CN107536696A - 穿戴式上肢外骨骼康复训练器 - Google Patents

穿戴式上肢外骨骼康复训练器 Download PDF

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汪晓铭
李新伟
喻洪流
邓露露
余灵
徐银焮
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Abstract

本发明提供了一种穿戴式上肢外骨骼康复训练器,用于让偏瘫的患者进行上肢康复训练,具有这样的特征,包括:手部功能训练机构,用于让患者进行手部功能训练运动,包括拇指板、手掌板以及波纹管、拇指部、食指部和中指部;腕关节功能训练机构,用于让患者进行腕关节功能训练运动,包括球头杆,前臂臂托支架和螺纹套;肘关节功能训练机构,用于让患者进行肘关节功能训练运动,包括前臂臂托、前臂旋转块、卷簧、动力传输部、减速电机、上臂臂托支架和上臂臂托;以及控制机构,用于对减速电机进行控制,包括用于生成并输出PWM信号的信号生成部、用于处理PWM信号并根据PWM信号驱动减速电机的驱动部以及用于反馈前臂旋转部的旋转位置的反馈电位器。

Description

穿戴式上肢外骨骼康复训练器
技术领域
[0001] 本发明属于一种康复训练和生活辅助装置,具体涉及一种穿戴式上肢外骨骼康复 训练器。
背景技术
[0002] 随着科技进步和人民生活水平的提高,我国正在步入老龄化。在老龄人群众中有 大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者,这类患者多数伴有偏瘫症状。近年,因患心脑血管 疾病导致的偏瘫的中老年患者的人数在不断增多,而且在年龄上呈现年轻化趋势。
[0003] 医学理论和临床医学证明,这类患者除了早期的手术治疗和药物治疗外,正确的、 科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。目前,偏瘫康复训 练的基本方法是理疗师对患者进行“手把手”的训练,这种康复训练模式,无论对患者还是 对医务工作者都是一项长期的艰苦工作。近些来,年机器人外骨骼技术的发展和运用,为全 面开展卒中及脊髓损伤患者的系统化、规范化和科学化的康复治疗提供了难得的历史性机 遇。
[0004] 目前,国内外已经得到临床应用的外骨骼式上肢康复训练机器人主要分为:肘关 节功能康复训练机器人、肩肘关节功能康复训练机器人、肩肘腕关节功能康复训练机器人 以及手部功能康复训练机器人。
[0005] 但是,可以同时实现对肘关节、腕关节和手部进行功能康复训练的外骨骼设备非 常缺乏。同时,现有的外骨骼式上肢康复机器人基本都属于中大型设备,比如技术比较成熟 的三个产品瑞士Hocoma公司的Armeo Power机器人、意大利IDR0GENET公司的Gloreha机器 人和香港理工大学的EMG驱动机械手机器人。但是,现有产品明显增大了患者视野范围内的 设备体积,会不同程度的增加病人的心理压力,且不具备日常生活辅助功能。
发明内容
[0006] 本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种穿戴式上肢外骨骼康复 训练器。
[0007] 本发明提供了一种穿戴式上肢外骨骼康复训练器,用于让偏瘫的患者进行上肢康 复训练,具有这样的特征,包括:手部功能训练机构,用于让患者进行手部功能训练运动,包 括拇指板、手掌板以及设置在拇指板和手掌板之间的波纹管、拇指部、食指部和中指部;腕 关节功能训练机构,用于让患者进行腕关节功能训练运动,包括一端设置在手掌板上的球 头杆,一端通过球面副与球头杆的另一端连接的前臂臂托支架和设置在球头杆和前臂臂托 支架之间的螺纹套;肘关节功能训练机构,用于让患者进行肘关节功能训练运动,包括套设 在前臂臂托支架上的前臂臂托、设置在前臂臂托支架的另一端上的前臂旋转块、设置在该 前臂旋转块上的卷簧、设置在该卷簧上的动力传输部、与该动力传输部连接的减速电机、通 过螺钉固定在前臂旋转块上的上臂臂托支架和与该上臂臂托支架连接的上臂臂托;以及控 制机构,与减速电机连接,用于对减速电机进行控制,包括用于生成并输出PWM信号的信号 生成部、用于处理PWM信号并根据PWM信号驱动减速电机的驱动部以及与动力传输部和驱动 部连接的用于反馈前臂旋转部的旋转位置的反馈电位器,其中,拇指部包括依次连接的拇 指驱动构件、拇指减速构件、拇指连杆和拇指弧形滑槽,拇指驱动构件和拇指减速构件设置 在拇指板上,拇指驱动构件驱动拇指弧形滑槽,从而促使患者的拇指关节进行运动,食指部 包括依次连接的食指驱动电机、食指连杆和食指弧形滑槽,食指驱动电机设置在手掌板上, 食指驱动电机驱动食指弧形滑槽,从而促使患者的食指关节进行运动,中指部包括依次连 接的中指驱动电机、中指连杆和中指弧形滑槽,中指驱动电机设置在手掌板上,中指驱动电 机驱动中指弧形滑槽,从而促使患者的中指关节进行运动。
