CN110897829A - 一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,包括:本体支撑结构,其与手的掌骨部分固定;滑块,其能够沿本体支撑结构的预定x、y方向轴向滑动;刚性连杆,其可旋转地连接到滑块的第一旋转体;指骨支撑结构,其通过第二旋转体枢转地连接到刚性连杆;致动装置,用于通过第一旋转体将旋转扭矩施加到刚性连杆,以及通过第二旋转体将旋转扭矩施加到指骨支撑结构;腕部结构,可操作地连接至带有腕部结构的手部骨折康复机器人的本体支撑结构。通过本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人,可完全适于不同人体的不同尺寸大小的手指使用,同时保证康复机器人关节的轴线与近节指骨运动时的关节轴线的可调整性,有效减少对近节指骨和掌骨关节之间运动约束;可保证指骨与尺骨之间的灵活运动。
Description
技术领域
本发明涉及肢体康复领域,具体地涉及一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人。
背景技术
众所周知,手是人身上最重要的器官之一,也是人在日常生活中使用最频繁的器官之一。在发生类似跌倒意外时,人们往往先会用手去支撑,此时手掌或手指很容易发生扭伤或骨折,手掌或手指损伤后往往恢复较慢。传统的手部治疗方法主要是通过按摩、针灸等方法使其患者手部逐渐恢复其手部的运动功能。但是这种治疗方法不仅会给患者家庭带来巨大的人力、物力和财力上的压力,对医师来说,这种一对一的治疗方式也使医师承受巨大的精神压力。机器人技术的应用使得手部康复患者又重新获得了希望。国内外专家争相对手部康复机器人展开了大量的研究工作并取得了丰硕的研究成果。这种现代的利用机器人技术对患者手指进行康复训练的治疗手段逐渐被人们所认可,主要是依靠先进的康复设备使患者能随时随地的进行手指的训练康复,大大提高了康复训练效率。
从结构上来讲,现有手部康复机器人主要为刚性手指康复机器人,大多采用刚性材料加工而成,控制精度相对较高,但容易对患者造成二次伤害,而且机器人质量较大,会造成患者训练过程中的疲劳感;另外,现有的手部康复机器人为了减少弯曲或伸展时的阻力,通常要保证手指机器人的关节轴线与人体关节的轴线一致,但对于近节指骨其运动时与掌骨不只围绕一根轴线转动,还有与掌骨之间的内收与扩张运动,以及与尺骨之间的相对运动;同时现有的手部机器人无法适应不同人的手指尺寸。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,该结构可完全适于不同人体的不同尺寸大小的手指使用,同时保证手部骨折康复机器人关节的轴线与近节指骨运动时的关节轴线的可调整性,有效减少对近节指骨和掌骨关节之间运动约束;可保证指骨与尺骨之间的灵活运动。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,包括:
本体支撑结构,其与手的掌骨部分固定;
滑块,其能够沿本体支撑结构的预定x、y方向轴向滑动;
刚性连杆,其可旋转地连接到滑块的第一旋转体;
指骨支撑结构,其通过第二旋转体枢转地连接到刚性连杆;
致动装置,用于通过第一旋转体将旋转扭矩施加到刚性连杆,以及通过第二旋转体将旋转扭矩施加到本体支撑结构;
腕部结构,可操作地连接至带有腕部结构的手部骨折康复机器人的本体支撑结构。
特别的,腕部机构包括:尺骨支撑件,与前臂的远端部分固定为一体;
滑动件,相对于尺骨支撑件沿预定方向δ提供轴向滑动,该方向δ基本平行于前臂的纵向;
铰接四边形,包括:
第一连接杆和第二连接杆彼此平行并且在与方向δ大致平行的方向上排列;
第一段,通过旋转体可旋转地连接到滑动件;
第二段,固定连接到本体支撑结构。
特别的,第一段和第二段能够通过四个被动球形接头将第一连接杆和第二连接杆的端部连接在一起,使得本体支撑结构可以相对于尺骨支撑件围绕某一轴线转动。
特别的,铰接四边形垂直于前臂的纵向的两个轴线被动地适应腕的人体关节的旋转。
特别的,还包括:第二腕部机构,该第二腕部机构在尺骨支撑件和本体支撑结构之间联接,可操作地连接至本体支撑结构,从而约束本体支撑结构。
特别的,其中第二腕部机构包括:可旋转滑动件,其能够沿预定方向σ相对于尺骨支撑件提供轴向滑动,并且相对于尺骨支撑件绕方向σ旋转,方向σ基本垂直于方向δ;
滑动件,其被设计为沿预定方向ρ相对于可旋转滑动件轴向滑动,该预定方向ρ基本垂直于方向σ。
特别的,滑动件还通过球形接头连接到本体支撑结构。
本发明的优点在于:通过本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人,可完全适于不同人体的不同尺寸大小的手指使用,同时保证手部骨折康复机器人关节的轴线与近节指骨运动时的关节轴线的可调整性,有效减少对近节指骨和掌骨关节之间运动约束;可保证指骨与尺骨之间的灵活运动。
