CN107736983B - 一种柔性肩关节康复外骨骼机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性肩关节康复外骨骼机构，包括伸缩支撑架1、肩关节调整机构2、大臂侧抬关节3、大臂外展关节4、大臂前抬关节5，肩关节调整机构2固定连接在伸缩支撑架1上，大臂侧抬关节3与肩关节调整机构2固定连接，大臂侧抬关节3、大臂外展关节4、大臂前抬关节5依次连接。本发明的柔性肩关节康复外骨骼机构能够避免刚性冲击，且位置精度高，能够设置力矩上限，避免治疗过程中发生意外情况下力矩超出人体所承受极限造成二次伤害，且能够实现单自由度针对特定动作对应的肌肉群进行单独训练，或是同时针对多自由度对肩关节整体进行运动训练。

Description

一种柔性肩关节康复外骨骼机构
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，具体涉及一种柔性肩关节康复外骨骼机构。
背景技术
康复外骨骼是当下机器人研究领域的热点，在医疗领域有着管阔的应用前景。常规的康复治疗多为由医师与患者进行长时间一对一的运动辅助治疗，附加语言交流，药物治疗等，患者进行大量的反复重复性运动，逐渐刺击受损脑部神经，修复脑神经。并且外骨骼机器人的可编程性与学习能力使得其可以通过预设程序或者医师示教的方式储存大量治疗程序，从而实现在多种场所均可进行治疗的效果。
上肢康复外骨骼的研究从上世纪开始，已经经过数十年的研究。传统的上肢康复外骨骼机器人应用刚性驱动元件，对结构会造成刚性冲击，造成元件磨损，减少元件使用寿命。而对于柔性柔性关节上肢康复外骨骼机器人的研究则更加稀少，而柔性上肢康复外骨骼对于治疗效果有着极高的意义，因此本发明主要研究目标为柔性肩部康复外骨骼机器人。
如申请公布号为CN106038175A的专利文献本发明公开了一种用于上肢康复训练的关节复合运动机械臂，该机械臂包括底座、电动升降柱、T型支撑架、主固定座、外骨骼机械臂系统。底座放置于地面上，电动升降柱与底座固定连接，电动升降柱与T型支撑架为固定连接，主固定座安装于支撑架上，外骨骼机械臂系统通过主固定座与驱动电机连接；驱动电机均安装在主固定座上。能够辅助人体上肢运动功能障碍患者完成各种康复训练动作，既可以用于肩关节和肘关节的单关节康复训练，又能实现上肢多关节的复合运动康复训练。但是由于整体运动执行机构为刚性驱动，运动回转会造成整体机构的磨损，而且在发生过载的情况下很容易对人体造成伤害。
申请公布号为CN105640739A的专利提供一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，它涉及一种上肢康复外骨骼。本发明为了解决现有的利用重力平衡原理的外骨骼，结构复杂，或者并不能完全的实现重力平衡的问题。同样是通过刚性驱动器实现整体的运动，并不能避免刚性冲击与磨损，过载情况下会造成人体受伤害。
申请公布号为CN 204562790U的专利文献提供的气动肌肉驱动的上肢康复机器人，其特征在于：采用外骨骼的助力运动形式，实现人体上肢肩关节、肘关节、腕关节主要运动功能的康复训练。机器人包括肩关节，肘关节，腕关节。其中肩关节具有屈曲/伸展、内收/外摆两个自由度，肘关节具有屈曲/伸展一个自由度，腕关节具有屈曲/伸展一个自由度。所有的关节轴均采用两条旋向相反的气动肌肉驱动，机器人关节的运动柔顺性能好，较好地满足了康复训练人机工程学的要求。但是气动肌肉位置控制精度低，并且在运动过程中不可避免颤动。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种柔性肩关节康复外骨骼机构。解决了现有技术运动过程中无法避免刚性冲击，以及位置精度的问题。具体技术方案如下：
