CN107374907A - 穿戴式上肢外骨骼康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种穿戴式上肢外骨骼康复装置，包括：固定背板，作为基座；驱动模块，通过鲍登线将扭力传递至各个关节绞盘；肘关节外骨骼模块，用于上臂与外骨骼的耦合康复运动、肘部的康复训练、前臂与外骨骼的耦合康复运动；关节机械硬限位装置，对前臂连杆与上臂连杆进行机械硬限位保护；三向可调适应模块，通过调节肩内收外展关节绞盘的位置以适应不同体型的患者；肩关节模块，实现肩部内收外展自由度的康复训练、肩部前屈后伸自由度的康复训练。本发明利用穿戴式的结构来实现患者进行康复训练时的活动自。

Description

穿戴式上肢外骨骼康复装置

技术领域

本发明涉及一种外骨骼，特别是涉及一种穿戴式上肢外骨骼康复装置。

背景技术

很多疾病或者外伤会导致上肢运动功能受损甚至丧失，而上肢拥有很多自由度，可以实现日常生活中的许多精细动作，与我们的日常生活密切相关，所以上肢运动功能障碍会给患者的日常生活质量带来严重影响。例如脑卒中患者最常见的后遗症就是偏瘫，其中最难康复的就是上肢的运动功能。医学理论和实践证明，肢体损伤的患者为了防止肌肉废用性萎缩，必须要进行有效的肢体训练才能恢复其功能。上肢外骨骼康复机器人能够减轻康复治疗师的负担且能够促进患者参与康复训练的主动性和积极性，从而提高上肢运动功能的康复效果，具有重要的意义。专利公开号为CN101357097、专利名称为五自由度外骨骼上肢康复机器人、申请日为2008年7月8日的中国发明专利装置能够辅助上肢运动功能受损或者丧失的患者进行康复训练，但该装置由于外骨骼固定在支架上，康复过程中会严重限制患者的自由活动，患者长时间维持相同的姿势十分容易产生疲劳感，将电机直接安装在外骨骼关节处，增加了外骨骼的系统惯量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种穿戴式上肢外骨骼康复装置，其

根据本发明的一个方面，提供一种穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，包括：

固定背板，作为基座，可以将整个外骨骼系统固定到患者肢体上；

驱动模块，通过鲍登线将扭力传递至各个关节绞盘；

肘关节外骨骼模块，用于上臂与外骨骼的耦合康复运动、肘部的康复训练、前臂与外骨骼的耦合康复运动；

关节机械硬限位装置，对前臂连杆与上臂连杆进行机械硬限位保护；

三向可调适应模块，通过调节肩内收外展关节绞盘的位置以适应不同体型的患者；

肩关节模块，实现肩部内收外展自由度的康复训练、肩部前屈后伸自由度的康复训练。

优选地，所述驱动模块包括有刷直流电机、涡轮蜗杆减速器、绞盘下盖板、钢丝绳压板、驱动绞盘、绞盘上盖板、钢丝绳张紧滑块、钢丝绳张紧螺钉、鲍登线，有刷直流电机与涡轮蜗杆减速器连接，有刷直流电机、涡轮蜗杆减速器都位于绞盘下盖板的底端上，涡轮蜗杆减速器与驱动绞盘连接，钢丝绳压板安装在驱动绞盘的侧面，驱动绞盘位于绞盘下盖板和绞盘上盖板之间，钢丝绳张紧滑块与钢丝绳张紧螺钉、鲍登线的一端连接，钢丝绳张紧滑块与绞盘上盖板、绞盘下盖板滑动连接。

优选地，所述肘关节外骨骼模块包括可调绑带、上臂连杆、钢丝绳压板、前臂连杆、肘关节绞盘、角位移传感器支架、角位移传感器、鞘支架；鲍登线外面的一个鞘固定于鞘支架上，鞘支架与上臂连杆固定，可调绑带与上臂连杆固定，钢丝绳压板位于肘关节绞盘的侧面，肘关节绞盘的两端分别与上臂连杆、前臂连杆连接，角位移传感器通过角位移传感器支架固定在肘关节绞盘的顶端。

优选地，所述关节机械硬限位装置包括限位柱、轴承与弧形限位槽，限位柱在弧形限位槽内且与与上臂连杆固定，轴承位于弧形限位槽的侧面，上臂连杆与前臂连杆通过轴承连接，上臂连杆的回转轴线与患者肘关节轴线基本保持同轴。