[0008] 在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,还可以具有这样的特征:其中, 球头杆包括球头杆固定端、球头杆连接段和球头杆球形端。
[0009] 在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,还可以具有这样的特征:其中, 减速电机具有行星减速组件以及直齿轮减速组件,传动比为1000,行星减速组件的减速比 为10,直齿轮减速组件的传动比100,输入转矩为3mNM,输出转矩为3000mNM。
[0010] 在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,还可以具有这样的特征:其中, 动力传输部包括异形轴、同步带和同步带轮,异形轴嵌套在卷簧内,同步带轮与异形轴之间 通过平键固定,同步带轮、同步带和异形轴驱动前臂旋转块,从而牵引前臂机构进行外展和 内收。
[0011] 在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,还可以具有这样的特征:其中, 信号生成部包括配备在患者健侧的控制器以及用于发射信号的555定时器可调I^M信号发 生器。
[0012] 在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,还可以具有这样的特征:其中, 信号生成部包括用于采集肌电信号并对该肌电信号进行处理的肌电信号采集器和单片机。
[0013] 在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,还可以具有这样的特征:其中, 驱动部包括具有内置H桥电路的驱动ic M51880微型板、光耦隔离电路以及L298驱动。
[0014]在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,具有这样的特征,还包括:固定 机构,设置在减速电机的外侧,包括内侧固定板、中间固定板和外侧固定板。
[0015]在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,还可以具有这样的特征:其中, 内侧固定板上设置有旋转限位销,前臂旋转块上设置有限位滑槽,旋转限位销和限位滑槽 相配合,用于限制前臂旋转块在一定角度范围内进行旋转。
[0016]在本发明提供的穿戴式上肢外骨骼康复训练器中,具有这样的特征,还包括:壳体 机构,包括拇指外壳、手掌外壳和上臂外壳,拇指外壳和手掌外壳均通过螺纹分别固定在拇 指板和手掌板上,上臂外壳通过卡隼固定在外侧固定板上。
[0017]发明的作用与效果
[0018]根据本发明所涉及的一种穿戴式上肢外骨骼康复训练器,因为采用了手部功能训 练机构、腕关节功能训练机构和肘关节功能训练机构三个机构化设计方案,使得患者能同 时对肘关节、腕关节和手部进行康复训练,从而使得患者在康复训练时的动作更加协调,康 复效果显著提高。另外,手部功能训练机构涉及到大拇指、食指和中指这三根功能性的手 指,而且每根手指都配有单独的驱动机构,一方面减小了的训练器的重量,另一方面便于患 者进行多种手部运动的训练,如抓握、食指点击和拇指按压等。因为各训练机构之间能拆 卸,能够实现对患者上肢的局部关节进行独立的康复训练,方便携带并且使得康复训练更 有针对性。所以,本发明的穿戴式上肢外骨骼康复训练器占空间小,重量轻,能使得患者在 不同阶段,可以在不依靠专业医师或者在户外的情况下,自主进行训练并辅I助日常生活
附图说明
[0019] 图1是本发明的实施例中穿戴式上肢外骨骼康复训练器的结构示意图;
[0020] 图2是本发明的实施例中手部功能训练机构的结构示意图;
[0021] 图3是本发明的实施例中腕关节功能训练机构的结构示意图;
[0022] 图4是本发明的实施例中控制机构的框图; ^ '
[0023]图5是本发明的实施例中肘关节功能训练机构的结构示意图。
具体实施方式
[0024]为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解,以下结合实施例及附图对本 发明作具体阐述。
[0025]〈实施例〉
[0026]图1是本发明的实施例中穿戴式上肢外骨豁康复训练器的结构示意图。
[0027]如图1所示,穿戴式上肢外骨骼康复训练器100用于让偏瘫的患者进行上肢康复训 练,包括:手部功能训练机构10、腕关节功能训练机构20、肘关节功能训练机构30、控制机构 40、固定机构50和壳体机构60。
[0028]图2是本发明的实施例中手部功能训练机构的结构示意图。
[0029]如图1和图2所示,手部功能训练机构10用于让患者进行手部功能训练运动,包括 拇指板11、手掌板12、波纹管I3、拇指部14、食指部15和中指部16.
