CN109567988A - 一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，包括基座、上假肢、信号显示处理装置和扭矩信号采集放大装置，所述上假肢包括肩部、上臂、肘部等，所述肩部和肘部均采用带静态扭矩传感器的可调阻抗旋转关节，所述肩部、上臂和手部上均设置有惯性测量单元；所述扭矩信号采集放大装置用于收集各静态扭矩传感器的扭矩信号；所述信号显示处理装置用于接收各惯性测量单元反馈的信息、各关节部位的旋转运动阻抗信息进行预处理和显示，得到上假肢的运动参数。本发明可作为面向康复设备开发和试验代替人体的仿真上假肢，通过改变关节的阻抗模拟偏瘫患者上肢的不同肌力等级，并借助测量系统实时准确地捕获上假肢的运动状态，便于康复设备的调试和试验。
Description
技术领域
本发明涉及偏瘫患者医疗康复领域，具体涉及一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置。
背景技术
人因为中风偏瘫等疾病、交通事故、运动创伤等原因造成肢体出现异常，很多情况下需要各种方式进行康复，随之而来的是各种康复设备的开发与试验。今年来康复设备的研究逐渐受到关注，但目前国内的康复领域仍处于起步阶段，康复设备的开发和试验阶段的装置具有不确定性，直接由病患或正常人进行测试具有危险性，并且难以从人体肢体上客观准确地获取其运动状态。故提出一种机械式人体上肢假肢模拟不同肌力等级下的患者上肢，并通过上面的传感器实时捕获假肢的运动状态。本发明主要服务于面向偏瘫患者或者其他原因造成的的上肢运动功能受损的康复设备的开发，用于模拟不同康复阶段具有不同肌力水平的上肢。目前，还没有发现与本发明类似的方法或装置用于模拟不同肌力水平的人体上肢假肢。
发明内容
有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，作为面向康复设备开发和试验代替人体的仿真上假肢，上假肢5个主要自由度，具有可调的恒定运动阻抗模拟不同肌力水平的患者偏瘫上肢，并借助测量系统实时客观准确地捕获上肢的运动状态。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，包括基座、安装设置在所述基座上端的上假肢，所述上假肢包括肩部、上臂、肘部、前臂和手部，还包括：信号显示处理装置和扭矩信号采集放大装置；所述肩部和肘部均采用设置有静态扭矩传感器13的可调阻抗旋转关节，所述肩部、上臂和手部上均设置有惯性测量单元；所述扭矩信号采集放大装置用于收集并放大各静态扭矩传感器的扭矩信号传输至信号显示处理装置；所述信号显示处理装置用于对接收的各惯性测量单元反馈的运动信息、各关节部位的旋转运动阻抗信息进行预处理和显示，并通过姿态解算得到上假肢的运动参数。
进一步地，所述的可调阻抗旋转关节包括关节支架、设置在所述关节支架上的旋转关节、设置在所述关节支架一端的关节旋转阻力调节装置
进一步地，所述的关节旋转阻力调节装置包括依次设置在关节旋转轴上且紧贴所述关节支架端面的橡胶垫片和对顶螺母，本方案通过旋转具有自锁作用的对顶螺母达到调节近恒定旋转阻力的效果，本方案结构简单，调节方便可靠。
进一步地，所述的可调阻抗旋转关节还设置有旋转角度限位结构，所述旋转角度限位结构包括设置在所述关节支架上的圆弧槽、位于所述圆弧槽内且与旋转关节的旋转轴同步运动的限位螺栓，本方案通过关节连接处的圆弧槽限制关节旋转的范围，从而反应不同人体上肢关节范围的真实情况。
进一步地，各所述的可调阻抗旋转关节之间均通过长度可调的刚性调节杆依次连接，本方案通过长度可调，从而满足不同上肢长度的肢模拟需求。
进一步地，所述的刚性调节杆包括依次连接的底部伸缩杆、顶部伸缩杆、关节旋转架，底部伸缩杆、顶部伸缩杆上均设置有滑动槽，所述的滑动槽内设置有锁定所述底部伸缩杆、顶部伸缩杆相对位置的调节螺栓，本方案结构简单、调节方便可靠。
