CN103340731B - 基于流体转换的外骨骼辅助康复治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于流体转换的外骨骼辅助康复治疗系统。外骨骼辅助康复治疗系统包括：末端连续体机构，末端连续体机构由基盘、间隔盘、合金丝和末端盘组成，合金丝的一端与末端盘固定，且合金丝能够在基盘和间隔盘中自由滑动；由防失稳模块、流体转换机构和运动驱动机构构成的驱动系统，合金丝经由防失稳模块与流体转换机构连接；以及用于将合金丝的另一端从末端连续体机构引导到驱动系统的引导管。其中，运动驱动机构驱动流体转换机构，进而驱动合金丝做推拉运动，从而使末端连续体机构弯转。本发明的外骨骼辅助康复治疗系统能够自适应于患者的不同肌骨结构，避免对患者关节的损伤，减少因为调节硬件而带来的驱动误差。

Description

基于流体转换的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

外骨骼最初应用在增强使用者的身体机能上，比如军队负重或者施工中的搬运工作。它的另一个应用是医疗领域中的康复治疗。中风或者意外会导致身体机能损伤，严重的会造成患者偏瘫。通过借助外力反复进行辅助肢体运动对患者的康复具有很大的帮助。现存的康复治疗机构主要通过连杆机构、齿轮机构，液压机构，人工肌肉等带动患者的肢体进行运动。这些运动机构均使用了刚性件来模拟关节的运动。刚性件的大量使用，一方面增加了系统的体积和重量，提高了制造和使用成本，另一方面，刚性件的使用在人机工程学方面的缺陷给使用者带来了极大的危险，而且，同一套设备应用于不同的患者时需要调节机构以适应患者的肌骨结构。

发明内容

本发明的目的是使用柔性件取代刚性件牵引使用者肢体运动进行康复治疗，与患者直接接触的运动牵引机构能够自适应于患者的不同肌骨结构，避免对患者关节的损伤，减少因为调节硬件而带来的驱动误差。

本发明涉及一种使用连续体柔性结构件作为驱动件和执行件，牵引使用者关节运动的康复治疗外骨骼，通过柔性件的推拉动作，控制连续体末端件的位姿，从而实现康复治疗所需要的运动。柔性件的推拉运动由流体系统驱动的多组耦合液缸活塞实现。

本发明由一个末端连续体机构、固定支架、若干引导管、流体转换机构、防失稳装置和运动驱动机构构成。

本发明中的连续体机构由基盘、末端盘、间隔盘和合金丝组成。间隔盘主要目的是防止合金丝在推拉过程中失稳，因此，其数量根据基盘和末端盘的间距以及合金丝推拉力的大小来确定。合金丝的数量和尺寸可以根据具体情况制定，其分布半径也可根据需要改变，每根合金丝的分布半径可以不同。合金丝的一端固定在末端盘上，并且可以在间隔盘和基盘的小孔中自由滑动。通过有规律地推拉合金丝，可以使基盘和末端盘之间的合金丝弯曲，从而改变末端盘的位置和指向。

本发明中的合金丝的另一端固定在流体转换机构的输出活塞上，并且套入空间引导管，空间引导管的两端固定，可以根据需要任意弯曲，保证套入其中的合金丝长度保持不变。

本发明中，末端连续体机构的变形由推拉合金丝实现，这个过程中不可避免会有失稳现象发生。在本系统中，基于保证合金丝支撑距离不超过失稳极限而设计了防失稳模块。防失稳模块主要由上端防失稳板，下端防失稳板和数量等同于合金丝数量的防失稳管模块组成。防失稳管模块的一端和上端失稳板固定，并由下端防失稳板支撑以防止偏心。其中，防失稳管模块由导管和嵌入导管中的撞块组成。合金丝穿过撞块连接到末端盘和输出活塞。

本发明中流体转换机构由上端配流盘、下端配流盘、若干内圈输出活塞、若干外圈输出活塞、若干内圈输出液缸、若干外圈输出液缸、若干内圈输入活塞、若干外圈输入活塞、若干内圈输入液缸、若干外圈输入液缸、若干输出液缸接头、若干输入液缸接头和流体密封盖等构成。

