CN111281745A - 一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置，采用电机驱动、绳索传动的形式，提高其康复装置的柔性；并可根据使用者的腕‑手尺寸自主地进行调节，使得患者手腕环转的运动轴线与设备环转的轴线保持重合，提高设备的舒适性；装置依据人体腕关节骨骼结构与运动特性，使得装置的驱动轴线可自适应调整，并与人体腕关节运动轴线始终保持平行，提高了康复训练的安全性；腕关节康复装置可自适应用于不同患者，满足康复训练所需的自由度数量，即屈伸自由度、尺桡偏自由度和环转自由度，实现了腕关节三自由度的耦合运动。可补偿骨骼相对运动产生的关节轴线偏移，且可跟随使用者关节活动轴线的自适应人体运动轴线变化。

Description

一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置
技术领域
本发明涉及一种腕关节康复设备，具体地说，涉及一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置。
背景技术
随着我国人口老龄化的日趋严重，神经功能减退的人群正在以几何倍数的形式增长。在这些人群中，脑卒中患者及老年神经功能减退患者的肢体瘫痪、步态异常等是最为常见的后遗症和致残原因，对患者的生活自理能力、生活质量和瘉后影响也最为严重，给社会和家庭造成沉重的经济负担。近年来出现了康复机器人辅助的康复治疗方法，这种治疗方法的效率高、精度高、康复医师工作强度减小以及可量化评估康复进程，从而提高了康复效果。
人体的腕骨结构是比较复杂的，这导致腕关节屈伸运动和尺桡偏运动的轴线在空间中会实时变化，且两个运动的轴线并不相交。不仅如此，随着腕关节的运动，屈伸运动和尺桡偏运动的轴线相对于空间会发生转动。上述腕关节轴线在空间中的复杂运动关系对腕关节康复设备的人机适应性提出了特殊要求。
发明专利CN106361539B公开了“一种三自由度腕关节康复机器人及其系统”，该机器人可实现手腕环转、屈伸以及尺桡偏等运动，但由于不同患者的前臂粗细不同，但其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；此外，该机器人与人体腕关节屈伸运动以及尺桡偏运动的轴线无法时刻保持重合，难以自适应人体运动轴线变化。
发明专利CN106726353B“一种基于自适应的并联腕关节康复训练装置”,该装置采用并联结构形式，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。该装置采用并联结构，无法实现患者腕关节的环转运动；该装置的结构设计无法实现左右手手腕在同一台装置上训练，需要两台互为镜像的装置方可实现，增加了康复的成本。
在发明专利CN107296719B和CN107362000B中分别公开了一种五自由度外骨骼式上肢康复机器人，这两种机器人均可实现上肢五个自由度的康复训练，其康复训练的范围也包括腕关节。这两种机器人所涉及的腕关节康复环节可进行腕关节的环转与屈伸运动，但无法实现腕关节康复训练中同样十分重要的桡偏运动，难以使机器人与人体环转运动和屈伸运动的轴线保持重合，从而难以自适应人体运动轴线变化。
现有的康复设备驱动的自由度数量少于康复训练所需要的自由度数量、康复设备难以补偿骨骼相对运动产生的关节轴线偏移、康复设备难以自适应人体运动轴线变化、康复设备的柔性与舒适性较低。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置；该腕关节康复装置可自适应用于不同使用者，满足康复训练所需的自由度数量，可补偿骨骼相对运动产生的关节轴线偏移，且可跟随使用者关节活动轴线的自适应人体运动轴线变化的腕关节康复。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括底座、手腕环转机构、尺桡偏轴线跟随机构、手腕屈伸与尺桡偏机构、末端被动机构和腕部固定机构，其特征在于所述底座包括底板、支撑架、肘部高低定位旋钮、肘部高低调节滑块和托垫；所述底板中间部位开有轴向滑槽，用于使腕部固定机构位于底板滑槽內配合滑动，支撑架固定在位于底板端部并与底板通过螺栓固连；支撑架上安装有肘部高低定位旋钮和肘部高低调节滑块，肘部高低调节滑块可在支撑架的孔槽内上下滑动，通过旋紧肘部高低定位旋钮对肘部高低调节滑块进行固定；托垫固定在肘部高低调节滑块上，用于托住使用者的肘部；
