CN111265388A - 一种关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗辅助器材技术领域，公开了一种关节装置。该关节装置包括本体结构、颗粒和驱动结构。其中，本体结构能够沿第一方向弹性伸缩，为了确保本体结构伸缩时得到第一方向上的支撑，则将多个颗粒填充于本体结构的容纳空间内，且保证多个颗粒之间相互抵接，以及相邻两个颗粒之间能够相对运动，当其沿第一方向伸缩时，在与第一方向垂直的第二方向上本体结构的尺寸不变。还包括驱动结构，其设置于沿第一方向的本体结构一端上，驱动结构能够驱动本体结构的一端由第一方向向第二方向弯曲或复位，从而实现关节装置的摆动和弯曲。本关节装置通过采用无固定旋转中心的关节结构，符合人体关节在运动时的受力，进而降低关节运动时的磨损和疼痛。

Description

一种关节装置

技术领域

本发明涉及医疗辅助器材技术领域，尤其涉及一种关节装置。

背景技术

随着机器人技术的高速发展以及多领域技术融合，机器人技术应用在临床医学上更加广泛，包括临床医疗用机器人、护理机器人、医用教学机器人和康复机器人。其中对于康复机器人来讲，其主要功能是帮助患者减轻在运动过程中关节受力，从而减缓伤痛，并在必要的时候，提供一定的驱动力，迫使关节弯曲与伸展。

对于关节病以及诸多行动不便的患者，多数在治疗中后期需要通过简单的运动进行力量与能力的恢复，此时，康复机器人便起到了作用，可以在患者活动关节、蹲下、站起、直立行走，或者弯曲关节时起到辅助的作用，即减小关节活动时所承受的力，从而减轻关节的疼痛；或者在运动过程中，可以起到缓冲的作用，使得关节间的冲击作用减小，从而减轻病痛。但目前的康复机器人关节处通常采用固定旋转中心的结构，再将该结构的两端连接其他辅助部件，来实现关节处的弯曲和支撑，这种关节结构在弯曲或运动时，会因为固定的旋转中心的约束，而与实际人体关节无固定旋转中心结构存在差异，导致两个旋转中心无法重合，加剧人体穿戴部分的相互摩擦，给患者造成伤害；此外，该种结构较为复杂，需要较为精密的配合，才能实现弯曲和支撑效果，导致成本高。

因此，亟需提出一种关节装置来解决上述问题，改善康复机器人关节处的结构，帮助关节康复机器人更好的与人体进行协同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关节装置，用于关节康复机器人上，为相关患者提供辅助训练，有助于关节伤病人士的康复。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种关节装置，包括：

本体结构，其沿第一方向能够弹性伸缩，所述本体结构包括容纳空间；

颗粒，多个所述颗粒填充于所述容纳空间内，多个所述颗粒之间相互抵接，相邻两个所述颗粒之间能够相对运动，当所述本体结构沿所述第一方向伸缩时，在与所述第一方向垂直的第二方向上所述本体结构的尺寸不变；以及

驱动结构，其设置于沿所述第一方向的所述本体结构一端上，所述驱动结构能够驱动所述本体结构的一端由所述第一方向向所述第二方向弯曲或复位。

进一步地，所述颗粒的形状为球体或者正多面体，所述颗粒的材质为金属或者非金属。

进一步地，所述本体结构包括一个、两个或多个壳体，每个所述壳体均开设有容纳腔，所述容纳腔能够存储所述颗粒，两个或多个所述壳体并排设置，相邻两个所述壳体之间相互连通,相邻两个所述壳体间设置有固定件。

进一步地，所述固定件为弹性材料制成，所述固定件沿所述第一方向设置。

进一步地，所述壳体为圆柱筒状结构、球形结构或者锥形结构，多个所述颗粒填充于所述壳体的容纳腔内，所述壳体的材质为金属或非金属。

进一步地，所述壳体为波纹管状结构，所述壳体的材质为金属或非金属。

进一步地，所述驱动结构包括安装件和驱动组件，所述安装件的数量为两个，两个所述安装件分别设置于沿所述第一方向的所述本体结构的两端上，所述驱动组件设置于所述安装件上，所述驱动组件能够控制两个所述安装件相对的一端开合。