内圈输入液缸和外圈输入液缸的一端分别与上端配流盘连接并导通，并和外圈输出液缸的一端导通，从而保证内圈输入活塞和外圈输入活塞的运动可以合成驱动外圈输出活塞的运动，外圈输出液缸的一端和内圈输出液缸的另一端导通，通过外圈输出活塞的运动挤压流体使得内圈输出活塞向反方向运动，保证内圈输出活塞和外圈输出活塞有相反的运动。流体密封盖固定在上端配流盘上，中间通过密封片密封，通过其中间浮子的上下运动来平衡内圈输出活塞运动挤压流体的体积。输出液缸接头连接了内圈输出液缸、外圈输出液缸和上端配流盘，输入液缸接头连接了内圈输入液缸、外圈输入液缸和上端配流盘，接头处均采用密封圈，密封条或者密封胶防止液体泄漏。内圈输入活塞与内驱动盘接触，由介于两者之间的弹簧或其它弹性元件保证贴合。外圈输入活塞与外驱动盘接触，由介于两者之间的弹簧或其它弹性元件保证贴合。通过不同外径的活塞和液缸组合，可以产生各种规律的运动，可以方便实现运动行程的改变。上端配流盘和下端配流盘之间通过配流支撑柱保证间距。

本发明中的运动驱动机构由内驱动盘、外驱动盘、底部固定板、内齿轮、外齿轮、驱动电机、联轴器、电机安装板和轴向轴承等构成。驱动电机安装在电机安装板上，通过联轴器驱动外齿轮运动，外齿轮通过啮合运动驱动固定在内驱动盘和外驱动盘上的内齿轮运动，从而实现对内驱动盘和外驱动盘的驱动。内驱动盘和外驱动盘均通过轴向轴承与底部固定板连接，并且互不影响运动，两者的上表面形状均根据运动需要设计，从而使得两者在电机带动下进行的旋转运动可以分别通过与之贴合的内圈输入活塞和外圈输入活塞转化成反复的直线运动。配流支撑柱同时和底部固定板连接，保证内外驱动盘和内外圈输入活塞的贴合。

根据本发明的一优选实施例，该外骨骼辅助康复治疗系统包括：

末端连续体机构，所述末端连续体机构由基盘、间隔盘、合金丝和末端盘组成，所述合金丝的一端与所述末端盘固定，且所述合金丝能够在所述基盘和所述间隔盘中自由滑动；

驱动系统，所述驱动系统包括防失稳模块、流体转换机构和运动驱动机构，所述合金丝经由所述防失稳模块与所述流体转换机构连接；

支架，所述支架用于固定所述末端连续体机构；以及

引导管，所述引导管用于将所述合金丝的另一端从所述末端连续体机构引导到所述驱动系统；其中，

所述运动驱动机构驱动所述流体转换机构，进而驱动所述合金丝做推拉运动，从而使所述末端连续体机构弯转。

优选地，所述运动驱动机构包括内驱动盘、外驱动盘、底部固定板、内齿轮、外齿轮、驱动电机、联轴器、电机安装板和轴承，所述内驱动盘和所述外驱动盘均通过所述轴承与所述底部固定板连接，所述驱动电机安装在所述电机安装板上，通过所述联轴器驱动所述外齿轮运动，所述外齿轮通过啮合运动驱动固定在所述内驱动盘和所述外驱动盘上的所述内齿轮运动，从而实现对所述内驱动盘和所述外驱动盘的驱动。

优选地，所述内驱动盘和所述外驱动盘的上表面形状均根据所要实现的末端连续体机构运动设计，从而使得所述内驱动盘和所述外驱动盘在电机带动下进行的旋转运动能够通过所述流体转换机构转化成反复的直线运动。

优选地，所述内驱动盘和所述外驱动盘的上表面为斜面。

优选地，所述流体转换机构包括上端配流盘、下端配流盘、配流支撑柱、内圈输出活塞、外圈输出活塞、内圈输出液缸、外圈输出液缸、内圈输入活塞、外圈输入活塞、内圈输入液缸、外圈输入液缸、输出液缸接头、输入液缸接头以及流体密封盖，其中，

