CN110787024A - 一种采用无动力补偿关节的肩关节康复外骨骼机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用无动力补偿关节的肩部康复外骨骼机构。本发明主要为解决现有人‑机相容型外骨骼的复杂度过高以及补偿关节滞后问题，包括背部支撑件，外骨骼机构和人机连接结构。背部支撑件与外骨骼固接，为外骨骼提供支撑；人机连接结构与人体上臂有两个连接点使得外骨骼上臂与人体上臂保持平行；外骨骼由实现肩关节外展/内收，内旋/外旋和前屈/后伸基础运动的三个旋转关节，基于重力平衡的盂肱关节自适应补偿机构以及被动滑块机构构成。盂肱关节自适应补偿机构在肩关节处提供稳定的支撑力的同时补偿盂肱关节转心在冠状面的浮动，被动滑块机构补偿盂肱关节转心在矢状轴方向上的小范围浮动。

Description

一种采用无动力补偿关节的肩关节康复外骨骼机构
技术领域
本发明涉及康复医疗器械领域，具体涉及一种采用无动力补偿关节的肩关节康复外骨骼机构。
背景技术
肩部允许上肢进行各种日常生活活动，例如进食，管理个人卫生和穿衣，是人体中最常用的关节之一。中风后肩部残疾患者的康复需要反复和渐进的训练，而中风后功能康复的常规治疗方法已证明效果有限，同时为了降低治疗师的劳动力成本，研制和开发面向肩关节运动障碍医疗的康复外骨骼来促进各种强度水平的康复训练具有现实意义。现阶段已开发出具有多个自由度的动力外骨骼来辅助人体上肢的运动。然而在人机交互过程中，患者无法始终完成他们想要的精确运动。上肢关节运动学是非常复杂的，人机初始穿戴偏差和人机关节运动属性差异等使得外骨骼和盂肱关节之间的关节轴线(或转心)偏离会产生约束力，导致超静定和人机不相容，降低机器人辅助训练的可穿戴舒适度和效率。
现阶段盂肱关节转心的补偿主要分为两种方式，大多数外骨骼设备采用额外的主动或被动动力关节来改善人机兼容性。但是过多的动力关节和运动链必定会导致装置复杂，降低驱动力的效率，同时已有实验表明通过被动动力关节补偿盂肱关节转心的浮动时存在平移关节中的滞后现象。还有小部分外骨骼通过轨道引导外骨骼转动中心沿实验拟合出盂肱关节转心的运动轨迹运动，但是补偿效果受到人体各异性以及设计轨道合理性的牵制，不恰当的补偿反而会对患者造成约束和二次受伤。
发明内容
本设计主要为解决现有人-机相容型外骨骼的在盂肱关节转心的补偿过程中使用过多的动力关节和运动链使得外骨骼复杂度过高以及由于关节滞后使得关节补偿能力下降问题。本发明旨在提供一种轻便的肩部康复外骨骼机构，采用无动力机械补偿使得肩关节旋转中心和外骨骼转动中心自适应重合，提高穿戴舒适度。在保证人机相容性的同时降低了外骨骼的复杂度并减少了补偿关节滞后。
为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：
一种采用无动力补偿关节的肩部康复外骨骼机构，包括盂肱关节自适应补偿机构A，外骨骼外展/内收机构B，矢状轴补偿机构C，外骨骼内旋/外旋机构D，外骨骼前屈/后伸机构E，背部支撑件以及两个上臂连接件。外骨骼外展/内收机构B，外骨骼内旋/外旋机构D，外骨骼前屈/后伸机构E实现肩关节外展/内收，内旋/外旋和前屈/后伸三个基础运动；盂肱关节自适应补偿机构A与背部支撑件连接，在肩关节处提供稳定的支撑力的同时补偿盂肱关节转心在冠状面的浮动，矢状轴补偿机构C补偿盂肱关节转心在矢状轴方向上的小范围浮动；人机连接结构与人体上臂有两个连接点使得外骨骼上臂与人体上臂保持平行，最终使人机肩关节转心重合，提高可穿戴舒适度。
