CN108836732A - 一种具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复训练外骨骼机构 - Google Patents

一种具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复训练外骨骼机构 Download PDF

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Abstract

一种具有人‑机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复训练机构，主要采用串联的结构形式，包括外骨骼机构、人‑机连接机构和支撑件。外骨骼机构与背后的支撑件固连，且通过人‑机连接机构与人体上肢紧致连接构成人‑机闭链；人‑机连接机构分为上臂连接机构和前臂连接机构，使人‑机闭链具有恰定的约束。外骨骼由肩关节等效机构、肘关节等效机构和前臂、上臂等效构件组成，其中肩关节等效机构和上臂等效构件辅助上臂实现屈/伸、收/展、内/外旋运动；肘关节等效机构和前臂等效构件辅助前臂实现屈/伸运动，前臂连接机构与前臂构件相连，辅助前臂实现旋前/旋后运动；完全允许人‑机轴线存在偏差，且人‑机闭链中不会产生与训练无关的作用力。

Description

一种具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复 训练外骨骼机构
技术领域
本发明涉及康复医疗器械领域，具体涉及一种辅助上肢肩关节和肘关节进行康复训练的具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构。
背景技术
人体上肢在日常生活中(例如：吃饭、刷牙、拿取放置东西、穿衣)扮演着重要的角色。然而，随着人类生活质量的提高，人口老龄化、交通事故、以及先天或后天的疾病缺陷等因素也在随之增加，上肢关节损伤的人数也越来越多，并且上肢损伤的人类群体在年龄上呈现年轻化的趋势，这些问题都在很大程度上影响着更多人的生活质量。因此，当人体上肢任意部位(尤其是肩关节和肘关节)受到损伤时，需要及时针对受损伤的关节进行康复治疗。
根据人体解剖学可知，人体肩关节是一个比较复杂的关节，同时也是人体最灵活的关节，在人类的生活中发挥着不可替代的作用。传统的治疗方式是在专业的康复治疗师的指导下进行一对一的康复训练，这种治疗方式不仅耗时长，价格昂贵，同时医生的主观意识及体力状态在指导过程中经常起到不科学的主导作用，而且如果在一些缺乏专业治疗经验的治疗师的指导下进行康复训练，由于康复训练方式不够准确以及训练强度无法掌控等原因，患者很容易错过最有利的康复治疗时间从而得不到理想的康复效果，更有甚者，一旦病患关节所承受的负担过重或关节动作幅度过大，那么该关节将不可避免地受到二次损伤。医学理论和临床医学证明，上肢损伤患者除了要接受早期的手术治疗和必要的药物治疗外，科学的康复训练对于肢体运动功能的改善和恢复同样至关重要。
因此，为弥补专业人员的不足，降低医师的工作强度，并为患者提供及时有效的医疗服务，自二十世纪九十年代以来，国内外的一些研究机构相继开展了穿戴式上肢康复外骨骼的研制与康复训练技术的研究工作并且取得了很大的进展。
研究结果表明，穿戴式上肢康复外骨骼可以显著减少康复医师的工作强度，该康复外骨骼是典型的人-机一体化系统，使用者穿戴外骨骼后，人体与外骨骼机构构成空间多环闭链机构，训练过程中人体上肢与外骨骼之间通过连接机构的相互作用实现协同运动。因此，要求人-机闭链中不产生与康复训练无关的内部作用力，以避免由此导致的患者体验效果变差以及患肢的二次损伤。因此，设计一个能够较好的解决人机运动相容性问题，使人在康复训练过程中更加自然、更加舒适的上肢康复外骨骼是非常有意义的。