优选地，所述三向可调适应模块包括垂直调节连杆、调节滑槽、横向调节连杆、纵向调节连杆，垂直调节连杆的一端、横向调节连杆的一端都与调节滑槽连接，纵向调节连杆的一端与纵向调节连杆的一端连接，纵向调节连杆的另一端与肩内收外展关节绞盘连接。

优选地，所述肩关节模块包括肩内收外展关节绞盘、关节连杆、肩前屈后伸关节绞盘，肩内收外展关节绞盘与肩前屈后伸关节绞盘之间通过关节连杆连接。

优选地，所述肘关节外骨骼模块、关节机械硬限位装置、三向可调适应模块以及肩关节模块构成了一个穿戴式上肢外骨骼康复装置本体结构。

优选地，所述肩内收外展关节绞盘通过旋转运动实现肩部内收外展自由度的康复训练；关节连杆用于连接肩内收外展关节绞盘与肩前屈后伸关节绞盘；肩前屈后伸关节绞盘通过旋转运动实现肩部前屈后伸自由度的康复训练。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明利用穿戴式的结构来实现患者进行康复训练时的活动自由；利用鲍登线系统使驱动模块和外骨骼得以分离，从而使外骨骼附着在人肢体上的部分尽可能轻；实现了上肢多关节的协同康复。本发明与末端牵引式康复机器人相比具有可以精确控制每个关节的优点，与支架外骨骼式康复机器人相比具有不会限制患者自由活动的优点。鲍登线是让驱动模块和上肢外骨骼本体结构得以分离，从而能够使外骨骼附着在患者肢体上的部分尽可能轻，从而降低长时间康复训练过程中产生的疲劳感。本发明使用了模块化设计理念，肩关节外骨骼与肘关节外骨骼很容易实现组合，从而实现对上肢的多关节协同康复训练。本发明能够实现多关节协同康复的目标，提高了康复训练的效果。驱动模块具有自锁的功能，能够保证电机停止时穿戴式上肢外骨骼的动作保持不变。驱动模块具有张紧的功能，能够保证钢丝绳和绞盘始终保持一定的张力并且不会出轨，这样系统才能够连续可靠地运行。本发明利用被动与主从两种康复模式来服务于上肢运动功能损伤患者的自主康复训练。本发明利用一个有刷直流电机的正反转来控制单个关节朝两个方向的运动，能够减少电机的数量，减小整个系统的体积和重量。本发明避免了机械结构之间、机械结构与人体之间可能产生的干涉。主从康复模式下，要求将数据肘套穿戴在健侧肘部以采集肘关节的运动信息，将数据肩套穿戴在健侧上臂以采集肩部内收外展以及肩部前屈后伸两个方向的运动信息，作为主动端，将健侧肘部与肩部的运动信息无线传输给处理器，分析后输出相应的控制量给驱动模块，驱动模块中的电机再通过鲍登线系统将驱动力远距离传递至穿戴式上肢外骨骼的关节，辅助患肢做出与健侧上肢检测到的姿态相同的动作，从而完成自主康复训练。而被动康复模式下，该穿戴式上肢外骨骼系统则会按照预先设定好的轨迹辅助患肢运动，进而自主地执行康复训练任务。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明穿戴式上肢外骨骼康复装置的结构示意图。

图2为驱动模块的结构示意图。

图3为肘关节外骨骼模块的结构示意图。

图4为关节机械硬限位装置的结构示意图。

图5为三向可调适应模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图5所示，本发明穿戴式上肢外骨骼康复装置包括：

