CN104287942A

CN104287942A - 可穿戴式肘关节康复机器人装置

Info

Publication number: CN104287942A
Application number: CN201410526924.5A
Authority: CN
Inventors: 曹武警; 喻洪流; 邹旭辉; 马达; 胡杰; 胡鑫; 孟巧玲
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2015-01-21

Abstract

本发明涉及一种可穿戴式肘关节康复机器人装置，上臂托架与下臂托架之间活动铰接，使下臂托架绕铰接中心转动，上臂托架与下臂托架活动铰接点一内侧通过定距横杠连接驱动电机及锂电池，外侧通过铰接轴连接用于带动下臂托架绕铰接点转动的从动链轮，驱动电机输出轴装有主动链轮，主动链轮通过链条连接从动链轮，用于驱动下臂托架绕铰接中心成圆周运动，驱动电机位于上臂托架和下臂托架的外侧，用于增大肘关节运动范围，并平衡患者上、下臂的重量。本发明结构简单、体积轻便、方便携带，只需给锂电池充电，即可随时随地训练，不受场地限制；多种控制方式和训练模式。即可被动训练，亦可肌电控制主动训练，只需点手机触摸屏或者语音控制就可轻松训练肌力。

Description

可穿戴式肘关节康复机器人装置

技术领域

本发明涉及一种肘关节可穿戴康复机器人，尤其是一种能实现被动训练和肌电控制主动训练的可穿戴式肘关节康复机器人装置。

背景技术

脑卒中又称为中风，是指急性起病、迅速出现局限性或全面性脑功能缺损征象的脑血管临床事件，是一组由于不同原因引起的急性脑血管疾病的总称，好发于中老年人。目前，随着我国医疗水平上升，通过手术、药物治疗能是患者存活率达到80%。但是，经过手术等治疗后，存活的患者致残率高达75%，常见后遗症有偏瘫、偏盲、偏身感觉障碍、失语、智能低下等等。

故此，针对偏瘫、肌力不全的患者，需要采用康复治疗手法进行恢复训练，增加其康复几率。临床上最常用为运动物理治疗法，分为：被动运动和从动运动。无论哪种运动，目前几乎都由医师通常以徒手方式或借助机械器具对患肢进行一对一的连续被动训练, 反复进行作业治疗。直至患者患肢运动直到其能够复现正常的动作。在训练过程中, 治疗医师的治疗手法、力度把控、体力及心情等因素起到了主导作用, 因而, 传统的临床运动康复治疗具有康复效率低下, 医师劳动强度大, 患者参与意识低、训练效果及评价结果容易受到医师主观意识影响等局限，无故给患者带来了许多痛苦。

康复机器人是近年出现的一种新型机器人, 它屈于特种机器人范畴，康复机器人分为康复训练机器人和助残型康复机器人。本装置属于康复训练机器人。上肢康复训练机器人，是通过带动患者肢体的运动，对残肢进行运动技能的康复训练。

日常生活中，肘部关节运动最为频繁，并且肘关节为上臂与下臂运动“连结的纽带”。对肘关节进行康复运动能够对患者的肱二头肌、肱三头肌进行良好的恢复作用，对脑卒中引起的偏瘫、肌力不全患者提升提倡生活质量和自理生活能力有较大的帮助。

中国专利公开号CN102764188A，公开了一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人，主要包括穿戴式外骨骼机构、非线性驱动机构。穿戴式外骨骼机构有一个自由度，用以模拟肘关节的运动，其结构主要包括大臂、小臂、驱动轮和支撑架；非线性驱动机构包括电机丝杆和连杆-弹簧非线性机构；连杆-弹簧非线性机构由Robert直线机构和线性弹簧组成，其输出力与钢丝绳长度变化为二次非线性关系。康复机器人采用两个非线性驱动系统驱动，该结构与人体关节相似。由于驱动系统的柔顺性，患者在康复训练过程中具有较高的安全性。由于连杆-弹簧非线性机构输出力与钢丝绳长度变化为二次多项式，可以将关节刚度和关节角度分开控制，使整个系统在保持柔性的同时不会影响对关节位置的控制精度。但该机器人结构复杂、体积大、携带不方便。

中国专利公开号CN103027826A，公开了一种肘关节运动促动康复器，包括机架、传动轴、转动臂、销、固定销、驱动销、从动杆、圆弧板，传动轴与转动臂一起活动连接在固定销上，转动臂上连接有驱动销，驱动销的另一端活动连接在从动杆左侧的半圆形槽圆弧板上，从动杆通过销一起铰接在机架上。本发明属于机械领域，主要用于偏瘫病人肘关节运动促动康复训练。本技术方案的特点是：可将连续旋转运动转换为连续摆动达到肘关节康复训练要求。但该康复器无法实现被动训练和肌电控制主动训练。