根据人体解剖学可知，人体上肢肩关节为3自由度球窝关节，可以进行上肢的屈/伸、收/展和内旋/外旋运动，上肢前臂具有2个自由度，可以进行前臂的屈/伸和旋前/旋后运动。通过现有技术文献的检索与分析可以看出，目前穿戴式上肢康复外骨骼机构的设计主要基于前述关节属性的运动学仿生，机构与上肢的对应关节具有相等的自由度数目，并通过高副低代进行运动学等效；构件的尺度参照人体上肢骨骼参数确定，或将构件设计成调节式结构；在人-机穿戴连接方式上，外骨骼机构与人体上肢在上臂和前臂之间通过绑带或穿戴形成紧致连接。现有设计的优点是可以获得形式简约的外骨骼机构构型，不足之处是当人-机对应关节轴线出现穿戴偏差时，人-机闭链机构中存在与康复训练无关的内部作用力，易导致患者体验变差甚至出现二次损伤等安全问题。
例如，图4所示的人-机局部闭链机构肩关节闭链，在外骨骼机构与人体上肢直接紧致连接的情况下，当上肢肩关节中心在如图位置时，局部闭链机构具有恰定的自由度，人体上肢与外骨骼机构运动相容，故康复训练过程中人-机之间不存在与康复训练无关的内部作用力，且由于五杆并联机构(12)能够追随肩关节转心运动，适应肩关节转心的位置变化，所以，当实际穿戴时，外骨骼仍然能够适应肩关节转心可达的任意位置，于是，人-机闭链机构内部也不会产生与康复训练无关的内部作用力，能够有效避免二次损伤等安全问题。
发明内容
该穿戴机构是出于对人-机运动相容性问题的仔细考虑而设计出来的，本发明的目的在于提供一种轻便的、低成本的具有人-机运动相容性以及重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构，这种机构即使在穿戴时也完全允许人-机之间存在正确连接情况下产生的关节轴线偏差，且在人-机闭链机构中不会产生与康复无关的内部作用力，有助于患者优质的体验，提高上肢康复训练的安全性、舒适性及康复训练的效率和效果。
本发明的技术方案：
一种具有人-机运动相容性以及重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构，包括肩关节等效机构(A)、上臂等效机构(B)、肘关节等效机构(C)、前臂构件(30)、上臂连接机构(D)、前臂连接机构(E)、支撑件(1)以及两个平衡机构(15)(29)，其特征在于肩关节等效机构(A)、上臂等效机构(B)、肘关节等效机构(C)和前臂构件(30)以及两个平衡机构(15)(29)构成具有重力平衡特性的上肢外骨骼机构，上臂连接机构(D)和前臂连接机构(E)构成人-机连接机构，外骨骼机构与支撑件(1)固连，且通过人-机连接机构与人体上臂(F)和前臂(G)紧致连接构成具有人-机运动相容性以及重力平衡特性的上肢康复系统。
所述的肩关节等效机构(A)由2自由度的五杆并联机构(12)、第三转动副连接件(13)、上臂屈/伸转动副(14)依次串联组成。其中第三转动副连接件(13)一端与五杆并联机构的第三转动副(7)同轴心连接，另一端与上臂屈/伸转动副(14)连接；五杆并联机构(12)由第一杆件(2)、第二杆件(4)、第三杆件(6)、第四杆件(8)、第五杆件(10)和第一转动副(3)、第二转动副(5)、第三转动副(7)、第四转动副(9)、第五转动副(11)首尾连接组成，并与支撑件(1)相连，布置在水平面内，通过第一杆件(2)与支撑件(1)固连，在人体上肢运动过程中，其第三转动副(7)能够追踪自适应人体肩关节转心在水平面内的移动，实现位置上的补偿，增加患者的体验舒适度，避免患者肩关节的二次损伤。
所述的上臂等效机构(B)由两个相互平行的杆件上臂第一构件(16)和上臂第二构件(17)一端分别连接上臂屈/伸转动副(14)，另一端与屈/伸转动副(18)连接而组成平行四边形机构；
