(fù)醫(yī)學(xué)工程中最為重要的技術(shù)。康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)不僅是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域研究的前沿和熱點，也是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人學(xué)相結(jié)合的高技術(shù)。
現(xiàn)代神經(jīng)康復(fù)醫(yī)學(xué)最重要的研究成果之一就是發(fā)現(xiàn)了中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有高度的可塑性，康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床研究表明，對中風(fēng)患者患側(cè)肢體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是十分重要和關(guān)鍵的醫(yī)療手段。對于因中風(fēng)、脊髓損傷和各種事故引起的肢體功能殘障的患者來說，及時進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，尤其是在病損后的前三個月內(nèi)進(jìn)行正確的康復(fù)訓(xùn)練，大體上就可以有效恢復(fù)神經(jīng)肌肉的功能，大大減輕殘疾的程度，提高其生活質(zhì)量。目前我國肢體殘疾者中的大多數(shù)屬于后天殘疾，而其中相當(dāng)一部分人的殘疾則是因為未能得到及時、正確的康復(fù)訓(xùn)練而造成的。因此，肢體康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究將為這些患者帶來福音，具有極其重要的社會意義。
現(xiàn)有的康復(fù)訓(xùn)練裝置主要是各種類型的CPM(Continuous Passive Motion，連續(xù)被動運(yùn)動)機(jī)，CPM機(jī)主要以被動模式工作，即機(jī)械臂帶動人手關(guān)節(jié)進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動。少量的CPM機(jī)可以以主動模式工作，即恢復(fù)到一定程度的人手帶動機(jī)械臂進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動。最新的研究表明對因中風(fēng)、脊髓損傷和各種事故引起的肢體運(yùn)動功能殘障患者的康復(fù)訓(xùn)練通常需要有四種訓(xùn)練模式，即被動訓(xùn)練模式、助力訓(xùn)練模式、主動訓(xùn)練模式、阻尼訓(xùn)練模式。而目前的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人通常采用的是電機(jī)、減速器與機(jī)械臂組合的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)在正向或反向上輸出大小方向不同的力矩，實現(xiàn)四種康復(fù)訓(xùn)練模式。但是，由于電機(jī)是一種有源器件，利用電機(jī)直接提供阻尼力，對于康復(fù)訓(xùn)練可能會存在一定的安全隱患，因此，需要進(jìn)行復(fù)雜的安全性設(shè)計和控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對因中風(fēng)、脊髓損傷和各種事故引起的肢體偏癱患者的肢體康復(fù)訓(xùn)練的需要，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確并且運(yùn)行安全可靠的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明提供了一種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)、機(jī)架、機(jī)械臂和減速裝置，電機(jī)固定在機(jī)架上，減速裝置的輸入端與電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸相連，其特征在于，在減速裝置與機(jī)械臂之間設(shè)有一個離合-阻尼器，所述離合-阻尼器包括主動軸、從動軸、外殼，離合-阻尼器的主動軸與減速裝置的輸出端相連，離合-阻尼器的從動軸與機(jī)械臂相連，在離合-阻尼器的外殼內(nèi)設(shè)有分別與主動軸和從動軸固定連接的主動盤和從動盤，主動盤和從動盤相對安置并且兩者之間存在間隙，主動盤和從動盤的相對表面上分別設(shè)有極性相反的電極板，在主動盤相鄰側(cè)的外殼內(nèi)壁上設(shè)有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板，在從動盤相鄰側(cè)的外殼內(nèi)壁上設(shè)有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板，外殼內(nèi)腔填滿了電流變液。另外，減速裝置由蝸桿和蝸輪嚙合組成，蝸桿與電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸相連，蝸輪與離合-阻尼器的主動軸相連。
