CN102697589A - 一种面向病理性震颤的抑震装置 - Google Patents

Abstract

一种面向病理性震颤的抑震装置，它涉及一种抑震装置，具体涉及一种面向病理性震颤的抑震装置。本发明为了解决现有抑震机器人结构复杂、重量大、自由度过少不能满足患者需要的问题。本发明的大带轮通过转轴安装在上臂固定板一端的外侧壁上，大阻尼器固定安装在悬臂板的内侧壁上，小带轮安装在悬臂板另一端的外侧壁上，小带轮通过皮带与大带轮连接，肘关节角度传感器安装在支撑板上，小阻尼器固定安装在前臂板的外侧壁上，前臂角度传感器通过联轴器与小阻尼器连接，小阻尼器上的带轮安装在小阻尼器上，小阻尼器上的带轮通过皮带与滑动轴承的外侧壁连接，手部固定件与滑动轴承的外侧壁固接。本发明用于抑制患者手臂的病理性震颤。

Description

一种面向病理性震颤的抑震装置

技术领域

本发明涉及一种抑震装置，具体涉及一种面向病理性震颤的抑震装置。

背景技术

通常所说的人体的抖动、颤抖，如手的抖动，手臂的颤抖，医学上称之为“震颤”。震颤，尤其是病理性震颤，虽然不会危及患者生命，却给患者的生活带来了极大的不便，很多患者因此失去了生活的信心。目前，医学上对震颤的医疗方法，可对患者的震颤产生一定的缓解作用，但治疗效果因人而异，并不能完全治愈震颤，许多患者的生活不能自理。

根据抑震机器人所应用的抑震器件，现有的抑震机器人可分为两类，第一类抑震机器人为应用电机等主动式器件，通过提供主动的抑震力矩达到抑制震颤的目的，如西班牙的R.Rocon等人研制的外骨骼式抑震机器人（WOTAS），该系统具有三个自由度，在各关节处装有力传感器和陀螺仪以感知患者的震颤信息。该系统自由度多，使用了较多传感元件，利于应用不同的控制模式，同时使其结构相对复杂。国塔夫茨大学的N.Stone等人提出采用惯性电机提供作用力对震颤进行抑制，将线性惯性电机安装于手臂模型的腕部，同时在其反位置安装了一个加速计，测量手臂模型的震颤信息，采用了PID控制方法。该方法可对震颤起到了一定的抑制作用，但如何将该抑震方法应用于患者肢体还需要进一步研究。第二类抑震机器人为应用阻尼器作为抑震器件，通过对患者震颤肢体施加阻尼力矩达到抑震的目的，如美国田纳西州大学的M.J.Rosen等人研制固定式抑震机器人（CEDO），该系统应用计算机控制的磁性粒子闸来提供抑震力矩作用于患者的前臂，具有两个平移自由度，和一个旋转自由度，系统中安装了三个电位计来测量操作者肢体位置，所施加的阻抗力矩与操作者的移动速度成比例。工作时该系统需要安装在患者的轮椅上或桌子上，所提供的运动空间有限。英国雷丁大学的Rui C.V.Loureiro等人研制了一套能够动态的抑制病理性震颤的抑震机器人，该系统为便携式系统，能够抑制腕部的屈/伸运动过程中的震颤，其核心部件为一个阻尼力可控的双粘性梁阻尼器，工作时，需将该抑震系统的两个固定部分分别安装与患者的前臂和手部，通过可控的阻尼器提供可变的阻尼力，该系统只有一个自由度。

现有的抑震机器人虽然可对患者的震颤起到一定的抑制作用，但存在着一定的缺陷：1、现有的对震颤的测量方法，忽略了人体的与抑震机器人的非刚性连接特性，使得对震颤信息的测量变得复杂，并影响了抑震效果。2、抑震机器人工作时直接与人体接触，安全性是需要考虑的关键问题之一，以电机作为抑震器件存在着一定的危险性，而现有的机械或电磁式阻尼器又存在重量大、可控性差、噪声大等缺点。3、机械外骨骼式抑震机器人相对于固定式抑震机器人具有相对较大的运动空间，但是现有外骨骼式抑震机器人或者结构复杂、重量大，或者自由度过少不能满足患者需要。