进一步地，所述的基座包括底板，所述底板上竖直设置有顶端高度可调的升降立柱，所述升降立柱顶端设置有支撑横梁，所述支撑横梁上设置有安装并调节肩部宽度的安装槽，本方案可实现对不同人肩高和肩宽的模拟，满足不同需求。
进一步地，所述的肩部具有三自由度，包括依次连接的肩部屈伸可调阻抗旋转关节、肩部外展可调阻抗旋转关节、肩部内外旋可调阻抗旋转关节；所述的肘部具有两自由度，包括依次连接的肘部屈伸可调阻抗旋转关节、肘部内外旋可调阻抗旋转关节。本方案保留了上肢的五个关节自由度，最大限度保留了上肢的活动空间和形态，实际实施时也可根据需要增减相应的关节自由度。
进一步地，所述的各静态扭矩传感器、惯性测量单元、信号显示处理装置、扭矩信号采集放大装置之间均通过无线方式进行数据传输，从而简化了布线、维护和安装。
进一步地，所述的惯性测量单元内置有蓝牙模块；所述的扭矩信号采集放大装置采用DAQ数据采集系统，按照预设的频率实时采集各静态扭矩传感器的信号并通过路由器无线传输至所述信号显示处理装置。
与现有技术比较，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明保留了上肢的五个关节自由度，最大限度保留了上肢的活动空间和形态，同时结构简单直观，关节处设有圆弧槽的角度限位结构，符合人体上肢关节范围的真实情况；为模拟不同康复阶段病人的不同肌力水平的上肢，设计的假肢各关节的运动阻抗可以进行调节，使其组抗力恒定并且可调，调节结构简单有效；假肢的上臂和前臂长度可调，升降式基座高度以及肩宽可调，满足不同需求；通过布置在上肢假肢上的传感器准确地实时捕获各关节的旋转阻抗扭矩以及假肢的运动状态；本发明实现了模拟不同康复阶段具有不同肌力水平的上肢，方便于康复设备的开发和试验测试。
附图说明
图1为一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置的整体结构示意图。
图2为本发明的可调阻抗旋转关节结构示意图。
图3为本发明的刚性调节杆结构示意图。
其中： 1-信号显示处理装置；2-扭矩信号采集放大装置；3-基座；4-肩部惯性测量单元；5-肩部屈伸可调阻抗旋转关节；6-肩部外展可调阻抗旋转关节；7-肩部内外旋可调阻抗旋转关节；8-假肢外壳；9-上臂惯性测量单元；10-肘部屈伸可调阻抗旋转关节；11-肘部自旋静态扭矩传感器；12-手部惯性测量单元；13-静态扭矩传感器；14-关节支架；15-橡胶垫片；16-对顶螺母；17-限位螺栓；18-底部伸缩杆；19-顶部伸缩杆；20-调节螺栓；21-关节旋转架。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
如图1所述，一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，包括基座3、安装设置在所述基座3上端的上假肢、信号显示处理装置1和扭矩信号采集放大装置2，所述上假肢包括肩部、上臂、肘部、前臂和手部，所述肩部、上臂和手部上均设置有惯性测量单元，包括肩部惯性测量单元4、上臂惯性测量单元9、手部惯性测量单元12，实时捕获上假肢对应部分的运动状态并反馈给信号显示处理装置1；所述的基座3为可拆卸式，包括底板，所述底板上竖直设置有顶端高度可调的升降立柱，所述升降立柱顶端设置有支撑横梁，所述升降立柱通过滑动槽和双螺纹固定的方式实现升降，所述支撑横梁上设置有安装并调节肩部宽度的安装槽和肩部惯性测量单元4，可上下、左右调节上假肢的安装高度和肩宽，实现对不同肩高和肩宽的模拟，满足不同需求。