发明内容

本发明是要提供一种可穿戴式肘关节康复机器人装置，该装置可实现被动训练、主动训练以及对侧训练方式，具有体积轻便、方便携带、可随时随地训练，不受场地限制等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可穿戴式肘关节康复机器人装置，包括上臂托架、下臂托架、上臂托架与下臂托架之间活动铰接，使下臂托架绕铰接中心转动，上臂托架与下臂托架活动铰接点一内侧通过定距横杠连接驱动电机及锂电池，外侧通过铰接轴连接用于带动下臂托架绕铰接点转动的从动链轮，驱动电机输出轴装有主动链轮，主动链轮通过链条连接从动链轮，用于驱动下臂托架绕铰接中心成圆周运动，驱动电机位于上臂托架和下臂托架的外侧，用于增大肘关节运动范围，并平衡患者上、下臂的重量。

上臂托架通过上臂枝条可调连接上臂塑料板，上臂塑料板可沿上臂托架上、下调节，用于高矮胖瘦不同患者；下臂托架通过下臂枝条连接下臂塑料板。

上臂塑料板和下臂塑料板上面分别通过铆钉铆接有绑带；上臂塑料板和下臂塑料板内粘接有一层泡沫海绵，使患者手臂放在海绵上能贴合人体手臂；上臂塑料板和下臂塑料板侧面装有绑带，用于绑住患者手臂。

上臂托架后面装有PCB控制板，PCB控制板连接驱动电机，用于控制驱动电机正传或反转，驱动电机为步进电机；PCB控制板上设有语音控制或者触屏选择功能模块，患者通过语音控制或者触屏选择实现被动训练、主动训练以及对侧训练方式。

本发明的有益效果是：

1. 本装置结构简单、体积轻便，仅仅1kg。

2. 方便携带，只需给锂电池充电，即可随时随地训练，不受场地限制。

3. 多种控制方式和训练模式。即可被动训练，亦可肌电控制主动训练，只需点手机触摸屏或者语音控制就可轻松训练肌力。

附图说明

图1是本发明的结构立体示意图；

图2是本发明的结构左视图；

图3是本发明的结构主视图；

图4本发明的等轴侧视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，一种可穿戴式肘关节康复机器人装置，包括上臂枝条101、电机架102、上臂托架103、驱动电机104及锂电池、定距横杠105、主动链轮106、紧固螺丝107、下臂托架108、塑料外壳109、铰接轴110、从动链轮111、下臂枝条112、下臂塑料板113、下臂全棉绑带114、轴115、防松螺帽116、上臂全棉绑带117、上臂塑料板118、上臂螺栓119、PCB控制板120。

上臂托架103、下臂托架108、上臂托架103与下臂托架108之间活动铰接，使下臂托架108绕铰接中心转动，上臂托架103与下臂托架108活动铰接点一内侧通过定距横杠105连接驱动电机104及锂电池，外侧通过铰接轴110连接用于带动下臂托架108绕铰接点转动的从动链轮111，驱动电机104输出轴装有主动链轮106，主动链轮106通过链条连接从动链轮111，用于驱动下臂托架108绕铰接中心成圆周运动，驱动电机104位于上臂托架103和下臂托架108的外侧，用于增大肘关节运动范围，并平衡患者上、下臂的重量。

上臂托架103通过上臂枝条101可调连接上臂塑料板118，上臂塑料板118可沿上臂托架103上、下调节，用于高矮胖瘦不同患者；下臂托架108通过下臂枝条112连接下臂塑料板113。

上臂塑料板118和下臂塑料板113上面分别通过铆钉铆接有上臂全棉绑带117和下臂全棉绑带114；上臂塑料板118和下臂塑料板113内粘接有一层泡沫海绵，使患者手臂放在海绵上能贴合人体手臂；上臂塑料板118和下臂塑料板113侧面装有绑带，用于绑住患者手臂。

上臂托架103后面装有PCB控制板120，PCB控制板120连接驱动电机104，用于控制驱动电机正传或反转，驱动电机104为步进电机；PCB控制板120上设有语音控制或者触屏选择功能模块，患者通过语音控制或者触屏选择实现被动训练、主动训练以及对侧训练三种方式。

电机架102有四个安装孔与驱动电机104以及定距横杠105有四个螺栓固定在一起，驱动电机104输出轴与主动链轮106由紧固螺栓107固定。主动链轮106采用齿数为10的小链轮，从动链轮111采用齿数为20的大链轮。

上臂托架103上钻有四个孔与电机架102通过螺栓固定，上臂托架103与上臂枝条101通过2个孔由上臂螺栓119固定，上臂托架103与PCB控制板120通过2个孔由螺栓固定。上臂托架103钻有3个孔与109塑料外壳由螺栓连接。上臂枝条101上钻有2个孔与上臂塑料板118由螺栓连接。上臂塑料板118钻孔与全棉绑带114通过铆钉铆在一起。上臂托架103和下臂托架108采用圆弧造型，重量轻。