进一步地，所述驱动组件包括驱动元件和绳索，所述驱动元件设置于一个所述安装件上，所述绳索的两端分别与另一个所述安装件的两端连接，所述绳索的局部连接于所述驱动元件，所述驱动元件能够驱动所述绳索运动，以使两个所述安装件相对的一端开合。

进一步地，所述驱动组件包括驱动元件、扭转元件和膨胀元件，所述扭转元件和所述膨胀元件内部均充入流体，所述扭转元件和所述膨胀元件分别设置于所述本体结构的两侧，所述膨胀元件的两端分别抵接于两个所述安装件，所述驱动元件连接于所述扭转元件，所述驱动元件能够旋拧所述扭转元件，所述扭转元件内的流体能够流入所述膨胀元件内，以使所述膨胀元件的伸出端伸长或缩短，所述膨胀元件能够驱动两个所述安装件相对的一端开合。

进一步地，所述驱动组件还包括导向元件，所述扭转元件与所述膨胀元件通过所述导向元件连通，所述扭转元件内的流体能够通过所述导向元件流向所述膨胀元件。

本发明的有益效果：

本发明提出一种关节装置，包括本体结构、颗粒和驱动结构。其中，本体结构能够沿第一方向弹性伸缩，为了确保本体结构伸缩时得到第一方向上的支撑，则将多个颗粒填充于本体结构的容纳空间内，且保证多个颗粒之间相互抵接，以及相邻两个颗粒之间能够相对运动，当其沿第一方向伸缩时，在与第一方向垂直的第二方向上本体结构的尺寸不变，即本体结构压缩或者弯曲时，容纳空间内的颗粒间会发生相对运动，从而提供更加稳定的支撑。以及驱动结构，其设置于沿第一方向的本体结构一端上，驱动结构能够驱动本体结构的一端由第一方向向第二方向弯曲或复位，从而实现关节装置的摆动和弯曲动作。本关节装置通过替换传统的采用固定旋转中心结构的关节，采用无固定旋转中心的颗粒结构，符合人体关节在运动时的受力和运动特征，进而降低关节运动时的磨损和疼痛。

附图说明

图1是本发明提出的关节装置的正视图一；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明提出的具有两个壳体的关节装置的俯视图；

图4是本发明提出的关节装置的正视图二；

图5是本发明提出的关节装置的正视图三；

图6是本发明提出的多个关节装置组装后的结构示意图。

图中：

100、关节装置；200、连接臂；

1、本体结构；2、颗粒；3、驱动结构；4、固定件；

31、安装件；32、驱动组件；

321、驱动元件；322、绳索；323、滑轮；324、扭转元件；325、膨胀元件；326、导向元件；327、旋转元件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

随着医疗水平以及机器人技术的成熟，对于关节病或行动不便的患者，可以通过康复器材或康复机器人予以康复训练，帮助其恢复健康。但目前的康复器材或康复机器人关节处通常采用固定旋转中心的结构，再将该结构的两端连接其他结构，来实现关节处的弯曲和支撑，这种关节结构在弯曲或者运动时，会因为固定的旋转中心的约束，而与实际人体关节无固定旋转中心结构存在差异，导致两个旋转中心无法重合，加剧人体穿戴部分的相互摩擦，给患者造成伤害。因此，本发明提出一种关节装置来解决上述问题，具体如下。

如图1-2所示为本发明提出一种关节装置，该关节装置包括本体结构1、颗粒2和驱动结构3。

其中，如图1所示，本体结构1能够沿第一方向弹性伸缩(图中A方向及其反方向)，即沿第一方向施加外力后，本体结构1能够弹性伸长或者缩短，但由于该关节装置用于康复机器人上，为了符合人体关节运动时的状态，故本体结构1的伸长量和缩短量均很小。为了确保本体结构1伸缩时得到第一方向上的支撑，则将多个颗粒2填充于本体结构1的容纳空间内，在本实施例中，需确保多个颗粒2可以填满整个容纳空间，还需保证多个颗粒2之间相互抵接，以及相邻两个颗粒2之间能够相对运动，目的是便于本体结构1弯曲。当本体结构1沿第一方向伸缩时，在与第一方向垂直的第二方向(图中B方向及其反方向)上本体结构1的尺寸不变，以确保本体结构1弯曲时，在第二方向上不会膨胀，起到更好的支撑效果。即本体结构1压缩或者弯曲时，容纳空间内的颗粒2会向弯曲方向的反向运动，从而对容纳空间的空白区域进行填补，以提供更加稳定的支撑。与传统结构相比，本关节装置相对于传统的旋转杆关节在弯曲和摆动时并无固定的旋转中心，从而确保了关节两端的组织结构不会发生相互作用力，而造成一定的不适感。