一种柔性肩关节康复外骨骼机构，其特征在于，该机构包括伸缩支撑架1、肩关节调整机构2、大臂侧抬关节3、大臂外展关节4、大臂前抬关节5，所述的肩关节调整机构2固定连接在所述的伸缩支撑架1上，所述的大臂侧抬关节3与所述的肩关节调整机构2固定连接，所述的大臂侧抬关节3、大臂外展关节4、大臂前抬关节5依次连接；
所述的大臂侧抬关节3包括驱动大臂侧抬自由度的第一转动驱动装置12、第一弹性机构26、大臂侧抬输出14，第一弹性机构26包括第一外圈26-1、第一内圈26-2以及内圈、外圈之间的弹性结构，第一外圈26-1与背部固定架10固定连接，第一内圈26-2与第一转动驱动装置12的一端固定连接，第一转动驱动装置12的另一端与大臂侧抬输出14固定连接；第一内圈26-2上连接第一角度传感器28，第一外圈26-1连接第二角度传感器29；
所述的大臂外展关节4包括驱动大臂前抬自由度的第二转动驱动装置16、第二弹性机构33以及大臂外展输出18，所述的第二转动驱动装置16的一端与所述的大臂侧抬输出14 固定连接，所述的第二弹性机构33包括第二外圈33-1、第二内圈33-2以及内圈、外圈之间的弹性结构，所述的第二转动驱动装置16的另一端与所述的第二内圈33-2固定连接，大臂外展输出18与第二外圈33-1固定连接；所述的第二内圈33-2上连接第三角度传感器35，所述的第二外圈33-1连接第四角度传感器36；
所述的大臂前抬关节5包括驱动大臂前抬自由度的第三转动驱动装置20、第三弹性机构40、大臂前抬输出44以及大臂固定机构22，所述的第三转动驱动装置20的一端与所述的大臂外展输出18固定连接，第三弹性机构40包括第三外圈40-1、第三内圈40-2以及内圈、外圈之间的弹性结构，所述的第三转动驱动装置20的另一端与所述的第三内圈40-2 固定连接，大臂前抬输出44与第三外圈40-1固定连接，大臂固定机构22固定连接在大臂前抬输出44上；所述的第三内圈40-2上连接第五角度传感器42，所述的第三外圈40-1上连接第六角度传感器43。
进一步地，所述的伸缩支撑架1包括自动升降柱6和背部机箱7，所述的背部机箱7固定连接在所述的自动升降柱6上。
进一步地，所述肩关节调整机构2包括外骨骼滑轨8、肩关节滑块9、滑轨夹紧装置45 和背部固定架10，所述的外骨骼滑轨8固定在所述的背部机箱7上，滑轨夹紧装置45和肩关节滑块9固定连接，滑轨夹紧装置45和肩关节滑块9可在所述的外骨骼滑轨8滑动，所述的背部固定架10固定在所述的肩关节滑块9上。
进一步地，所述的第一转动驱动装置12包括固定在第一关节电机架11上的第一驱动电机23、第一限位机构13、第一同步带轮组24、第一谐波减速器25，所述的第一驱动电机23与第一谐波减速器25通过第一同步带轮组24连接，所述的第一限位机构13套接在第一弹性机构26的第一外圈26-1的外部，第一关节电机架11与大臂侧抬输出14固定连接。
进一步地，第二转动驱动装置16包括固定在第二关节电机架15上的第二驱动电机30、第二限位机构17、第二同步带轮组31、第二谐波减速器32，所述的第二驱动电机30与第二谐波减速器32通过第二同步带轮组31连接；所述的第二限位机构17套接在所述的第二弹性机构33的第二外圈33-1的外部；第二关节电机架15与大臂侧抬输出14固定连接。
进一步地，第三转动驱动装置20包括固定在第三关节电机架19上的第三驱动电机37、第三限位机构21、第三同步带轮组38、第三谐波减速器39，所述的第三驱动电机37与第三谐波减速器39通过第三同步带轮组38连接；所述的第三限位机构21套接在第三弹性机构40的第三外圈40-1；第三关节电机架19与大臂外展输出18固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过弹性机构的使用避免刚性冲击，且位置精度高，能够设置力矩上限，避免治疗过程中发生意外情况下力矩超出人体所承受极限造成二次伤害。能够实现单自由度针对特定动作对应的肌肉群进行单独训练，或是同时针对多自由度对肩关节整体进行运动训练。