固定背板，作为基座，可以将整个外骨骼系统固定到患者肢体上

驱动模块，通过鲍登线将扭力传递至各个关节绞盘；

肘关节外骨骼模块，用于上臂与外骨骼的耦合康复运动、肘部的康复训练、前臂与外骨骼的耦合康复运动；

关节机械硬限位装置，对前臂连杆与上臂连杆进行机械硬限位保护；

三向可调适应模块，通过调节肩内收外展关节绞盘的位置以适应不同体型的患者；

肩关节模块，实现肩部内收外展自由度的康复训练、肩部前屈后伸自由度的康复训练。

驱动模块包括有刷直流电机9、涡轮蜗杆减速器10、绞盘下盖板11、钢丝绳压板12、驱动绞盘13、绞盘上盖板14、钢丝绳张紧滑块15、钢丝绳张紧螺钉16、鲍登线17，有刷直流电机9与涡轮蜗杆减速器10连接，有刷直流电机9、涡轮蜗杆减速器10都位于绞盘下盖板11的底端上，涡轮蜗杆减速器10与驱动绞盘13连接，钢丝绳压板12安装在驱动绞盘13的侧面，驱动绞盘13位于绞盘下盖板11和绞盘上盖板14之间，钢丝绳张紧滑块15与钢丝绳张紧螺钉16、鲍登线17的一端连接，钢丝绳张紧滑块15与绞盘上盖板14、绞盘下盖板11滑动连接；有刷直流电机将电能转化为机械能，为整个穿戴式上肢外骨骼装置提供动力；涡轮蜗杆减速器实现减速与自锁的功能；钢丝绳压板将钢丝绳端点固定到绞盘上；驱动绞盘与有刷直流电机连接，用于拽拉钢丝绳；钢丝绳张紧滑块，钢丝绳张紧螺钉以及绞盘上盖板和绞盘下盖板形成的滑槽共同组成钢丝绳张紧装置；鲍登线类似自行车闸，属于一种动力传递装置。

驱动模块由有刷直流电机提供驱动力，通过蜗轮蜗杆减速器实现自锁。

肘关节外骨骼模块包括可调绑带18、上臂连杆19、钢丝绳压板20、前臂连杆21、肘关节绞盘22、角位移传感器支架23、角位移传感器24、鞘支架25；鲍登线外面的一个鞘固定于鞘支架上，鞘支架25与上臂连杆19固定，可调绑带18与上臂连杆19固定，钢丝绳压板20位于肘关节绞盘22的侧面，肘关节绞盘22的两端分别与上臂连杆19、前臂连杆21连接，角位移传感器24通过角位移传感器支架23固定在肘关节绞盘22的顶端；可调绑带是将外骨骼与人肢体固定在一起的装置，其位置可以调节以适应不同体型的康复训练受试者；钢丝绳压板将钢丝绳端点固定到绞盘上；角位移传感器支架是将角位移传感器固定到各个关节绞盘的装置；角位移传感器用于测量各个关节的运动角度；鞘支架是用来固定鲍登线的鞘的(鲍登线由外面的鞘和内部的腱组成，外面的鞘两端都要固定住，内部的腱可以运动，原理类似自行车闸线)。

上臂连杆用于实现患者上臂与外骨骼的耦合康复运动；肘关节绞盘通过旋转运动实现肘部的康复训练；前臂连杆用于实现患者前臂与外骨骼的耦合康复运动。

关节机械硬限位装置包括限位柱29、轴承30与弧形限位槽31，限位柱在弧形限位槽内且与与上臂连杆固定，轴承30位于弧形限位槽31的侧面，上臂连杆与前臂连杆通过轴承连接，上臂连杆的回转轴线与患者肘关节轴线基本保持同轴。限位柱和弧形限位槽组成机械硬限位装置，是一种安全装置，目的是防止外骨骼带动人肢体的运动幅度过大而导致二次伤害。轴承是用来固定轴且减小转动阻力的装置。

三向可调适应模块包括垂直调节连杆32、调节滑槽33、横向调节连杆34、纵向调节连杆35，垂直调节连杆32的一端、横向调节连杆34的一端都与调节滑槽33连接，纵向调节连杆35的一端与纵向调节连杆35的一端连接，纵向调节连杆35的另一端与肩内收外展关节绞盘3连接，分别调节它们的长度就可以适应不同体型的使用者了。三向被动适应机构根据不同使用者的体型调节紧定螺钉在调节滑槽中的位置，最终保证肩内收外展关节与肩前屈后伸关节两条轴线的交点与肩部转动中心重合，从而获得最佳的穿戴感受。其中三根调节连杆的长度及调节范围都需要根据人体平均体型尺寸进行设计。垂直调节连杆、纵向调节连杆、横向调节连杆分别可以调节三个方向伸出来的长度，为了适应不同体型受试者的尺寸，以保证上肢外骨骼的关节与人体关节相对位置合理，从而实现较好的耦合运动；调节滑槽是用来调节垂直调节连杆、垂直调节连杆以及横向调节连杆的位置的，相邻连杆先是在根据人体尺寸确定在调节滑槽的合理位置，再通过螺钉固定在一起。