此外，对于行动不便的患者，关节两端的组织无法正常发力的情况，本关节装置还包括驱动结构3，其能够驱动本体结构1运动，从而带动患者的肢体一同运动，达到训练的效果。具体地，驱动结构3设置于沿第一方向的本体结构1一端上，其能够驱动本体结构1的一端由第一方向向第二方向弯曲或复位，从而实现关节装置的摆动和弯曲动作，最终驱动患者的关节一同运动，从而实现训练的目的。

如图1所示，本实施例提供的颗粒2形状为球体，材质为金属或者非金属，需要注意的是，若颗粒2须为非金属材质，则表面须具有一定的自润滑特性，如聚四氟乙烯等高分子，若为金属材质，则可以为钢珠等。在其他实施例中，颗粒2的形状还可以为正多面体，若为正多面体，则需要确保颗粒2面面相交的棱有一定圆角。

在本实施例中，本体结构1包括一个、两个或多个壳体，每个壳体均开设有容纳腔，每个容纳腔均能够用来存储颗粒2，两个或多个壳体并排设置，相邻壳体之间可以相互连通,相邻壳体间设置有固定件4。若本体结构1为一个壳体时，如图2所示，为单个壳体的本体结构1的俯视图，当本体结构1弯曲时，则一个壳体承受整个关节装置的受力。

若本体结构1为两个壳体并排设置时，如图3所示为本体结构1的俯视图，图中显示沿Y方向两个壳体并排设置，则当本体结构1发生弯曲时，沿Y方向的弯曲强度则大于沿X方向的弯曲强度。在其他实施例中，可以根据需要强度需要，在任何方向添加或者减少壳体的数量。需要注意的是，图中的两个壳体之间能够相互连通，便于壳体的填充，且两个壳体之间通过固定件4固定连接，在本实施例中，固定件4沿第一方向的延长方向设置，固定件4为刚性或高弹性材料制成，即固定件4不但可以连接相邻两个壳体，还不影响壳体的弯曲强度，固定件4的材质可以为钢或者聚酯纤维等。

为了便于设计与安装，壳体可以为圆柱筒状结构、球形结构或者锥形结构，多个颗粒2填充于壳体的容纳空间内，材质可以为金属或非金属。在本实施例中，每种形状的结构都为空心结构，其空心内部可以容纳多个颗粒2，而壳体的自身材质则可以为非金属材质，如橡胶，也可以为金属材质和非金属材质的结合体，以加强壳体周向的强度，避免在外力作用下，容纳腔内的颗粒2会向四周流动，从而降低了关节装置的支撑性能。

继续参照图1，在本实施例中，壳体还可以为波纹管状结构，壳体的材质为金属或非金属，波纹管状结构则具有沿管的轴向伸缩，沿径向尺寸不变的性能，而且波纹管自身的结构决定，其具有良好的弯曲和摆动性能，比较适合作为壳体。

本关节装置不只适用于可以自主活动的患者，还可以帮助行动不便的患者，因此本关节装置还包括驱动结构3，该驱动结构3可以对关节装置施力，使得本体结构1可以弯曲和复位。

具体地，结合图1和图2所示，驱动结构3包括安装件31和驱动组件32，安装件31的数量为两个，在本实施例中，安装件31可以为条形板状结构，两个安装件31分别设置于沿第一方向图1中所示的A方向的本体结构1的两端上，即当本体结构1内充满颗粒2后，将两个安装件31分别安装在本体结构1的两端上，安装方式可以为螺纹连接或者焊接等，在此不做特殊限定。当然，安装件31也可以为板状结构，其表面可以完全覆盖本体结构1的端部，以达到连接稳定的效果。需要注意的是，本体结构1的两端可以封闭，也可以不封闭，只需要确保本体结构1内的颗粒2在工作时不会流出即可。

