CN103340707A - 外骨骼辅助康复治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外骨骼辅助康复治疗系统。该系统包括由基板、间隔板、细径合金丝和末端件组成的末端执行连续体机构，以及用于驱动末端执行连续体机构运动的驱动部分。驱动部分包括传动机构和驱动连续体机构，驱动连续体机构包括下端安装板、粗径合金丝、内层间隔板、外层间隔板和末端夹紧盘。细径合金丝和粗径合金丝的一端固定在同一个末端夹紧盘上，细径合金丝的另一端固定在末端件上并能够在基板和间隔板中自由滑动，从而推拉粗径合金丝使得驱动连续体机构弯转时，末端执行连续体机构相应地弯转。本发明的外骨骼辅助康复治疗系统能够防止对患者造成意外损伤，同时能够自适应不同使用者的肌骨结构，尽可能减少切换使用者对硬件的调节。

Description

外骨骼辅助康复治疗系统

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及辅助关节康复运动的外骨骼辅助康复治疗系统。

背景技术

外骨骼装置主要应用在增强使用者力量和辅助关节运动两方面。然而，在一些特定的场合下，这两种应用有着很大的不同。刚性件非常适合应用在增强使用者力量方面，因其在受力情况下不易变形，能保证较好的运动控制精度。而在辅助关节运动，尤其是在康复治疗中，外骨骼不需要提供很大的力来驱动使用者的肢体，这个时候，若继续采用刚性件，会有很大的损伤使用者身体的风险。现存的外骨骼中辅助康复治疗系统，多为刚性件附着在使用者肢体上，采用柔性件无疑是一种很好的替代方案，既能保证日常生活所需要的力，又能尽可能小损伤使用者的肢体。

发明内容

本发明的目的是使用柔性件取代广泛应用在外骨骼康复治疗中的刚性件，保证使用与辅助运动关节自由度相同的驱动器完成康复治疗。同时，一套外骨骼设备能够自适应不同使用者的肌骨结构，尽可能减少切换使用者对硬件的调节。

本发明涉及到一种使用柔性件作为传动件和执行件，牵引使用者肢体进行康复运动的外骨骼机构，末端执行柔性件使用的是连续体结构，其驱动也是一个连续体结构，通过中间的运动转换装置，实现对末端件的位姿控制，带动使用者的肢体按照预定轨迹运动，从而达到康复治疗的效果。

本发明由一个末端执行连续体机构，一个支架，若干引导管，一个交叉换向机构和一个两层驱动连续体结构等几大部分组成。

本发明中的末端执行连续体机构由基板，间隔板，若干细径合金丝和末端件组成。细径合金丝的一端固定在末端件上，并可在基板和间隔板中自由滑动。基板固定在支架上，通过推拉合金丝，可以使末端执行连续体机构弯曲，从而带动末端件运动至规划的位置。细径合金丝数量可以根据需要确定，其分布直径也可以不同。间隔板可以起到约束合金丝弯曲形状的作用，同时，由于合金丝的受力会导致失稳现象，间隔板在此可以起到防失稳的作用，因此其数量受到失稳极限和初始状态基板与末端件之间距离的限制。

本发明中的驱动连续体机构由下端安装板、末端执行连续体机构中的细径合金丝、粗径合金丝、双层间隔板、末端夹紧盘以及滚珠丝杠组件等组成。细径合金丝和粗径合金丝构成了双层连续体的骨架，两者可分布在不同的直径上，并将一端固定在同一末端夹紧盘上。两层合金丝均可在双层间隔板和下端安装板中自由滑动。间隔板的数量由两层合金丝中失稳极限小的一方确定，以保证整个系统不出现失稳现象。

本发明中的滚珠丝杠组件由丝杠、丝杠螺母、光杆、线性轴承、角接触球轴承、丝杠螺母安装块、粗径合金丝夹紧块以及光杆滑块和销钉等组成。丝杠螺母安装在丝杠螺母安装块上，线性轴承安装在光杆上，光杆其平衡多余弯矩和扭矩的作用以保护丝杠。角接触球轴承内圈紧固在丝杠上，外圈分别安装在上端安装板和下端安装板上。粗径合金丝夹紧块将粗径合金丝与丝杠螺母安装块连接，从而保证两者一起运动。销钉用以连接交叉杠杆和丝杠螺母安装块，并起到旋转支点的作用。光杆滑块之间有弹簧或其它弹性元件，起到防失稳的作用。