所述的肩部和肘部共包括五个可绕轴线旋转的可调阻抗旋转关节，共五个自由度，其中，所述肩部具有内屈/外展、 前伸/后摆、 旋内/旋外三自由度，包括依次连接的肩部屈伸可调阻抗旋转关节5、肩部外展可调阻抗旋转关节6、肩部内外旋可调阻抗旋转关节7；所述的肘部具有内屈/外展、 旋内/旋外两自由度，包括依次连接的肘部屈伸可调阻抗旋转关节10、肘部内外旋可调阻抗旋转关节。本实施例保留了上肢的五个关节自由度，最大限度保留了上肢的活动空间和形态，实际实施时也可根据需要增减相应的关节自由度。所述的肩部屈伸可调阻抗旋转关节5、肩部外展可调阻抗旋转关节6、肩部内外旋可调阻抗旋转关节7、肘部屈伸可调阻抗旋转关节10、肘部内外旋可调阻抗旋转关节上均设置有静态扭矩传感器13。另外，各个关节的外壳和假手包覆有假肢外壳8，用以放置惯性测量单元、收束走线，可根据外界的需求进行相应的调整，其中上臂惯性测量单元9和手部惯性测量单元12就分别放置在包覆上臂和手部的假肢外壳8上。
所述扭矩信号采集放大装置2用于收集并放大各静态扭矩传感器的扭矩信号传输至信号显示处理装置1；所述信号显示处理装置1对放大的关节扭矩信号进行滤波去噪并显示，通过扭矩扳手和所测信号大小进行标定和划分等级；所述信号显示处理装置1同时将从各惯性测量单元反馈的运动数据进行姿态计算，即通过坐标变换和D-H法来计算得到上肢肢的运动参数。
如图2所示，所述的可调阻抗旋转关节包括关节支架14、设置在所述关节支架14上的旋转关节、设置在所述关节支架14一端的关节旋转阻力调节装置，所述的关节旋转阻力调节装置包括依次设置在关节旋转轴上且紧贴所述关节支架14端面的橡胶垫片15和对顶螺母16，本方案通过旋转具有自锁作用的对顶螺母达到调节近恒定旋转阻力的效果，本方案结构简单，调节方便可靠。
所述的可调阻抗旋转关节还设置有旋转角度限位结构，所述旋转角度限位结构包括设置在所述关节支架14上的圆弧槽、位于所述圆弧槽内且与旋转关节的旋转轴同步运动的限位螺栓17，本方案通过关节连接处的圆弧槽限制关节旋转的范围，从而反应不同人体上肢关节范围的真实情况。
如图3所示，各所述的可调阻抗旋转关节之间均通过长度可调的刚性调节杆依次连接，所述的刚性调节杆包括依次连接的底部伸缩杆18、顶部伸缩杆19、关节旋转架21，底部伸缩杆18、顶部伸缩杆19上均设置有滑动槽，所述的滑动槽内设置有锁定所述底部伸缩杆18、顶部伸缩杆19相对位置的调节螺栓20，本方案，本实施例可以自由调节长度，从而满足不同上肢长度的模拟需求，结构简单、调节方便可靠。
所述的各静态扭矩传感器13、惯性测量单元、信号显示处理装置1、扭矩信号采集放大装置2之间均通过无线方式进行数据传输，从而简化了布线、维护和安装。其中，所述的惯性测量单元内置有蓝牙模块，从而将捕获的上肢对应部分的角度、角速度、角加速度等数据通过蓝牙模块发送给信号显示处理装置1进行假肢的运动姿态的解算处理，得到假肢的运动状态。所述的扭矩信号采集放大装置2采用DAQ数据采集系统，按照预设的频率实时采集各静态扭矩传感器13的信号并通过路由器无线传输至所述信号显示处理装置1。
具体地，所述的信号显示处理装置1为个人计算机，以LABVIEW为开发平台，处理各静态扭矩传感器和惯性测量单元反馈的数据，滤波去噪、计算后得到上假肢的运动参数和运动阻抗并予以显示。
上述实施例的所述可调阻抗旋转关节模拟人体手臂不同的肌力水平，通过调节具有自锁作用的所述对顶螺母16来对所述橡胶垫片15形成一个恒定的正压力源，各所述静态扭矩传感器13通过轴承与所述关节支架14相连，由于对所述顶螺母施加16的压力，在旋转时有稳定的摩檫力，模拟对应的肌力等级；所述旋转角度限位结构通过关节支架14的圆弧槽和限位螺栓17来控制关节的旋转范围，改变圆弧槽的长度即可改变角度活动范围；所述静态扭矩传感器13实时采集关节所受的扭矩并反馈给扭矩信号采集放大装置2。
本发明主要作为面向康复设备开发和试验代替人体的仿真上假肢，肩宽、上肢长度、肩高均可以灵活调节，同时，通过螺栓调节松紧力改变各关节的阻抗，从而达到模拟偏瘫患者上肢的不同肌力等级，并借助测量系统实时客观、准确地捕获上肢的运动状态，便于康复设备的调试和试验，具有较高的实用价值。