肩关节模块包括肩内收外展关节绞盘3、关节连杆4、肩前屈后伸关节绞盘5，肩内收外展关节绞盘3与肩前屈后伸关节绞盘5之间通过关节连杆4连接。

肩内收外展关节绞盘通过旋转运动实现肩部内收外展自由度的康复训练；关节连杆用于连接肩内收外展关节绞盘与肩前屈后伸关节绞盘；肩前屈后伸关节绞盘通过旋转运动实现肩部前屈后伸自由度的康复训练。

肘关节外骨骼模块、关节机械硬限位装置、三向可调适应模块以及肩关节模块构成了一个穿戴式上肢外骨骼康复装置本体结构。

垂直调节连杆32与固定背板1固定，这样方便连接和固定。

钢丝绳张紧滑块15、钢丝绳张紧螺钉、钢丝绳压板构成一个钢丝绳张紧装置，防止钢丝绳出轨的同时缩小了鲍登线的传动间隙。当钢丝绳的两端通过钢丝绳压板与驱动绞盘和各个关节绞盘分别固定后，通过旋紧钢丝绳张紧装置中的张紧螺钉使张紧滑块沿着滑槽后退，就达到防止钢丝绳松弛而出轨的目的，同时还降低了安装、拆卸钢丝绳时的难度。由于使用了鲍登线传动方式，使得驱动模块可以不要固定到每个关节轴上，例如可以安装到固定背板的背面或者放置在工作台上等，连接驱动模块绞盘与关节绞盘的鲍登线沿着外骨骼固定以避免阻碍其运动。

驱动模块通过鲍登线来驱动关节运动，同时具有自锁的功能；肘关节外骨骼模块驱动肘关节运动进行康复训练；关节机械硬限位装置布置在每个关节上，用来限制外骨骼关节的活动范围，防止由于运动过度给患者肢体带来伤害；三向可调适应模块用使上肢外骨骼来适应不同体型的使用者。

鞘支架两侧固定鞘的折弯的角度是经过计算后确定的，目的是保证延伸出的钢丝绳与肘关节绞盘正好相切，以减小钢丝绳传动的阻力。钢丝绳顺着肘关节绞盘圆周上的弧形凹槽转过一定角度后通过钢丝绳压板与肘关节绞盘固定。肘关节绞盘通过螺钉与前臂连杆固定，这样由鲍登线传递到肘关节绞盘的力矩便可以驱动前臂运动。鲍登线传动存在间隙，为了提高对关节控制的精度，通过增加末端检测传感器来形成闭环控制，因此本文在每个关节都安装了角位移感应器，其外圈通过角位移传感器支架与肘关节绞盘固定，其中间轴通过传感器联轴器与上臂连杆固定，这样角位移传感器便可以精确测量出上臂连杆相对前臂连杆转过的角度，构成肘关节外骨骼闭环控制的反馈通道。

考虑到既要尽可能地扩大各个关节康复运动的范围，又不能给患者带来二次伤害，故用机械硬限位的方式将各关节外骨骼的运动角度限制在极限值之内。其中限位柱与上臂连杆固定，前臂连杆上开了一定角度的圆弧形限位槽，当前臂连杆与上臂连杆的夹角在允许角度范围内时，限位柱可以在限位槽内自由滑动，否则就会被限位槽的两边挡住，达到机械硬限位保护的功能，同时也不会增加机构复杂度。

本发明利用穿戴式的结构来实现患者进行康复训练时的活动自由；利用鲍登线系统使驱动模块和外骨骼得以分离，从而使外骨骼附着在人肢体上的部分尽可能轻；实现了上肢多关节的协同康复。本发明与末端牵引式康复机器人相比具有可以精确控制每个关节的优点，与支架外骨骼式康复机器人相比具有不会限制患者自由活动的优点。鲍登线是让驱动模块和上肢外骨骼本体结构得以分离，从而能够使外骨骼附着在患者肢体上的部分尽可能轻，从而降低长时间康复训练过程中产生的疲劳感。本发明使用了模块化设计理念，肩关节外骨骼与肘关节外骨骼很容易实现组合，从而实现对上肢的多关节协同康复训练。本发明能够实现多关节协同康复的目标，提高了康复训练的效果。驱动模块具有自锁的功能，能够保证电机停止时穿戴式上肢外骨骼的动作保持不变。驱动模块具有张紧的功能，能够保证钢丝绳和绞盘始终保持一定的张力并且不会出轨，这样系统才能够连续可靠地运行。本发明利用被动与主从两种康复模式来服务于上肢运动功能损伤患者的自主康复训练。本发明利用一个有刷直流电机的正反转来控制单个关节朝两个方向的运动，能够减少电机的数量，减小整个系统的体积和重量。本发明避免了机械结构之间、机械结构与人体之间可能产生的干涉。主从康复模式下，要求将数据肘套穿戴在健侧肘部以采集肘关节的运动信息，将数据肩套穿戴在健侧上臂以采集肩部内收外展以及肩部前屈后伸两个方向的运动信息，作为主动端，将健侧肘部与肩部的运动信息无线传输给处理器，分析后输出相应的控制量给驱动模块，驱动模块中的电机再通过鲍登线系统将驱动力远距离传递至穿戴式上肢外骨骼的关节，辅助患肢做出与健侧上肢检测到的姿态相同的动作，从而完成自主康复训练。而被动康复模式下，该穿戴式上肢外骨骼系统则会按照预先设定好的轨迹辅助患肢运动，进而自主地执行康复训练任务。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，包括：