本发明中的导柱组件由导柱安装块、光杆、线性轴承、导柱粗径合金丝夹紧块、光杆滑块和导柱销钉等组成。光杆穿过线性轴承并固定在上端安装板和下端安装板上。粗径合金丝夹紧块将粗径合金丝与导柱安装块连接，保证两者一起运动。销钉用以连接交叉杠杆和导柱安装块，并起到旋转支点的作用。光杆滑块之间有弹簧或其它弹性元件，起到防失稳的作用。

本发明中的交叉换向结构由两个互成一定角度的交叉杠杆和中央立柱，销钉等组成。交叉杠杆穿过中央立柱，通过销钉与之连接，可以绕销钉旋转，并且在不同的高度位置。中央立柱安装在上端安装板和下端安装板上。交叉杠杆开槽，通过插入其中的销钉分别与丝杠螺母安装块和导柱安装块相连，使得对应排布的丝杠螺母安装块和导柱安装块有相反的运动规律。

根据本发明的一方面，提供了一种外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述外骨骼辅助康复治疗系统包括：

末端执行连续体机构，所述末端执行连续体机构由基板、间隔板、细径合金丝和末端件组成；

驱动部分，所述驱动部分用于驱动所述末端执行连续体机构运动，所述驱动部分包括传动机构和驱动连续体机构，所述传动机构用于将电机的运动传递给所述驱动连续体机构，且所述驱动连续体机构包括下端安装板、粗径合金丝、内层间隔板、外层间隔板和末端夹紧盘；以及

支架，所述支架用于固定所述末端执行连续体机构；

引导管，所述引导管用于将所述细径合金丝从所述末端执行连续体机构引导到所述驱动连续体机构；其中，

所述细径合金丝和所述粗径合金丝分别分布在不同直径的所述内层间隔板和所述外层间隔板上，并能够在所述内层间隔板和所述外层间隔板以及所述下端安装板中自由滑动，且

所述细径合金丝和所述粗径合金丝的一端固定在同一个所述末端夹紧盘上，所述细径合金丝的另一端固定在所述末端件上并能够在所述基板和所述间隔板中自由滑动，从而推拉所述粗径合金丝使得所述驱动连续体机构弯转时，所述末端执行连续体机构相应地弯转。

优选地，所述传动机构包括上端安装板、交叉换向机构、导柱组件和用于驱动所述粗径合金丝弯转的滚珠丝杠组件，所述滚珠丝杠组件由丝杠、丝杠螺母、光杆、线性轴承、角接触球轴承、丝杠螺母安装块、粗径合金丝夹紧块以及光杆滑块和销钉组成；所述丝杠螺母安装在所述丝杠螺母安装块上，所述线性轴承安装在所述光杆上；所述角接触球轴承内圈紧固在所述丝杠上，外圈分别安装在所述上端安装板和所述下端安装板上；所述粗径合金丝夹紧块将所述粗径合金丝与所述丝杠螺母安装块连接，从而保证两者一起运动，所述销钉用以连接所述交叉换向机构和所述丝杠螺母安装块并起到旋转支点的作用。

优选地，所述光杆滑块布置在所述丝杠螺母安装块下方且其上设有供所述粗合金丝穿过的孔，各所述光杆滑块之间设有弹性机构。

优选地，所述导柱组件由导柱安装块、光杆、线性轴承、导柱粗径合金丝夹紧块、导柱光杆滑块和导柱销钉组成，所述光杆穿过所述线性轴承并固定在所述上端安装板和所述下端安装板上，所述导柱粗径合金丝夹紧块将所述粗径合金丝与所述导柱安装块连接固定使得两者能够一起运动，所述导柱销钉用以连接所述交叉换向机构和所述导柱安装块，并起到旋转支点的作用。

优选地，所述导柱光杆滑块布置在所述导柱安装块下方且其上设有供所述粗合金丝穿过的孔，各所述导柱光杆滑块之间设有弹性机构。

优选地，所述交叉换向机构由两个互成角度的交叉杠杆、中央立柱和销钉组成，所述交叉杠杆穿过中央立柱，通过该销钉与之连接并能够绕该销钉旋转，所述中央立柱安装在所述上端安装板和所述下端安装板上。

