CN110812124A - 一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，属于康复机器人技术领域。本系统由肩部组件、上臂组件、前臂腕部组件、气动人工肌肉及相关传感器组成，由气动人工肌肉驱动鲍登线实现穿戴者肘部的伸缩运动，前臂旋转运动和腕部伸缩运动。三组组件依次穿戴在使用者上肢，由缝合在各组组件固定带上的魔术贴粘合固定，各组件之间有绑带连接。肌电传感器、编码器以及超弹性压力传感器固定在相应位置，实时检测穿戴者的运动信息并反馈。本发明设计的一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统较传统的康复机器人增加了上肢关节的康复运动，人机兼容性更好，能够提高康复训练的效果。

Description

一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统
技术领域
本发明涉及一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，属于康复机器人技术领域。
背景技术
外骨骼机器人是一种穿戴在人身体外部的智能机电装备。自从1990年明尼苏达大学开发了第一套上肢外骨骼装置以来，上肢外骨骼机器人的功能从最初的提高人类肢体强度到现在的提供医疗康复、能量辅助和力量增强。通过检测穿戴者的状态与运动意图，外骨骼机器人能够将穿戴者自身的意识与机电装置产生的动力结合起来，同人体形成一个闭环的人机一体化系统，使穿戴者能够在自身的意识控制下通过装备完成很多原本艰难或者无法完成的活动，进行正常的日常活动或医疗康复。
由于人口老龄化、心血管疾病、环境恶化、交通事故、意外伤害等原因，近年来我国残疾人的数量迅速增多。尤其随着社会老龄化的发展，许多老年人都存在行动不便的情况，甚至丧失了生活自理能力，需要长期依赖医疗康复并由专人照顾生活起居。此外，目前中国的医疗康复机器人市场大部分被外国品牌占领，病人更无法负担昂贵的医疗康复器械费用。
目前的上肢康复训练装置主要是多自由度的牵引式/悬挂式机器人，近年来穿戴式康复机器人即外骨骼机器人异军突起。传统的牵引式康复机器人采用连杆式机构依附在肢体上带动肢体运动，由于采用的刚性连杆，会使得机器人的牵引运动和人体上肢运动发生干涉，使得康复运动的柔顺性、安全性降低。新兴的穿戴式机器人驱动方式多为电机驱动，采用线牵引的方式，一般只能实现肘部伸缩运动或肩部外展/内缩运动，系统笨重、柔顺性较差、不适合穿戴、康复运动单一。
本发明为一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，具有重量轻、方便穿戴、柔顺性高、安全性好、康复运动多样、符合人体工学、成本低等优点。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，该机器人结构简单轻巧，符合人体工学，柔顺性和仿生性较好。
为达到上述目的，本发明解决上述问题的技术方案是：
一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，由肩部组件，上臂组件、前臂腕部组件、气动人工肌肉及相关传感器组成。左右臂具有对称的相同结构，故下面仅以左臂为例说明。其特征在于：左臂结构如下：
1)所述肩部组件由管路固定装置、肩部包覆层、连接带、连接环、绑带、胸廓固定带、超弹性压力传感器组成，穿戴在使用者肩部，管路固定装置、连接带、连接环、绑带、胸廓固定带都固定在肩部包覆层上，胸廓固定带绕过使用者胸廓并由内侧魔术贴粘合固定；超弹性压力传感器固定在肩部包覆层内层；管路固定装置用来固定气泵和人工肌肉之间的气管。
2)所述上臂组件由连接环、连接带、上臂包覆层、固定滑槽组、下端连接带、连接环、可调固定带、超弹性压力传感器及肌电传感器组成，其特征在于连接环、连接带、下端连接带、连接环、可调固定带都固定在上臂包覆层上，上臂组件通过三组连接带、连接环和绑带与肩部组件连接；上臂包覆层穿戴在上臂，可调固定带绕过上臂通过内侧魔术贴粘合固定；肌电传感器固定在上臂包覆层内层，超弹性压力传感器固定在可调固定带内侧；固定滑槽组固定在上臂包覆层上，由固定滑槽和异形滑块组成，异形滑块分别与气动肌肉和鲍登线连接，并可沿固定滑槽上下移动；下端连接带和连接环通过绑带与前臂腕部组件连接。