所述内圈输入液缸和所述外圈输入液缸的一端分别与所述上端配流盘连接并导通，并和所述外圈输出液缸的一端导通，从而保证所述内圈输入活塞和所述外圈输入活塞的运动能够合成驱动所述外圈输出活塞的运动，所述外圈输出液缸的一端和所述内圈输出液缸的另一端导通，通过所述外圈输出活塞的运动挤压流体使得所述内圈输出活塞向反方向运动，保证所述内圈输出活塞和所述外圈输出活塞有相反的运动；

所述输出液缸接头连接了所述内圈输出液缸、所述外圈输出液缸和所述上端配流盘，所述输入液缸接头连接了所述内圈输入液缸、所述外圈输入液缸和所述上端配流盘。

优选地，所述内圈输入活塞与所述运动驱动机构的内驱动盘接触，所述内圈输入活塞与所述运动驱动机构的内驱动盘之间设有弹性元件，且所述外圈输入活塞与所述运动驱动机构的外驱动盘接触，所述外圈输入活塞与所述运动驱动机构之间设有弹性元件。

优选地，所述防失稳模块包括上端防失稳板，下端防失稳板和数量等同于所述合金丝数量的防失稳管模块，所述防失稳管模块的一端和所述上端防失稳板固定，另一端由所述下端防失稳板支撑以防止偏心。

优选地，所述防失稳管模块由导管和嵌入所述导管中的撞块组成，所述合金丝的一端穿过所述撞块连接到所述末端盘。

优选地，所述撞块中的孔能够让所述合金丝通过，但是无法让流体转换机构的外圈输出活塞及内圈输出活塞通过，而所述导管的孔径能够让流体转换机构的外圈输出活塞及内圈输出活塞通过。

本发明的基于流体转换的外骨骼辅助康复治疗系统中，使用柔性件取代刚性件牵引使用者肢体运动进行康复治疗，与患者直接接触的运动牵引机构能够自适应于患者的不同肌骨结构，避免对患者关节的损伤，减少因为调节硬件而带来的驱动误差。

附图说明

图1为本发明的基于流体转换的外骨骼辅助康复治疗系统的结构示意图。

图2为图1中的末端连续体机构示意图。

图3为驱动图2中末端连续体机构的驱动系统的结构示意图。

图4为图3中的防失稳模块的结构示意图。

图5为图4中的防失稳模块的上端防失稳板的结构示意图。

图6为图4中的防失稳模块的下端防失稳板的结构示意图。

图7为图4中的防失稳模块的防失稳管模块的结构示意图。

图8为图3中的流体转换机构的结构示意图。

图9为图8中的流体转换机构的上端配流盘结构示意图。

图10为图8中的流体转换机构的下端配流盘结构示意图。

图11为图3中的运动驱动机构的结构示意图。

图12为从图11去除下端配流盘和电机安装板后的运动驱动机构的结构示意图。

图13为图11的运动驱动机构的内驱动盘结构示意图。

图14为图11的运动驱动机构的外驱动盘结构示意图。

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。

如图1所示，本发明的基于流体转换的外骨骼辅助康复治疗系统1由末端连续体机构3、一个固定支架2、若干引导管4和驱动系统5等几大部分构成。其中，驱动系统5包括一套流体转换机构11、一套防失稳装置10和一套运动驱动机构12。运动驱动机构12驱动流体转换机构11进而驱动末端连续体机构3朝向各方向弯转，由此带动使用者的肢体随之弯转，从而实现辅助康复治疗的目的。

本发明中的引导管4形状可以灵活设计，同时，末端连续体机构3的驱动系统5可以布置在任意位置。

如图2所示，末端连续体机构3由基盘6、间隔盘7、合金丝8和末端盘9构成。基盘6固定在支架2上。合金丝8末端与末端盘9固定，并可以在基盘6和间隔盘7中自由滑动，当对合金丝8进行推拉时，末端盘9会改变位置和指向以适应运动，当使用者的上臂放入末端连续体机构中时，就可以随着连续体运动，从而到达康复治疗的效果。