根据权利要求1所述的具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构，其特征在于：所述的上臂连接机构(D))由上臂移动副(22)、上臂移动副连接件(23)、上臂内/外旋转动副(20)和上臂绑带(21)依次串联组成，其中上臂移动副连接件(23)一端与上臂移动副(22)相连，并沿着上臂移动副(22)移动，另一端与上臂内/外旋转动副(20)连接，上臂移动副(22)位于上臂第二杆件(17)的末端，上臂绑带(21)与上臂内/外旋转动副(20)相连，穿戴于上臂(F)的末端，并带动上臂(F)绕上臂内/外旋转动副(20)回转中心做回转运动。
所述的肘关节等效机构(C)由两个前臂屈/伸转动副(24)(26)、前臂屈/伸转动副连接件(25)、前臂抬升转动副(28)、前臂屈/伸转动副与抬升转动副连接件(27)组成，其中前臂屈/伸转动副(24)(26)和前臂抬升转动副(28)呈转动副轴线垂直布置，前臂抬升转动副(28)和前臂旋前/旋后转动副(33)呈转动副轴线垂直布置。人体上肢前臂为2自由度，理论上，根据仿生学考虑，外骨骼肘关节也应该具有与人体肘关节同等的自由度数目，但是，人-机关节运动属性的差异和人体穿戴外骨骼时，人-机连接位姿的偏差等因素，都对人-机相容性产生了影响，所以，考虑在人机连接环节中增加连接关节，避免康复训练过程中，人-机闭链中产生多余的力/矩，实现人-机运动的完全相容。图3(a)的肘关节等效原理图，为五杆机构(3个转动副，2个移动副，外骨骼3个杆件，人体上臂及前臂等效为2个杆件)，该等效五杆并联机构具有自适应追踪人体肘关节转心(H)的作用，实现肘关节在平面内具有人-机运动相容的目的。图3(b)为增加前臂抬升转动副，使得肘关节不只在平面内具有运动相容性，在空间内同样具有人-机运动相容性，在更大程度上防止了患者受到二次损伤。
根据权利要求1所述的具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构，其特征在于：所述的前臂连接机构(E))由前臂移动副(31)、前臂移动副连接件(32)、前臂旋前/旋后转动副(33)和前臂绑带(34)依次串联组成，其中前臂移动副连接件(32)一端与前臂移动副(31)相连，并沿着前臂移动副(31)移动，另一端与前臂旋前/旋后转动副(33)连接，前臂移动副(31)位于前臂构件(30)的末端，前臂绑带(34)与前臂旋前/旋后转动副(33)相连，穿戴于前臂(G)的近腕端，并与前臂(G)共同绕前臂旋前/旋后转动副(33)回转中心做回转运动。
为了增强上肢康复训练的功能，在本上肢康复外骨骼机构技术方案的基础上，在外骨骼机构的末端添加腕部屈-伸和收/展运动，或其中任何一种运动，也属于本上肢康复外骨骼机构技术方案所涵盖的范围。
本发明的有益效果：上肢康复外骨骼机构通过人-机连接机构与人体上肢紧致连接，即使在实际穿戴训练过程中，所构成的人-机闭链机构中也不会产生与康复训练无关的内部作用力，明显助于提高了上肢康复训练的安全性及康复训练的效果。
附图说明
图1为本发明的上肢康复外骨骼机构；
图2肩关节外骨骼无偏差穿戴示意图；
图3(a)为增加抬升转动副前肘关节仅在平面内具有相容性的示意图；
图3(b)为增加抬升转动副后肘关节在空间内具有相容性的示意图；
图4为本发明外骨骼穿戴示意图；
图5为上臂平衡机构原理简图；
图6为前臂平衡机构原理简图；
