CN107296718B - 气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其包括：上肢架体、肩关节机构及肘关节机构，而驱动上肢架体及各关节机构系利用处理单元、第一角度感测单元、第二角度感测单元、第一比例压力阀、压力感测单元及气压肌肉装置；本发明可独立作为上肢外骨骼助力辅具或组合为上肢外骨骼复健训练系统，可供肌肉无力者或正常人之上肢外骨骼助力辅具，扩展上肢运动与负荷能力，此外，亦可根据各感测单元之信息进行自主控制，帮助老人及肢体弱化者提高自主生活能力；亦可供偏瘫患者可于家中室内使用，透过上肢架体带动穿戴者之上肢运动，模拟日常生活中上肢运动规律，实现上、下臂各关节与神经功能恢复训练。
Description
技术领域
本发明提供一种气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，尤指一种供穿戴者之上、下臂分别穿戴于上臂机构及下臂机构，进而模拟日常生活中上肢运动规律，实现上、下臂及各关节与神经功能之恢复训练者。
背景技术
人体上肢运动功能系影响一般社会大众日常生活能力中最重要之运动肢体之一，亦系最易受到伤害之肢体部位。在科技进步与发展下，因交通事故造成上肢损伤人数也不断地增长。另外、老龄人群中有多数人存在不同程度之上肢功能退化或弱化，且随着生活水平提升，由心与脑血管疾病所引起之上肢偏瘫人数越来越多。脑中风是常见之疾病之一，是目前成年人发生肢体残障之最重要原因，故对于家庭与社会都造成沉重之负担，也带给患者极大精神与身体之折磨。
随者机器人技术的日益成熟，机器人在提供长期稳定的重复性与定量运动方面具有明显之优势，此外，机器人技术已深入日常生活中许多领域，复健训练系统系机器人技术在医疗领域的新应用，也系目前机器人研究的热点之一。相较于传统复健训练方式，显见以复健训练系统进行复健有一定之优越性，其可长时间不断工作，并可根据不同患者制定不同训练强度，不仅可减轻复健师的工作负担，也可透过定量运动刺激、检测和评价累积大量临床复健数据，帮助研究人员或复健师更进一步了解各种训练数据与复健效果之关联性，为患者提供更科学之复健训练模式。
现有上肢外骨骼助力与复健训练系统，其系统能提供的训练动作较为简易，一般受限于水平面之直线运动或曲线运动，无法提供大范围之空间运动，因此，在复健初期无法给予患者更多正确之运动感觉刺激；此外，一般机械手与患者肢体系以一点相连进行运动，无法提供足够强度与灵活性的支撑，且柔顺性与安全性较差，容易使患者肢体在训练过程受到外力损伤；同时因马达驱动系统之结构复杂，于增加外骨骼系统自由度时机构将不易实现轻量化；再者，驱动方式主要以马达完成，但其存在机构复杂、刚性大且缺乏柔顺性等缺点。且训练种类少，复健训练最基本要求系使患者恢复简单之日常生活能力，而这一些动作与日常功能性动作差异较大，对患者恢复日常生活能力帮助不大，因此这类助力辅具与复健训练系统难以取得良好的复健效果。
有鉴于此，吾等发明人乃潜心进一步研究上肢复健装置，并着手进行研发及改良，期以一较佳设作以解决上述问题，且在经过不断试验及修改后而有本发明之问世。
发明内容
本发明之目的系为解决现有上肢外骨骼助力与复健训练系统，其提供之训练动作较为简易，且受限于水平面之直线运动或曲线运动，无法提供大范围之空间运动，因此，在复健初期无法给予患者更多正确之运动感觉刺激，此外，一般机械手与患者肢体系以一点相连进行运动，无法提供足够强度与灵活性的支撑，且具有较差之柔顺性与安全性，易使患者肢体在训练过程受到外力损伤之缺失。