图3示出驱动末端连续体机构3的驱动系统5的结构示意图。如图3所示，驱动系统5由防失稳模块10、流体转换机构11和运动驱动机构12构成，运动驱动机构12驱动与之贴合的内圈输入活塞41和外圈输入活塞40，两种活塞的运动经过流体转换机构11后驱动内圈输出活塞17和外圈输出活塞18。由于内圈活塞17和外圈输出活塞18与合金丝8固定，因而驱动合金丝8的推拉运动，从而产生末端连续体机构3的弯转，下文将进一步说明。

如图4所示，防失稳模块10由上端防失稳板13、下端防失稳板39、上端配流盘15、防失稳支撑柱16以及防失稳管模块14构成。流体转换机构11中的内圈输出活塞17和外圈输出活塞18经过上端配流盘15上的小孔后进入到防失稳模块10中，在防失稳模块10的保护下驱动合金丝8。下端防失稳板39保证了合金丝8和输出活塞17、18的同轴度，防失稳支撑柱16连接上端防失稳板13、下端防失稳板39和上端配流盘15。

如图5所示，上端防失稳盘13上的小孔131固定防失稳管模块14，并可使得合金丝8通过。

如图6所示，下端防失稳盘39上不完全孔391用以支撑防失稳管模块14，并保证其与输出活塞17、18同轴。

如图7所示，防失稳管模块14由导管34和撞块35构成。撞块35中的孔刚好可以通过合金丝8，但是无法让输出活塞17、18通过，导管34的孔径足以让输出活塞17、18通过。撞块35可以在导管34中运动。当输出活塞17、18向上运动撞上撞块35时，撞块35伴随输出活塞向上运动，当输出活塞17、18向下运动时，撞块35在重力或者弹簧或其它弹性元件(图未示)作用下向下运动至初始位置。在输出活塞17、18的行程中，每隔一定的距离布置一个撞块35，且两个撞块35之间的距离小于合金丝8的失稳极限长度，这样就保证了在运动过程中有效防止了失稳。

图8示出流体转换机构11的结构示意图。如图8所示，流体转换机构11由上端配流盘15、下端配流盘20、配流支撑柱19、内圈输出活塞17、外圈输出活塞18、内圈输出液缸36、外圈输出液缸37、内圈输入活塞41、外圈输入活塞40、内圈输入液缸23、外圈输入液缸22、输出液缸接头24、输入液缸接头42、浮子43和流体密封盖16等构成。其中内圈输出液缸36和外圈输出液缸37均充满流体，内圈输入液缸23和外圈输入液缸22不包含活塞的部分充满流体，包含活塞部分无流体。内圈输出液缸36和上端配流盘15相通，浮子43可以在流体密封盖16中密封滑动，以维持流体系统的平衡。输出液缸接头24和输入液缸接头42主要起到连接液缸(22、23、36、37)和配流盘15，以及密封的作用。

如图9所示，上端配流盘15上既有流体通道151，也有起到支撑结构和安装流体密封盖16的作用的安装孔152。

如图10所示，下端配流盘20上既有流体通道，也有起到支撑结构的作用的孔。

图11和12示出运动驱动部分的结构示意图，其中，图12中去除了下端配流盘20和电机安装板38。如图11和12所示，运动驱动部分12主要由内驱动盘27、外驱动盘28、底部固定板29、内齿轮30、外齿轮32、驱动电机26、联轴器31、电机安装板38和轴向轴承33等构成。电机安装板38固定在下端配流盘20上。配流支撑柱19连接上端配流盘15、下端配流盘20和底部固定板29。上端配流盘15、下端配流盘20和底部固定板29同时固定在支架2的立柱上。根据末端盘9的运动需要，固定在电机安装板38上的驱动电机26通过联轴器31带动外齿轮32轴向旋转。外齿轮32与内齿轮30啮合，同时，两个内齿轮30分别被固定在内驱动盘27和外驱动盘28上。这样保证了内驱动盘27和外驱动盘28互不影响。由于内驱动盘27和外驱动盘28的表面为斜面(如图13和14所更清楚示出的)，因此可以和顶在输入液缸壁和输入活塞头部的压簧配合实现流体的合成。合成的流体通过外圈输出活塞18驱动与之相连的合金丝8，同时，由于外圈输出活塞18的运动，挤压流体驱动内圈输出活塞17带动与之相连的合金丝8运动。内驱动盘27、外驱动盘28和底部固定板29之间通过轴向轴承33连接。