所述的盂肱关节自适应补偿机构A由两个平行四边形机构串联而成，包括第一四边形机构、第二四边形机构，其中第一平行四边形机构由第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆依次首尾铰接而成，第一连杆垂直固定在背部支撑件上，第三连杆与平行四边形机构相连，第一弹簧一边连接第一连杆另一边连接第二连杆；第二平行四边形机构由第三连杆、第五连杆、第六连杆和第七连杆依次首尾铰接而成，第六连杆中点与外骨骼外展/内收机构B连接，第二弹簧一边连接第三连杆另一边连接第七连杆；
所述的外骨骼外展/内收机构B由肩关节外展/内收转动副和上臂第一构件串联而成，其中肩关节外展/内收转动副与第六连杆中点连接，上臂第一构件与矢状轴补偿机构C串联，绕肩关节外展/内收转动副做回转运动；
所述的矢状轴补偿机构C由滑块，滑块附件和上臂第二构件串联而成，其中滑块与上臂第一构件连接，上臂第二构件与外骨骼内旋/外旋机构D连接；
所述外骨骼内旋/外旋机构D由肩关节内旋/外旋转动副和上臂第三构件串联而成，其中肩关节内旋/外旋转动副与上臂第二构件连接，上臂第三构件与外骨骼前屈/后伸机构E串联，绕肩关节内旋/外旋转动副做回转运动；
所述外骨骼前屈/后伸机构E由肩关节前屈/后伸转动副和上臂第四构件串联而成，其中肩关节前屈/后伸动副与上臂第三构件连接，上臂第四构件与上臂连接件连接，绕肩关节前屈 /后伸转动副做回转运动。
盂肱关节自适应补偿机构A设计可分为以下步骤：
1)确定各连杆长度，其中运动中一直保持竖直方向的第一连杆、第三连杆和第六连杆的长度为c＝0.1m；第二连杆和第四连杆的长度相同为长度为a＝0.13m；第五连杆和第七连杆的长度相同为b＝0.13m；
2)确定各平行四边形机构的初始角度和转动范围。令是机构中链路i上的单位矢量，其中q1是垂直固定的链。在垂直固定链第一连杆的中点建立定坐标系O0x0y0z0，x0轴与冠状轴平行由胸骨指向体外，y0轴与垂直轴平行向上，z0轴由右手法则确定。在第一连杆和第三连杆中点设立坐标系O1x1y1z1和O2x2y2z2，zi轴与z0轴同向，xi轴与qi-1同向，O3点用以连接肩关节外展/内收转动副。设置平行四边形机构的初始角度为115°，运动范围为0°～70°，平行四边形机构的初始角度为-115°，运动范围为-5°～25°。此时盂肱关节在冠状面上的浮动范围在盂肱关节自适应补偿机构A的运动空间内；
3)确定第一弹簧和第二弹簧的刚度，使得盂肱关节自适应补偿机构A能在O3点提供外骨骼手臂及人体手臂的支撑力。计算可视为理想的零自由长度拉伸弹簧的第一弹簧的弹性势能：
Figure RE-GDA0002230619910000031
计算可视为理想的零自由长度拉伸弹簧的第二弹簧的弹性势能：
Figure RE-GDA0002230619910000032
从参考点O1开始机构和手臂的的总质心的位置矢量q：
Figure RE-GDA0002230619910000033
Figure RE-GDA0002230619910000034
其中m1为平行四边形机构的重力，m2为平行四边形机构的重力，m3为人体手臂及外骨骼手臂的质量。
计算机构和手臂的总重力势能：
Figure RE-GDA0002230619910000035
其中μ＝m1+m2+m3。
将UG，UE1，UE2相加得到系统的总能，根据虚功原理为了保证平行四边形机构在任意角度均保持静平衡，因此得到第一弹簧和第二弹簧的刚度设计表达式：
Figure RE-GDA0002230619910000036