所述手腕环转机构包括环转轴承、环转连接件、环转传动绳和环转电机，所述环转轴承与环转连接件配合安装在支撑架上；所述环转连接件上设有传动绳凹槽，环转传动绳装卡在凹槽内，环转传动绳两端固定在环转连接件上；所述环转电机固定在支撑架上，环转电机转动驱动环转传动绳带动环转连接件作环转运动；
所述尺桡偏轴线跟随机构包括支撑构件、轴线跟随电机、轴线跟随轴承、轴线跟随构件组、轴线跟随平台和轴线跟随传动绳，所述支撑构件与环转连接件固连，支撑构件内部安装有轴线跟随电机，所述轴线跟随轴承位于支撑构件上，两轴线跟随轴承与轴线跟随构件组配合，轴线跟随平台与轴线跟随构件组固连，所述轴线跟随传动绳位于支撑构件外侧、轴线跟随传动绳通过轴线跟随电机驱动，带动轴线跟随构件组进行转动，进而带动轴线跟随平台转动；
所述手腕屈伸与尺桡偏机构包括尺桡偏驱动电机、尺桡偏传动轴承、尺桡偏传动构件、尺桡偏传动绳、电机固定构件组、屈伸驱动电机、屈伸传动轴承组、屈伸传动曲柄和屈伸传动绳，所述尺桡偏驱动电机和尺桡偏传动轴承安装在轴线跟随平台上，所述尺桡偏传动构件与尺桡偏传动轴承配合，尺桡偏驱动电机驱动尺桡偏传动绳，并带动尺桡偏传动构件旋转；电机固定构件组连接在尺桡偏传动构件上，屈伸驱动电机固连在电机固定构件组上，屈伸传动轴承位于电机固定构件组中，屈伸传动曲柄与屈伸传动轴承组配合，屈伸驱动电机驱动屈伸传动绳带动屈伸传动曲柄进行转动；
所述末端被动机构包括被动连杆、铰接件、背板轴承、背板、轴承上端盖、轴承下端盖和绑带握柄，所述被动连杆与屈伸传动曲柄铰接，所述铰接件与被动连杆铰接，背板轴承安装在背板上并与铰接件配合，轴承上端盖和轴承下端盖安装在背板上，用于固定背板轴承，所述绑带握柄连接在背板上，用于将使用者的手部固定于背板上抓握；
所述腕部固定机构包括前后调节滑块、前后定位旋钮、高低调节拖垫、手腕高低定位旋钮和腕部绑带，所述前后调节滑块可在底板上前后滑动，前后定位旋钮对前后调节滑块进行定位；所述高低调节拖垫可在前后调节滑块上进行上下滑动，手腕高低定位旋钮对高低调节拖垫进行定位；所述腕部绑带固定在高低调节拖垫上，高低调节拖垫托住使用者的小臂，腕部绑带用于固牢使用者小臂，减小小臂相对整体装置的位移。
所述腕部固定机构、手腕环转机构的中心线与底座的底板轴向滑槽轴线位于同一竖直平面内。
有益效果
本发明提出的一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置，采用电机驱动、绳索传动的形式，可避免齿轮传动的间隙误差，提高装置的柔性；并可根据使用者的腕-手尺寸自主地进行调节，使得患者手腕环转的运动轴线与设备环转的轴线保持重合，提高了设备的舒适性；可对不同的使用者进行康复训练，提高了不同个体适应性；该设备依据人体腕关节骨骼结构与运动特性，使得设备的驱动轴线可自适应调整，并与人体腕关节运动轴线始终保持平行，提高了康复训练的安全性；腕关节康复装置可自适应用于不同患者，满足康复训练所需的自由度数量，即屈伸自由度、尺桡偏自由度和环转自由度，实现了腕关节三自由度的耦合运动。可补偿骨骼相对运动产生的关节轴线偏移，且可跟随使用者关节活动轴线的自适应人体运动轴线变化。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置作进一步详细说明。
图1为本发明自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置轴测图。