发明内容

本发明为解决现有抑震机器人结构复杂、重量大、自由度过少不能满足患者需要的问题，进而提出一种面向病理性震颤的抑震装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括上臂固定板、悬臂板、支撑板、刚性连接板、前臂板、滑动轴承、手部固定件、小带轮、大带轮、小阻尼器上的带轮、肘关节角度传感器、前臂角度传感器、联轴器、大阻尼器、小阻尼器和两根皮带，刚性连接板与前臂板并排平行设置，前臂板的一端与滑动轴承的一侧连接，刚性连接板的另一端和前臂板的另一端分别与支撑板的两端连接，前臂板的另一端与上臂固定板的一端连接，悬臂板固定安装在上臂固定板的中部，大带轮通过转轴安装在上臂固定板一端的外侧壁上，大阻尼器固定安装在悬臂板的内侧壁上，小带轮安装在悬臂板另一端的外侧壁上，且小带轮与大阻尼器连接，小带轮通过皮带与大带轮连接，肘关节角度传感器安装在支撑板上，小阻尼器固定安装在前臂板的外侧壁上，前臂角度传感器通过联轴器与小阻尼器连接，小阻尼器上的带轮安装在小阻尼器上，小阻尼器上的带轮通过皮带与滑动轴承的外侧壁连接，手部固定件与滑动轴承的外侧壁固接。

本发明的有益效果是：本发明可以有效的对人体肢肘部和前臂运动中的震颤进行抑制；本发明中的大阻尼器和小阻尼器内周工作面积大，整个磁路由多条并联的磁路构成，磁路短，结构简单、紧凑，能够提供所需阻尼力矩，大阻尼器和小阻尼器体积小、重量轻、易加工，且运行可靠。本发明穿戴方便，拟人程度高。患者可穿戴该外骨骼结构进行正常的活动，方便；另外该结构是基于上肢生物力学模型及人体工程学而研制，考虑了人体运动的机械特性，拟人程度高，并可进行对人体肘部屈/伸、前臂旋转运动方向震颤的抑制。本发明操作简单，安全可靠。传感器反馈的运动信息直接作用于抑震工作元件，避免了复杂的操作装置；此外，抑震元件在工作时直接与人体直接接触，存在安全问题，本结构采用被动式的磁流变阻尼器提供实时抑震力矩，避免主动式元件，例如电机等带来的不安全因素。本发明的抑震元件结构简单，运行可靠。本发明中采用的大阻尼器和小阻尼器内周工作面积大，整个磁路由多条并联的磁路构成，磁路短，结构简单、紧凑，能够提供所需阻尼力矩，大阻尼器和小阻尼器体积小、重量轻、易加工，且运行可靠。本发明的外骨骼结构肘部设计的角度传感器与大阻尼器相分离的结构，使得传感器测取震颤角度时，考虑人体的非刚体特性的影响，为有效抑震提供充分的运动信息；采用模糊神经网络的控制策略，将震颤和意向运动有效分离，避免对患者正常运动的影响。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是大阻尼器的主剖视图，图3是图2中A-A向剖视图，图4是小阻尼器结构示意图，图5是小阻尼器主剖视图，图6是图5中B-B向剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置包括上臂固定板1、悬臂板2、支撑板3、刚性连接板4、前臂板5、滑动轴承6、手部固定件7、小带轮8、大带轮9、小阻尼器上的带轮10、肘关节角度传感器11、前臂角度传感器12、联轴器13、大阻尼器14、小阻尼器15和两根皮带16，刚性连接板4与前臂板5并排平行设置，前臂板5的一端与滑动轴承6的一侧连接，刚性连接板4的另一端和前臂板5的另一端分别与支撑板3的两端连接，前臂板5的另一端与上臂固定板1的一端连接，悬臂板2固定安装在上臂固定板1的中部，大带轮9通过转轴安装在上臂固定板1一端的外侧壁上，大阻尼器14固定安装在悬臂板2的内侧壁上，小带轮8安装在悬臂板2另一端的外侧壁上，且小带轮8与大阻尼器14连接，小带轮8通过皮带16与大带轮9连接，肘关节角度传感器11安装在支撑板3上，小阻尼器15固定安装在前臂板5的外侧壁上，前臂角度传感器12通过联轴器13与小阻尼器15连接，小阻尼器上的带轮10安装在小阻尼器15上，小阻尼器上的带轮10通过皮带16与滑动轴承6的外侧壁连接，手部固定件7与滑动轴承6的外侧壁固接。

