CN111281394A - 一种腕关节运动功能评测与康复机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种腕关节运动功能评测与康复机器人，依据人体腕关节骨骼结构实现腕关节所有运动形式，且可为小臂长度粗细不同以及手腕长度不同的患者调节设备的结构。其肘部位置调节机构与支架固连，腕关节环转机构、腕关节环转轴线调节机构、尺桡偏驱动机构、掌背屈驱动机构和末端抓握机构分别连接在肘部位置调节机构的端部。其末端抓握机构的握柄可与设备分离，握柄内装有陀螺仪，当握柄与设备分离时，可通过握柄测量患者的腕关节活动范围；当握柄拼接在设备上时，可利用握柄测量患者与设备的人机交互作用力。机器人结构适用于不同患者，评测患者运动功能状态，实现个性化、定量化康复评估与训练的腕关节运动功能评测与康复。

Description

一种腕关节运动功能评测与康复机器人
技术领域
本发明涉及机器人及评测功能的医用设备技术，具体地说，涉及一种具备腕关节运动功能康复与评测功能的医用设备。
背景技术
脑卒中在老年人人群中发病率很高，其中80％～90％的幸存患者往往出现偏瘫后遗症。值得注意的是，在人的日常生活及工作中，上肢及手的功能起着重要的作用，许多脑卒中患者在发病后出现上肢及手的功能障碍，主要表现为手指屈曲、内收，腕关节屈曲并向尺侧偏斜，因此极大地影响了患者的日常生活，也加重了家庭和社会的负担。目前，国内临床上对脑卒中患者的康复治疗方法主要是采用传统的患者和医师一对一训练法，该治疗方式的效率较低、医师工作强度大、难以定量地评测患者康复水平。
发明专利CN108465209A“一种腕关节全功能训练机器人”，包括依次连接的前臂运动装置、腕关节上下摆动装置和腕关节左右旋转装置。该机器人通过运动装置，可实现对患者腕关节三个不同自由度的运动功能训练；机器人通过多个角度传感器可测得患者的腕关节运动范围数据。理论上患者前臂的环转轴线应与该机器人的前臂托回转轴线进行旋转重合，但由于不同患者的前臂粗细不同，该机器人难以解决人体前臂环转轴线与前臂托回转轴线不重合的问题；机器人没有使用用于驱动腕关节左右旋转装置的电机，也未安装有力/扭矩传感器，无法实现腕关节掌屈/背屈的主动运动，该机器人无法测量患者与机器人的人机交互作用力。在发明专利CN105796285A“一种上肢康复机器人手指及手腕训练装置”中，该装置包括安装基座、手腕旋转运动机构和手指抓握及伸展运动机构；该装置的手腕旋转运动机构包括伺服电机、第一级减速机构和第二级减速机构，可实现患者的腕部环转运动；手指抓握及伸展运动机构可实现患者的手指抓握及伸展训练。理论上患者前臂的环转轴线应与该装置的手腕旋转运动机构的旋转轴线重合，但由于不同患者的前臂粗细不同，该装置难以解决人体前臂环转轴线与手腕旋转运动机构回转轴线不重合的问题；仅能够实现手腕的环转运动，无法实现腕关节的尺偏/桡偏和掌屈/背屈两个方向的康复训练；难以实时监测患者与装置之间的人机交互作用力。在发明专利CN106726353B“一种基于自适应的并联腕关节康复训练装置”中采用并联结构形式，当人体穿戴后具有两个转动自由度，可实现患者的尺偏/桡偏和掌屈/背屈两个方向的康复训练。训练装置采用并联结构，无法实现患者腕关节的环转运动；该训练装置未安装编码器和陀螺仪等角位移测量传感器，从而无法对不同患者腕关节的运动范围进行评测；也无法对患者与装置之间的交互作用力进行测量。