图2为本发明自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置结构示意图。
图3为本发明腕关节康复装置的底座结构示意图。
图4为本发明腕关节康复装置的手腕环转机构示意图。
图5(a)为本发明腕关节康复装置的尺桡偏轴线跟随机构示意图；
(b)为本发明腕关节康复装置的尺桡偏轴线跟随机构局部剖视图。
图6(a)为本发明腕关节康复装置的手腕屈伸与尺桡偏机构示意图；
(b)为本发明腕关节康复装置的手腕屈伸与尺桡偏机构爆炸图。
图7为本发明腕关节康复装置的末端被动机构示意图。
图8为本发明腕关节康复装置的腕部固定机构示意图。
图9(a)、(b)为人体腕关节运动轴线变化示意图。
图10(a)、(b)为本发明腕关节康复装置的轴线跟随原理示意图。
图11为本发明腕关节康复装置用于腕关节康复的轴线跟随原理示意图。
图12为本发明的尺桡偏驱动电机、屈伸驱动电机安装部位示意图。
图中
1.底座 2.手腕环转机构 3.尺桡偏轴线跟随机构 4.手腕屈伸与尺桡偏机构 5.末端被动机构 6.腕部固定机构 7.底板 8.支撑架 9.肘部高低定位旋钮 10.肘部高低调节滑块 11.托垫 12.环转轴承 13.环转连接件 14.环转传动绳 15.环转电机 16.支撑构件 17.轴线跟随电机 18.轴线跟随轴承 19.轴线跟随构件组 20.轴线跟随平台 21.轴线跟随传动绳 22.尺桡偏驱动电机 23.尺桡偏传动轴承 24.尺桡偏传动构件 25.尺桡偏传动绳 26.电机固定构件组 27.屈伸驱动电机 28.屈伸传动轴承组 29.屈伸传动曲柄 30.屈伸传动绳 31.被动连杆 32.铰接件 33.背板轴承 34.背板 35.轴承上端盖 36.轴承下端盖 37.绑带握柄 38.前后调节滑块 39.前后定位旋钮 40.高低调节拖垫 41.手腕高低定位旋钮 42.腕部绑带
FE为自然状态时腕关节屈伸运动轴线 RU为尺桡偏运动轴线
FE'为变化后的腕关节屈伸运动轴线 RU'为变化后的尺桡偏运动轴线
L为尺桡偏传动构件的旋转轴线 L'为屈伸传动曲柄的旋转轴线
具体实施方式
本实施例是一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置。
参阅图1～图8，本实施例自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置，由底座1、手腕环转机构2、尺桡偏轴线跟随机构3、手腕屈伸与尺桡偏机构4、末端被动机构5和腕部固定机构6组成；其中，底座1与腕部固定机构6配合连接，并与手腕环转机构2固连，底座1用于支撑各机构部件，底座结构还包含有肘部高低调节机构。安装时，腕部固定机构、手腕环转机构的中心线与底座的底板轴向滑槽轴线位于同一竖直平面内。
本实施例中，底座1包括底板7、支撑架8、肘部高低定位旋钮9、肘部高低调节滑块10和托垫11；底板7中间部位开有轴向滑槽，腕部固定机构6位于底板7中间滑槽内，腕部固定机构6可沿滑槽滑动。支撑架8安装在底板7的端部通过螺栓固连；支撑架8上安装有肘部高低定位旋钮9和肘部高低调节滑块10，肘部高低调节滑块10可在支撑架8的孔槽内上下滑动，通过旋紧肘部高低定位旋钮9可对肘部高低调节滑块10进行固定；托垫11固定在肘部高低调节滑块10上，用于托住使用者的肘部。
手腕环转机构2位于底座1上端部；手腕环转机构2包括环转轴承12、环转连接件13、环转传动绳14和环转电机15，环转轴承12与环转连接件13配合安装在支撑架8上；环转连接件13上加工有绳索凹槽，环转传动绳14两端固定在环转连接件13上，环转传动绳14位于凹槽内。环转电机15固定在支撑架8上，环转电机15通过驱动环转传动绳14，从而带动环转连接件13进行环转运动。
尺桡偏轴线跟随机构3包括支撑构件16、轴线跟随电机17、轴线跟随轴承18、轴线跟随构件组19、轴线跟随平台20和轴线跟随传动绳21，所述支撑构件16与环转连接件13通过螺栓固连，支撑构件16内部安装有轴线跟随电机17；所述轴线跟随轴承组18安装在支撑构件16上，并与轴线跟随构件组19配合；所述轴线跟随平台20则与轴线跟随构件组19固连；所述轴线跟随传动绳21由轴线跟随电机17驱动，带动轴线跟随构件组19进行转动，进而带动轴线跟随平台20转动。
