CN108524192B - 带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，属于机器人领域。该装置由外骨骼支架、小臂旋转机构、肘屈伸机构、驱动电机和肌电信号采集装置构成，可实现肘关节屈伸和小臂旋转两个自由度的主动康复训练。大小臂支架采用半开放结构更易于穿戴，且内衬关键位置预埋肌电信号采集装置，采集康复训练过程中的手臂肌电信号，进而可根据肌肉张力情况调整各关节电机运动，提升训练安全性和效果。小臂屈伸机构采用两组电机‑伞齿轮传动形式，通过2个电机同步协调运动实现小臂屈伸运动。小臂旋转机构采用钢丝传动方式，小臂旋转角度达180°。本专利能更方便、更安全、更有效的进行康复训练，可广泛应用于医院、社区和家庭。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，具体来说是一种针对小臂旋转和肘关节屈伸2个关节主动康复训练而设计的外骨骼装置。
背景技术
由于中风等疾病造成的人体上臂功能失能，会对患者的生活造成极大的影响。通过及时有效的康复训练，可以帮助患者重建上臂运动功能，改善患者的生活质量。针对人体上臂康复训练需求设计康复机器人，是近年来康复医疗学科研究的热点。传统的人工物理疗法中，治疗师们劳动强度大且要求具有高度熟练技巧。康复机器人旨在利用机器人原理，把智能控制与人体运动相结合，且能够承受高的工作强度。人们借助康复机器人的标准化的重复运动，可以促进神经功能重塑，最终达到恢复患者运动及控制能力的目的。
近些年来市面上出现的康复训练机器人体积过大，比较笨重，用户使用不够友好等问题。本发明专门针对人体比较容易受伤的肘关节和小臂旋转关节进行小臂主动康复训练，机械结构方面进行了大量创新设计，做到质量轻，可穿戴，舒适度强。同时，为了克服传统康复训练仪只能机械重复执行预设康复训练轨迹，训练效果不佳的问题，通过引入肌电感知系统，根据肌电信号调整康复训练轨迹，有效避免了病人康复训练过程中的肌肉拉伤等二次损伤等情况，提高康复训练的有效性。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高康复训练的有效性、简化结构的带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置。本发明的技术方案如下：
一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其包括：外骨骼支架、肘屈伸机构、小臂旋转机构、驱动电机及肌电信号采集器(7)，其中，所述外骨骼支架用于固定人体大臂和小臂，同时用于支撑肘屈伸机构及小臂旋转机构，所述外骨骼支架中预埋有肌电信号采集器(7)来检测人体肌肉张力，所述驱动电机包括第一驱动电机和第二驱动电机，所述第一驱动电机用于对肘屈伸机构提供动力，所述第二驱动电机用于为小臂旋转机构提供动力；所述肌电信号采集器(7)、第一驱动电机和第二驱动电机与控制系统相连，肌电信号采集器(7)采集人体肌电信号后，将信号传给控制系统，控制系统对肌电信号进行分析后，修正驱动电机的运动轨迹，并控制驱动电机运动；所述驱动电机的驱动力传递给肘屈伸机构和小臂旋转机构，带动人体上臂康复运动，通过肘屈伸机构和小臂旋转机构的运动使得装置具有两个主动运动自由度，分别是小臂旋转运动和肘关节屈伸运动；所述肘屈伸机构包括小伞齿轮(9)、大伞齿轮(10)、小臂屈伸连接板(11)、轴(13)、螺柱(14)及轴承(15)，其中第一驱动电机通过直角弯板分别对称固定在大臂支架(4)的内侧和外侧，第一驱动电机输出轴端固定小伞齿轮(9)，轴(13)穿过嵌套于大臂支架(4)和小臂屈伸连接板(11)内的轴承(15)，轴(13)的一端高出大臂支架(4)，该端固定大伞齿轮(10)与电机输出轴端的小伞齿轮(9)啮合，轴(13)的另一端与小臂屈伸连接板(11)通过顶丝固定连接。