优选地，所述丝杠用于将电机的旋转运动转化成所述丝杠螺母和所述丝杠螺母安装块的往复直线运动。

优选地，所述外骨骼辅助康复治疗系统还包括用于固定所述驱动部分的支撑架。

优选地，所述内层间隔板和所述外层间隔板分布在所述下端安装板和所述末端夹紧盘之间，所述内层间隔板设有供所述细径合金丝穿过的孔，且所述外层间隔板上设有供所述粗径合金丝穿过的孔。

优选地，所述弹性机构是弹簧。

本发明的外骨骼辅助康复治疗系统中，使用了柔性件取代广泛应用在外骨骼康复治疗中的刚性件，保证使用与辅助运动关节自由度相同的驱动器完成康复治疗，并防止对患者造成意外损伤。同时，一套外骨骼设备能够自适应不同使用者的肌骨结构，尽可能减少切换使用者对硬件的调节。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的基于连续体驱动的外骨骼辅助康复治疗系统的整体结构示意图。

图2为图1的外骨骼辅助康复治疗系统去除引导管后的结构示意图。

图3为图1中的末端执行连续体机构的结构示意图。

图4为图1中的驱动部分的结构示意图。

图5为图1中的驱动连续体机构的结构示意图。

图6为图4中的滚珠丝杠组件的结构示意图。

图7为图6中的丝杠螺母安装块的结构示意图。

图8为图4中的导柱组件的结构示意图。

图9为图8中的导柱安装块的结构示意图。

图10为图4中的交叉换向结构的示意图。

图11为图4中的上端安装板的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。本文中，术语“粗径”、“细径”是相对概念，例如，“粗径合金丝”是指比“细径合金丝”直径粗的合金丝。

如图1所示，基于连续体驱动的外骨骼辅助康复治疗系统1主要由末端执行连续体机构3、支架2、引导管5和驱动组件4构成，其中，驱动组件（驱动部分）4用于对末端执行连续体机构进行控制，使其做出相应的运动。

如图2所示，末端执行连续体机构3固定在支架2上，驱动组件4可以固定在支撑架6上，也可以摆放在其它位置，图2中所示实施例中，驱动组件摆放在距离支架2一定距离的位置处。支架2和支撑架6可以具有各种结构，只要其能支撑末端执行连续体机构3和/或驱动组件4即可。

如图3所示，末端执行连续体机构3由基板19、间隔板20、细径合金丝15和末端件21组成。基板19和间隔板20上设有多个供细径合金丝穿过的孔。使用者的肢体穿过末端执行连续体机构3，根据末端件21的运动改变位姿。此连续体机构为柔性结构，可以自适应使用者的肌骨结构，由此保证同一个末端执行连续体机构3可以适用于一组不同肌骨尺寸的使用者。

细径合金丝15穿过引导管5，引导管5一端固定在支架2上，另一端穿过驱动部分中的上端安装板9固定在下端安装板13上。由于引导管5内径稍大于细径合金丝15的外径，因此细径合金丝15在推拉运动的过程中，置于引导管5内的部分长度近似不变。细径合金丝15通过驱动部分产生有规律的推拉运动，进而使得末端执行连续体机构3相应地作弯转运动，下文将更详细说明。

如图4所示，驱动部分由传动机构8和驱动连续体机构7两大部分构成。其中传动机构包含了上端安装板9、下端安装板13、丝杠螺母组件12、导柱组件10和交叉换向机构11。下端安装板13同时用作驱动连续体机构7的基板，或者驱动连续体机构7的基板也可作为一个单独部件而固定在下端安装板13上。电机35驱动丝杠旋转运动，通过丝杠螺母29带动丝杠螺母安装块25上下运动。由于导柱组件10的换向作用，带动驱动连续体机构7弯曲，下端安装板13运动至指定位置，对细径合金丝15产生推拉作用。电机35安装在电机安装板36上，如图2所示，整体的驱动部分固定在支撑架6上，支撑架6可以根据需要摆放并可以具有各种结构，只要其能够安装固定驱动部分即可。