图中：A、肩关节等效机构，B、上臂等效机构，C、肘关节等效机构，D、上臂连接机构，E、前臂连接机构，F、人体上臂，G、人体前臂，H、人体肘关节，1、支撑件，2、第一杆件，3、第一转动副，4、第二杆件，5、第二转动副，6、第三杆件，7、第三转动副，8、第四杆件，9、第四转动副，10、第五杆件，11、第五转动副，12、五杆并联机构，13、第三转动副连接件，14、上臂屈/伸转动副，15、第一平衡机构，15-1、第一直线运动单元，15-2、第一可调固定单元，15-3、第一弹簧，15-4、第一钢丝绳，15-5、第一滑轮，16、上臂第一构件，17、上臂第二构件，18、屈/伸转动副，19、肘关节连接件，20、上臂内/外旋转动副，21、上臂绑带，22、上臂移动副，23、上臂移动副连接件，24、前臂屈/伸第一转动副，25、前臂屈/伸转动副连接件，26、前臂屈/伸第二转动副，27、前臂屈/伸转动副与抬升转动副连接件，28、前臂抬升转动副，29、第二平衡机构，29-1、第二直线运动单元，29-2、第二可调固定单元，29-3、第二弹簧，29-4、第二钢丝绳，29-5、第二滑轮，30、前臂构件，31、前臂移动副，32、前臂移动副连接件，33、前臂旋前/旋后转动副，34、前臂绑带。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，该上肢康复外骨骼机构包括肩关节等效机构(A)、上臂等效机构(B)、肘关节等效机构(C)、前臂构件(30)、上臂连接机构(D)、前臂连接机构(E)、支撑件(1)以及两个重力平衡机构(15)(29)，其中肩关节等效机构(A)、上臂等效机构(B)、肘关节等效机构(C)和前臂构件(30)以及两个平衡机构(15)(29)构成具有重力平衡特性的上肢外骨骼机构，上臂连接机构(D)和前臂连接机构(E)构成人-机连接机构，外骨骼机构通过五杆并联机构(12)中的第一杆件(2)与支撑件(1)固连以支撑外骨骼机构的重量，并通过人-机连接机构与人体上臂(F)和前臂(G)紧致连接构成具有人-机运动相容性以及重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构。穿戴时，只需将外骨骼机构调至适当的高度，使肩关节等效机构(A)中的上臂屈/伸转动副(14)的轴线通过人体肩关节中心，在此允许存在偏差；然后把上臂绑带(21)和前臂绑带(34)分别紧致绑接于人体患肢的上臂(F)的近肘端和前臂(G)的近腕端，以辅助上肢运动，实现康复训练的目的。
更详细的说明：首先，有必要说明，该上肢康复训练系统利用弹簧的储能特性，实现对人-机系统的完全重力平衡或部分重力平衡，通过调节弹簧的初始拉伸变形量，改变人体上肢所承受的人-机系统的重力比例，达到人体上肢驱动康复外骨骼协同运动的目的，最终实现康复训练的目的。而且，通过采用可调固定单元调节机制，使得该平衡机构具有了无级调节的特点，同时也使其具有了较大的平衡范围，解决了弹簧安装或更换不方便的问题。进行康复训练之前，按正确的方法将该康复训练机构穿戴于人体患肢，构成具有人-机运动相容性的上肢康复训练系统。第一阶段：完全辅助康复训练。在该阶段，通过调节可调固定单元旋钮改变弹簧初始拉伸变形量，使平衡机构恰能完全平衡外骨骼及人体上肢的重力，此时，仅仅需要患者使用些许的力量就能驱动外骨骼运动，实现协同运动训练的目的。第二阶段：持续辅助康复训练。待患者通过第一阶段的康复训练恢复部分的力量后，参照患者力量获得情况，调节可调固定单元，缩短弹簧的初始拉伸变形量，达到平衡外骨骼重力和人体上肢部分重力的目的，实现再次平衡，再继续进行康复训练。之后，持续、多次调节缩短弹簧初始拉伸变形量，减少对人-机系统重力的平衡，直至平衡机构提供的力仅仅能够平衡外骨骼的重力(这表明，患者已经获得了足够的力量、有能力维持自身患肢的运动)。最后，考虑训练需要以及患者训练的目的，可以继续调节可调旋钮，缩短弹簧的初始拉伸变形量，减少对外骨骼重力的平衡，增加患肢负重，继续进行康复训练至正常状态，甚至可以实现负重健身训练的目的，直至取消对人-机康复训练系统的重力平衡。

Claims (2)