下臂托架108上钻有3个孔与从动链轮111由螺栓连接，下臂托架108与下臂枝条112通过二个孔由螺栓固定，下臂托架108与上臂托架103在从动链轮111一侧各自钻有配合孔，孔中有铰接轴110，铰接轴110与从动链轮111有紧固螺栓配合，铰接轴110与定距横杠105由螺帽固定。下臂托架108与上臂托架103另一侧各自钻有配合孔，孔中有轴115，两侧由防松螺帽116固定。下臂托架108与下臂枝条112通过二个孔由螺栓连接，下臂枝条112钻有三个孔与下臂塑料板113由螺栓相连。下臂塑料板113钻孔与下臂全棉绑带114通过铆钉铆在一起。

旋转螺丝可调节塑料板的高度用于调整高矮胖瘦不同患者需求。在塑料托架上用胶水粘上一层泡沫海绵。泡沫海绵密度适中，患者手臂放在海绵上能贴合人体手臂，使患者更为舒适。最后，在上臂塑料板118和下臂塑料板113二侧装上全面绑带，用于绑住患者手臂，用于把本装置固定与患者手臂，不易滑落。

本装置设置有三种训练方式，分别是被动训练、主动训练以及对侧训练。患者只需在智能手机上安装相应的软件，即可在手机上进行操作。当患者开始训练后，可通过语音控制或者触屏选择，由单片机给电机指令，电机即可正传或反转。当电机旋转后，驱动固定在电机输出轴上的小链轮作为主动轮，经有链传动，通过一定的传动比进行降速，最后通过螺栓连接，将大链轮与下臂托架连接，使得大链轮与下臂托架成为一个机构，从而由驱动电机成为驱动手臂屈伸。此外，本装置采用链条后置的设计方式，肘关节旋转中心成圆周运动，而将动力源后置，加大了旋转中心的空间，使得人体手肘放入本装置后，肘关节能够有大范围的运动，不会造成运动范围不够；其次，将本装置重心后移，由于带上本装置后，重量在前臂，会使重心前移。而后置动力源，平衡受力关系，使患者佩戴后，不会感觉“头重脚轻”。

本装置主要针对的人群是偏瘫患者，尤其以脑卒中患者并发的偏瘫后遗症人群为主。由于偏瘫患者手部无力，无法完成屈肘动作。本装置通过捕捉高质量电信号，对电机进行控制转速，通过行星减速箱进行减速，增大扭矩，再通过链传动进行三级减速，使得最后输出的扭矩大，转速适合屈肘训练的速度。并伴有上下手臂的肘托，用于固定手肘的位置，使得手肘的转动中心放入合适的位置内，增大手肘屈伸的角度。本装置拥有三种训练模式：被动训练，主动助力训练以及对侧训练。患者穿戴本装置后，可根据自身情况进行不同训练。肌力0级和1级患者建议采用被动训练。患者或其家人只需拥有一台智能手机并安装对应康复机器人控制软件，打开手机蓝牙后，就可通过手机触屏或通过语音对康复装置进行操作，进行伸肘和屈肘运动，从而达到康复肌肉力量目的。

Claims

1.一种可穿戴式肘关节康复机器人装置，包括上臂托架(103)、下臂托架(108)、上臂托架(103)与下臂托架(108)之间活动铰接，使下臂托架(108)绕铰接中心转动，其特征在于：所述上臂托架(103)与下臂托架(108)活动铰接点一内侧通过定距横杠(105)连接驱动电机(104)及锂电池，外侧通过铰接轴(110)连接用于带动下臂托架(108)绕铰接点转动的从动链轮(111)，驱动电机(104)输出轴装有主动链轮(106)，主动链轮(106)通过链条连接从动链轮(111)，用于驱动下臂托架(108)绕铰接中心成圆周运动，驱动电机(104)位于上臂托架(103)和下臂托架(108)的外侧，用于增大肘关节运动范围，并平衡患者上、下臂的重量。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式肘关节康复机器人装置，其特征在于：所述上臂托架(103)通过上臂枝条(101)可调连接上臂塑料板(118)，上臂塑料板(118)可沿上臂托架(103)上、下调节，用于高矮胖瘦不同患者；下臂托架(108)通过下臂枝条(112)连接下臂塑料板(113)。

3.根据权利要求1所述的可穿戴式肘关节康复机器人装置，其特征在于：所述上臂托架(103)后面装有PCB控制板(120)，PCB控制板(120)连接驱动电机(104)，用于控制驱动电机正传或反转，驱动电机(104)为步进电机；PCB控制板(120)上设有语音控制或者触屏选择功能模块，患者通过语音控制或者触屏选择实现被动训练、主动训练以及对侧训练方式。

4.根据权利要求2所述的可穿戴式肘关节康复机器人装置，其特征在于：所述上臂塑料板(118)和下臂塑料板(113)上面分别通过铆钉铆接有绑带；上臂塑料板(118)和下臂塑料板(113)内粘接有一层泡沫海绵，使患者手臂放在海绵上能贴合人体手臂；上臂塑料板(118)和下臂塑料板(113)侧面装有绑带，用于绑住患者手臂。