基于磁粉制动器的上肢康复装置

摘要

本发明涉及一种基于磁粉制动器的上肢康复装置，属于肢体康复领域。包括机箱(1)，控制箱(2)，调节主箱(3)，显示器支架(4)，机械臂(5)，显示器(6)和装置底座(7)；显示器支架(4)和装置底座(7)通过紧固螺钉(9)连接，调节主箱(3)和装置底座(7)通过紧固螺钉(8)连接；本发明在原基础上增加了调节平台角度的结构，而且也同时保留了调节平台高度的功能，这样也使康复设备适用的人群更广，也更方便不同患者的使用，由于采用磁粉制动器，有效隔离了患者和康复装置之间的相互作用，克服了以前装置的危险性，使患者的训练过程更加安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于磁粉制动器的上肢康复装置，属于肢体康复领域。

背景技术

目前，偏瘫上肢康复训练的传统方法是医师对患者进行手把手的训练。这种训练方式存在如下一些问题：首先，一名治疗师只能同时对一名患者进行运动训练，训练效率低下，并且由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度，治疗效果多取决于治疗师的经验和水平；其次，不能精确控制和记录训练参数(运动速度、轨迹、强度等)，不利于治疗方案的确定和改进；再有，康复评价指标不够客观，不利于偏瘫患者神经康复规律的深入研究；还有，不能向患者提供实时直观的反馈信息，训练过程不具吸引力，患者被动接受治疗，参与治疗的主动性不够。可以看出，如果单靠医师进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。因此，应该开拓更先进的偏瘫康复训练手段，或是把更先进的技术引入到偏瘫康复治疗领域。随着计算机技术发展，计算机与认知康复领域的结合已经从理论研究进入应用产品开发，成为国内外研究应用的热点。特别是上个世纪90年代后，虚拟现实技术(Virtual Reality)出现。更促进了计算机技术和认知科学更高层次的结合。在认知障碍康复评定和训练方面表现出了传统方法无法比拟的优势。同时，欠驱动康复装置作为医疗装置的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。

在现有的康复装置中，清华大学申请的申请号为200810180055.X的专利“一种训练平面可调式上肢偏瘫康复机器人装置”中设计了一种上肢康复装置。此装置包括座椅，底座，训练平面，安装在训练平面上的机械臂，腕部固定托架以及控制系统，还包括一个用于调节训练平面相对于地面的高度，以及训练平面与水平面的夹角的训练平面调节装置。虽然此装置能完成一定的康复的功能，但其训练内容单调，对于康复患者来说十分枯燥，不是很人性化。其次，由于其直接采用电机驱动整个装置，而电机在训练过程中很可能有短时间不正常的冲激响应，这样会加重患者的肢体损伤，不利于患者的康复训练。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁粉制动器的上肢康复装置，不但继承和发展现有技术中的优点如可调节训练平面相对于地面的高度，还克服其缺点，如通过虚拟现实技术完成游戏界面并使患者将训练融入游戏之中以提高康复训练的效果，和通过增加磁粉制动器作为患者和康复装置之间的缓冲带来提高装置的安全性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

该基于磁粉制动器的上肢康复装置包括机箱(1)，控制箱(2)，调节主箱(3)，显示器支架(4)，机械臂(5)，显示器(6)和装置底座(7)；显示器支架(4)和装置底座(7)通过紧固螺钉(9)连接，调节主箱(3)和装置底座(7)通过紧固螺钉(8)连接；其特征在于：

其中机械臂(5)为平行连杆机构，手柄(11)与手柄座(10)通过螺纹连接，手柄座(10)与连杆(12)紧固连接，连杆关节(15)和连杆(16)、连杆关节(13)和连杆(12)、连杆关节(13)和连杆(14)、连杆关节(17)和连杆(19)连接，其中的连杆关节分成两半，最后通过螺钉固定在一起，连杆夹在两关节之间；连杆关节(17)插在调节箱里的主轴内轴(23)上并紧固；主轴外轴(24)和主轴内轴(23)穿过连杆关节(22)上的圆孔并紧固在连杆关节上；平衡块(21)和平衡块(20)安装在连杆(19)和连接关节(17)上；