本發(fā)明的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(1)采用基于電流變液的離合-阻尼器，通過電壓控制實現(xiàn)阻尼器和離合器功能的切換，從而使本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
(2)采用蝸輪蝸桿減速裝置，實現(xiàn)了大的減速比并且實現(xiàn)了自鎖特性，從而提高了安全性。
(3)對基于電流變液的離合-阻尼器施加高于給定閾值的電壓，實現(xiàn)離合器功能，將電機(jī)輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機(jī)械臂，從而實現(xiàn)被動訓(xùn)練模式和助力訓(xùn)練模式，特別適用于處于恢復(fù)初期的患者。
(4)讓電機(jī)停止工作，對基于電流變液的離合-阻尼器施加低于給定閾值的電壓，利用蝸輪蝸桿的自鎖特性，實現(xiàn)阻尼器功能，控制施加電壓，實現(xiàn)阻尼的準(zhǔn)確控制，從而實現(xiàn)阻尼訓(xùn)練模式，在此訓(xùn)練模式下，患者的上下肢康復(fù)運(yùn)動受到本關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的保護(hù)，安全性得到極大提高。
(5)讓電機(jī)停止工作，利用蝸輪蝸桿的自鎖特性，對基于電流變液的離合-阻尼器施加零電壓，從而實現(xiàn)主動訓(xùn)練模式。
綜上，本發(fā)明的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確、多種訓(xùn)練模式易于實現(xiàn)并且切換方便、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的立體示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于電流變液的離合-阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的立體示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的立體示意圖。
具體實施例方式
下文結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述。
康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)1、機(jī)架2、由蝸桿3和蝸輪4組合構(gòu)成的減速裝置、基于電流變液的離合-阻尼器5以及機(jī)械臂6。其中，電機(jī)1固定在機(jī)架2上，電機(jī)1的轉(zhuǎn)動軸與蝸桿3相連，蝸輪4的轉(zhuǎn)動軸與離合-阻尼器5的主動軸51聯(lián)結(jié)，離合-阻尼器5的從動軸56與機(jī)械臂6聯(lián)結(jié)。電機(jī)1的轉(zhuǎn)動帶動蝸桿3轉(zhuǎn)動，隨著蝸桿3的轉(zhuǎn)動，其上的蝸輪4會產(chǎn)生與蝸桿3轉(zhuǎn)動方向相垂直的轉(zhuǎn)動，蝸桿每轉(zhuǎn)動一圈，蝸輪轉(zhuǎn)動一個齒的角度。
在離合-阻尼器5的外殼521內(nèi)設(shè)有分別與主動軸51和從動軸56固定連接的主動盤54和從動盤58，主動盤54與從動盤58相對安置并且兩者之間存在間隙。在主動盤54與從動盤58的相對表面上分別設(shè)有陽極板55和陰極板59。在主動盤54相應(yīng)側(cè)的外殼內(nèi)壁上設(shè)有壁內(nèi)陽極板53，在從動盤58相應(yīng)側(cè)的外殼內(nèi)壁上設(shè)有壁內(nèi)陰極板57。離合-阻尼器5的內(nèi)部空腔522填滿了電流變液。離合-阻尼器5的壁內(nèi)陽極板53和主動盤54上的陽極板55共同連接在電源的正端，離合-阻尼器5的壁內(nèi)陰極板57和從動盤上的陰極板59共同連接在電源的負(fù)端。
本發(fā)明的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作和控制原理如下對于基于電流變液的離合-阻尼器5而言，由于壁內(nèi)陽極板53和主動盤54上的陽極板55共同連接在電源的正端，壁內(nèi)陰極板57和從動盤58上的陰極板59共同連接在電源的負(fù)端，因此當(dāng)電源電勢不為0時，外加電場E主要施加在主動盤54和從動盤58之間，而主動盤和從動盤外部的空腔中電場強(qiáng)度幾乎為0。因此只有主動盤54和從動盤58之間的電流變液才受到外在電壓E的影響，從而發(fā)生電流變作用。隨著外在電壓E的逐漸增大，主動盤54和從動盤58之間的電流變液變得越來越粘稠，主動盤54和從動盤58之間的相對運(yùn)動阻尼也逐漸增大；當(dāng)外在電壓E大于某個閾值Eh時，主動盤54和從動盤58之間的電流變液完全固化，主動盤54和從動盤58成為固聯(lián)。因此，當(dāng)外在電壓處于0電壓或Eh以上時，基于電流變液的離合-阻尼器5以離合器方式工作；當(dāng)外在電壓處于0電壓和Eh之間時，基于電流變液的離合-阻尼器5以阻尼器方式工作。