进一步的，所述外骨骼支架包括小臂支架(2)、小臂支撑环(3)、大臂支架(4)、大臂支撑环(5)，其中小臂支架(2)上设置有小臂支撑环(3)，大臂支架(4)上设置有大臂支撑环(5)，所述小臂支架(2)与大臂支架(4)之间连接。
进一步的，所述大臂支架(4)和小臂支架(2)采用半开放式结构，所述大臂支架(4)和小臂支架(2)的内衬由柔软材料制作。
进一步的，所述大臂支架(4)和小臂支架(2)采用了魔术扣的方式来固定手臂。
进一步的，第一驱动电机有2个，分别对称固定在大臂支架(4)的内侧和外侧，第一驱动电机轴线方向与大臂支架(4)方向平行，2个电机同步协调运动，驱动肘关节做屈伸动作。
进一步的，所述大臂支架(4)和小臂屈伸连接板(11)之间设置有扭簧(12)，扭簧(12)的两端分别嵌入臂支架和小臂屈伸运动连接板。
进一步的，所述小臂旋转机构包括把手(1)、旋转件(16)、半圆弧型外壳(17)、钢丝(18)、钢丝固定套(19)及导向轮(20)，其中，把手(1)与旋转件(16)相连接，钢丝固定套(19)固定于第二驱动电机的输出轴上，钢丝(18)穿过钢丝固定套(19)后由顶丝压住钢丝，保证钢丝与钢丝套筒固定无滑动；钢丝伸出钢丝固定套(19)的两端分别沿相反方向缠绕数圈后，两端同时穿过小臂支架上的圆孔，经过正对圆孔的一对导向轮(20)的内侧后，沿相反方向张紧于旋转件(16)的导向槽处，钢丝两端最终穿过旋转件(16)两端的圆孔，并由顶丝保持与旋转件(16)固定。
进一步的，所述钢丝固定套(19)通过顶丝固定在第二驱动电机上，所述第二驱动电机通过电机固定架(8)与小臂支架轴线平行放置。
进一步的，所述旋转件(16)和导向轮(20)上均挖有凹槽用于钢丝(18)的纵向固定，使钢丝(18)不发生纵向移动,所述半圆弧型外壳(17)由上下两个壳组成。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明整体上采用半开放式结构，用魔术贴进行固定，便于病人快速穿戴，同时大小臂内衬由柔软材料制成，保证康复机器人穿戴的用户体验感。肘部屈伸关节处增加扭簧以抵消部分小臂重力，并使用2个对称设置的电机协调运动共同驱动肘部屈伸运动，这样设计可以使用更小的电机，显著减轻设备重量，同时设备外形更紧凑美观。小臂旋转机构使用钢丝传动并以单电机驱动，旋转机构内设有导向轮用于钢丝的导向并抵消了旋转件与外壳的摩擦力。大小臂内衬关键位置预埋肌电信号采集装置，采集康复训练过程中的肌电信号，进而可实现根据肌肉张力情况调整各关节电机运动方式，保证受训人员的安全和提高康复训练的有效性。
附图说明
图1：本发明提供优选实施例穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置示意图
图2：小臂屈伸机构示意图
图3：小臂屈伸轴部分内部结构图
图4：腕关节旋转机构示意图
图5：腕关节旋转机构内部结构图
图6：人体穿戴本发明装置后的效果图
图1～图5相同编号表示同一零件，图中同一零件可能出现多次使用。图1～图5中各编号对应的零件为：1.把手，2.小臂支架，3.小臂支撑环，4.大臂支架，5.大臂支撑环，6.驱动电机，7.肌电信号采集器，8.电机固定架，9.锥齿轮(小)，10.锥齿轮(大)，11.小臂屈伸连接板，12.扭簧，13.轴，14.螺柱，15.轴承，16.旋转件，17.腕关节外壳，18.钢丝，19.钢丝固定套，20.导向轮。
图3中零件11，零件4做了半剖处理，以方便展示零件内部的结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
图1为本发明优选实施例穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置的主体结构图。为了清楚显示装置内部各组件的相对位置关系，该装置的肘屈伸机构示意图如图2所示。图3为肘屈伸轴部分内部结构图。图4为小臂旋转机构示意图。图5为小臂旋转机构内部结构图。