近年来，虽然出现了许多康复机器人，或康复机器人辅助的康复治疗设备。但大多数设备与产品仍存在康复训练的模式不够全面、设备对人体运动功能状态的测量手段尚不完善、难以针对不同的患者进行个性化的评估等。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种腕关节运动功能评测与康复机器人；该机器人可广泛适用于不同患者，实现个性化、定量化康复评估和训练腕关节运动功能评测与康复。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括支架、肘部位置调节机构、腕关节环转机构、腕关节环转轴线调节机构、尺桡偏驱动机构、掌背屈驱动机构和末端抓握机构，所述肘部位置调节机构与支架固连，腕关节环转机构、腕关节环转轴线调节机构、尺桡偏驱动机构、掌背屈驱动机构和末端抓握机构分别连接在肘部位置调节机构的端部；
所述肘部位置调节机构包括基座、肘部前后位置调节滑块、肘部上下位置调节滑块、第一旋钮、第二旋钮、肘部托垫，所述肘部前后位置调节滑块位于基座的滑槽内可前后滑动，并通过第一旋钮进行位置固定；所述肘部上下位置调节滑块在肘部前后位置调节滑块上进行竖直方向的滑动，并通过第二旋钮进行位置固定；所述肘部托垫固定在肘部上下位置调节滑块上，其空间位置在前后、竖直方向可调节；
所述腕关节环转机构包括第一电机、齿轮、环转机构连接件、圆弧轨道、第一滑块和第二滑块，所述第一滑块、第二滑块固连在基座侧端部，圆弧轨道与第一滑块和第二滑块配合进行环转滑动；第一电机位于基座侧端部的第一滑块和第二滑块的侧下部，第一电机输出轴与齿轮固连，环转机构连接件与圆弧轨道固连，环转机构连接件上带有不完全齿环，且与齿轮相啮合，第一电机驱动齿轮带动环转机构连接件和圆弧轨道进行环转运动；
所述腕关节轴线调节机构包括腕关节环转轴线调节滑块、腕关节环转轴线调节旋钮、旋钮固定盖、腕关节固定第二旋钮、腕关节固定第二滑块、第二软垫、腕关节固定第三旋钮、腕关节固定第三滑块、第三软垫、第一软垫、腕关节固定第一滑块、腕关节固定第一旋钮和第四软垫；所述腕关节环转轴线调节旋钮与腕关节环转轴线调节滑块之间为螺纹副传动，通过旋转腕关节环转轴线调节旋钮，可调节腕关节环转轴线调节滑块的空间位置，腕关节环转轴线调节旋钮与环转机构连接件通过旋钮固定盖连接，扭转腕关节环转轴线调节旋钮使腕关节环转轴线调节滑块在环转机构连接件上的方形滑轨内滑动；所述腕关节固定第一滑块和腕关节固定第二滑块分别串连在腕关节环转轴线调节滑块两端且可进行滑动，并分别通过旋紧腕关节固定第一旋钮与腕关节固定第二旋钮进行位置固定；所述腕关节固定第三滑块在腕关节固定第二滑块的滑槽内滑动，并通过旋紧腕关节固定第三旋钮进行位置固定；第四软垫、第一软垫、第二软垫和第三软垫分别固定在腕关节环转轴线调节滑块、腕关节固定第一滑块、腕关节固定第二滑块和腕关节固定第三滑块上；
所述尺桡偏驱动机构包括第二电机和尺桡偏连杆；所述第二电机固定在环转机构连接件上，第二电机输出轴与尺桡偏连杆连接，通过第二电机驱动即可实现对患者的尺桡偏转动训练；
所述掌背屈驱动机构包括第三电机和掌背屈连杆；所述第三电机安装在尺桡偏连杆上，第三电机输出轴与掌背屈连杆连接，通过第三电机驱动即可实现对患者的掌背屈转动训练；第三电机内的扭矩传感器和编码器可测量人体腕关节掌背屈时的运动角度与扭矩；