本实施方式中的肘关节角度传感器11和前臂角度传感器12均与信号处理与控制系统连接，信号控制系统包括A/D转换模块、信号处理系统D/A转换模块和功率放大模块组成。A/D转换模块由四片12位并行输出的AD7492构成，其输出数据线采用分时复用的方式与控制芯片进行数据传输；处理器模块LPC2124在工作中读取AD芯片的输出数据、运行抑震控制算法、输出控制数据以及与上位机进行通信；D/A转换模块由两片8位并行输入的DAC0832构成，其输入数据线同样采用了分时复用的方式与控制芯片进行数据传输；功率放大模块由两片OPA548构成，采用双电源供电，供电电压15V，放大器与阻尼器间串接功率电阻，DAC0832满量程输出时，OPA548输出电流1A，同时为了保证意外情况下不输出过大电流，放大器的限流电阻将其可输出的最大电流限制为1A；PC机控制系统是基于MATLAB以MAX3232作为转换器实现上位机与控制器的通信。

本实施方式中大阻尼器14用于抑制肘关节的屈伸震颤运动，大带轮9与小带轮8的传动比为3:1；小阻尼器15用于抑制前臂的旋内/外运动，滑动轴承6与小阻尼器上的带轮10的传动比为3:1。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置的大阻尼器14包括大阻尼器主轴14-1、大阻尼器壳体14-2、两个大阻尼器端盖14-3、两个大阻尼器轴承14-4、两个大阻尼器轴承端盖14-5和四个大阻尼器隔磁板14-6，大阻尼器壳体14-2的内侧壁上开有四个沿大阻尼器壳体14-2轴线方向的第一扇形通孔14-2-1，每个第一扇形通孔14-2-1的孔壁上设有若干圈导线形成第一励磁线圈14-7，每个第一扇形通孔14-2-1靠近大阻尼器壳体14-2轴线一侧的侧壁上开有第一缺口14-2-2，每个第一缺口14-2-2内插装一个大阻尼器隔磁板14-6，大阻尼器主轴14-1沿大阻尼器壳体14-2轴线方向插装在大阻尼器壳体14-2的中部，大阻尼器主轴14-1的分别各套装一个大阻尼器轴承14-4，大阻尼器壳体14-2的两端分别各与一个大阻尼器端盖14-3密封连接，每个大阻尼器端盖14-3的开口处分别与一个大阻尼器轴承端盖14-5密封连接，大阻尼器壳体14-2、两个大阻尼器端盖14-3、两个大阻尼器轴承端盖14-5形成的内腔中填充有磁流液。

本实施方式中四个第一扇形通孔14-2-1以大阻尼器壳体14-2的轴线为中心线对称分布；在大阻尼器壳体14-2的侧面设置引线孔，使第一励磁线圈14-7和大阻尼器壳体14-2融为一体，当四个第一励磁线圈14-7通电之后，每个第一励磁线圈14-7产生磁场，在大阻尼器壳体14-2、大阻尼器主轴14-1、磁流液和四个大阻尼器隔磁板14-6之间形成四个闭合的磁回路，在磁场的作用下，大阻尼器主轴14-1与大阻尼器外壳14-2相对运动时，需克服粒子桥的抗剪切能力，根据对磁流液的阻尼线圈中电流强度的变化而变化的特性，基于调节励磁电流的大小，即可获得不同的阻尼力矩值。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置的大阻尼器14还包括两个大阻尼器密封圈14-8和两个第一O型密封圈14-9，每个大阻尼器轴承14-4与相对应的大阻尼器轴承端盖14-5之间分别各设有一个大阻尼器密封圈14-8，每个大阻尼器端盖14-3与大阻尼器壳体14-2连接处分别各设有一个第一O型密封圈14-9。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图4至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置的小阻尼器15包括小阻尼器主轴15-1、小阻尼器壳体15-2、两个小阻尼器端盖15-3、两个小阻尼器轴承15-4、两个小阻尼器轴承端盖15-5和四个小阻尼器隔磁板15-6，每个小阻尼器壳体15-2的内侧壁上开有四个沿小阻尼器壳体15-2轴线方向第二扇形通孔15-2-1，每个第二扇形通孔15-2-1的孔壁上设有若干圈导线形成第二励磁线圈15-7，每个第二扇形通孔15-2-1靠近小阻尼器壳体15-2轴线一侧的侧壁上开有第二缺口15-2-2，每个第二缺口15-2-2内插装一个小阻尼器隔磁板15-6，小阻尼器主轴15-1沿小阻尼器壳体15-2轴线方向插装在小阻尼器壳体15-2的中部，小阻尼器主轴15-1的两端分别各套装一个小阻尼器轴承15-4，小阻尼器壳体15-2的两端分别与一个小阻尼器端盖15-3密封连接，每个小阻尼器端盖15-3的开口处分别各与一个小阻尼器轴承端盖15-5密封连接，小阻尼器壳体15-2、两个小阻尼器端盖15-3、两个小阻尼器轴承端盖15-5形成的内腔中填充有磁流液。