1.一种具有人-机运动相容性以及无源重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构，其特征在于：包括肩关节等效机构(A)、上臂等效机构(B)、肘关节等效机构(C)、前臂构件(30)、上臂连接机构(D)、前臂连接机构(E)、支撑件(1)以及两个平衡机构，肩关节等效机构(A)、上臂等效机构(B)、肘关节等效机构(C)和前臂构件(30)以及两个平衡机构构成具有无源重力平衡特性的上肢外骨骼机构，上臂连接机构(D)和前臂连接机构(E)构成人-机连接机构，外骨骼机构与支撑件(1)固连，且通过人-机连接机构与人体上臂(F)和人体前臂(G)紧致连接构成具有人-机运动相容性以及无源重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构；
所述的肩关节等效机构(A)由2自由度的五杆并联机构(12)、第三转动副连接件(13)、上臂屈/伸转动副(14)依次串联组成；其中五杆并联机构(12)由第一杆件(2)、第二杆件(4)、第三杆件(6)、第四杆件(8)、第五杆件(10)和第一转动副(3)、第二转动副(5)、第三转动副(7)、第四转动副(9)、第五转动副(11)首尾连接组成，布置在水平面内，并通过第一杆件(2)与支撑件(1)相连，第三转动副连接件(13)一端与五杆并联机构的第三转动副(7)同轴心连接，另一端与上臂屈/伸转动副(14)连接；
所述的上臂等效机构(B)由两个相互平行的杆件上臂第一构件(16)和上臂第二构件(17)一端分别连接上臂屈/伸转动副(14)，另一端与屈/伸转动副(18)连接而组成平行四边形机构；
所述的上臂连接机构(D)由上臂移动副(22)、上臂移动副连接件(23)、上臂内/外旋转动副(20)和上臂绑带(21)依次串联组成，其中上臂移动副连接件(23)一端与上臂移动副(22)相连，并沿着上臂移动副(22)移动，另一端与上臂内/外旋转动副(20)连接，上臂移动副(22)位于上臂第二构件(17)的末端，上臂绑带(21)与上臂内/外旋转动副(20)相连，绕上臂内/外旋转动副(20)回转中心做回转运动，并紧致穿戴于上臂(F)的末端；
所述的肘关节等效机构(C)由两个前臂屈/伸转动副(24)(26)、前臂屈/伸转动副连接件(25)、前臂抬升转动副(28)、前臂屈/伸转动副与抬升转动副连接件(27)组成，其中前臂屈/伸转动副(24)(26)和前臂抬升转动副(28)呈转动副轴线垂直布置，前臂抬升转动副(28)和前臂旋前/旋后转动副(33)呈转动副轴线垂直布置；
所述的前臂连接机构(E)由前臂移动副(31)、前臂移动副连接件(32)、前臂旋前/旋后转动副(33)及前臂绑带(34)依次串联组成，其中前臂移动副(31)与前臂构件(30)相连，位于前臂构件(30)的末端，前臂构件(30)与前臂抬升转动副(28)相连；前臂移动副连接件(32)一端与前臂移动副(31)连接，沿前臂移动副(31)移动，另一端与前臂旋前/旋后转动副(33)相连，前臂绑带(34)绕前臂旋前/旋后转动副(33)转动，并紧致穿戴于前臂(G)的近腕端。
2.根据权利要求1所述的具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复外骨骼机构，其特征在于：所述的两个重力平衡机构均是由弹簧、钢丝绳、滑轮、直线运动单元及可调固定单元组成，钢丝绳一端固定，另一端绕过滑轮连接在弹簧的一端，弹簧另一端连接可调固定单元，并布置于直线运动单元内，直线运动单元垂直指向滑轮轴心线；同时，通过采用可调固定单元，能够控制及改变弹簧的初始拉伸变形量；当患者穿戴外骨骼进行康复训练时，重力平衡元件通过自身的储能特性补偿外骨骼自身重力对人体的作用，并可以辅助肢体进行有效的康复训练，第一平衡机构(15)用来平衡外骨骼整体的重力，第二平衡机构(29)用来平衡前臂外骨骼的重力。
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