附图说明
图1是本发明柔性肩关节康复外骨骼机构的结构示意图；
图2是支撑架及肩关节调整的结构示意图；
图3是大臂侧抬关节的机构示意图；
图4是大臂外展关节的结构示意图；
图5是大臂前抬关节的结构示意图；
图6为第一弹性结构26的结构示意图；
1.伸缩支撑架，2.肩关节调整机构，3.大臂侧抬关节，4.大臂外展关节，5.大臂前抬关节，6.自动升降柱，7.背部机箱，8.外骨骼滑轨，9.肩关节滑块，10.背部固定架，11.第一关节电机架，12.第一转动驱动装置，13.第一限位机构，14.大臂侧抬输出，15.第二关节电机架， 16.第二转动驱动装置，17.第二限位机构，18.大臂外展输出，19.第三关节电机架，20.第三转动驱动装置，21.第三限位机构，22.大臂固定机构，23.第一驱动电机，24.第一同步带轮组，25.第一谐波减速器，26.第一弹性机构，26-1第一外圈，26-2第一内圈，28.第一角度传感器，29.第二角度传感器，30.第二驱动电机，31.第二同步带轮组，32.第二谐波减速器， 33.第二弹性机构，33-1第二外圈，33-2第二内圈，35.第三角度传感器，36.第四角度传感器，37.第三驱动电机，38.第三同步带轮组，39.第三谐波减速器，40.第三弹性机构，40-1 第三外圈，40-2第二内圈，42.第五角度传感器，43.第六角度传感器，44.大臂前抬输出， 45.滑轨夹紧装置。
具体实施方式
如图1-6所示，一种柔性肩关节康复外骨骼机构，该机构包括伸缩支撑架1、肩关节调整机构2、大臂侧抬关节3、大臂外展关节4、大臂前抬关节5、自动升降柱6、背部机箱7、外骨骼滑轨8、肩关节滑块9、背部固定架10、第一关节电机架11、第一转动驱动装置12、第一限位机构13、大臂侧抬输出14、第二关节电机架15、第二转动驱动装置16、第二限位机构17、大臂外展输出18、第三关节电机架19、第三转动驱动装置20、第三限位机构 21、大臂固定机构22、第一驱动电机23、第一同步带轮组24、第一谐波减速器25、第一弹性机构26、第一角度传感器28、第二角度传感器29、第二驱动电机30、第二同步带轮组31、第二谐波减速器32、第二弹性机构33、第三角度传感器35、第四角度传感器36、第三驱动电机37、第三同步带轮组38、第三谐波减速器39、第三弹性机构40、第五角度传感器42、第六角度传感器43、大臂前抬输出44、滑轨夹紧装置45。
如图1所示，肩关节调整机构2固定连接在伸缩支撑架1上，大臂侧抬关节3与肩关节调整机构2固定连接，大臂侧抬关节3、大臂外展关节4、大臂前抬关节5依次连接；
如图2所示，伸缩支撑架1包括自动升降柱6和背部机箱7，背部机箱7固定连接在自动升降柱6上；肩关节调整机构2包括外骨骼滑轨8、肩关节滑块9、滑轨夹紧装置45和背部固定架10，外骨骼滑轨8固定在背部机箱7上，滑轨夹紧装置45和肩关节滑块9固定连接，滑轨夹紧装置45和肩关节滑块9可在外骨骼滑轨8滑动，背部固定架10固定在肩关节滑块9上；
如图3所示，大臂侧抬关节3包括驱动大臂侧抬自由度的第一转动驱动装置12、第一弹性机构26、大臂侧抬输出14，第一弹性机构26包括第一外圈26-1、第一内圈26-2以及内圈、外圈之间的弹性结构，如图6所示，第一外圈26-1与背部固定架10固定连接，第一内圈26-2与第一转动驱动装置12的一端固定连接，第一转动驱动装置12的另一端与大臂侧抬输出14固定连接；第一内圈26-2上连接第一角度传感器28，第一外圈26-1连接第二角度传感器29；
第一转动驱动装置12包括固定在第一关节电机架11上的第一驱动电机23、第一限位机构13、第一同步带轮组24、第一谐波减速器25，第一驱动电机23与第一谐波减速器25通过第一同步带轮组24连接，第一限位机构13套接在第一弹性机构26的第一外圈26-1 的外部，第一关节电机架11与大臂侧抬输出14固定连接；