所述末端抓握机构包括读数头滑块、六维力传感器、拆拼构件、V型弹片、握柄和绑带，所述读数头滑块位于掌背屈连杆上配合滑动，六维力传感器安装在读数头滑块上，用于测得患者与设备的人机交互作用力；所述拆拼构件安装在六维力传感器上，拆拼构件内部安装有V型弹片，握柄通过V型弹片进行拆卸与拼接，握柄内部装有陀螺仪，绑带固连在握柄上，可使患者的手部握牢握柄。
所述第一电机、第二电机、第三电机分别包含有减速器、扭矩传感器和编码器，其中，扭矩传感器、减速器、电机转子与编码器依次联接。
有益效果
本发明提出的一种腕关节运动功能评测与康复机器人；依据人体腕关节骨骼结构实现腕关节所有运动形式，且可为小臂长度粗细不同以及手腕长度不同的患者调节设备的结构。其肘部位置调节机构与支架固连，腕关节环转机构、腕关节环转轴线调节机构、尺桡偏驱动机构、掌背屈驱动机构和末端抓握机构分别连接在肘部位置调节机构的端部。其末端抓握机构的握柄可与设备分离，握柄内装有陀螺仪，当握柄与设备分离时，可通过握柄测量患者的腕关节活动范围；当握柄拼接在设备上时，可利用握柄测量患者与设备的人机交互作用力。机器人结构适用于不同患者，评测患者运动功能状态，实现个性化、定量化康复评估与训练的腕关节运动功能评测与康复。
腕关节运动功能评测与康复机器人的三个驱动电机内均包含有编码器和扭矩传感器，增加了更多的康复训练的模式。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种腕关节运动功能评测与康复机器人作进一步详细说明。
图1为本发明腕关节运动功能评测与康复机器人示意图。
图2为本发明腕关节运动功能评测与康复机器人结构轴测图。
图3为本发明腕关节运动功能评测与康复机器人的结构示意图。
图4为本发明的肘部位置调节机构示意图。
图5为本发明的腕关节环转机构的示意图。
图6为本发明的腕关节环转轴线调节机构示意图。
图7为本发明的尺桡偏驱动机构与掌背屈驱动机构示意图。
图8为本发明的末端抓握机构示意图。
图中
1.支架 2.肘部位置调节机构 3.腕关节环转机构 4.腕关节环转轴线调节机构5.尺桡偏驱动机构 6.掌背屈驱动机构 7.末端抓握机构 8.基座 9.肘部前后位置调节滑块 10.第一旋钮 11.肘部托垫 12.肘部上下位置调节滑块 13.第二旋钮 14.第一电机15.齿轮 16.环转机构连接件 17.圆弧轨道 18.第一滑块 19.第二滑块 20.腕关节环转轴线调节滑块 21.腕关节环转轴线调节旋钮 22.旋钮固定盖 23.腕关节固定第二旋钮 24.腕关节固定第二滑块 25.第二软垫 26.腕关节固定第三旋钮 27.腕关节固定第三滑块28.第三软垫 29.第一软垫 30.腕关节固定第一滑块 31.腕关节固定第一旋钮 32.第四软垫 33.第二电机 34.尺桡偏连杆 35.第三电机 36.掌背屈连杆 37.读数头滑块 38.六维力传感器 39.拆拼构件 40.V型弹片 41.握柄 42.绑带
具体实施方式
本实施例是一种腕关节运动功能评测与康复机器人。