固定背板，作为基座，可以将整个外骨骼系统固定到患者肢体上；

驱动模块，通过鲍登线将扭力传递至各个关节绞盘；

肘关节外骨骼模块，用于上臂与外骨骼的耦合康复运动、肘部的康复训练、前臂与外骨骼的耦合康复运动；

关节机械硬限位装置，对前臂连杆与上臂连杆进行机械硬限位保护；

三向可调适应模块，通过调节肩内收外展关节绞盘的位置以适应不同体型的患者；

肩关节模块，实现肩部内收外展自由度的康复训练、肩部前屈后伸自由度的康复训练。

2.根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，所述驱动模块包括有刷直流电机、涡轮蜗杆减速器、绞盘下盖板、钢丝绳压板、驱动绞盘、绞盘上盖板、钢丝绳张紧滑块、钢丝绳张紧螺钉、鲍登线，有刷直流电机与涡轮蜗杆减速器连接，有刷直流电机、涡轮蜗杆减速器都位于绞盘下盖板的底端上，涡轮蜗杆减速器与驱动绞盘连接，钢丝绳压板安装在驱动绞盘的侧面，驱动绞盘位于绞盘下盖板和绞盘上盖板之间，钢丝绳张紧滑块与钢丝绳张紧螺钉、鲍登线的一端连接，钢丝绳张紧滑块与绞盘上盖板、绞盘下盖板滑动连接。

3.根据权利要求2所述的穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，所述肘关节外骨骼模块包括可调绑带、上臂连杆、钢丝绳压板、前臂连杆、肘关节绞盘、角位移传感器支架、角位移传感器、鞘支架；鲍登线外面的一个鞘固定于鞘支架上，鞘支架与上臂连杆固定，可调绑带与上臂连杆固定，钢丝绳压板位于肘关节绞盘的侧面，肘关节绞盘的两端分别与上臂连杆、前臂连杆连接，角位移传感器通过角位移传感器支架固定在肘关节绞盘的顶端。

4.根据权利要求3所述的穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，所述关节机械硬限位装置包括限位柱、轴承与弧形限位槽，限位柱在弧形限位槽内且与与上臂连杆固定，轴承位于弧形限位槽的侧面，上臂连杆与前臂连杆通过轴承连接，上臂连杆的回转轴线与患者肘关节轴线基本保持同轴。

5.根据权利要求4所述的穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，所述三向可调适应模块包括垂直调节连杆、调节滑槽、横向调节连杆、纵向调节连杆，垂直调节连杆的一端、横向调节连杆的一端都与调节滑槽连接，纵向调节连杆的一端与纵向调节连杆的一端连接，纵向调节连杆的另一端与肩内收外展关节绞盘连接。

6.根据权利要求5所述的穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，所述肩关节模块包括肩内收外展关节绞盘、关节连杆、肩前屈后伸关节绞盘，肩内收外展关节绞盘与肩前屈后伸关节绞盘之间通过关节连杆连接。

7.根据权利要求6所述的穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，所述肘关节外骨骼模块、关节机械硬限位装置、三向可调适应模块以及肩关节模块构成了一个穿戴式上肢外骨骼康复装置本体结构。

8.根据权利要求7所述的穿戴式上肢外骨骼康复装置，其特征在于，所述肩内收外展关节绞盘通过旋转运动实现肩部内收外展自由度的康复训练；关节连杆用于连接肩内收外展关节绞盘与肩前屈后伸关节绞盘；肩前屈后伸关节绞盘通过旋转运动实现肩部前屈后伸自由度的康复训练。