为达到以上目的，吾等发明人提供一种气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其包含：一本体，其设有一上肢架体，该上肢架体设有一肩关节机构，该肩关节机构系耦接一第一角度感测单元，该肩关节机构设有一上臂机构，该上臂机构相对该肩关节机构一侧设有一肘关节机构，该肘关节机构系耦接一第二角度感测单元，该肘关节机构相对该上臂机构一侧设有一下臂机构，该下臂机构相对该肘关节机构一侧设有一压力感测单元，又该上肢架体对应该肩关节机构之间设有一气压肌肉装置，该气压肌肉装置系耦接一处理单元及一第一比例压力阀，该处理单元系耦接该第一角度感测单元、该第二角度感测单元及该第一比例压力阀，且所述肩关节机构系利用一传动装置连接该气压肌肉装置。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该上臂机构更设有一压力量测单元，该压力量测单元系耦接该处理单元。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该处理单元更设有一设定值，当施力大于该设定值时，该处理单元即令该气压肌肉装置施力。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该本体相对该气压肌肉装置更设有一固定装置。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该上肢架体之内侧更设有一调整装置。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该本体相对该肩关节机构一侧更包含一腕关节机构，该腕关节机构系耦接一第三角度感测单元，且该第三角度感测单元系耦接该处理单元者。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该本体之底端更设有一底座，该底座包含一气压驱动装置，且该气压驱动装置耦接一第二比例压力阀，又该第二比例压力阀系耦接该处理单元者。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该本体之外部更包覆一壳体。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该上肢架体系以铝合金制成者。
据上所述之气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其中，该传动装置系钢丝者。
是由上述说明及设置，显见本发明主要具有下列数项优点及功效，兹逐一详述如下：
1.本发明利用气压肌肉装置具柔顺性、成本低之特性，且可独立作为上肢外骨骼助力辅具或组合为上肢外骨骼复健训练系统，可供肌肉无力者或正常人之上肢外骨骼助力辅具，扩展上肢运动与负荷能力，此外，亦可根据第一角度感测单元、第二角度感测单元、第三角度感测单元、压力量测单元及压力感测单元之信息进行自主控制，帮助老人及肢体弱化者提高自主生活能力；亦可供偏瘫患者可于家中室内使用，透过上肢架体带动穿戴者之上肢运动，模拟日常生活中上肢运动规律，实现上、下臂各关节与神经功能恢复训练。
2.本发明可适用于穿戴者之不同身高、不同患侧、不同损伤程度，且上臂机构、下臂机构与位姿可调之上肢架体包括：肩之外展-内收与屈-伸、肘之屈-伸以及腕之屈-伸与内外旋，故供穿戴者训练日常生活之动作，藉此供穿戴者实现左、右臂穿戴进行被动训练之需求，或可由健侧带动进行患侧之自主复健训练，藉此实现患者上肢复健训练之目的者。
附图说明
图1系本发明之立体示意图。
图2系本发明另一角度之立体示意图。
图3系本发明外部包覆壳体之立体示意图。
图4系本发明之架构示意图。
图5系本发明装设于底座之立体示意图。
1、本体，11、上肢架体，12、肩关节机构，121、第一角度感测单元，13、上臂机构，14、肘关节机构，141、第二角度感测单元，15、下臂机构，151、压力感测单元，16、固定装置，17、调整装置，18、壳体，19、腕关节机构，2、气压肌肉装置，21、处理单元，22、第一比例压力阀，23、传动装置，3、底座，31、气压驱动装置。
具体实施方式
关于吾等发明人之技术手段，兹举数种较佳实施例配合图式于下文进行详细说明，以供深入了解并认同本发明。
请参阅图1至图4所示，本发明系一种气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能之外骨骼装置，其包含：