如图4所示，大臂外展关节4包括驱动大臂外展自由度的第二转动驱动装置16、第二弹性机构33以及大臂外展输出18，第二转动驱动装置16的一端与大臂侧抬输出14固定连接，第二弹性机构33包括第二外圈33-1、第二内圈33-2以及内圈、外圈之间的弹性结构，第二转动驱动装置16的另一端与第二内圈33-2固定连接，大臂外展输出18与第二外圈33-1固定连接；第二内圈33-2上连接第三角度传感器35，第二外圈33-1连接第四角度传感器36；
第二转动驱动装置16包括固定在第二关节电机架15上的第二驱动电机30、第二限位机构17、第二同步带轮组31、第二谐波减速器32，所述的第二驱动电机30与第二谐波减速器32通过第二同步带轮组31连接；第二限位机构17套接在所述的第二弹性机构33的第二外圈33-1的外部；第二关节电机架15与大臂侧抬输出14固定连接；
如图5所示，大臂前抬关节5包括驱动大臂前抬自由度的第三转动驱动装置20、第三弹性机构40、大臂前抬输出44以及大臂固定机构22，第三转动驱动装置20的一端与大臂外展输出18固定连接，第三弹性机构40包括第三外圈40-1、第三内圈40-2以及内圈、外圈之间的弹性结构，第三转动驱动装置20的另一端与第三内圈40-2固定连接，大臂前抬输出44与第三外圈40-1固定连接，大臂固定机构22固定连接在大臂前抬输出44上；第三内圈40-2上连接第五角度传感器42，第三外圈40-1上连接第六角度传感器43；
第三转动驱动装置20包括固定在第三关节电机架19上的第三驱动电机37、第三限位机构21、第三同步带轮组38、第三谐波减速器39，第三驱动电机37与第三谐波减速器39通过第三同步带轮组38连接，第三限位机构21套接在第三弹性机构40的第三外圈40-1 上；第三关节电机架19与大臂外展输出18固定连接。
第二弹性机构33与第三弹性机构40结构均与第一弹性机构26相同。
本发明通过伸缩支撑架与肩关节调整机构调整尺寸适应不同身高肩宽的人，通过肩关节滑块固定定位肩关节调整机构并锁定肩关节滑块位置。依次铰接大臂侧抬关节，大臂外展关节，大臂前抬关节，通过大臂前抬关节的大臂固定机构绑定人体大臂，实现功能。
本机构工作模式中，当电机开始工作时，通过同步带轮组传动至谐波减速器，通过谐波加速器带动弹性机构内圈，内圈外圈之间的弹性结构压缩并带动外圈及与外圈固定的小臂及手部转动，实现动态康复模式运动。第一角度传感器与谐波减速器输出轴及弹性机构内圈固定，测定弹性机构内圈的转动角度，第二角度传感器与弹性机构外圈固定，测定小臂及手部的转动角度，两角度传感器测定数值之差为弹性机构内外圈转动角度差即弹性结构压缩角度，通过与弹性结构弹性系数相乘得到运动过程中负载承受力矩，实现整体机构的力矩控制。运动过程中通过限位模块保证运动范围处于人体安全范围内。三个关节协同运动实现肩关节不同模式的康复运动。整体机构柔顺性，通过弹性机构的消除了运动过程中发生的刚性冲击，避免了刚性冲击对结构带来的磨损与对人体带来的危害。柔性机构与角度传感器的配合可以实现力矩测量，可以满足不同治疗模式下对于患者手臂的不同施力方式。

Claims (6)

1.一种柔性肩关节康复外骨骼机构，其特征在于，该机构包括伸缩支撑架（1）、肩关节调整机构（2）、大臂侧抬关节（3）、大臂外展关节（4）、大臂前抬关节（5），所述的肩关节调整机构（2）固定连接在所述的伸缩支撑架（1）上，所述的大臂侧抬关节（3）与所述的肩关节调整机构（2）固定连接，所述的大臂侧抬关节（3）、大臂外展关节（4）、大臂前抬关节（5）依次连接；
所述的大臂侧抬关节（3）包括驱动大臂侧抬自由度的第一转动驱动装置（12）、第一弹性机构（26）、大臂侧抬输出（14），第一弹性机构（26）包括第一外圈（26-1）、第一内圈（26-2）以及内圈、外圈之间的弹性结构一，第一外圈（26-1）与背部固定架（10）固定连接，第一内圈（26-2）与第一转动驱动装置（12）的一端固定连接，第一转动驱动装置（12）的另一端与大臂侧抬输出（14）固定连接；第一内圈（26-2）上连接第一角度传感器（28），第一外圈（26-1）连接第二角度传感器（29）；