[0030]波纹管13设置在拇指板11和手掌板I2之间,用于连接拇指板U和手掌板12。
[0031]如图1所示,拇指部14包括依次连接的拇指驱动构件141、拇指减速构件142、拇指 连杆143和拇指弧形滑槽144。
[0032] 拇指驱动构件141和拇指减速构件142设置在拇指板11上,拇指驱动构件141驱动 拇指弧形滑槽144,从而促使患者的拇指关节进行运动。
[0033]食指部15包括依次连接的食指驱动电机151、食指连杆152和食指弧形滑槽153。 [0034]食指驱动电机151设置在手掌板12上,食指驱动电机151驱动食指弧形滑槽153,从 而促使患者的食指关节进行运动。
[0035]中指部16包括依次连接的中指驱动电机161、中指连杆162和中指弧形滑槽163。 [0036]中指驱动电机ie 1设置在手掌板12上,中指驱动电机161驱动中指弧形滑槽163,从 而促使患者的中指关节进行运动。
[0037]如图1所示,腕关节功能训练机构20,用于让患者进行腕关节功能训练运动,包括 球头杆21、前臂臂托支架22和螺纹套23。
[0038]图3是本发明的实施例中腕关节功能训练机构的结构示意图。
[0039]如图1和图3所示,球头杆21包括球头杆固定端211、球头杆连接段212和球头杆球 形端213,球头杆21的一端(即球头杆固定端211)设置在手掌板12上。在本实施例中,球头杆 21具有多种尺寸可供选择的配件,不同尺寸的球头杆对腕关节有不同程度的限位作用。
[0040J則臂臂托支架22的一端通过球面副(带有限位结构)与球头杆21的另一端(即球头 杆球形端213)连接。
[0041]螺纹套23设置在球头杆21和前臂臂托支架22之间,用于连接球头杆21和前臂臂托 支架22。
[0042]肘关节功能训练机构30,用于让患者进行肘关节功能训练运动,包括前臂臂托31、 前臂旋转块32、卷簧33、动力传输部34、减速电机35、上臂臂托支架36、上臂臂托37和薄臂轴 承38。
[0043]前臂臂托31套设在前臂臂托支架22上。
[0044]前臂旋转块32设置在前臂臂托支架22的另一端上,前臂旋转块32上设置有限位滑 槽 321。
[0045]卷簧33设置在该前臂旋转块32上。
[0046]动力传输部34设置在该卷簧33上,包括异形轴341、同步带342和同步带轮343。 [0047]异形轴Ml通过薄臂轴承38嵌套在卷簧33内,同步带轮343与异形轴341之间通过 平键固定,同步带轮343、同步带342和异形轴341驱动前臂旋转块32,从而牵引前臂机构进 行外展和内收。
[0048]减速电机35与该动力传输部34连接。在本实施例中,减速电机35具有行星减速组 件(图中未示出)以及直齿轮减速组件(图中未示出),传动比为1〇〇〇,行星减速组件的减速 比为10,直齿轮减速组件的传动比100,输入转矩为3mNM,输出转矩为3000mNM。
[0049]上臂臂托支架35通过螺钉固定在前臂旋转块32上。
[0050]上臂臂托36与上臂臂托支架35连接。
[0051]图4是本发明的实施例中控制机构的框图。
[0052]如图4所示,控制机构40,与减速电机35连接,用于对减速电机35进行控制,包括信 号生成部41、驱动部42和反馈电位器43。
[0053]信号生成部41用于生成并输出PWM信号,在本实施例中,信号生成部41包括配备在 患者健侧的控制器411以及用于发射信号的555定时器可调PWM信号发生器412。
[0054] 驱动部42用于处理PWM信号并根据PWM信号驱动减速电机35,包括具有内置H桥电 路的驱动IC M51880微型板421、光耦隔离电路422以及L298驱动423。
[0055] 驱动IC AA51880微型板421与555定时器可调PWM信号发生器412连接,用于提供正 转、反转控制信号。
[0056]光耦隔离电路422与驱动IC AA51SS0微型板421连接,用于除去信号干扰。
[0057] L298驱动似3与光耦隔离电路422以及减速电机35连接,用于放大信号并驱动减速 电机35。