手腕屈伸与尺桡偏机构4包括尺桡偏驱动电机22、尺桡偏传动轴承23、尺桡偏传动构件24、尺桡偏传动绳25、电机固定构件组26、屈伸驱动电机27、屈伸传动轴承组28、屈伸传动曲柄29和屈伸传动绳30，所述尺桡偏驱动电机22和所述尺桡偏传动轴承23安装在轴线跟随平台20上，所述尺桡偏传动构件24与尺桡偏传动轴承23配合，当尺桡偏驱动电机22驱动尺桡偏传动绳索25时，则可带动尺桡偏传动构件24旋转；所述电机固定构件组26通过螺钉固连在尺桡偏传动构件24上，所述屈伸驱动电机27固连在电机固定构件组26上，所述屈伸传动轴承组28则配合在电机固定构件组26中，所述屈伸传动曲柄29与屈伸传动轴承组28配合，当屈伸驱动电机27驱动屈伸传动绳30时，可带动屈伸传动曲柄29进行转动。
末端被动机构5包括被动连杆31、铰接件32、背板轴承33、背板34、轴承上端盖35、轴承下端盖36和绑带握柄37，所述被动连杆31与屈伸传动曲柄29铰接；铰接件32与被动连杆31铰接；背板轴承33安装在背板34上，并与铰接件32配合；轴承上端盖35和轴承下端盖36通过螺钉安装在背板34上，其作用是固定背板轴承33；绑带握柄37连接在背板34上，用于将使用者的手固定在背板34上，并让使用者抓握。
腕部固定机构6包括前后调节滑块38、前后定位旋钮39、高低调节拖垫40、手腕高低定位旋钮41和腕部绑带42，前后调节滑块38可在底板7上前后滑动，前后定位旋钮39对前后调节滑块38进行定位；高低调节拖垫40可在前后调节滑块38上进行上下滑动，手腕高低定位旋钮41对高低调节拖垫40进行定位；腕部绑带42固定在高低调节拖垫40上，高低调节拖垫40可托住使用者的小臂，而腕部绑带42则用于捆绑使用者小臂，减小小臂相对整体设备的位移。
人体手腕环转轴线调节实例
本实施例中，为让使用者的腕关节的环转运动轴线与环转连接件13的环转轴线保持重合，需利用肘部高低调节滑块10和高低调节拖垫40在空间中上下调节的特征。首先将使用者的肘部放于肘部高低调节滑块10上，再将使用者靠近腕骨的前臂部分放置在高低调节拖垫40上；然后，通过调节肘部高低调节滑块10和高低调节拖垫40的高低位置，使得使用者腕关节环转运动轴线与环转连接件13的环转轴线重合；最后分别旋紧肘部高低定位旋钮9和手腕高低定位旋钮41，并为使用者捆上腕部绑带42，从而实现使用者在利用该设备进行康复训练时，其腕关节的环转运动轴线始终与环转连接件13的环转轴线保持重合。
腕关节康复装置的自适应匹配实例
本实施例中，末端被动机构5中各个零件之间的连接均为被动自由度，当使用者手部抓握绑带握柄37，并被绑缚在背板34上时，末端被动机构5便可根据不同使用者腕-手尺寸的不同而自行调节；当使用该设备进行康复训练时，人体腕关节运动的轴线虽然会在空间中发生较小的平移，但是末端被动机构5可补偿屈伸轴线所发生的平移；由于人体腕骨构造的复杂性，导致腕关节屈伸运动的轴线与尺桡偏运动的轴线并不时刻相交，而当使用该设备时，该设备与人体形成了串-并联结构，可以实时补偿屈伸运动的轴线与尺桡偏运动的轴线之间的偏移。此外，该设备的机械结构设计能够满足左右手手腕可在同一台设备上进行康复训练，减少了购买该设备所需的成本。
腕关节屈伸与尺桡偏轴线调节实例
本实施例中，参阅图9～图12，为自然状态时腕关节屈伸运动轴线FE和尺桡偏运动轴线RU的空间位置，当腕关节进行活动时，变化后的屈伸运动轴线FE'和尺桡偏运动轴线RU'的空间位置，变化后的屈伸运动轴线FE'和尺桡偏运动轴线RU'相较于自然状态时腕关节屈伸运动轴线FE和尺桡偏运动轴线RU发生了角度的变化，为了实现康复设备能够安全有效的带动人体腕关节，就要求使设备能够跟随人体腕关节轴线的变化。