本发明涉及一种带肌电感知的穿戴式肘腕双关节康复机器人，优选的实现方式如图1所示，该装置包括外骨骼支架(包括图1中的小臂支架2、小臂支撑环3、大臂支架4、大臂支撑环5)、肘屈伸机构(包括图2中的驱动电机6、小伞齿轮9、大伞齿轮10、小臂屈伸连接板11和图3中的扭簧12、轴13、螺柱14、轴承15)和小臂旋转机构(包括图4中的把手1、旋转件16、半圆弧型外壳17、钢丝18、钢丝固定套19、驱动电机6和图5中的导向轮20)。
本发明外骨骼支架整体上采用了半开放式的结构，便于病人穿戴同时病人从外部可以直接看见装置的内部结构使得病人更加放心，在大小臂支架部分使用柔软材料作为内衬，同时使用魔术贴的方式进行手部的固定保证康复机器人穿戴的用户体验感。大小臂内衬关键位置预埋肌电信号采集装置，通过多通道肌电设备分别采集小臂和大臂的多个肌群肌电信号，肌群包括小臂的拇长伸肌、指浅屈肌、食指固有伸肌和小指固有伸肌，以及大臂的三角肌、肱三头肌等。原始肌电信号经过滤波、FFT变换、肌电-张力模型计算等操作后，得到肌肉的张力估计值。当肌肉张力估计值低于设定值时，提高电机的速度和扭矩；当肌肉张力估计值高于设定值时，降低电机的速度和扭矩。通过这种方式调整肘关节和小臂旋转驱动电机运动轨迹，保证受训人员的安全和提高康复训练的有效性。
所述的小臂屈伸机构如图2所示采用两组电机6-伞齿轮9传动形式同步驱动方式，通过2个电机6同步协调运动实现小臂屈伸运动，电机6通过电机固定架8的方式与大臂支架轴线平行放置。相比单电机驱动肘关节屈伸方式，该方式选用电机尺寸较小，且由于电机布置与大臂支架4轴线平行，康复机器人整体结构更加轻巧，更加美观。
如图3所示，所述小臂屈伸机构内部在大臂支架4和小臂屈伸连接板11之间使用了扭簧12，用于抵消小臂部分重力，并使得小臂有了一定的缓冲力，使病人更加安全。大臂支架4和小臂屈伸连接板11都挖有凹槽用于扭簧的固定。轴13用于连接大臂支架4和小臂屈伸连接板11，所述轴承15固定在轴上并用于大臂支架4的支撑以减小大臂与轴的摩擦力，所述小臂屈伸连接板11与轴13连接并用顶丝和螺钉14固定，保证各部件没有相对滑动。
所述小臂旋转机构如图4和图5所示，包括图4中的把手1、旋转件16、半圆弧型外壳17、钢丝18、钢丝固定套19、驱动电机6和图5中的导向轮20。采用双半圆弧配钢丝传动方式，小臂旋转角度达180°，覆盖人体小臂旋转角度。
所述钢丝传动方式为钢丝固定套19固定与电机输出轴上，钢丝穿过钢丝固定套19后由顶丝压住钢丝，保证钢丝与钢丝套筒固定无滑动。钢丝伸出钢丝固定套19的两端分别沿相反方向缠绕数圈后，两端同时穿过小臂支架上的圆孔，经过正对圆孔的一对导向轮的内侧后，沿相反方向张紧于旋转体的导向槽处，钢丝两端最终穿过旋转体两端的圆孔，并由顶丝保持与旋转体固定。
所述钢丝固定套19通过顶丝固定在驱动电机6上，驱动电机通过电机固定架8与小臂支架轴线平行放置。所述旋转件16和导向轮20上均挖有凹槽用于钢丝18的纵向固定，使钢丝18不发生纵向移动。所述半圆弧型外壳17由上下两个壳组成，便于生产和组装。
优选的，所述驱动电机均使用电机固定架与支架固定并紧贴支架放置，大大减小电机所占空间。
优选的，所述驱动电机的个数为3个。位于大臂的2个电机同步反向运动，共同驱动肘关节完成屈伸运动。位于小臂支架的1个电机通过钢丝驱动小臂旋转运动。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (8)
1.一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，包括：外骨骼支架、肘屈伸机构、小臂旋转机构、驱动电机及肌电信号采集器(7)，其中，所述外骨骼支架用于固定人体大臂和小臂，同时用于支撑肘屈伸机构及小臂旋转机构，所述外骨骼支架中预埋有肌电信号采集器(7)来检测人体肌肉张力，所述外骨骼支架包括小臂支架(2)、小臂支撑环(3)、大臂支架(4)、大臂支撑环(5)，其中小臂支架(2)上设置有小臂支撑环(3)，大臂支架(4)上设置有大臂支撑环(5)，所述小臂支架(2)与大臂支架(4)之间连接；