一本体1，其设有一上肢架体11，在一实施例中，该上肢架体11之材质系铝合金，以减轻本发明之重量；该上肢架体11设有一肩关节机构12，该肩关节机构12系耦接一第一角度感测单元121，该肩关节机构12设有一上臂机构13，在一实施例中，该上臂机构13更设有一压力量测单元（图未绘示），在一实施例中，该压力量测单元系薄膜压力量测单元；在另一实施例中，该上肢架体11与上臂机构13可依穿戴者之肩宽与上臂进行调整长度；该上臂机构13相对该肩关节机构12一侧设有一肘关节机构14，该肘关节机构14系耦接一第二角度感测单元141，该肘关节机构14相对该上臂机构13一侧设有一下臂机构15，该下臂机构15相对该肘关节机构14一侧设有一压力感测单元151；
又该上肢架体11对应该肩关节机构12之间设有一气压肌肉装置2，该气压肌肉装置2系耦接一处理单元21及一第一比例压力阀22，该处理单元21系耦接该第一角度感测单元121、该第二角度感测单元141、该压力量测单元及该第一比例压力阀22，又该处理单元21更设有一设定值F，当穿戴者施力大于该设定值F时，该处理单元21即令该气压肌肉装置2运作；且所述肩关节机构12系利用一传动装置23连接该气压肌肉装置2，在一实施例中，该传动装置23系钢丝，且该传动装置23一端固定于对应之该肩关节机构12，另一端经一吊环（图未绘示）与对应之该气压肌肉装置2相互连接；
该本体1相对该气压肌肉装置2一侧更设有一固定装置16，其系利于穿戴者穿戴且稳固于背部；
该上肢架体11之内侧更设有一调整装置17，以供穿戴者将上、下臂分别稳固于该上臂机构13及下臂机构15；以及
该本体1之外部更包覆一壳体18，藉此将该上肢架体11、该气压肌肉装置2及该传动装置23收纳于该壳体18内者。
藉之，由于搬举重物之过程中，上肢主要系肩与肘关节受到力矩作用，因此本发明主要针对肩与肘关节屈-伸之二自由度，另二自由度（例如：肩关节之内收外展、内外旋）则由穿戴者运动驱动。本发明系以提高穿戴者上肢之机能为目的，故采用薄膜压力量测单元来回授上、下臂与上肢架体11间之压力。在抬起重物时，上肢架体11可自主协同穿戴者动作提供助力辅助，使穿戴者抬起重物感到不费力。
因此，当穿戴者穿戴本发明时，于不影响上肢正常运动之前提下，在不需气压肌肉装置2助力时，上肢架体11主要运动自由度的范围需与穿戴者上、下臂匹配。意即当作用力小于设定值F，则判定穿戴者准备放下重物，气压肌肉装置2维持保压状态，亦即不充气也不放气之状态。
而当需气压肌肉装置2助力时，其运作方式系利用处理单元21不断地侦测穿戴者上臂与上臂机构13间之作用力，当抬起重物时，依据作用力之变化，处理单元21即驱动气压肌肉装置2充气收缩输出一反向力矩，并藉由传动装置23将拉力传递到肩关节机构12，进而产生辅助力矩，保持人机间之作用力在一预设范围内，实现穿戴者施加相对较小之作用力，藉此减轻穿戴者利用上肢搬举重物之负担，进而实现抬起较重物之助力效果；其中，系统运动轨迹由穿戴者控制，上肢架体11输出助力之大小则由处理单元21决定。
此外，本发明系采用一肩关节机构12及一肘关节机构14分别藉由一气压肌肉装置2进行驱动，每一气压肌肉装置2透过第一比例压力阀22控制压力输出。故相较于对拉式关节驱动，单根气压肌肉驱动减少肌肉与第一比例压力阀22之数量。再者，由于关节角度之回复需靠上肢带动，因此本发明之上肢架体11系供穿戴者抬起重物之过程中提供助力，成本相对较低，且控制相对简单。助力传递系采用钢丝牵引，将气压肌肉装置2安装于上肢架体11相对固定装置16之一侧，藉使上臂机构13更加轻巧。因此，本发明根据上臂机构13及下臂机构15实际助力的动作范围、极限位置之舒适性、安全性与运动的稳定性，依据助力与否将活动范围与速度进行搜集数据。
再者，上肢架体11主要系由肩关节机构12、肘关节机构14、上臂机构13及下臂机构15组成，在一实施例中，本发明系采D-H坐标转换法对上肢架体11之末端空间位姿进行分析，藉此得出位姿方程。而由于本发明系针对肩与肘关节屈伸之二自由度进行助力，另二自由度仅跟随使用者运动。因此在一实施例中，本发明采用Lagrange法，其系透过系统动能与位能所构成之Lagrange函数，建立与输入输出之广义力方程。而本发明为求人机之协调性、稳定性与安全性，以及对末端轨迹偏离具有一定之柔顺性，对于肩关节机构12、肘关节机构14之角度，在一定负载下需能平稳柔顺地到达指定位置与姿态。亦即，当穿戴者搬运重物感觉费力时，处理单元21即令上肢架体11增加辅助力，使穿戴者在搬运重物之施力过程中较为轻松与舒适。