Figure RE-GDA0002230619910000037
4)穿戴前根据不同人体手臂的重量根据3)所示设计的弹簧调整第一弹簧和第二弹簧的刚度，穿戴时先调整外骨骼机构与背部支撑件的连接点，使盂肱关节自适应补偿机构A在初始位置时第六连杆与肩关节外展/内收转动副的连接点O3与人体肩关节转心在同一矢状轴上。
有益效果：
本发明的有益效果在于：
肩关节康复外骨骼在康复训练过程中处于一种低速的工作状态，肩关节自身重力以及转动所需力矩占主导作用，为了使人机运动学形成恰当约束，本发明通过在人机界面引入无动力的被动滑块和被动重力平衡机构，在肩关节处提供稳定的支撑力的同时补偿盂肱关节转心的浮动，使外骨骼与人体上臂形成3-DOF恰运动约束系统，降低了外骨骼的复杂度的同时避免了补偿关节滞后的现象。通过调整弹簧刚度可以提供不同大小的稳定支撑力以适应不同人体的需求。同时盂肱关节自适应补偿机构A和矢状轴补偿机构C可以跟随肩关节转心的运动，因此外骨骼可以适应不同人体、不同抬升角度及不同抬升方式时肩关节转心可到达的任何位置。
附图说明
图1是本发明的肩关节康复外骨骼机构；
图2是本发明的盂肱关节自适应补偿机构；
图3是盂肱关节自适应补偿机构坐标系示意图；
图4是盂肱关节自适应补偿机构对肩关节双侧肱骨时在冠状面内具有相容性的示意图；
图5是盂肱关节自适应补偿机构对肩关节单侧肱骨时在冠状面内具有相容性的示意图。
其中：背部支撑件(1)、肩关节外展/内收转动副(2)、上臂第一构件(3)、滑块(4)、滑块附件(5)、上臂第二构件(6)、肩关节内旋/外旋转动副(7)、上臂第三构件(8)、肩关节前屈/后伸转动副(9)、上臂第四构件(10)、第一上臂连接件(11)、第二上臂连接件(12)、第一四边形机构(13)、第二四边形机构(14)、第一连杆(15)、第二连杆(16)、第一弹簧 (17)、第四连杆(18)、第三连杆(19)、第五连杆(20)、第二弹簧(21)、第七连杆(22)、第六连杆(23)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
如图1-图3所示的一种采用无动力补偿关节的肩部康复外骨骼机构，包括盂肱关节自适应补偿机构A、外骨骼外展/内收机构B、矢状轴补偿机构C、外骨骼内旋/外旋机构D、外骨骼前屈/后伸机构E、背部支撑件(1)以及两个上臂连接件，第一上臂连接件(11)、第二上臂连接件(12)。外骨骼外展/内收机构B，外骨骼内旋/外旋机构D，外骨骼前屈/后伸机构E实现肩关节外展/内收，内旋/外旋和前屈/后伸三个基础运动；盂肱关节自适应补偿机构A与背部支撑件(1)连接，在肩关节处提供稳定的支撑力的同时补偿盂肱关节转心在冠状面的浮动，矢状轴补偿机构C补偿盂肱关节转心在矢状轴方向上的小范围浮动；人机连接结构与人体上臂有两个连接点使得外骨骼上臂与人体上臂保持平行，最终使人机肩关节转心重合，提高可穿戴舒适度。
盂肱关节自适应补偿机构A由两个平行四边形机构串联而成，包括第一四边形机构(13)、第二四边形机构(14)，其中平行四边形机构(13)由第一连杆(15)、第二连杆(16)、第三连杆(19)和第四连杆(18)依次首尾铰接而成，第一连杆(15)垂直固定在背部支撑件上，第三连杆(19)与平行四边形机构(14)相连，第一弹簧(17)一边连接第一连杆(15)另一边连接第二连杆(16)；第二平行四边形机构(14)由第三连杆(19)、第五连杆(20)、第六连杆(23)和第七连杆(22)依次首尾铰接而成，第六连杆(23)中点与外骨骼外展/内收机构(B)连接，第二弹簧(21)一边连接第三连杆(19)另一边连接第七连杆(22)；