当安装件31与本体结构1连接稳定后，再将驱动组件32安装于安装件31上，并使得驱动组件32能够控制两个安装件31相对的一端开合，即当两个安装件31相对的一端实现开合动作时，即代表着装有颗粒2的本体结构1向一个方向发生弯曲，即实现了关节装置侧向弯曲动作。在本实施例中，通过不同的驱动组件32，提供了两种驱动方式，均可以实现关节装置的弯曲。

方式一

如图1所示为驱动组件32的一种结构，驱动组件32包括驱动元件321和绳索322，驱动元件321可以为电机，而绳索322则可以为钢丝绳或者尼龙绳等，需要确保绳索322不可伸缩。驱动元件321设置于一个安装件31上，绳索322的两端分别与另一个安装件31的两端连接，绳索322的局部绕过驱动元件321，驱动元件321能够驱动绳索322运动，以使两个安装件31相对的一端开合，具体的，在安装件31上设置有滑轮323，绳索322能够在滑轮323上滑动，当驱动元件321带动绳索322运动时，位于驱动元件321一侧的绳索322尺寸变长，则另一侧的绳索322尺寸相应变短。结合图1所示，若关节装置朝向B方向弯曲，则位于驱动元件321右侧的绳索322尺寸则变短，位于左侧的绳索322尺寸将变长，即两个安装件31位于右侧的相对的一端将相互靠近，从而实现关节装置整体朝向B方向弯曲的动作。

此外，驱动元件321与绳索322的连接方式可以为固定连接。具体地，绳索322的中间部分与驱动元件321的输出轴固连，绳索322缠绕在驱动元件321的输出轴上。此时绳索322的两个端分别通过滑轮323，与位于下方的安装件31连接。当驱动元件321向一个方向旋转的时候，一端的绳索322部分被绕在输出轴上，另一端的绳索322从输出轴上释放出来，则实现了上述关节装置的弯曲动作。需要注意的是，绳索322在与驱动元件321的输出轴缠绕时，二者之间没有相对滑动，以确保绳索322收放自如。

方式二

如图4所示为驱动组件32的另一种结构，驱动组件32包括驱动元件321、扭转元件324和膨胀元件325，驱动元件321可以为电机，扭转元件324为柔性材质制成具有腔体的筒状机构，而膨胀元件325则是类似柱塞缸结构的具有伸出端的缸体结构，且扭转元件324和膨胀元件325的内部均充入流体，该流体可以是润滑油或者水等。

其中，扭转元件324和膨胀元件325分别设置于本体结构1的两侧，膨胀元件325的两端分别抵接于两个安装件31，驱动元件321连接于扭转元件324，驱动元件321与扭转元件324之间还设置有旋转元件327，即驱动元件321的输出端通过旋转元件327连接于扭转元件324的一端，而扭转元件324的另一端则固定设置在安装件31上，驱动元件321设置在一个安装件31上，当驱动元件321带动旋转元件327旋转时，则旋转元件327开始旋拧扭转元件324，使得其内部的流体流入膨胀元件325内，膨胀元件325的伸出端顶起一个安装件31，并增大两个安装件31相对一端的间距，则另一端的间距缩小，实现两个安装件31的开合，从而实现关节装置的侧向弯曲。

此外，为了使扭转元件324内的流体流入膨胀元件325，驱动组件32还包括导向元件326，导向元件326可以为导管，扭转元件324与膨胀元件325通过导向元件326连通，扭转元件324内的流体能够通过导向元件326流向膨胀元件325。

上述的两种驱动方式，其驱动元件321均可以为电机，且配备有电源，为电机的工作提供电能。

如图5所示，本实施例还提供了一种关节装置，该关节装置由多个关节装置组成，图中显示自上而下叠在一起，其原理与单个的关节装置原理一致，在此便不再赘述。但需要注意的是，绳索322的两端分别与最下方的安装件31的两端固定连接，而为了将多个关节装置串联起来，绳索322依次穿过每个关节装置的安装件31，且绳索322可以在安装件31中运动，以实现整体在驱动结构3的带动下一起弯曲运动。此外，串联起来形成的关节装置，增加了整体长度，扩大了其适用的范围。