3)所述前臂腕部组件包括前臂腕部包覆层、前臂固定带、前臂左侧固定卡扣、腕部固定带、手掌固定带、调线器、前臂右侧固定卡扣、前臂下方固定卡扣、手掌上侧固定卡扣、手掌下侧固定卡扣、肌电传感器，其特征在于前臂腕部包覆层通过前臂固定带、腕部固定带和手掌固定带固定在使用者前臂和腕部；鲍登线分别绕过前臂左侧固定卡扣、前臂右侧固定卡扣、前臂下方固定卡扣、手掌上侧固定卡扣、手掌下侧固定卡扣并由调线器固定。
4)所述五根气动人工肌肉驱动鲍登线实现上肢运动，其中三根固定在肱二头肌位置，两根固定在肱三头肌位置。所述气动人工肌肉的上端分别固定在肩部包覆层，下端分别与固定滑槽组连接，安装在肱二头肌位置，气动人工肌肉通过鲍登线分别与前臂左右两侧和手掌上方连接，实现肘部的收缩、前臂旋转和腕部收缩运动；肱三头肌位置的两根人工肌肉通过鲍登线与前臂下方和手掌下方连接，实现肘部伸展和腕部伸展运动。
5)所述固定滑槽组由固定滑槽和异形滑块组成，异形滑块分别与气动肌肉和鲍登线连接，并可沿固定滑槽上下移动，无其他方向自由度。
6)所述气动人工肌肉根据计算选取型号，保证上肢运动范围的同时又要保证运动的安全性。
7)所述连接带、连接环和绑带将肩部组件、上臂组件和前臂腕部组件连接起来，提供轴向拉力，防止各部分相对滑动。
8)所述调线器包括端盖、转动手柄、按压器、绕线器、卡盘、弹簧、外壳，按压器固定在转动手柄上，转动手柄方形部分穿过绕线器中心方孔，圆柱形部分插入卡盘中心孔；卡盘右侧有四根突出立柱，可卡进绕线器左侧孔中，卡盘左侧中心方轴套入弹簧中，并插入外壳中心方孔；弹簧两端分别顶紧外壳和卡盘；绕线器一端插入端盖轴承。
与现有技术相比，本发明具有以下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明所述一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，各关节包覆层根据人体工学设计，穿戴在人体上肢，取代了传统的连杆设计，不再是穿在身上的机械手，保证了穿戴舒适性的同时又使机器人各关节旋转轴与人体关节旋转轴重合，减小机体运动和人体运动产生的误差，实现最佳训练效果；
2.本发明所述机构采用柔性布料与刚性固定件相结合的方式，主体结构由弹性布料构成，在连接固定处采用刚性固定件，同时各个组件都有透气设计，在肩部、上臂及前臂固定处装有超弹性压力传感器，上臂及前臂与人体肌肉接触处装有肌电传感器，使得机器人具有柔顺性高，质量轻，便于穿戴，实时检测运动信息等优点；
3.本发明所述机器人，采用气动人工肌肉驱动，并根据人体上肢的运动和肌肉分布情况布置气动人工肌肉，可实现肘部的伸缩运动，前臂的旋转以及腕部的伸缩运动，具有良好的仿生性；
4.本发明所述机器人，由气动人工肌肉牵引鲍登线，完成上肢不同的康复要求。其中鲍登线可由调线器完成牵引长度调节，以实现上肢运动范围的调节，从而完成不同阶段的康复训练。
5.本发明所述机器人，采用分布式结构设计，肩部、上臂和前臂组件分开，同时又通过绑带连接，机体运动不会干涉上肢运动的同时又可以防止各组件相对滑动，此外，通过魔术贴调节肩部、上臂、前臂腕部组件固定带的长度以适应不同体征的使用者，具有更好的适应性和普适性。
附图说明
图1是一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统总图。
图2是一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统侧面结构示意图。
图3是一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统的肩部组件结构图。
图4是一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统的上臂组件结构图。
图5是一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统的前臂腕部组件结构图。