外骨骼外展/内收机构B由肩关节外展/内收转动副(2)和上臂第一构件(3)串联而成，其中肩关节外展/内收转动副(2)与第六连杆(23)中点连接，上臂第一构件(3)与矢状轴补偿机构C串联，绕肩关节外展/内收转动副(2)做回转运动；
矢状轴补偿机构C由滑块(4)、滑块附件(5)和上臂第二构件(6)串联而成，其中滑块(4)与上臂第一构件(3)连接，上臂第二构件(6)与外骨骼内旋/外旋机构(D)连接；
外骨骼内旋/外旋机构D由肩关节内旋/外旋转动副(7)和上臂第三构件(8)串联而成，其中肩关节内旋/外旋转动副(7)与上臂第二构件(6)连接，上臂第三构件(8)与外骨骼前屈/后伸机构E串联，绕肩关节内旋/外旋转动副(7)做回转运动；
外骨骼前屈/后伸机构E由肩关节前屈/后伸转动副(9)和上臂第四构件(10)串联而成，其中肩关节前屈/后伸动副(9)与上臂第三构件(8)连接，上臂第四构件(10)与上臂连接件(11)、(12)连接，绕肩关节前屈/后伸转动副(9)做回转运动。
如图1所示，本肩关节康复外骨骼机构包括盂肱关节自适应补偿机构A，外骨骼外展/内收机构B，矢状轴补偿机构C，外骨骼内旋/外旋机构D，外骨骼前屈/后伸机构E，背部支撑件(1)以及两个上臂连接件。外骨骼外展/内收机构B，外骨骼内旋/外旋机构D，外骨骼前屈/后伸机构E实现肩关节外展/内收，内旋/外旋和前屈/后伸三个基础运动；盂肱关节自适应补偿机构A与背部支撑件(1)连接，在肩关节处提供稳定的支撑力的同时补偿盂肱关节转心在冠状面的浮动，矢状轴补偿机构C补偿盂肱关节转心在矢状轴方向上的小范围浮动；人机连接结构与人体上臂有两个连接点使得外骨骼上臂与人体上臂保持平行，最终使人机肩关节转心重合，提高可穿戴舒适度。如图3所示，穿戴前需要根据使用人体的手臂重量按照本说明书方法更换所需刚度的第一弹簧(17)和第二弹簧(21)，穿戴时需要先调整外骨骼机构与背部支撑件(1)的连接点，使盂肱关节自适应补偿机构A在初始位置时第六连杆(23)与肩关节外展/内收转动副(2)的连接点O3与人体肩关节转心在同一矢状轴上，在此过程中允许偏差，然后将两个上臂连接件(11)、(12)与人体上臂相连。
盂肱关节自适应补偿机构A如图2所示，是由两个平行四边形机构(13)、(14)构成的重力平衡机构，根据虚功原理所设计的盂肱关节自适应补偿机构(A)在运动过程中能够实现重力势能和弹簧弹性势能之间的转换使机构总势能恒定，使得平行四边形机构(13)、(14) 在任何位置时都能保证在O3提供稳定的支撑力。同时本发明规定了各平行四边形机构(13)、 (14)的初始角度和转动范围，如图4、5所示，无论肩关节双侧肱骨一起抬升还是只抬升单侧肱骨，不同肩宽人体的盂肱关节在冠状面上的浮动范围均在盂肱关节自适应补偿机构A的运动空间内，能够实现人机相容。
实施例2
实施例1的盂肱关节自适应补偿机构A设计可分为以下步骤：
1)确定各连杆长度，其中运动中一直保持竖直方向的第一连杆(15)、第三连杆(19) 和第六连杆(23)的长度为c＝0.1m；第二连杆(16)和第四连杆(18)的长度相同为长度为 a＝0.13m；第五连杆(20)和第七连杆(22)的长度相同为b＝0.13m；