所述驱动电机包括第一驱动电机和第二驱动电机，所述第一驱动电机用于对肘屈伸机构提供动力，所述第二驱动电机用于为小臂旋转机构提供动力；所述肌电信号采集器(7)、第一驱动电机和第二驱动电机与控制系统相连，肌电信号采集器(7)采集人体肌电信号后，将信号传给控制系统，控制系统对肌电信号进行分析后，修正驱动电机的运动轨迹，并控制驱动电机运动；所述驱动电机的驱动力传递给肘屈伸机构和小臂旋转机构，带动人体上臂康复运动，通过肘屈伸机构和小臂旋转机构的运动使得装置具有两个主动运动自由度，分别是小臂旋转运动和肘关节屈伸运动；所述肘屈伸机构包括小伞齿轮(9)、大伞齿轮(10)、小臂屈伸连接板(11)、轴(13)、螺柱(14)及轴承(15)，其中第一驱动电机通过直角弯板分别对称固定在大臂支架(4)的内侧和外侧，第一驱动电机输出轴端固定小伞齿轮(9)，轴(13)穿过嵌套于大臂支架(4)和小臂屈伸连接板(11)内的轴承(15)，轴(13)的一端高出大臂支架(4)，该端固定大伞齿轮(10)与电机输出轴端的小伞齿轮(9)啮合，轴(13)的另一端与小臂屈伸连接板(11)通过顶丝固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，所述大臂支架(4)和小臂支架(2)采用半开放式结构，所述大臂支架(4)和小臂支架(2)的内衬由柔软材料制作。
3.根据权利要求1或2所述的一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，所述大臂支架(4)和小臂支架(2)采用了魔术扣的方式来固定手臂。
4.根据权利要求1所述的一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，第一驱动电机有2个，分别对称固定在大臂支架(4)的内侧和外侧，第一驱动电机轴线方向与大臂支架(4)方向平行，2个电机同步协调运动，驱动肘关节做屈伸动作。
5.根据权利要求1所述的一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，所述大臂支架(4)和小臂屈伸连接板(11)之间设置有扭簧(12)，扭簧(12)的两端分别嵌入小臂支架(2)、大臂支架(4)和小臂屈伸连接板(11)。
6.根据权利要求1所述的一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，所述小臂旋转机构包括把手(1)、旋转件(16)、半圆弧型外壳(17)、钢丝(18)、钢丝固定套(19)及导向轮(20)，其中，把手(1)与旋转件(16)相连接，钢丝固定套(19)固定于第二驱动电机的输出轴上，钢丝(18)穿过钢丝固定套(19)后由顶丝压住钢丝，保证钢丝与钢丝套筒固定无滑动；钢丝伸出钢丝固定套(19)的两端分别沿相反方向缠绕数圈后，两端同时穿过小臂支架上的圆孔，经过正对圆孔的一对导向轮(20)的内侧后，沿相反方向张紧于旋转件(16)的导向槽处，钢丝两端最终穿过旋转件(16)两端的圆孔，并由顶丝保持与旋转件(16)固定。
7.根据权利要求1所述的一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，所述钢丝固定套(19)通过顶丝固定在第二驱动电机上，所述第二驱动电机通过电机固定架(8)与小臂支架轴线平行放置。
8.根据权利要求6所述的一种带肌电感知的穿戴式小臂主动康复训练外骨骼装置，其特征在于，所述旋转件(16)和导向轮(20)上均挖有凹槽用于钢丝(18)的纵向固定，使钢丝(18)不发生纵向移动,所述半圆弧型外壳(17)由上下两个壳组成。
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