图6是一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统的调线器结构图。
图7是一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统的调线器剖视图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1～图7，本气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统由肩部组件(100)、上臂组件(200)、前臂腕部组件(300)、气动人工肌肉(400)及相关传感器组成，左右臂具对称的相同结构，其特征在于：左臂结构如下：
1)所述肩部组件(100)由管路固定装置(1)、肩部包覆层(2)、连接带(3)、连接环(4)、绑带(5)、胸廓固定带(26)及超弹性压力传感器组成，所述管路固定装置(1)、上端连接带(3)、连接环(4)、绑带(5)和胸廓固定带(26)都固定在肩部包覆层(2)上，超弹性压力传感器固定在肩部包覆层(2)内层；有三组连接带(7)、连接环(6)和绑带(5)分别与上臂组件(200)连接；
2)所述上臂组件(200)由连接环(6)、连接带(7)、上臂包覆层(8)、固定滑槽组(9)、下端连接带(10)、连接环(11)、可调固定带(22)、超弹性压力传感器及肌电传感器组成，所述上臂组件(200)通过三组连接带(7)、连接环(6)和绑带(5)与肩部组件(100)连接，上臂包覆层(8)由可调固定带(22)固定在上臂，肌电传感器固定在上臂包覆层(8)内层，超弹性压力传感器固定在可调固定带(22)内侧，固定滑槽组(9)固定在上臂包覆层(8)上，下端连接带(10)和连接环(11)通过绑带与前臂腕部组件(300)连接；
3)所述前臂腕部组件(300)包括前臂腕部包覆层(12)、前臂固定带(13)、前臂左侧固定卡扣(14)、腕部固定带(15)、手掌固定带(17)、调线器(19)、前臂右侧固定卡扣(37)、前臂下方固定卡扣(40)、手掌上侧固定卡扣(18)、手掌下侧固定卡扣(39)和肌电传感器，所述前臂腕部包覆层(12)通过前臂固定带(13)、腕部固定带(15)和手掌固定带(17)固定在使用者前臂和腕部，有鲍登线分别绕过前臂左侧固定卡扣(14)、前臂右侧固定卡扣(37)、前臂下方固定卡扣(40)、手掌上侧固定卡扣(18)和手掌下侧固定卡扣(39)并由调线器(19)固定；
4)所述气动人工肌肉(400)有五根气动人工肌肉(23、24、25、27、28)，它们的上端分别固定在肩部包覆层(2)，下端分别与固定滑槽组(9)连接，可实现肘部的伸缩运动、前臂的旋转及腕部的伸缩运动。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
由五根气动人工肌肉(400)作为致动器，鲍登线传动从而实现肘部及腕部运动，其中三根气动人工肌肉(23、24、25)安装在肱二头肌位置，固定端与肩部组件(100)固定，移动端与所述固定滑槽组(9)中的异形滑块连接，同时鲍登线一端也连接在该异形滑块上，另一端与固定卡扣连接；另外两根气动人工肌肉安装在肱三头肌位置，固定方法与上述三根气动肌肉类似。
所述鲍登线长度可利用调线器(19)根据不同穿戴者体征调整，调线器(19)由端盖(19-1)、转动手柄(19-2)、按压器(19-3)、绕线器(19-4)、卡盘(19-5)、弹簧(19-6)、外壳(19-7)组成，按压器(19-3)固定在转动手柄(19-2)上，转动手柄(19-2)方形部分穿过绕线器(19-4)中心方孔，圆柱形部分插入卡盘(19-5)中心孔；卡盘(19-5)右侧有四根突出立柱，可卡进绕线器(19-4)左侧孔中，卡盘(19-5)左侧中心方轴套入弹簧(19-6)中，并插入外壳(19-7)中心方孔；弹簧(19-6)两端分别顶紧外壳(19-7)和卡盘(19-5)；绕线器(19-4)一端插入端盖(19-1)中的轴承。
所述胸廓固定带(26)、上臂固定带(22)、前臂固定带(13)、腕部固定带(15)、手掌固定带(17)和绑带(5)内侧都缝合有魔术贴，实现粘合固定，根据使用者体征调整固定长度，此外胸廓固定带(26)、上臂固定带(22)内侧都装有超弹性压力传感器，实时检测固定带与使用者之间的压力。