2)确定各平行四边形机构(13)、(14)的初始角度和转动范围。令是机构中链路i上的单位矢量，其中q1是垂直固定的链。在垂直固定链第一连杆(15)的中点建立定坐标系O0x0y0z0，x0轴与冠状轴平行由胸骨指向体外，y0轴与垂直轴平行向上，z0轴由右手法则确定。在第一连杆(15)和第三连杆(19)中点设立坐标系O1x1y1z1和O2x2y2z2，zi轴与z0轴同向，xi轴与qi-1同向，O3点用以连接肩关节外展/内收转动副。设置平行四边形机构(13) 的初始角度为115°，运动范围为0°～70°，平行四边形机构(14)的初始角度为-115°，运动范围为-5°～25°。此时盂肱关节在冠状面上的浮动范围在盂肱关节自适应补偿机构A的运动空间内；
3)确定第一弹簧(17)和第二弹簧(21)的刚度，使得盂肱关节自适应补偿机构(A)能在O3点提供外骨骼手臂及人体手臂的支撑力。计算第一弹簧(17)的弹性势能：
Figure RE-GDA0002230619910000061
计算第二弹簧(21)的弹性势能：
从参考点O1开始机构和手臂的总质心的位置矢量q：
Figure RE-GDA0002230619910000071
Figure RE-GDA0002230619910000072
其中m1为平行四边形机构(13)的重力，m2为平行四边形机构(14)的重力，m3为人体手臂及外骨骼手臂的质量。
计算机构和手臂的总重力势能：
Figure RE-GDA0002230619910000073
其中μ＝m1+m2+m3。
将UG，UE1，UE2相加得到系统的总能，根据虚功原理为了保证平行四边形机构(13)、(14)在任意角度均保持静平衡，因此得到第一弹簧(17)和第二弹簧(21)的刚度设计表达式：
Figure RE-GDA0002230619910000074
Figure RE-GDA0002230619910000075
4)穿戴前根据不同人体手臂的重量根据2.3所示设计的弹簧调整第一弹簧(17)和第二弹簧(21)刚度，穿戴时需要先调整外骨骼机构与背部支撑件(1)的连接点，使盂肱关节自适应补偿机构A在初始位置时第六连杆(23)与肩关节外展/内收转动副(2)的连接点O3与人体肩关节转心在同一矢状轴上。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种采用无动力自适应补偿关节的肩关节康复外骨骼机构，其特征在于：
包括盂肱关节自适应补偿机构A、外骨骼外展/内收机构B、矢状轴补偿机构C、外骨骼内旋/外旋机构D、外骨骼前屈/后伸机构E、背部支撑件(1)以及两个上臂连接件，上臂连接件包括第一上臂连接件(11)、第二上臂连接件(12)；盂肱关节自适应补偿机构A与背部支撑件(1)连接，矢状轴补偿机构C补偿盂肱关节转心在矢状轴方向上的浮动；人机连接结构与人体上臂有两个连接点；
所述的盂肱关节自适应补偿机构A由两个平行四边形机构串联而成；包括第一四边形机构(13)、第二四边形机构(14)，其中第一平行四边形机构(13)由第一连杆(15)、第二连杆(16)、第三连杆(19)和第四连杆(18)依次首尾铰接而成，第一连杆(15)垂直固定在背部支撑件上，第三连杆(19)与平行四边形机构(14)相连，第一弹簧(17)一边连接第一连杆(15)另一边连接第二连杆(16)；第二平行四边形机构(14)由第三连杆(19)、第五连杆(20)、第六连杆(23)和第七连杆(22)依次首尾铰接而成，第六连杆(23)中点与外骨骼外展/内收机构B连接，第二弹簧(21)一边连接第三连杆(19)另一边连接第七连杆(22)；
所述的外骨骼外展/内收机构B由肩关节外展/内收转动副(2)和上臂第一构件(3)串联而成，其中肩关节外展/内收转动副(2)与第六连杆(23)中点连接，上臂第一构件(3)与矢状轴补偿机构C串联，绕肩关节外展/内收转动副(2)做回转运动；