所述的大臂外展关节（4）包括驱动大臂外展自由度的第二转动驱动装置（16）、第二弹性机构（33）以及大臂外展输出（18），所述的第二转动驱动装置（16）的一端与所述的大臂侧抬输出（14）固定连接，所述的第二弹性机构（33）包括第二外圈（33-1）、第二内圈（33-2）以及内圈、外圈之间的弹性结构二，所述的第二转动驱动装置（16）的另一端与所述的第二内圈（33-2）固定连接，大臂外展输出（18）与第二外圈（33-1）固定连接；所述的第二内圈（33-2）上连接第三角度传感器（35），所述的第二外圈（33-1）连接第四角度传感器（36）；
所述大臂前抬关节（5）包括驱动大臂前抬自由度的第三转动驱动装置（20）、第三弹性机构（40）、大臂前抬输出（44）以及大臂固定机构（22），所述的第三转动驱动装置（20）的一端与所述的大臂外展输出（18）固定连接，第三弹性机构（40）包括第三外圈（40-1）、第三内圈（40-2）以及内圈、外圈之间的弹性结构三，所述的第三转动驱动装置（20）的另一端与所述的第三内圈（40-2）固定连接，大臂前抬输出（44）与第三外圈（40-1）固定连接，大臂固定机构（22）固定连接在大臂前抬输出（44）上；所述的第三内圈（40-2）上连接第五角度传感器（42），所述的第三外圈（40-1）上连接第六角度传感器（43）。
2.根据权利要求1所述的柔性肩关节康复外骨骼机构，其特征在于，所述的伸缩支撑架（1）包括自动升降柱（6）和背部机箱（7），所述的背部机箱（7）固定连接在所述的自动升降柱（6）上。
3.根据权利要求1或2所述的柔性肩关节康复外骨骼机构，其特征在于，所述肩关节调整机构（2）包括外骨骼滑轨（8）、肩关节滑块（9）、滑轨夹紧装置（45）和背部固定架（10），所述的外骨骼滑轨（8）固定在所述的背部机箱（7）上，滑轨夹紧装置（45）和肩关节滑块（9）固定连接，滑轨夹紧装置（45）和肩关节滑块（9）可在所述的外骨骼滑轨（8）滑动，所述的背部固定架（10）固定在所述的肩关节滑块（9）上。
4.根据权利要求3所述的柔性肩关节康复外骨骼机构，其特征在于，
所述的第一转动驱动装置（12）包括固定在第一关节电机架（11）上的第一驱动电机（23）、第一限位机构（13）、第一同步带轮组（24）、第一谐波减速器（25），所述的第一驱动电机（23）与第一谐波减速器（25）通过第一同步带轮组（24）连接，所述的第一限位机构（13）套接在第一弹性机构（26）的第一外圈（26-1）的外部；第一关节电机架（11）与大臂侧抬输出（14）固定连接。
5.根据权利要求4所述的柔性肩关节康复外骨骼机构，其特征在于，第二转动驱动装置（16）包括固定在第二关节电机架（15）上的第二驱动电机（30）、第二限位机构（17）、第二同步带轮组（31）、第二谐波减速器（32），所述的第二驱动电机（30）与第二谐波减速器（32）通过第二同步带轮组（31）连接；所述的第二限位机构（17）套接在所述的第二弹性机构（33）的第二外圈（33-1）的外部；第二关节电机架（15）与大臂侧抬输出（14）固定连接。
6.根据权利要求4所述的柔性肩关节康复外骨骼机构，其特征在于，第三转动驱动装置（20）包括固定在第三关节电机架（19）上的第三驱动电机（37）、第三限位机构（21）、第三同步带轮组（38）、第三谐波减速器（39），所述的第三驱动电机（37）与第三谐波减速器（39）通过第三同步带轮组（38）连接；所述的第三限位机构（21）套接在第三弹性机构（40）的第三外圈（40-1）；第三关节电机架（19）与大臂外展输出（18）固定连接。
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