所述肩部包覆层(2)、上臂包覆层(8)和前臂腕部包覆层(12)材料采用弹性布料，与人体接触处设计有透气孔，穿戴结构根据人体工学设计，尺寸与人体上肢匹配，在上臂包覆层(8)和前臂腕部包覆层(12)与人体肌肉接触处装有肌电传感器，实时检测使用者的运动意图。
实施例三：
如图1和图2所示，本气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，由肩部组件(100)、上臂组件(200)、前臂腕部组件(300)、气动人工肌肉(400)及相关传感器组成，由于左右臂具有对称的相同结构，故下面仅以左臂为例说明。
1)所述肩部组件(100)中的管路固定装置(1)通过布带固定在使用者肩部，气动肌肉与气泵之间的管路由此固定；肩部包覆层(2)包覆在使用者肩部，胸廓固定带(26)绕过使用者胸廓由魔术贴粘合固定，内侧装有超弹性压力传感器，实时检测压力信息；连接带(3)固定在肩部包覆层(2)上，并与连接环(4)配合，绑带(5)连接肩部组件的连接环(4)和前臂组件的连接环(6)；气动人工肌肉(23)、(24)、(25)上端分别与固定支架连接。
2)所述上臂组件(200)中的前臂包覆层(8)包覆在使用者上臂，内侧装有肌电传感器实时检测人体运动信息；连接带(7)与连接环(6)配合，并与绑带(5)连接；可调固定带(22)缝合在前臂包覆层(8)上，内侧装有超弹性压力传感器，实时检测压力信息，由魔术贴粘合，将上臂组件固定在使用者上臂；固定滑槽组(9)固定在前臂包覆层(8)下端，异形滑块(9-2)可沿固定滑槽(9-1)滑动，异形滑块(9-2)分别与气动肌肉的移动端和鲍登线连接，气动肌肉的收缩带动异形滑块(9-2)沿固定滑槽(9-1)滑动，从而牵引鲍登线运动。
3)所述前臂腕部组件(300)中的前臂腕部包覆层(12)包覆在使用者前臂和腕部，前臂固定带(13)、腕部固定带(15)和手掌固定带(17)由魔术贴粘合，将前臂腕部组件固定，前臂固定带(13)内侧装有超弹性压力传感器实时检测固定压力；前臂左侧固定卡扣(14)通过牵引鲍登线与气动人工肌肉(23)连接，前臂右侧固定卡扣(37)通过牵引鲍登线(21)与气动人工肌肉(25)连接，通过气动人工肌肉(23)、(25)同时收缩，实现肘部的收缩运动；前臂下方固定卡扣(40)通过牵引鲍登线(36)与气动人工肌肉(32)连接，通过气动人工肌肉(32)收缩实现肘部的伸展运动；当气动人工肌肉(23)收缩时，实现前臂的右旋运动，当气动人工肌肉(25)收缩时，实现前臂的左旋运动；手掌上侧固定卡扣(18)通过鲍登线(20)与气动人工肌肉(24)连接，气动人工肌肉(24)收缩时实现腕部的收缩运动；手掌下侧固定卡扣(39)通过鲍登线(38)与气动人工肌肉连接，同理气动人工肌肉收缩时实现腕部的伸展运动；在鲍登线固定卡扣上面有调线器(19)调整鲍登线长度，按下按压器(19-3)并顺时针转动转动手柄(19-2)可实现鲍登线的拉紧，按下按压器(19-3)并逆时针转动转动手柄(19-2)可实现鲍登线的伸长。
显然在上面的描述中，仅仅是本发明的一些实施举例，对于本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，并获得其他的实施方式，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。为使图面简洁，各图只是示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

Claims (5)

1.一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，由肩部组件(100)、上臂组件(200)、前臂腕部组件(300)、气动人工肌肉(400)及相关传感器组成，左右臂具对称的相同结构，其特征在于：左臂结构如下：
1)所述肩部组件(100)由管路固定装置(1)、肩部包覆层(2)、连接带(3)、连接环(4)、绑带(5)、胸廓固定带(26)及超弹性压力传感器组成，所述管路固定装置(1)、上端连接带(3)、连接环(4)、绑带(5)和胸廓固定带(26)都固定在肩部包覆层(2)上，超弹性压力传感器固定在肩部包覆层(2)内层；有三组连接带(7)、连接环(6)和绑带(5)分别与上臂组件(200)连接；