调节主箱(3)包括主轴内轴(23)、主轴外轴(24)、主轴轴承座(25)、编码器(26)、带座轴承(27)、轴承支架(28)、弹簧固定(29)、带轮轴(32)、磁粉制动器(33)、磁粉制动器的固定片(34)、弹簧管(35)、弹簧杆(36)、定位杆(39)、小带轮(40)、同步带(41)、支座架(44)、主轴内轴带轮(45)、支架板(46)、蜗杆(47)、涡轮(48)、下支架板(49)、筋板(50)、折叠手柄(51)、手轮(52)、滚动轴承(53)；其中主轴内轴(23)和主轴外轴(24)穿过主轴轴承座(25)并通过滚动轴承(54)相连接，而外轴和内轴之间通过滚动轴承(53)相连，编码器(26)通过销连接和带轮轴(32)相连，编码器固定片(55)固定在定位杆(39)上，定位杆(39)紧固在轴承支架(28)上；带座轴承(27)固定在轴承支架(28)上以支承旋转的带轮轴(32)，而带座轴承(31)和轴承支架(30)作用相同；磁粉制动器(33)固定在磁粉制动器固定片(34)上，磁粉制动器固定片(34)固定在定位杆(43)上，整个带轮轴上的装配零件体都和支座架(44)连接；小带轮(40)安装在带轮轴(32)上，并通过垫圈(42)稳定小带轮(40)的运动位置，然后通过同步带(41)和主轴外轴带轮(45)相连接，手柄(51)安装在手轮(52)上，同时手轮(52)固定在蜗杆(47)上，而蜗杆(47)与涡轮(48)相传动，筋板(50)固定在下支架板(49)和支架板(46)上。

为了支撑住编码器(26)，将编码器(26)用紧固螺钉安装在编码器固定片(55)上。

整个带轮轴上的装配零件体都和支座架(44)连接，采用双头螺柱(56)来固定，支架座(44)则固定在支架板(46)上。

主轴另一侧的装配零件体也固定在中间的支架板，使得整个调节箱的重心在中间，使调节箱平衡。

为了拉紧同步带(41)，使同步带(41)保持传动所需的张紧力，先将弹簧固定(29)紧固在轴承支架(28)和轴承支架(30)上，再在弹簧固定(29)上安装弹簧管(35)，并将一带有弹簧的弹簧杆(36)的一端插在弹簧管(35)中，另一端则安装在另一个弹簧固定(37)中，而弹簧固定(37)则紧固在支架板(46)上。

本发明的有益效果是：

本发明在原基础上增加了调节平台角度的结构，而且也同时保留了调节平台高度的功能，这样也使康复设备适用的人群更广，也更方便不同患者的使用。其次由于采用虚拟现实技术制作游戏，可以使患者的训练过程更加有趣，提高患者训练的积极性，有助于改善患者的恢复情况。最后由于采用磁粉制动器，有效隔离了患者和康复装置之间的相互作用，克服了以前装置的危险性，使患者的训练过程更加安全。

附图说明

图1是上肢康复装置整体视图。

图2是康复装置训练手臂上视图。

图3是康复装置训练手臂左视图。

图4是装置调节箱体内部结构上半部分后视图。

图5是装置调节箱体内部结构上半部分前视图。

图6是装置调节箱体内部结构下半部分左视图。

图7是装置调节箱体内部结构整体上视图。

图中，1-机箱；2-控制箱；3-调节主箱；4-显示器支架；5-机械臂；6-显示器；7-装置底座；8-紧固螺钉；9-紧固螺钉；10-手柄座；11-手柄；12-连杆；13-连杆关节；14-连杆；15-连杆关节；16-连杆；17-连杆关节；18-连杆关节；19-连杆；20-平衡块；21-平衡块；22-连杆关节；23-主轴内轴；24-主轴外轴；25-主轴轴承座；26-编码器；27-带座轴承；28-轴承支架；29-弹簧固定；30-轴承支架；31-带座轴承；32-带轮轴；33-磁粉制动器；34-磁粉制动器的固定片；35-弹簧管；36-弹簧杆；37-弹簧固定；38-弹簧固定螺栓；39-定位杆；40-小带轮；41-同步带；42-垫圈；43-定位杆；44-支座架；45-主轴内轴带轮；46-支架板；47-蜗杆；48-涡轮；49-下支架板；50-筋板；51-折叠手柄；52-手轮；53-滚动轴承，54-滚动轴承；55-编码器固定片；56-双头螺柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述。

在图1中，该康复装置整体包括机箱1，控制箱2，调节主箱3，显示器支架4，机械臂5，显示器6和装置底座7。其中，显示器支架4和底座7通过紧固螺钉9连接，调节主箱3和底座7通过紧固螺钉8连接。