本实施方式中四个第二扇形通孔15-2-1以小阻尼器壳体15-2的轴线为中心线对称分布；在小阻尼器壳体15-2的侧面设置引线孔，使第二励磁线圈15-7和小阻尼器壳体15-2融为一体，当四个第二励磁线圈15-7通电之后，每个第二励磁线圈15-7产生磁场，在小阻尼器壳体15-2、小阻尼器主轴15-1、磁流液和四个小阻尼器隔磁板15-6之间形成四个闭合的磁回路，在磁场的作用下，小阻尼器主轴15-1与小阻尼器外壳15-2相对运动时，需克服粒子桥的抗剪切能力，根据对磁流液的阻尼线圈中电流强度的变化而变化的特性，基于调节励磁电流的大小，即可获得不同的阻尼力矩值。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图4至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置的小阻尼器15还包括两个第二密封圈15-8和两个第二O型密封圈15-9，每个小阻尼器轴承15-4与小阻尼器轴承端盖15-5之间分别各设有一个第二密封圈15-8，每个小阻尼器端盖15-3与小阻尼器壳体15-2的连接处分别各设有一个第二O型密封圈15-9。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置的小阻尼器壳体15-2的外侧壁上设有注磁流液孔密封螺钉15-10。其它组成及连接关系与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置的手部固定件7包括握把7-1和两个连接杆7-2，两个连接杆7-2由上至下并排平行设置，每个连接杆7-2的一端分别与滑动轴承6的外侧壁固接，每个连接杆7-2的另一端分别与握把7-1的一端固接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种面向病理性震颤的抑震装置的上臂固定板1上设有上臂柔性绑带1-1，前臂板5上设有前臂柔性绑带5-1。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理

本发明使用时，通过上臂柔性绑带1-1将患者上臂与上臂固定板1固定连接，通过前臂柔性绑带5-1将患者前臂与前臂固定板5固定连接，当前臂沿其轴线旋转时，滑动轴承6通过皮带16带动小阻尼器15的小阻尼器上的带轮10转动，小阻尼器上的带轮10通过小阻尼器主轴15-1、联轴器13将转动传递给前臂角度传感器12；当前臂沿肘关节旋转时，肘关节角度传感器11对肘关节旋转的角度进行检测。

Claims (8)

1.一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：所述一种面向病理性震颤的抑震装置包括上臂固定板（1）、悬臂板（2）、支撑板（3）、刚性连接板（4）、前臂板（5）、滑动轴承（6）、手部固定件（7）、小带轮（8）、大带轮（9）、小阻尼器上的带轮（10）、肘关节角度传感器（11）、前臂角度传感器（12）、联轴器（13）、大阻尼器（14）、小阻尼器（15）和两根皮带（16），刚性连接板（4）与前臂板（5）并排平行设置，前臂板（5）的一端与滑动轴承（6）的一侧连接，刚性连接板（4）的另一端和前臂板（5）的另一端分别与支撑板（3）的两端连接，前臂板（5）的另一端与上臂固定板（1）的一端连接，悬臂板（2）固定安装在上臂固定板（1）的中部，大带轮（9）通过转轴安装在上臂固定板（1）一端的外侧壁上，大阻尼器（14）固定安装在悬臂板（2）的内侧壁上，小带轮（8）安装在悬臂板（2）另一端的外侧壁上，且小带轮（8）与大阻尼器（14）连接，小带轮（8）通过皮带（16）与大带轮（9）连接，肘关节角度传感器（11）安装在支撑板（3）上，小阻尼器（15）固定安装在前臂板（5）的外侧壁上，前臂角度传感器（12）通过联轴器（13）与小阻尼器（15）连接，小阻尼器上的带轮（10）安装在小阻尼器（15）上，小阻尼器上的带轮（10）通过皮带（16）与滑动轴承（6）的外侧壁连接，手部固定件（7）与滑动轴承（6）的外侧壁固接。