2)所述上臂组件(200)由连接环(6)、连接带(7)、上臂包覆层(8)、固定滑槽组(9)、下端连接带(10)、连接环(11)、可调固定带(22)、超弹性压力传感器及肌电传感器组成，所述上臂组件(200)通过三组连接带(7)、连接环(6)和绑带(5)与肩部组件(100)连接，上臂包覆层(8)由可调固定带(22)固定在上臂，肌电传感器固定在上臂包覆层(8)内层，超弹性压力传感器固定在可调固定带(22)内侧，固定滑槽组(9)固定在上臂包覆层(8)上，下端连接带(10)和连接环(11)通过绑带与前臂腕部组件(300)连接；
3)所述前臂腕部组件(300)包括前臂腕部包覆层(12)、前臂固定带(13)、前臂左侧固定卡扣(14)、腕部固定带(15)、手掌固定带(17)、调线器(19)、前臂右侧固定卡扣(37)、前臂下方固定卡扣(40)、手掌上侧固定卡扣(18)、手掌下侧固定卡扣(39)和肌电传感器，所述前臂腕部包覆层(12)通过前臂固定带(13)、腕部固定带(15)和手掌固定带(17)固定在使用者前臂和腕部，有鲍登线分别绕过前臂左侧固定卡扣(14)、前臂右侧固定卡扣(37)、前臂下方固定卡扣(40)、手掌上侧固定卡扣(18)和手掌下侧固定卡扣(39)并由调线器(19)固定；
4)所述气动人工肌肉(400)有五根气动人工肌肉(23、24、25、27、28)，它们的上端分别固定在肩部包覆层(2)，下端分别与固定滑槽组(9)连接，可实现肘部的伸缩运动、前臂的旋转及腕部的伸缩运动。
2.根据权利要求1所述的一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，其特征在于由五根气动人工肌肉(400)作为致动器，鲍登线传动从而实现肘部及腕部运动，其中三根气动人工肌肉(23、24、25)安装在肱二头肌位置，固定端与肩部组件(100)固定，移动端与所述固定滑槽组(9)中的异形滑块连接，同时鲍登线一端也连接在该异形滑块上，另一端与固定卡扣连接；另外两根气动人工肌肉安装在肱三头肌位置，固定方法与上述三根气动肌肉类似。
3.根据权利要求1所述的一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，其特征在于：所述鲍登线长度可利用调线器(19)根据不同穿戴者体征调整，调线器(19)由端盖(19-1)、转动手柄(19-2)、按压器(19-3)、绕线器(19-4)、卡盘(19-5)、弹簧(19-6)、外壳(19-7)组成，按压器(19-3)固定在转动手柄(19-2)上，转动手柄(19-2)方形部分穿过绕线器(19-4)中心方孔，圆柱形部分插入卡盘(19-5)中心孔；卡盘(19-5)右侧有四根突出立柱，可卡进绕线器(19-4)左侧孔中，卡盘(19-5)左侧中心方轴套入弹簧(19-6)中，并插入外壳(19-7)中心方孔；弹簧(19-6)两端分别顶紧外壳(19-7)和卡盘(19-5)；绕线器(19-4)一端插入端盖(19-1)中的轴承。
4.根据权利要求1所述的一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，其特征在于：所述胸廓固定带(26)、上臂固定带(22)、前臂固定带(13)、腕部固定带(15)、手掌固定带(17)和绑带(5)内侧都缝合有魔术贴，实现粘合固定，根据使用者体征调整固定长度，此外胸廓固定带(26)、上臂固定带(22)内侧都装有超弹性压力传感器，实时检测固定带与使用者之间的压力。
5.根据权利要求1所述的一种气动驱动的柔性穿戴式上肢康复系统，其特征在于：所述肩部包覆层(2)、上臂包覆层(8)和前臂腕部包覆层(12)材料采用弹性布料，与人体接触处设计有透气孔，穿戴结构根据人体工学设计，尺寸与人体上肢匹配，在上臂包覆层(8)和前臂腕部包覆层(12)与人体肌肉接触处装有肌电传感器，实时检测使用者的运动意图。
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