如图5所示，驱动连续体机构7由下端安装板13、内层间隔板17、外层间隔板16、细径合金丝15、粗径合金丝14和末端夹紧盘18等构成。间隔板之间有弹簧或其它弹性元件使之均布，同时可以很好地防失稳。粗径合金丝14为主动驱动件，通过末端夹紧盘18推拉被动件细径合金丝15。具体地，一端固定在末端执行连续体机构3的末端件2上的细径合金丝15经过传动机构并穿过内层间隔板17上的孔，最终另一端固定于末端夹紧盘18上。粗径合金丝14一端固定在末端夹紧盘18上，另一端穿过外层间隔板16，并穿过下端安装板13，最终固定于传动机构8的丝杠螺母组件12上。

如图6所示，丝杠螺母组件12由丝杠23、丝杠螺母29、光杆22、线性轴承30、角接触球轴承24、丝杠螺母安装块25、粗径合金丝夹紧块28、多个光杆滑块26和销钉27等组成。其中，如图7所示，丝杠螺母安装块25上设有分别供光杆22和丝杠23的光杆孔25a、25c和丝杠孔25b，并设有供交叉转换机构11的交叉杠杆34穿过的孔25d。交叉杠杆34穿过孔25d后，可通过销钉27可转动地固定在丝杠螺母安装块25上。

丝杠23将电机的旋转运动转化成丝杠螺母29和与之固定的丝杠螺母安装块25的往复直线运动。粗径合金丝夹紧块28将粗径合金丝14和丝杠螺母安装块25紧固在一起，由此，丝杠螺母安装块25的往复直线运动产生粗径合金丝14的推拉运动。光杆滑块26之间有间隔弹簧或其它弹性元件（图未示），光杆滑块26上设有粗径合金丝孔26a，粗径合金丝孔26a的尺寸稍大于粗径合金丝14的外径，由此粗径合金丝14穿过光杆滑块26的孔26a时，刚好可以相对孔26a滑动。当电机驱动丝杠转动时，丝杠螺母安装块25向下端安装板13运动时，撞到光杆滑块26，然后两者一起运动。弹簧或其它弹性元件保证粗径合金丝14的中间支撑间距在失稳极限以内。

图8示出导柱组件10的结构立体图。如图8所示，导柱组件10与丝杠螺母组件12的区别是缺少了丝杠和螺母，因此其为被动件，与丝杠螺母组件12彼此相对配置，通过交叉转换机构11实现与粗径合金丝14运动相反的反向运动。类似地，如图9所示，导柱组件的导柱安装块31与丝杠螺母安装块25类似，也设有分别供光杆通过的光杆孔31a以及供交叉转换机构11的交叉杠杆34穿过的孔31b。交叉杠杆34穿过孔31b后，可通过另一销钉可转动地固定在光杆安装块31上。

图10示出交叉转换机构11的立体图。如图10所示，交叉转换机构11由中央立柱33和两个交叉杠杆34组成。交叉杠杆34能够围绕设置在中央立柱33中的旋转轴旋转，其主要作用是实现两两彼此相对布置的粗径合金丝14的反向运动，从而减少驱动电机35的数量。

图11示出上安装板9的平面图。如图11所示，上端安装板9分别设置有用于大部分零件的安装固定的安装孔，包括电机安装板36、中央立柱33、导柱组件10、丝杠螺母组件12、细径合金丝15等的安装孔，各安装孔的相对位置可根据实际需要来设定。

在工作过程中，首先将末端执行连续体机构3摆放至初始位置，此时，驱动连续体机构7也在与之对应的初始位置。根据设定的运动轨迹，驱动电机35通过丝杠24将旋转运动转化为丝杠螺母29和与之固定的丝杠螺母安装块25的往复运动，从而产生粗径合金丝14的推拉运动。同时，交叉杠杆34以中央立柱33为中心旋转将来自丝杠螺母安装块25的直线运动转化为与之对应的导柱安装块31的反向直线运动。于是，粗径合金丝14弯曲，末端夹紧盘18运动至指定位置。末端夹紧盘18的运动又带动细径合金丝15运动，通过推拉细径合金丝15产生末端执行连续体机构3的弯曲运动，从而带动使用者肢体进行康复治疗。