設(shè)主動盤54和從動盤58的外徑都為r，主動盤54和從動盤58之間的間距為h，則主動盤54和從動盤58之間相對運(yùn)動的剪切應(yīng)力可以根據(jù)以下公式計算τ＝τc+η·v (1)式中，τc為屈服應(yīng)力，η為電流變液的塑性粘度，v為剪切速率。
設(shè)主動盤54和從動盤58的轉(zhuǎn)速差為Δn，則剪切速率為
v=d(rωx)dx=rhΔn...(2)]]>那么，由于電流變效應(yīng)而產(chǎn)生的力矩T為T=∫0r2πτx2dx=2πτcr33+πηΔnr42h...(3)]]>根據(jù)電流變效應(yīng)的原理，屈服應(yīng)力τc可表達(dá)為τc=KcE2h2...(4)]]>Kc為屈服應(yīng)力電場系數(shù)。則從動盤58的輸出力矩T=2πKcE2r33h2+πηΔnr42h...(5)]]>由于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動速度很低，所以上式中的第二項可以忽略不計，即T=2πKcE2r33h2...(6)]]>從(6)式中可知，輸出力矩T與外加電壓E的2次方成正比。因此我們通過控制外加電壓E的大小就可以迅速準(zhǔn)確地控制阻尼的變化。
在本發(fā)明的第一個實施例中，參照圖3，根據(jù)本發(fā)明的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的四種工作模式可以通過以下控制實現(xiàn)(1)被動訓(xùn)練模式對基于電流變液的離合-阻尼器5施加高于給定閾值Eh的電壓E，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56相固聯(lián)，此時，離合器將電機(jī)輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機(jī)械臂6，機(jī)械臂6帶動患者上肢進(jìn)行被動訓(xùn)練。
(2)助力訓(xùn)練模式在被動訓(xùn)練模式中，通過檢測患者的運(yùn)動信息(如四肢神經(jīng)肌肉的肌電信號)，控制電機(jī)1的輸出力矩的大小和方向，離合器將電機(jī)輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機(jī)械臂6，機(jī)械臂6則施加和患者企圖運(yùn)動方向一致的力，幫助患者上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
(3)主動訓(xùn)練模式讓電機(jī)1停止工作，并對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0電壓，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56不相聯(lián)，從動軸56可自由轉(zhuǎn)動。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由轉(zhuǎn)動。此時，患者上肢可帶動機(jī)械臂6進(jìn)行無阻尼的自由往復(fù)的運(yùn)動。
(4)阻尼訓(xùn)練模式讓電機(jī)1停止工作，對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0-Eh之間的電壓，離合-阻尼器5工作在阻尼器狀態(tài)。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由運(yùn)動，而從動軸56進(jìn)行有阻尼的自由轉(zhuǎn)動。此時，患者上肢可帶動機(jī)械臂6進(jìn)行有阻尼的往復(fù)運(yùn)動。根據(jù)(6)式，通過控制外加電壓的大小，就可以準(zhǔn)確控制機(jī)械臂6的阻尼。
在本發(fā)明的第二個實施例中，參照圖4，根據(jù)本發(fā)明的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的四種工作模式可以通過以下控制實現(xiàn)(1)被動訓(xùn)練模式對基于電流變液的離合-阻尼器5施加高于給定閾值Eh的電壓E，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56相固聯(lián)，此時，離合器將電機(jī)輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機(jī)械臂6，機(jī)械臂6帶動患者下肢進(jìn)行被動訓(xùn)練。