[0058]反馈电位器43与动力传输部34 (异形轴341)和驱动部42 (驱动IC AA51880微型板 421)连接,用于反馈前臂旋转块32的旋转位置。
[0059]如图1所示,固定机构50,设置在减速电机35的外侧,包括内侧固定板51、中间固定 板52和外侧固定板53。
[0060]内侧固定板51上设置有旋转限位销511,旋转限位销511和限位滑槽321相配合,用 于限制前臂旋转块32在一定角度范围内进行旋转。
[0061]图5是本发明的实施例中肘关节功能训练机构的结构示意图。
[0062]如图2和图5所示,壳体机构6〇,包括拇指外壳61、手掌外壳62和上臂外壳63。
[0063]拇指外壳61和手掌外壳62均通过螺纹分别固定在拇指板U和手掌板12上。
[00M]上臂外壳63通过卡隼固定在外侧固定板53上。
[0065]穿戴式上肢外骨骼康复训练器100的工作流程如下:
[0066]患者将上肢的手部、腕关节和肘关节分别固定在手部功能训练机构10、腕关节功 能训练机构20和肘关节功能训练机构30上。患者手动控制机构4〇,pmi信号发生器412输出 占空比可调的PWM信号,PWM信号经过驱动IC AA51880微型板(内置H桥电路)421、光親隔离 电路422以及L29S驱动423处理后控制减速电机35运动,减速电机35依次带动同步带342、同 步带轮343以及异形轴Ml转动,异形轴341带动卷簧33以及前臂旋转块32转动,前臂旋转块 32带动固定着患者上肢的手部功能训练机构1〇、腕关节功能训练机构2〇和射关节功能训练 机构30运动,反馈电位器43反馈前臂旋转块32的旋转位置以及速度给驱动IC AA51880微型 板421,在驱动IC AA51880微型板421处与目标PWM信号进行比对,如果有差异,继续经由驱 动部42驱动减速电机35,反馈电位器43反馈的信息达到目标PWM信号的要求,减速电机35停 止工作。
[0067]实施例的作用与效果
[0068]根据本实施例所涉及的一种穿戴式上肢外骨骼康复训练器,因为采用了手部功能 训练机构、腕关节功能训练机构和肘关节功能训练机构三个机构化设计方案,使得患者能 同时对肘关节、腕关节和手部进行康复训练,从而使得患者在康复训练时的动作更加协调, 康复效果显著提高。另外,手部功能训练机构涉及到大拇指、食指和中指这三根功能性的手 指,而且每根手指都配有单独的驱动机构,一方面减小了的训练器的重量,另一方面便于患 者进行多种手部运动的训练,如抓握、食指点击和拇指按压等。因为各训练机构之间能拆 卸,能够实现对患者上肢的局部关节进行独立的康复训练,方便携带并且使得康复训练更 有针对性。
[0069]腕关节功能训练机构设有一个带有限位结构的球面副,实现了人体腕关节的两个 自由度的同时起到对腕关节的保护作用。
[0070]球头杆是有多种尺寸可供选择的配件,不同尺寸的球头杆对腕关节有不同程度的 限位作用,从而确保不同康复阶段和活动能力的患者能得到合适的康复训练。
[0071 ]所以,本发明的穿戴式上肢外骨骼康复训练器占空间小,重量轻,能使得患者在不 同阶段,可以在不依靠专业医师或者在户外的情况下,自主进行训练并辅助日常生活。
[0072]上述实施方式为本发明的优选案例,并不用来限制本发明的保护范围。
[0073]在本实施例中,信号生成部包括配备在患者健侧的控制器以及用于发射信号的 555定时器可调PWM信号发生器,但是在本发明中,信号生成部还可以包括用于采集肌电信 号并对该肌电信号进行处理的肌电信号采集器和单片机。

Claims (10)