2.根据权利要求1所述一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：大阻尼器（14）包括大阻尼器主轴（14-1）、大阻尼器壳体（14-2）、两个大阻尼器端盖（14-3）、两个大阻尼器轴承（14-4）、两个大阻尼器轴承端盖（14-5）和四个大阻尼器隔磁板（14-6），大阻尼器壳体（14-2）的内侧壁上开有四个沿大阻尼器壳体（14-2）轴线方向的第一扇形通孔（14-2-1），每个第一扇形通孔（14-2-1）的孔壁上设有若干圈导线形成第一励磁线圈（14-7），每个第一扇形通孔（14-2-1）靠近大阻尼器壳体（14-2）轴线一侧的侧壁上开有第一缺口（14-2-2），每个第一缺口（14-2-2）内插装一个大阻尼器隔磁板（14-6），大阻尼器主轴（14-1）沿大阻尼器壳体（14-2）轴线方向插装在大阻尼器壳体（14-2）的中部，大阻尼器主轴（14-1）的分别各套装一个大阻尼器轴承（14-4），大阻尼器壳体（14-2）的两端分别各与一个大阻尼器端盖（14-3）密封连接，每个大阻尼器端盖（14-3）的开口处分别与一个大阻尼器轴承端盖（14-5）密封连接，大阻尼器壳体（14-2）、两个大阻尼器端盖（14-3）、两个大阻尼器轴承端盖（14-5）形成的内腔中填充有磁流液。

3.根据权利要求2所述一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：大阻尼器（14）还包括两个第一密封圈（14-8）和两个第一O型密封圈（14-9），每个大阻尼器轴承（14-4）与相对应的大阻尼器轴承端盖（14-5）之间分别各设有一个第一密封圈（14-8），每个大阻尼器端盖（14-3）与大阻尼器壳体（14-2）连接处分别各设有一个第一O型密封圈（14-9）。

4.根据权利要求1所述一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：小阻尼器（15）包括小阻尼器主轴（15-1）、小阻尼器壳体（15-2）、两个小阻尼器端盖（15-3）、两个小阻尼器轴承（15-4）、两个小阻尼器轴承端盖（15-5）和四个小阻尼器隔磁板（15-6），每个小阻尼器壳体（15-2）的内侧壁上开有四个沿小阻尼器壳体（15-2）轴线方向第二扇形通孔（15-2-1），每个第二扇形通孔（15-2-1）的孔壁上设有若干圈导线形成第二励磁线圈（15-7），每个第二扇形通孔（15-2-1）靠近小阻尼器壳体（15-2）轴线一侧的侧壁上开有第二缺口（15-2-2），每个第二缺口（15-2-2）内插装一个小阻尼器隔磁板（15-6），小阻尼器主轴（15-1）沿小阻尼器壳体（15-2）轴线方向插装在小阻尼器壳体（15-2）的中部，小阻尼器主轴（15-1）的两端分别各套装一个小阻尼器轴承（15-4），小阻尼器壳体（15-2）的两端分别与一个小阻尼器端盖（15-3）密封连接，每个小阻尼器端盖（15-3）的开口处分别各与一个小阻尼器轴承端盖（15-5）密封连接，小阻尼器壳体（15-2）、两个小阻尼器端盖（15-3）、两个小阻尼器轴承端盖（15-5）形成的内腔中填充有磁流液。

5.根据权利要求4所述一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：小阻尼器（15）还包括两个第二密封圈（15-8）和两个第二O型密封圈（15-9），每个小阻尼器轴承（15-4）与小阻尼器轴承端盖（15-5）之间分别各设有一个第二密封圈（15-8），每个小阻尼器端盖（15-3）与小阻尼器壳体（15-2）的连接处分别各设有一个第二O型密封圈（15-9）。

6.根据权利要求4或5所述一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：小阻尼器壳体（15-2）的外侧壁上设有注磁流液孔密封螺钉（15-10）。

7.根据权利要求1所述一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：手部固定件（7）包括握把（7-1）和两个连接杆（7-2），两个连接杆（7-2）由上至下并排平行设置，每个连接杆（7-2）的一端分别与滑动轴承（6）的外侧壁固接，每个连接杆（7-2）的另一端分别与握把（7-1）的一端固接。

8.根据权利要求1所述一种面向病理性震颤的抑震装置，其特征在于：上臂固定板（1）上设有上臂柔性绑带（1-1），前臂板（5）上设有前臂柔性绑带（5-1）。

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