参阅图1～图8，本实施例腕关节运动功能评测与康复机器人，由支架1、肘部位置调节机构2、腕关节环转机构3、腕关节环转轴线调节机构4、尺桡偏驱动机构5、掌背屈驱动机构6和末端抓握机构7组成；其中，肘部位置调节机构与支架固连并为各机构部件提供支撑，腕关节环转机构3、腕关节环转轴线调节机构4、尺桡偏驱动机构5、掌背屈驱动机构6和末端抓握机构7分别连接在肘部位置调节机构的端部。其中，肘部位置调节机构2包括基座8、肘部前后位置调节滑块9、第一旋钮10、肘部托垫11、肘部上下位置调节滑块12和第二旋钮13；基座8与支架1固定连接，基座8上加工有滑槽。肘部前后位置调节滑块9可在滑槽内前后滑动，将肘部前后位置调节滑块9位置固定后，并通过第一旋钮10将其进行旋紧。肘部上下位置调节滑块12可在肘部前后位置调节滑块9上进行上下滑动，并通过旋紧第二旋钮13将肘部上下位置调节滑块12进行位置固定；肘部托垫11固定在肘部上下位置调节滑块12上，并与患者肘部直接接触，其空间位置可在前后方向和上下方向调节，从而调整患者肘部的位置。
本实施例中，腕关节环转机构3包括第一电机14、齿轮15、环转机构连接件16、圆弧轨道17、第一滑块18和第二滑块19；其中，第一电机14包含有减速器、扭矩传感器和编码器，扭矩传感器、减速器、电机转子与编码器依次串联接。第一电机14输出轴与齿轮15固定连接，齿轮15与环转机构连接件16上的不完全齿环相啮合传动，第一电机14驱动环转机构连接件16进行环转运动。此外，第一电机14内的扭矩传感器和编码器可测量人体腕关节环转时的运动角度与扭矩。圆弧轨道17在第一滑块18与第二滑块19内进行滑动，第一滑块18与第二滑块19分别固定在基座8端部。
腕关节环转轴线调节机构4包括腕关节环转轴线调节滑块20、腕关节环转轴线调节旋钮21、旋钮固定盖22、腕关节固定第二旋钮23、腕关节固定第二滑块24、第二软垫25、腕关节固定第三旋钮26、腕关节固定第三滑块27、第三软垫28、第一软垫29、腕关节固定第一滑块30、腕关节固定第一旋钮31和第四软垫32；其中，腕关节环转轴线调节滑块20可在环转机构连接件16上的方形滑槽内滑动，第四软垫32固定在腕关节环转轴线调节滑块20上。由于腕关节环转轴线调节滑块20和腕关节环转轴线调节旋钮21之间为螺纹副连接，故通过旋转腕关节环转轴线调节旋钮21，则可调节腕关节环转轴线调节滑块20的空间位置；而旋钮固定盖22将腕关节环转轴线调节旋钮21安装在环转机构连接件16上。腕关节固定第二滑块24在腕关节环转轴线调节滑块20的方形滑轨上滑动，并通过旋紧腕关节固定第二旋钮23将腕关节固定第二滑块24位置进行固定。第二软垫25固定在腕关节固定第二滑块24上；腕关节固定第三滑块27可在腕关节固定第二滑块24的滑槽内滑动，并可通过旋紧腕关节固定第三旋钮26将腕关节固定第三滑块27进行位置固定。第三软垫28固定在腕关节固定第三滑块27上；腕关节固定第一滑块30可在腕关节环转轴线调节滑块20的方形滑轨上滑动，并通过旋紧腕关节固定第一旋钮31将腕关节固定第一滑块30进行位置固定，第一软垫29固定在腕关节固定第一滑块30上。
尺桡偏驱动机构5包括第二电机33和尺桡偏连杆34；第二电机33安装在环转机构连接件16外侧上部，第二电机33包含有减速器、扭矩传感器和编码器，其中，扭矩传感器、减速器、电机转子与编码器依次联接；第二电机33输出轴与尺桡偏连杆34连接，通过驱动第二电机33可实现对患者的尺桡偏转动训练。此外，第二电机33内的扭矩传感器和编码器可测量人体腕关节尺桡偏时的运动角度与扭矩。掌背屈驱动机构6位于尺桡偏驱动机构5的上部，掌背屈驱动机构6由第三电机35和掌背屈连杆36组成；第三电机35包含有减速器、扭矩传感器和编码器，其中，扭矩传感器、减速器、电机转子与编码器依次联接；第三电机35安装在尺桡偏连杆34上，第三电机35输出轴与掌背屈连杆36连接，通过驱动第三电机35即可实现对患者的掌背屈转动训练；此外，第三电机35内的扭矩传感器和编码器可测量人体腕关节掌背屈时的运动角度与扭矩。