在图2和图3中，整个机械臂5为平行连杆机构，其中手柄11与手柄座10通过螺纹副相连接，手柄座10与连杆12则通过紧固螺钉相连接。连杆关节15和连杆16，连杆关节13和连杆12，连杆关节13和连杆14，连杆关节17和连杆19都通过螺钉相连接，其中的连杆关节分成两半，最后通过螺钉固定在一起，而连杆正好夹在两关节之间。连杆关节17直接插在调节箱里的主轴内轴23上，并通过小螺钉紧固。主轴外轴24和主轴内轴23穿过连杆关节22上的圆孔并通过小螺钉紧固在连杆关节上。平衡块21和20安装在连杆19和连接关节17上，以稳定整个机械臂的中心，防止机械臂向另一端倾斜。

在图4，图5，图6和图7中，整个调节主箱3里的结构部件包括主轴内轴23，主轴外轴24，主轴轴承座25，编码器26，带座轴承27，轴承支架28，弹簧固定29，带轮轴32，磁粉制动器33，磁粉制动器的固定片34，弹簧管35，弹簧杆36，定位杆39，小带轮40，同步带41，支座架44，主轴内轴带轮45，支架板46，蜗杆47，涡轮48，下支架板49，筋板50，折叠手柄51，手轮52，滚动轴承53。其中，主轴内轴23和主轴外轴24穿过主轴轴承座25并通过滚动轴承54相连接，而外轴和内轴之间也通过滚动轴承53相连，这样可以使外轴和内轴的运动相互独立，互不干扰。编码器26通过销连接和带轮轴32相连，而为了支撑住编码器26，将编码器26用紧固螺钉安装在编码器固定片55上，同时，编码器固定片55也固定在定位杆39上，定位杆39也通过螺钉紧固在轴承支架28上。带座轴承27通过螺钉固定在轴承支架28上以支承旋转的带轮轴32，而带座轴承31和轴承支架30的作用是一样的。此时，磁粉制动器33固定在磁粉制动器固定片34上，而磁粉制动器固定片34则紧固在定位杆43上。整个带轮轴上的装配零件体都要和支座架44连接，而连接的方法是采用双头螺柱56来固定，支架座44则固定在支架板46上。同时，主轴另一侧的装配零件体也固定在中间的支架板，这样整个调节箱的重心才能在中间，是调节箱平衡。为了使带轮轴和主轴相传动，这里采用带传动的方式。小带轮40安装在带轮轴32上，并通过垫圈42稳定小带轮40的运动位置，然后通过同步带41和主轴外轴带轮45相连接，同时为了拉紧同步带41，使同步带41保持传动所需的张紧力，这里采用一个弹簧结果，即先将弹簧固定29紧固在轴承支架28和轴承支架30上，再在弹簧固定29上安装弹簧管35，并将一带有弹簧的弹簧杆36的一端插在弹簧管35中，另一端则安装在另一个弹簧固定37中，而弹簧固定37则紧固在支架板46上。手柄51通过螺钉安装在手轮52上，同时手轮52也通过紧固螺钉固定在蜗杆47，而蜗杆47通过螺纹副与涡轮48相传动。筋板50固定在下支架板49和支架板46上，以使整个装配零件稳定。

具体应用时，首先要将调节箱中的两个弹簧杆上的螺母都旋到适当位置，以使两个同步带的张紧度适当，保证同步带良好的传动性。然后根据患者的高度来转动调节主箱3的手柄51和旋动底座7与调节主箱3连接处的紧固螺钉8，以使患者的手握住机械臂上的手柄11时的感觉更舒服，这样设置也更人性化。

具体的过程是转动手柄51时，同时也使和其连接在一起的蜗杆47转动，而涡轮48会随着蜗杆47上外螺纹的平移和转动而转动，此时整个工作平台也会转动一个角度，而这个角度的大小由患者的位置来定。此外旋动紧固螺钉8可以调节平台的高度，这和调节平台的角度一起，提高了患者的舒适度。此后，患者用手握住手柄11，既可以自己拉动整个机械臂任意运动，也可以按照显示器中的游戏要求来运动，其中的运动轨迹通过两个编码器来检测，具体过程是拉动手柄11时，连杆12因为和手柄座10固定在一起，因此会和人手的运动一致，而连杆14和连杆16通过连杆关节13和连杆关节15与连杆12形成转动副而转动，连杆19则和连杆关节18形成转动副，由于整个机械臂采用平行四杆结构，所以只须通过连杆16和连杆19末端的编码器检测到的角度就可以算出实际的手的位置。这些数据传输给控制箱2后，控制箱2再将数据传给电脑机箱1，并传给上位机，由显示器显示出患者手在游戏中所在的位置并处理完数据后，再据此发送控制信号给磁粉制动器，反过来再控制机械臂的运动。