本发明的外骨骼辅助康复治疗系统由于使用柔性件取代广泛应用在外骨骼康复治疗中的刚性件，并使用与辅助运动关节自由度相同的驱动器完成康复治疗，由此防止在康复治疗中对患者造成损伤。同时，本发明的外骨骼设备能够自适应不同使用者的肌骨结构，由此尽可能减少切换使用者时对硬件的调节，使用便利。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述外骨骼辅助康复治疗系统包括：

末端执行连续体机构，所述末端执行连续体机构由基板、间隔板、细径合金丝和末端件组成；

驱动部分，所述驱动部分用于驱动所述末端执行连续体机构运动，所述驱动部分包括传动机构和驱动连续体机构，所述传动机构用于将电机的运动传递给所述驱动连续体机构，且所述驱动连续体机构包括下端安装板、粗径合金丝、内层间隔板、外层间隔板和末端夹紧盘；以及

支架，所述支架用于固定所述末端执行连续体机构；

引导管，所述引导管用于将所述细径合金丝从所述末端执行连续体机构引导到所述驱动连续体机构；其中，

所述细径合金丝和所述粗径合金丝分别分布在不同直径的所述内层间隔板和所述外层间隔板上，并能够在所述内层间隔板和所述外层间隔板以及所述下端安装板中自由滑动，且

所述细径合金丝和所述粗径合金丝的一端固定在同一个所述末端夹紧盘上，所述细径合金丝的另一端固定在所述末端件上并能够在所述基板和所述间隔板中自由滑动，从而推拉所述粗径合金丝使得所述驱动连续体机构弯转时，所述末端执行连续体机构相应地弯转。

2.如权利要求1所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述传动机构包括上端安装板、交叉换向机构、导柱组件和用于驱动所述粗径合金丝弯转的滚珠丝杠组件，所述滚珠丝杠组件由丝杠、丝杠螺母、光杆、线性轴承、角接触球轴承、丝杠螺母安装块、粗径合金丝夹紧块以及光杆滑块和销钉组成，

所述丝杠螺母安装在所述丝杠螺母安装块上，所述线性轴承安装在所述光杆上；

所述角接触球轴承内圈紧固在所述丝杠上，外圈分别安装在所述上端安装板和所述下端安装板上；

所述粗径合金丝夹紧块将所述粗径合金丝与所述丝杠螺母安装块连接，从而保证两者一起运动，所述销钉用以连接所述交叉换向机构和所述丝杠螺母安装块并起到旋转支点的作用。

3.如权利要求3所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述光杆滑块布置在所述丝杠螺母安装块下方且其上设有供所述粗合金丝穿过的孔，各所述光杆滑块之间设有弹性机构。

4.如权利要求2所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述导柱组件由导柱安装块、光杆、线性轴承、导柱粗径合金丝夹紧块、导柱光杆滑块和导柱销钉组成，所述光杆穿过所述线性轴承并固定在所述上端安装板和所述下端安装板上，所述导柱粗径合金丝夹紧块将所述粗径合金丝与所述导柱安装块连接固定使得两者能够一起运动，所述导柱销钉用以连接所述交叉换向机构和所述导柱安装块，并起到旋转支点的作用。

5.如权利要求4所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述导柱光杆滑块布置在所述导柱安装块下方且其上设有供所述粗合金丝穿过的孔，各所述导柱光杆滑块之间设有弹性机构。

6.如权利要求2所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述交叉换向机构由两个互成角度的交叉杠杆、中央立柱和销钉组成，所述交叉杠杆穿过中央立柱，通过该销钉与之连接并能够绕该销钉旋转，所述中央立柱安装在所述上端安装板和所述下端安装板上。

7.如权利要求2所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述丝杠用于将电机的旋转运动转化成所述丝杠螺母和所述丝杠螺母安装块的往复直线运动。

8.如权利要求1所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述外骨骼辅助康复治疗系统还包括用于固定所述驱动部分的支撑架。

9.如权利要求1所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述内层间隔板和所述外层间隔板分布在所述下端安装板和所述末端夹紧盘之间，所述内层间隔板设有供所述细径合金丝穿过的孔，且所述外层间隔板上设有供所述粗径合金丝穿过的孔。

10.如权利要求3或5所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述弹性机构是弹簧。

Images