本实施例中，末端抓握机构7包括读数头滑块37、六维力传感器38、拆拼构件39、V型弹片40、握柄41和绑带42；读数头滑块37安装在掌背屈连杆36上，且与掌背屈连杆36配合，读数头滑块37在掌背屈连杆36上滑动；六维力传感器38通过螺栓安装在读数头滑块37的下部，六维力传感器38可测得患者与设备的人机交互作用力。拆拼构件39通过螺栓安装在六维力传感器38上，拆拼构件39内部安装有V型弹片40，握柄41可通过V型弹片40进行拆卸与拼接。握柄41内部装有陀螺仪，可测得患者腕关节的运动范围。绑带42固定在握柄41上，可使患者的手部握牢握柄。
腕关节运动功能测量实例
本实施例中，针对不同程度的腕关节受伤患者，需先对其运动功能状态进行评测。当握柄41从拆拼构件39上卸下时，握柄41可测得患者腕关节的运动范围；当握柄41拼接在拆拼构件39上时，其与握柄间接连接的六维力传感器38可测量患者与设备的人机交互作用力。第一电机14、第二电机33和第三电机35中所包含的扭矩传感器和编码器可测得患者腕关节环转运动、尺桡偏运动以及屈伸运动时的转动角度与扭矩。所测得的数据传入系统后，系统可对相关数据进行分析与评估，并且所有数据可作为康复训练过程中的安全阈值，保障患者的安全。
腕关节环转轴线的调节实例
本实施例中，由于不同个体的前臂的粗细与长度不同，所以在进行康复训练前，需将人体关节的回转轴线与设备的转轴轴线进行对齐。通过调节腕关节环转轴线调节旋钮21、肘部前后位置调节滑块9以及肘部上下位置调节滑块12，使得第二电机33和第三电机35旋转轴线对准人体腕关节转动所涉及的骨骼位置处，再将第二软垫25、第三软垫28、第一软垫29紧贴患者的小臂，并旋紧各个机构的旋钮，使患者的小臂与设备能紧密贴合，并确保患者在康复训练过程中，腕关节与设备的回转轴线始终保持重合。通过肘部位置调节机构2和腕关节环转轴线调节机构4对不同患者小臂位置的调节，使得该设备在机械结构方面更具有不同个体适应性。
多康复模式的康复训练实例
本实施例中，在完成患者腕关节转轴与设备转轴轴线重合调节后，即可开始康复训练。第一电机14输出轴与齿轮15连接，齿轮15与环转机构连接件16上的不完全齿环相啮合传动，第一电机14驱动环转机构连接件16进行环转运动，实现腕关节环转这一运动的康复训练。第二电机33输出轴与尺桡偏连杆34连接，通过驱动第二电机33即可实现对患者的尺桡偏转动训练。第三电机35输出轴与掌背屈连杆36连接，通过驱动第三电机35即可实现对患者的掌背屈转动训练。
本实施例中，腕关节运动功能评测与康复机器人对应于人体腕关节的三个自由度，即腕关节环转、尺桡偏和掌背屈，均有电机驱动，且每个电机均包含有扭矩传感器和编码器，其不仅可实现被动训练，也可根据传感器所采集的数据信息进行主动训练以及主被动训练。

Claims (2)