需要说明的是，上述实施方式不是用来限制发明的实施与权利范围，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，包括基座(3)、安装设置在所述基座(3)上端的上假肢，所述上假肢包括肩部、上臂、肘部、前臂和手部，其特征在于：还包括：
信号显示处理装置(1)、扭矩信号采集放大装置(2)；所述肩部和肘部均采用设置有静态扭矩传感器(13)的可调阻抗旋转关节，所述肩部、上臂和手部上均设置有惯性测量单元；所述扭矩信号采集放大装置(2)用于收集并放大各静态扭矩传感器的扭矩信号传输至信号显示处理装置(1)；所述信号显示处理装置(1)用于对接收的各惯性测量单元反馈的运动信息、各关节部位的旋转运动阻抗信息进行预处理和显示，并通过姿态解算得到上假肢的运动参数。
2.根据权利要求1所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的可调阻抗旋转关节包括关节支架(14)、设置在所述关节支架(14)上的旋转关节、设置在所述关节支架(14)一端的关节旋转阻力调节装置。
3.根据权利要求2所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的关节旋转阻力调节装置包括依次设置在关节旋转轴上且紧贴所述关节支架(14)端面的橡胶垫片(15)和对顶螺母(16)。
4.根据权利要求3所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的可调阻抗旋转关节还设置有旋转角度限位结构，所述旋转角度限位结构包括设置在所述关节支架(14)上的圆弧槽、位于所述圆弧槽内且与旋转关节的旋转轴同步运动的限位螺栓(17)。
5.根据权利要求1所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：各所述的可调阻抗旋转关节之间均通过长度可调的刚性调节杆依次连接。
6.根据权利要求5所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的刚性调节杆包括依次连接的底部伸缩杆(18)、顶部伸缩杆(19)、关节旋转架(21)，底部伸缩杆(18)、顶部伸缩杆(19)上均设置有滑动槽，所述的滑动槽内设置有锁定所述底部伸缩杆(18)、顶部伸缩杆(19)相对位置的调节螺栓(20)。
7.根据权利要求1所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的基座(3)包括底板，所述底板上竖直设置有顶端高度可调的升降立柱，所述升降立柱顶端设置有支撑横梁，所述支撑横梁上设置有安装并调节肩部宽度的安装槽。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的肩部具有三自由度，包括依次连接的肩部屈伸可调阻抗旋转关节(5)、肩部外展可调阻抗旋转关节(6)、肩部内外旋可调阻抗旋转关节(7)；所述的肘部具有两自由度，包括依次连接的肘部屈伸可调阻抗旋转关节(10)、肘部内外旋可调阻抗旋转关节。
9.根据权利要求1所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的各静态扭矩传感器(13)、惯性测量单元、信号显示处理装置(1)、扭矩信号采集放大装置(2)之间均通过无线方式进行数据传输。
10.根据权利要求9所述的模拟肌力分级的人体上肢假肢装置，其特征在于：所述的惯性测量单元内置有蓝牙模块；所述的扭矩信号采集放大装置(2)采用DAQ数据采集系统，按照预设的频率实时采集各静态扭矩传感器(13)的信号并通过路由器无线传输至所述信号显示处理装置(1)。
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