如图6所示为本实施例提供的多个关节装置100组装后的示意图，图中所示的为人体腿部关节，包括胯关节和膝关节，通过连接臂200连接。图中的关节处均采用本发明提出的关节装置100。将本组合结构与患者的肢体结合后，可以直接辅助患者进行关节处的主动康复训练和被动康复训练，最终帮助患者达到康复治疗的效果，恢复健康。

本关节装置100主要采用了无固定旋转中心结构，来代替具有固定旋转中心的传统结构，更符合人体工学设计，缓解患者康复训练时的副作用，减轻疼痛感和不适感，以最终实现恢复健康的目的。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关节装置，其特征在于，包括：

本体结构(1)，其沿第一方向能够弹性伸缩，所述本体结构(1)包括容纳空间；

颗粒(2)，多个所述颗粒(2)填充于所述容纳空间内，多个所述颗粒(2)之间相互抵接，相邻两个所述颗粒(2)之间能够相对运动，当所述本体结构(1)沿所述第一方向伸缩时，在与所述第一方向垂直的第二方向上所述本体结构(1)的尺寸不变；以及

驱动结构(3)，其设置于沿所述第一方向的所述本体结构(1)一端上，所述驱动结构(3)能够驱动所述本体结构(1)的一端由所述第一方向向所述第二方向弯曲或复位。

2.根据权利要求1所述的关节装置，其特征在于，所述颗粒(2)的形状为球体或者正多面体，所述颗粒(2)的材质为金属或者非金属。

3.根据权利要求1所述的关节装置，其特征在于，所述本体结构(1)包括一个、两个或多个壳体，每个所述壳体均开设有容纳腔，所述容纳腔能够存储所述颗粒(2)，两个或多个所述壳体并排设置，相邻两个所述壳体之间相互连通,相邻两个所述壳体间设置有固定件(4)。

4.根据权利要求3所述的关节装置，其特征在于，所述固定件(4)为弹性材料制成，所述固定件(4)沿所述第一方向设置。

5.根据权利要求3所述的关节装置，其特征在于，所述壳体为圆柱筒状结构、球形结构或者锥形结构，多个所述颗粒(2)填充于所述壳体的容纳腔内，所述壳体的材质为金属或非金属。

6.根据权利要求3所述的关节装置，其特征在于，所述壳体为波纹管状结构，所述壳体的材质为金属或非金属。

7.根据权利要求1所述的关节装置，其特征在于，所述驱动结构(3)包括安装件(31)和驱动组件(32)，所述安装件(31)的数量为两个，两个所述安装件(31)分别设置于沿所述第一方向的所述本体结构(1)的两端上，所述驱动组件(32)设置于所述安装件(31)上，所述驱动组件(32)能够控制两个所述安装件(31)相对的一端开合。

8.根据权利要求7所述的关节装置，其特征在于，所述驱动组件(32)包括驱动元件(321)和绳索(322)，所述驱动元件(321)设置于一个所述安装件(31)上，所述绳索(322)的两端分别与另一个所述安装件(31)的两端连接，所述绳索(322)的局部连接于所述驱动元件(321)，所述驱动元件(321)能够驱动所述绳索(322)运动，以使两个所述安装件(31)相对的一端开合。

9.根据权利要求7所述的关节装置，其特征在于，所述驱动组件(32)包括驱动元件(321)、扭转元件(324)和膨胀元件(325)，所述扭转元件(324)和所述膨胀元件(325)内部均充入流体，所述扭转元件(324)和所述膨胀元件(325)分别设置于所述本体结构(1)的两侧，所述膨胀元件(325)的两端分别抵接于两个所述安装件(31)，所述驱动元件(321)连接于所述扭转元件(324)，所述驱动元件(321)能够旋拧所述扭转元件(324)，所述扭转元件(324)内的流体能够流入所述膨胀元件(325)内，以使所述膨胀元件(325)的伸出端伸长或缩短，所述膨胀元件(325)能够驱动两个所述安装件(31)相对的一端开合。

10.根据权利要求9所述的关节装置，其特征在于，所述驱动组件(32)还包括导向元件(326)，所述扭转元件(324)与所述膨胀元件(325)通过所述导向元件(326)连通，所述扭转元件(324)内的流体能够通过所述导向元件(326)流向所述膨胀元件(325)。

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