(2)助力訓(xùn)練模式在被動訓(xùn)練模式中，通過檢測患者的運(yùn)動信息(如四肢神經(jīng)肌肉的肌電信號)，控制電機(jī)1的輸出力矩的大小和方向，離合器將電機(jī)輸出力矩平穩(wěn)地傳遞給機(jī)械臂6，機(jī)械臂6則施加和患者企圖運(yùn)動方向一致的力，幫助患者下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
(3)主動訓(xùn)練模式讓電機(jī)1停止工作，并對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0電壓，則離合-阻尼器5工作在離合器狀態(tài)，主動軸51和從動軸56不相聯(lián)，從動軸56可自由轉(zhuǎn)動。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由轉(zhuǎn)動。此時，患者下肢可帶動機(jī)械臂6進(jìn)行無阻尼的自由往復(fù)的運(yùn)動。
(4)阻尼訓(xùn)練模式讓電機(jī)1停止工作，對基于電流變液的離合-阻尼器5施加0-Eh之間的電壓，離合-阻尼器5工作在阻尼器狀態(tài)。由于蝸輪蝸桿的自鎖特性，主動軸51無法自由運(yùn)動，而從動軸56進(jìn)行有阻尼的自由轉(zhuǎn)動。此時，患者下肢可帶動機(jī)械臂6進(jìn)行有阻尼的往復(fù)運(yùn)動。根據(jù)(6)式，通過控制外加電壓的大小，就可以準(zhǔn)確控制機(jī)械臂6的阻尼。
閱讀以上內(nèi)容之后，不難發(fā)現(xiàn)本文中提到的主動盤和從動盤上的陽極板與陰極板的位置可以互換，同時相對應(yīng)的外殼內(nèi)壁上的壁內(nèi)陽極板和壁內(nèi)陰極板的位置也要進(jìn)行互換，從而起到與上文描述相同的作用。
權(quán)利要求
1.一種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)(1)、機(jī)架(2)、機(jī)械臂(6)和減速裝置，電機(jī)(1)設(shè)在機(jī)架(2)上，減速裝置的輸入端與電機(jī)(1)的轉(zhuǎn)動軸相連，其特征在于，在減速裝置與機(jī)械臂(6)之間設(shè)有一個離合-阻尼器(5)，所述離合-阻尼器包括主動軸(51)、從動軸(56)、外殼(521)，離合-阻尼器(5)的主動軸(51)與減速裝置的輸出端相連，離合-阻尼器(5)的從動軸(56)與機(jī)械臂(6)相連，在離合-阻尼器(5)的外殼(521)內(nèi)設(shè)有分別與主動軸(51)和從動軸(56)固定連接的主動盤(54)和從動盤(58)，主動盤(54)和從動盤(58)相對安置并且兩者之間存在間隙，主動盤(54)和從動盤(58)的相對表面上分別設(shè)有極性相反的電極板(55、59)，在主動盤(54)相鄰側(cè)的外殼內(nèi)壁上設(shè)有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板(53)，在從動盤(58)相鄰側(cè)的外殼內(nèi)壁上設(shè)有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板(57)，外殼內(nèi)腔(522)填滿了電流變液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述減速裝置由相互嚙合的蝸桿(3)和蝸輪(4)組成，其中蝸桿(3)與電機(jī)(1)的轉(zhuǎn)動軸相連，蝸輪(4)與離合-阻尼器(5)的主動軸(51)相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)、機(jī)架、機(jī)械臂和減速裝置，電機(jī)固定在機(jī)架上，減速裝置的輸入端與電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸相連，在減速裝置與機(jī)械臂之間設(shè)有一個離合－阻尼器，離合－阻尼器的主動軸與減速裝置的輸出端相連，從動軸與機(jī)械臂相連，在離合－阻尼器的外殼內(nèi)設(shè)有分別與主動軸和從動軸固定連接的主動盤和從動盤，主動盤和從動盤相對安置，主動盤和從動盤的相對表面上分別設(shè)有極性相反的電極板，在主動盤和從動盤相鄰側(cè)的外殼內(nèi)壁上分別設(shè)有與其上的電極板極性一致的壁內(nèi)電極板，外殼內(nèi)腔填滿了電流變液。本關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確、多種訓(xùn)練模式易于實現(xiàn)并且切換方便、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)點。
文檔編號B25J17/00GK1876335SQ20061008831
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者宋愛國, 陳旭, 吳涓, 崔建偉, 王愛民, 李會軍 申請人:東南大學(xué)