所述的矢状轴补偿机构C由滑块(4)、滑块附件(5)和上臂第二构件(6)串联而成，其中滑块(4)与上臂第一构件(3)连接，上臂第二构件(6)与外骨骼内旋/外旋机构D连接；
所述外骨骼内旋/外旋机构D由肩关节内旋/外旋转动副(7)和上臂第三构件(8)串联而成，其中肩关节内旋/外旋转动副(7)与上臂第二构件(6)连接，上臂第三构件(8)与外骨骼前屈/后伸机构E串联，绕肩关节内旋/外旋转动副(7)做回转运动；
所述外骨骼前屈/后伸机构E由肩关节前屈/后伸转动副(9)和上臂第四构件(10)串联而成，其中肩关节前屈/后伸动转动副(9)与上臂第三构件(8)连接，上臂第四构件(10)与上臂连接件(11)、(12)连接，绕肩关节前屈/后伸转动副(9)做回转运动。
2.如权利要求1所述的一种采用无动力自适应补偿关节的肩关节康复外骨骼机构，其特征在于：所述的盂肱关节自适应补偿机构A设计方法包括以下步骤：
1)确定各连杆长度，其中运动中一直保持竖直方向的第一连杆(15)、第三连杆(19)和第六连杆(23)的长度为c＝0.1m；第二连杆(16)和第四连杆(18)的长度相同为长度为a＝0.13m；第五连杆(20)和第七连杆(22)的长度相同为b＝0.13m；
2)确定各平行四边形机构(13)、(14)的初始角度和转动范围；令qi是机构中链路i上的单位矢量，其中q1是垂直固定的链；在垂直固定链第一连杆(15)的中点建立定坐标系O0x0y0z0，x0轴与冠状轴平行由胸骨指向体外，y0轴与垂直轴平行向上，z0轴由右手法则确定；在第一连杆(15)和第三连杆(19)中点设立坐标系O1x1y1z1和O2x2y2z2，zi轴与z0轴同向，xi轴与qi-1同向，O3点用以连接肩关节外展/内收转动副；
3)确定第一弹簧(17)和第二弹簧(21)的刚度，计算第一弹簧(17)的弹性势能：
Figure FDA0002108743090000021
计算第二弹簧(21)的弹性势能：
Figure FDA0002108743090000022
从参考点O1开始机构和手臂的的总质心的位置矢量q：
Figure FDA0002108743090000023
Figure FDA0002108743090000024
其中m1为平行四边形机构(13)的重力，m2为平行四边形机构(14)的重力，m3为人体手臂及外骨骼手臂的质量；
计算机构和手臂的总重力势能：
Figure FDA0002108743090000025
其中μ＝m1+m2+m3；
将UG，UE1，UE2相加得到系统的总能，根据虚功原理为了保证平行四边形机构(13)、(14)在任意角度均保持静平衡，因此得到第一弹簧(17)和第二弹簧(21)的刚度设计表达式：
Figure FDA0002108743090000031
Figure FDA0002108743090000032
4)穿戴前根据不同人体手臂的重量，根据3)设计的弹簧调整第一弹簧(17)和第二弹簧(21)刚度，穿戴时先调整外骨骼机构与背部支撑件(1)的连接点，使盂肱关节自适应补偿机构(A)在初始位置时第六连杆(23)与肩关节外展/内收转动副(2)的连接点O3与人体肩关节转心在同一矢状轴上。
3.如权利要求2所述的一种采用无动力自适应补偿关节的肩关节康复外骨骼机构，其特征在于：设置平行四边形机构(13)的初始角度为115°，运动范围为0°～70°，平行四边形机构(14)的初始角度为-115°，运动范围为-5°～25°。
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