1.一种腕关节运动功能评测与康复机器人，其特征在于:包括支架、肘部位置调节机构、腕关节环转机构、腕关节环转轴线调节机构、尺桡偏驱动机构、掌背屈驱动机构和末端抓握机构，所述肘部位置调节机构与支架固连，腕关节环转机构、腕关节环转轴线调节机构、尺桡偏驱动机构、掌背屈驱动机构和末端抓握机构分别连接在肘部位置调节机构的端部；
所述肘部位置调节机构包括基座、肘部前后位置调节滑块、肘部上下位置调节滑块、第一旋钮、第二旋钮、肘部托垫，所述肘部前后位置调节滑块位于基座的滑槽内可前后滑动，并通过第一旋钮进行位置固定；所述肘部上下位置调节滑块在肘部前后位置调节滑块上进行竖直方向的滑动，并通过第二旋钮进行位置固定；所述肘部托垫固定在肘部上下位置调节滑块上，其空间位置在前后、竖直方向可调节；
所述腕关节环转机构包括第一电机、齿轮、环转机构连接件、圆弧轨道、第一滑块和第二滑块，所述第一滑块、第二滑块固连在基座侧端部，圆弧轨道与第一滑块和第二滑块配合进行环转滑动；第一电机位于基座侧端部的第一滑块和第二滑块的侧下部，第一电机输出轴与齿轮固连，环转机构连接件与圆弧轨道固连，环转机构连接件上带有不完全齿环，且与齿轮相啮合，第一电机驱动齿轮带动环转机构连接件和圆弧轨道进行环转运动；
所述腕关节轴线调节机构包括腕关节环转轴线调节滑块、腕关节环转轴线调节旋钮、旋钮固定盖、腕关节固定第二旋钮、腕关节固定第二滑块、第二软垫、腕关节固定第三旋钮、腕关节固定第三滑块、第三软垫、第一软垫、腕关节固定第一滑块、腕关节固定第一旋钮和第四软垫；所述腕关节环转轴线调节旋钮与腕关节环转轴线调节滑块之间为螺纹副传动，通过旋转腕关节环转轴线调节旋钮，可调节腕关节环转轴线调节滑块的空间位置，腕关节环转轴线调节旋钮与环转机构连接件通过旋钮固定盖连接，扭转腕关节环转轴线调节旋钮使腕关节环转轴线调节滑块在环转机构连接件上的方形滑轨内滑动；所述腕关节固定第一滑块和腕关节固定第二滑块分别串连在腕关节环转轴线调节滑块两端且可进行滑动，并分别通过旋紧腕关节固定第一旋钮与腕关节固定第二旋钮进行位置固定；所述腕关节固定第三滑块在腕关节固定第二滑块的滑槽内滑动，并通过旋紧腕关节固定第三旋钮进行位置固定；第四软垫、第一软垫、第二软垫和第三软垫分别固定在腕关节环转轴线调节滑块、腕关节固定第一滑块、腕关节固定第二滑块和腕关节固定第三滑块上；
所述尺桡偏驱动机构包括第二电机和尺桡偏连杆；所述第二电机固定在环转机构连接件上，第二电机输出轴与尺桡偏连杆连接，通过第二电机驱动即可实现对患者的尺桡偏转动训练；
所述掌背屈驱动机构包括第三电机和掌背屈连杆；所述第三电机安装在尺桡偏连杆上，第三电机输出轴与掌背屈连杆连接，通过第三电机驱动即可实现对患者的掌背屈转动训练；第三电机内的扭矩传感器和编码器可测量人体腕关节掌背屈时的运动角度与扭矩；
所述末端抓握机构包括读数头滑块、六维力传感器、拆拼构件、V型弹片、握柄和绑带，所述读数头滑块位于掌背屈连杆上配合滑动，六维力传感器安装在读数头滑块上，用于测得患者与设备的人机交互作用力；所述拆拼构件安装在六维力传感器上，拆拼构件内部安装有V型弹片，握柄通过V型弹片进行拆卸与拼接，握柄内部装有陀螺仪，绑带固连在握柄上，可使患者的手部握牢握柄。
2.根据权利要求1所述的腕关节运动功能评测与康复机器人，其特征在于:所述第一电机、第二电机、第三电机分别包含有减速器、扭矩传感器和编码器，其中，扭矩传感器、减速器、电机转子与编码器依次联接。
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