附图说明
图1A是根据本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人示意图;
图1B是图1A中带有腕部结构的手部骨折康复机器人所涉及的力矩图;
图2是根据本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人应用于一只手的食指的示意图;
图3是图2的带有腕部结构的手部骨折康复机器人应用于一只手的食指的实施例;
图4A和4B是本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人应用于一只手的食指时伸展状态和弯曲状态下的结构示意图;
图5是本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人的示意图;
图6是本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人的第一实施例;
图7是本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人的第二实施例。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
图1A是根据本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人100的示意图,其中带有腕部结构的手部骨折康复机器人腕部100可辅助掌骨和指骨之间的近节指骨50在弯曲平面中移动。
其中,一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人100包括:
本体支撑结构150,其与手的掌骨部分固定;
滑块101,其能够沿本体支撑结构150的预定x、y方向轴向滑动;
刚性连杆103,其可旋转地连接到滑块101的第一旋转体102;
指骨支撑结构105,其通过第二旋转体104枢转地连接到刚性连杆103;
致动装置,用于通过第一旋转体102将旋转扭矩施加到刚性连杆103,以及通过第二旋转体104将旋转扭矩施加到指骨支撑结构105;
定义近节指骨50的旋转轴线为旋转平面R的第一坐标系的原点O,定义本体支撑结构150处为旋转平面R的第二坐标系的原点O',则第二坐标系的相对与第一坐标系分别为在平行于X方向上移动H和垂直于Y方向的方向上移动V。
图1B是图1A中带有腕部结构的手部骨折康复机器人100所涉及的力矩图,参照图1,可获得以下关系式。
由上述方程式得出的结果是,如果由致动装置提供给第一旋转体102和第二旋转体104的扭矩T1和扭矩T2相等,那么在H和V的预定范围内,随着旋转θ的变化,存在于近节指骨50上的约束反应为零。
图2是根据本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人100应用于一只手的食指的示意图。在图3中,根据本发明的带有腕部结构的手部骨折康复机器人100应用于一个手指的食指的实施例。在此实施例中,第一旋转体102和第二旋转体104通过惰轮和致动装置实现。致动装置鲍登线缆120组成。并且,鲍登线缆120的内部金属丝缠绕在第一旋转体102和第二旋转体104上。
在图4A和4B中分别为带有腕部结构的手部骨折康复机器人100应用于一只手的食指时伸展状态和弯曲状态下的结构示意图。其中,虚线表示带有腕部结构的手部骨折康复机器人100所描述的关节链,而点划线表示手指的关节链。
图5是腕部机构300的示意图,该腕部机构300可操作地连接至带有腕部结构的手部骨折康复机器人100的本体支撑结构150。该腕部机构300被设计成辅助腕部30的关节的屈伸,并且还确保其自由的外展和内收运动。
腕部机构300包括:
尺骨支撑件302,与前臂20的远端部分固定为一体;
滑动件301,相对于尺骨支撑件302沿预定方向δ提供轴向滑动,该方向δ基本平行于前臂的纵向;
铰接四边形303,包括:
第一连接杆303a和第二连接杆303b彼此平行并且在与方向δ大致平行的方向上排列;
第一段303c通过旋转体304可旋转地连接到滑动件301;
第二段303d固定连接到本体支撑结构150。
第一段303c和第二段303d能够通过四个被动球形接头将第一连接杆303a和第二连接杆303b的端部连接在一起,使得本体支撑结构150可以相对于尺骨支撑件302围绕某一轴线转动。特别地,铰接四边形303可以根据垂直于前臂的纵向的两个轴线被动地适应腕的人体关节的旋转,而不会施加剩余的约束反应。人体关节的屈伸运动是通过旋转体304的辅助来实现的。
图6是图5中的腕部机构300的可能的替代实施例,其中提供了第二腕部机构350,该第二腕部机构350在尺骨支撑件302和本体支撑结构150之间联接,被动地可操作地连接至本体支撑结构150,从而约束本体支撑结构150。其中第二腕部机构350包括:
可旋转滑动件351,其能够沿预定方向σ相对于尺骨支撑件302提供轴向滑动,并且相对于尺骨支撑件302绕方向σ旋转,σ基本垂直于方向δ;
滑动件352,其被设计为沿预定方向ρ相对于可旋转滑动件351提供轴向滑动,该预定方向ρ基本垂直于方向σ。滑动件352还通过球形接头连接到本体支撑结构150。
图7是图5中的腕部机构300的实施例。其中,腕部机构300包括::尺骨支撑件302,与前臂20的远端部分固定为一体;滑动件301,相对于尺骨支撑件302沿预定方向δ提供轴向滑动,该方向δ基本平行于前臂的纵向;铰接四边形303,包括:第一连接杆303a和第二连接杆303b彼此平行并且在与方向δ大致平行的方向上排列;第一段303c通过旋转体304可旋转地连接到滑动件301;第二段303d固定连接到本体支撑结构150。第一段303c和第二段303d能够通过四个被动球形接头将第一连接杆303a和第二连接杆303b的端部连接在一起,使得本体支撑结构150可以相对于尺骨支撑件302围绕某一轴线转动。
本发明的优点在于:带有腕部结构的手部骨折康复机器人可完全适于不同人体的不同尺寸大小的手指使用,同时保证带有腕部结构的手部骨折康复机器人关节的轴线与近节指骨运动时的关节轴线的可调整性,有效减少对近节指骨和掌骨关节之间运动约束;另外,可保证指骨与尺骨之间的灵活运动。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接或彼此可通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,其特征在于,包括:
本体支撑结构(150),其与手的掌骨部分固定;
滑块(101),其能够沿本体支撑结构(150)的预定x、y方向轴向滑动;
刚性连杆(103),其可旋转地连接到滑块(101)的第一旋转体(102);
指骨支撑结构(105),其通过第二旋转体(104)枢转地连接到刚性连杆(103);
致动装置,用于通过第一旋转体(102)将旋转扭矩施加到刚性连杆(103),以及通过第二旋转体(104)将旋转扭矩施加到本体支撑结构(105);
腕部结构(300),可操作地连接本体支撑结构(150)。
2.根据权利要求1所述的一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,其特征在于:腕部机构(300)包括:
尺骨支撑件(302),与前臂(20)的远端部分固定为一体;
滑动件(301),相对于尺骨支撑件(302)沿预定方向δ提供轴向滑动,该方向δ基本平行于前臂的纵向;
铰接四边形(303),包括:
第一连接杆(303a)和第二连接杆(303b)彼此平行并且在与方向δ大致平行的方向上排列;
第一段(303c),通过旋转体(304)可旋转地连接到滑动件(301);
第二段(303d),固定连接到本体支撑结构(150)。
3.根据权利要求1所述的一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,其特征在于:第一段(303c)和第二段(303d)能够通过四个被动球形接头将第一连接杆(303a)和第二连接杆(303b)的端部连接在一起,使得本体支撑结构(150)可以相对于尺骨支撑件(302)围绕某一轴线转动。
4.根据权利要求3所述的一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,其特征在于:铰接四边形(303)垂直于前臂的纵向的两个轴线被动地适应腕的人体关节的旋转。
5.根据权利要求3所述的一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,其特征在于:还包括:第二腕部机构(350),该第二腕部机构(350)在尺骨支撑件(302)和本体支撑结构(150)之间联接,可操作地连接至本体支撑结构(150),从而约束本体支撑结构(150)。
6.根据权利要求5所述的一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,其特征在于:其中第二腕部机构(350)包括:
可旋转滑动件(351),其能够沿预定方向σ相对于尺骨支撑件(302)提供轴向滑动,并且相对于尺骨支撑件(302)绕方向σ旋转,方向σ基本垂直于方向δ;
滑动件(352),其被设计为沿预定方向ρ相对于可旋转滑动件(351)轴向滑动,该预定方向ρ基本垂直于方向σ。
7.根据权利要求5所述的一种带有腕部结构的手部骨折康复机器人,其特征在于:滑动件(352)还通过球形接头连接到本体支撑结构(150)。
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