当人体腕关节进行屈伸时，腕关节尺桡偏运动的轴线相对于自然状态旋转了θ°，此时，轴线跟随电机17驱动轴线跟随平台20也旋转θ°，该设备可实现θ°在±90°的范围内变化，保持尺桡偏传动构件24的旋转轴线L与人体尺桡偏的旋转轴线RU'时刻平行，从而尺桡偏驱动电机22可以安全有效地带动腕关节在已经发生屈伸运动的情况下，进行尺桡偏康复训练。
当人体腕关节进行尺桡偏时，腕关节屈伸运动的轴线相对于自然状态旋转了ω°，此时，尺桡偏驱动电机22间接驱动屈伸传动曲柄29也旋转ω°，该设备可实现ω°在±60°的范围内变化，保持屈伸传动曲柄29的旋转轴线L'与人体屈伸的旋转轴线FE'时刻平行，从而屈伸驱动电机27可以安全有效地带动腕关节在已经发生尺桡偏运动的情况下，进行屈伸康复训练。

Claims (2)

1.一种自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置，包括底座、手腕环转机构、尺桡偏轴线跟随机构、手腕屈伸与尺桡偏机构、末端被动机构和腕部固定机构，其特征在于:所述底座包括底板、支撑架、肘部高低定位旋钮、肘部高低调节滑块和托垫；所述底板中间部位开有轴向滑槽，用于使腕部固定机构位于底板滑槽內配合滑动，支撑架固定在位于底板端部并与底板通过螺栓固连；支撑架上安装有肘部高低定位旋钮和肘部高低调节滑块，肘部高低调节滑块可在支撑架的孔槽内上下滑动，通过旋紧肘部高低定位旋钮对肘部高低调节滑块进行固定；托垫固定在肘部高低调节滑块上，用于托住使用者的肘部；
所述手腕环转机构包括环转轴承、环转连接件、环转传动绳和环转电机，所述环转轴承与环转连接件配合安装在支撑架上；所述环转连接件上设有传动绳凹槽，环转传动绳装卡在凹槽内，环转传动绳两端固定在环转连接件上；所述环转电机固定在支撑架上，环转电机转动驱动环转传动绳带动环转连接件作环转运动；
所述尺桡偏轴线跟随机构包括支撑构件、轴线跟随电机、轴线跟随轴承、轴线跟随构件组、轴线跟随平台和轴线跟随传动绳，所述支撑构件与环转连接件固连，支撑构件内部安装有轴线跟随电机，所述轴线跟随轴承位于支撑构件上，两轴线跟随轴承与轴线跟随构件组配合，轴线跟随平台与轴线跟随构件组固连，所述轴线跟随传动绳位于支撑构件外侧、轴线跟随传动绳通过轴线跟随电机驱动，带动轴线跟随构件组进行转动，进而带动轴线跟随平台转动；
所述手腕屈伸与尺桡偏机构包括尺桡偏驱动电机、尺桡偏传动轴承、尺桡偏传动构件、尺桡偏传动绳、电机固定构件组、屈伸驱动电机、屈伸传动轴承组、屈伸传动曲柄和屈伸传动绳，所述尺桡偏驱动电机和尺桡偏传动轴承安装在轴线跟随平台上，所述尺桡偏传动构件与尺桡偏传动轴承配合，尺桡偏驱动电机驱动尺桡偏传动绳，并带动尺桡偏传动构件旋转；电机固定构件组连接在尺桡偏传动构件上，屈伸驱动电机固连在电机固定构件组上，屈伸传动轴承位于电机固定构件组中，屈伸传动曲柄与屈伸传动轴承组配合，屈伸驱动电机驱动屈伸传动绳带动屈伸传动曲柄进行转动；
所述末端被动机构包括被动连杆、铰接件、背板轴承、背板、轴承上端盖、轴承下端盖和绑带握柄，所述被动连杆与屈伸传动曲柄铰接，所述铰接件与被动连杆铰接，背板轴承安装在背板上并与铰接件配合，轴承上端盖和轴承下端盖安装在背板上，用于固定背板轴承，所述绑带握柄连接在背板上，用于将使用者的手部固定于背板上抓握；
所述腕部固定机构包括前后调节滑块、前后定位旋钮、高低调节拖垫、手腕高低定位旋钮和腕部绑带，所述前后调节滑块可在底板上前后滑动，前后定位旋钮对前后调节滑块进行定位；所述高低调节拖垫可在前后调节滑块上进行上下滑动，手腕高低定位旋钮对高低调节拖垫进行定位；所述腕部绑带固定在高低调节拖垫上，高低调节拖垫托住使用者的小臂，腕部绑带用于固牢使用者小臂，减小小臂相对整体装置的位移。
2.根据权利要求1所述的自适应人体运动轴线变化的腕关节康复装置，其特征在于:所述腕部固定机构、手腕环转机构的中心线与底座的底板轴向滑槽轴线位于同一竖直平面内。
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