1. 一种穿戴式上肢外骨骼康复训练器,用于让偏瘫的患者进行上肢康复训练,其特征 在于,包括: 手部功能训练机构,用于让所述患者进行手部功能训练运动,包括拇指板、手掌板以及 设置在所述拇指板和所述手掌板之间的波纹管、拇指部、食指部和中指部; 腕关节功能训练机构,用于让所述患者进行腕关节功能训练运动,包括一端设置在所 述手掌板上的球头杆,一端通过球面副与所述球头杆的另一端连接的前臂臂托支架和设置 在所述球头杆和所述前臂臂托支架之间的螺纹套; 肘关节功能训练机构,用于让所述患者进行肘关节功能训练运动,包括套设在所述前 臂臂托支架上的前臂臂托、设置在所述前臂臂托支架的另一端上的前臂旋转块、设置在该 前臂旋转块上的卷簧、设置在该卷簧上的动力传输部、与该动力传输部连接的减速电机、通 过螺钉固定在所述前臂旋转块上的上臂臂托支架和与该上臂臂托支架连接的上臂臂托;以 及 控制机构,与所述减速电机连接,用于对所述减速电机进行控制,包括用于生成并输出 PWM信号的信号生成部、用于处理所述PWM信号并根据所述PWM信号驱动所述减速电机的驱 动部以及与所述动力传输部和所述驱动部连接的用于反馈所述前臂旋转部的旋转位置的 反馈电位器, 其中,所述拇指部包括依次连接的拇指驱动构件、拇指减速构件、拇指连杆和拇指弧形 滑槽,所述拇指驱动构件和所述拇指减速构件设置在所述拇指板上,所述拇指驱动构件驱 动所述拇指弧形滑槽,从而促使所述患者的拇指关节进行运动, 所述食指部包括依次连接的食指驱动电机、食指连杆和食指弧形滑槽,所述食指驱动 电机设置在所述手掌板上,所述食指驱动电机驱动所述食指弧形滑槽,从而促使所述患者 的食指关节进行运动, 所述中指部包括依次连接的中指驱动电机、中指连杆和中指弧形滑槽,所述中指驱动 电机设置在所述手掌板上,所述中指驱动电机驱动所述中指弧形滑槽,从而促使所述患者 的中指关节进行运动。
2. 根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于: 其中,所述球头杆包括球头杆固定端、球头杆连接段和球头杆球形端。
3. 根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于: 其中,所述减速电机具有行星减速组件以及直齿轮减速组件,传动比为1000,所述行星 减速组件的减速比为10,所述直齿轮减速组件的传动比100,输入转矩为3mNM,输出转矩为 3000mNM〇
4. 根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于: 其中,所述动力传输部包括异形轴、同步带和同步带轮, 所述异形轴嵌套在所述卷簧内, 所述同步带轮与所述异形轴之间通过平键固定, 所述同步带轮、所述同步带和所述异形轴驱动所述前臂旋转块,从而牵引前臂机构进 行外展和内收。
5. 根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于: 其中,所述信号生成部包括配备在患者健侧的控制器以及用于发射信号的555定时器 可调PWM信号发生器。
6. 根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于: > 其中,所述信号生成部包括用于采集肌电信号并对该肌电信号进行处理的肌电信号采 集器和单片机。
7. 根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于: 其中,所述驱动部包括具有内置H桥电路的驱动ICAA51880微型板、光耦隔离电路以及 L298驱动。
8. 根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于,还包括: 固定机构,设置在所述减速电机的外侧,包括内侧固定板、中间固定板和外侧固定板。
9.根据权利要求8所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于: 其中,所述内侧固定板上设置有旋转限位销, 所述前臂旋转块上设置有限位滑槽, 所述旋转限位销和所述限位滑槽相配合,用于限制所述前臂旋转块在一定角度范围内 进行旋转。
10.根据权利要求1所述的穿戴式上肢外骨骼康复训练器,其特征在于,还包括: 壳体机构,包括拇指外壳、手掌外壳和上臂外壳, 所述拇指外壳和所述手掌外壳均通过螺纹分别固定在所述拇指板和所述手掌板上, 所述上臂外壳通过卡隼固定在所述外侧固定板上。
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