续请参阅图5所示，本发明在另一实施例中，该本体1之底端更设有一底座3，该底座3包含一气压驱动装置31，且该气压驱动装置31耦接一第二比例压力阀（图未绘示），又该第二比例压力阀系耦接该处理单元21者，在一实施例中，该底座3系可调整高度；且该本体1相对该肩关节机构12一侧更设有一腕关节机构19，该腕关节机构19系耦接一第三角度感测单元（图未绘示），且该第三角度感测单元系耦接该处理单元21；藉此适用于穿戴者之不同身高、不同患侧、不同损伤程度，且上臂机构13、下臂机构15与位姿可调之上肢架体11包括肩之外展-内收与屈-伸、肘之屈-伸以及腕之屈-伸与内外旋，故供穿戴者训练日常生活之动作，藉此供穿戴者实现左、右臂穿戴进行被动训练之需求，或可由健侧带动进行患侧之自主复健训练，藉此实现患者上肢复健训练之目的者。
综上所述，本发明所揭露之技术手段确能有效解决习知等问题，并达致预期之目的与功效，且申请前未见诸于刊物、未曾公开使用且具长远进步性，诚属专利法所称之发明无误。
惟以上所述者，仅为本发明之数种较佳实施例，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作之等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖之范围内。
Claims (7)
1.一种气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能的外骨骼装置，其包含：一本体，其设有一上肢架体，上肢架体设有一肩关节机构，该肩关节机构耦接一第一角度感测单元，该肩关节机构设有一上臂机构，该上臂机构设有一压力量测单元，该上臂机构相对肩关节机构一侧设有一肘关节机构，该肘关节机构耦接一第二角度感测单元，该肘关节机构相对上臂机构一侧设有一下臂机构，该下臂机构相对肘关节机构一侧设有一压力感测单元，该上肢架体对应肩关节机构之间设有一气压肌肉装置，该气压肌肉装置耦接一处理单元及一第一比例压力阀，该处理单元耦接第一角度感测单元、第二角度感测单元、压力量测单元、压力感测单元及第一比例压力阀，且所述肩关节机构利用一传动装置连接气压肌肉装置；以及该处理单元设有一设定值，该压力感测单元侦测一作用力，而后利用压力量测单元量测作用力的数值并传给处理单元进行解析，若作用力的数值大于设定值时，该处理单元即令气压肌肉装置运作；而若作用力的数值小于设定值时，则该气压肌肉装置呈保压状态；所述本体的底端还设有一底座，该底座包含一气压驱动装置，且该气压驱动装置耦接一第二比例压力阀，又该第二比例压力阀耦接于处理单元。
2.如权利要求1所述的气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能的外骨骼装置，其特征在于，所述本体相对气压肌肉装置还设有一固定装置。
3.如权利要求1项所述的气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能的外骨骼装置，其特征在于，所述上肢架体的内侧还设有一调整装置。
4.如权利要求1项所述的气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能的外骨骼装置，其特征在于，所述本体相对该肩关节机构一侧还包含一腕关节机构，该腕关节机构耦接一第三角度感测单元，且该第三角度感测单元耦接于处理单元。
5.如权利要求1所述的气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能的外骨骼装置，其特征在于，所述本体的外部还包覆一壳体。
6.如权利要求1所述的气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能的外骨骼装置，其特征在于，所述上肢架体以铝合金制成。
7.如权利要求1所述的气压肌肉驱动兼具上肢助力与复健训练功能的外骨骼装置，其特征在于，所述传动装置为钢丝。
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