图13和14分别示出内驱动盘27和外驱动盘28的结构示意图。如图13和14所示，内驱动盘27与内圈输入活塞41接触面为斜面。外驱动盘28与外圈输入活塞40接触面为斜面。

在工作过程中，首先将末端连续体机构3摆放到初始位置，在流体转换机构11中注入液体，并将内驱动盘27和外驱动盘28摆放至初始位置，并保证内圈输入活塞41和外圈输入活塞40分别和内驱动盘27和外驱动盘28表面接触。电机驱动内驱动盘27和外驱动盘28旋转，通过斜面结构将旋转运动转换成内圈输入活塞41和外圈输入活塞40的往复直线运动。经过流体转换机构11的转换后，通过推拉合金丝8驱动末端连续体机构3向不同的方向和位姿弯转，从而带动置入其中的使用者肢体运动，以达到康复治疗的效果。

本文中，流体可以为液压油、水，或空气等。

本发明的基于流体转换的外骨骼辅助康复治疗系统中，使用柔性件取代刚性件牵引使用者肢体运动进行康复治疗，与患者直接接触的运动牵引机构能够自适应于患者的不同肌骨结构，避免对患者关节的损伤，减少因为调节硬件而带来的驱动误差。

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 (7)

1.一种基于流体转换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包括：

末端连续体机构，所述末端连续体机构由基盘、间隔盘、合金丝和末端盘组成，所述合金丝的一端与所述末端盘固定，且所述合金丝能够在所述基盘和所述间隔盘中自由滑动；

驱动系统，所述驱动系统包括防失稳模块、流体转换机构和运动驱动机构，所述合金丝经由所述防失稳模块与所述流体转换机构连接；

支架，所述支架用于固定所述末端连续体机构；以及

引导管，所述引导管用于将所述合金丝的另一端从所述末端连续体机构引导到所述驱动系统；其中，

所述运动驱动机构驱动所述流体转换机构，进而驱动所述合金丝做推拉运动，从而使所述末端连续体机构弯转。

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，所述运动驱动机构包括内驱动盘、外驱动盘、底部固定板、内齿轮、外齿轮、驱动电机、联轴器、电机安装板和轴承，所述内驱动盘和所述外驱动盘均通过所述轴承与所述底部固定板连接，所述驱动电机安装在所述电机安装板上，通过所述联轴器驱动所述外齿轮运动，所述外齿轮通过啮合运动驱动固定在所述内驱动盘和所述外驱动盘上的所述内齿轮运动，从而实现对所述内驱动盘和所述外驱动盘的驱动。

3.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，所述内驱动盘和所述外驱动盘的上表面形状均根据所要实现的末端连续体机构运动设计，从而使得所述内驱动盘和所述外驱动盘在电机带动下进行的旋转运动能够通过所述流体转换机构转化成反复的直线运动。

4.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，所述内驱动盘和所述外驱动盘的上表面为斜面。

5.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，所述防失稳模块包括上端防失稳板，下端防失稳板和数量等同于所述合金丝数量的防失稳管模块，所述防失稳管模块的一端和所述上端防失稳板固定，另一端由所述下端防失稳板支撑。

6.如权利要求5所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述防失稳管模块由导管和嵌入所述导管中的撞块组成，所述合金丝的一端穿过所述撞块连接到所述末端盘。

7.如权利要求6所述的外骨骼辅助康复治疗系统，其特征在于，所述撞块中的孔能够让所述合金丝通过，但是无法让流体转换机构的外圈输出活塞及内圈输出活塞通过，而所述导管的孔径能够让流体转换机构的外圈输出活塞及内圈输出活塞通过。