CN112472523A - 一种肘关节外骨骼康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肘关节外骨骼康复训练机器人，包括小臂外骨骼、大臂外骨骼、驱动机构以及肩关节限位保护机构，其中，小臂外骨骼和大臂外骨骼分别用于套设在患者上肢的小臂和大臂位置，且小臂外骨骼与大臂外骨骼在与患者肘关节相对应的位置铰接相连；肩关节限位保护机构用于对患者的肩关节进行活动限制，以使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变，肩关节限位保护机构能够拆卸地设置在大臂外骨骼靠近患者肩关节的一端；驱动机构用于驱动小臂外骨骼带动患者的小臂绕肘关节进行屈伸运动。本发明中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人能够专门应用于肘关节的训练，因而能够达到促进患者肘关节运动功能恢复的训练效果。

Description

一种肘关节外骨骼康复训练机器人

技术领域

本发明涉及医用康复机器人设计生产技术领域，特别涉及一种肘关节外骨骼康复训练机器人。

背景技术

通过主动与被动的运动方式对患者进行康复训练是目前运动医学和康复医学的研究热点。医用机器人和机械辅助外骨骼技术的不断发展成熟塑造了康复机器人这一全新的研究方向，该领域的研究对我国的发展有着重大的意义，随着“健康中国2030”规划纲要的提出，康复机器人领域拥有着广阔的应用前景和发展空间。特别是我国老龄化趋势和运动损伤年轻化的趋势目前存在着加重的现象，为了面对这一严峻的挑战，更多分类精细、功能精确的康复机器人有待研发和投入应用。

心脑血管疾病如脑卒中等常常会导致上肢的功能障碍与行动异常。目前市场上投入使用的上肢/肘关节外骨骼康复训练机器人的成熟产品较少，比较有代表性的是瑞士苏黎世大学研制的ARMin系列上肢康复机器人和美国宾夕法尼亚大学采用棘轮结构配合绳索牵引驱动的Titan Arm上肢辅助训练系统，且其外骨骼动力大多集中在肩关节，名为上肢康复，实则仅能对肩关节进行一定程度的康复训练，而肘关节则往往被忽视，成为肩关节附属运动的连带部分，实际情况是很多偏瘫/行为功能异常患者，其肘关节由于自由度较低，其运动功能丧失/关节僵直的情况更为严重，仅仅以肩关节为主要驱动关节的上肢康复机器人无法满足广大肘关节功能异常患者的使用和康复需求。

因而，提供一种专门应用于肘关节的外骨骼康复训练机器人，以提高患者肘关节运动功能恢复的效果是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种专门应用于肘关节的外骨骼康复训练机器人，以能够提高患者肘关节运动功能恢复的效果。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种肘关节外骨骼康复训练机器人，包括小臂外骨骼、大臂外骨骼、驱动机构以及肩关节限位保护机构，其中，

所述小臂外骨骼和所述大臂外骨骼分别用于套设在患者上肢的小臂和大臂位置，且所述小臂外骨骼与所述大臂外骨骼在与患者肘关节相对应的位置铰接相连；

所述肩关节限位保护机构用于对患者的肩关节进行活动限制，以使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变，所述肩关节限位保护机构能够拆卸地设置在所述大臂外骨骼靠近患者肩关节的一端；

所述驱动机构用于驱动所述小臂外骨骼带动患者的小臂绕肘关节进行屈伸运动。

优选地，所述小臂外骨骼包括小臂弧形支撑罩以及小臂束缚件，所述小臂弧形支撑罩用于与患者的小臂外侧接触，所述小臂束缚件的两端分别与所述小臂弧形支撑罩开口的两端相连，且所述小臂束缚件用于与患者小臂内侧接触并将患者小臂固定在小臂弧形支撑罩内。

优选地，所述大臂外骨骼包括大臂弧形支撑罩以及大臂束缚件，所述大臂弧形支撑罩用于与患者的大臂外侧接触，所述大臂束缚件的两端分别与所述大臂弧形支撑罩开口的两端相连，且所述大臂束缚件用于与患者大臂内侧接触并将患者大臂固定在大臂弧形支撑罩内。

优选地，所述小臂束缚件以及所述大臂束缚件均为U型束缚带，所述U型束缚带上还设置有用于调节束缚力度的松紧调节机构。

优选地，所述松紧调节机构为魔术贴搭扣。

优选的，所述小臂弧形支撑罩靠近所述大臂弧形支撑罩的一端设置有相对布置的第一小臂固定板和第二小臂固定板，所述大臂弧形支撑罩靠近所述小臂弧形支撑罩的一端设置有相对布置的第一大臂固定板和第二大臂固定板，其中，所述第一小臂固定板与所述第一大臂固定板铰接，所述第二小臂固定板与所述第二大臂固定板铰接。

优选的，所述驱动机构包括主动轮盘、从动轮盘、驱动电机以及驱动线，其中，

所述主动轮盘的圆周上开设有第一线槽，且所述主动轮盘的盘面固定连接于所述第一小臂固定板上，所述主动轮盘的中心可转动连接于所述第一大臂固定板上；

所述从动轮盘的盘面固定连接于所述第二小臂固定板上，所述从动轮盘的中心可转动连接于所述第二大臂固定板上；

所述驱动电机的输出端连接有线轮，所述线轮的圆周上开设有第二线槽，所述驱动线首尾连接后形成的闭合驱动圈套设在所述第一线槽和所述第二线槽上。

优选的，还包括U型传动条，所述U型传动条的一端与所述主动轮盘或者所述第一小臂固定板连接；所述U型传动条的另一端与所述从动轮盘或者所述第二小臂固定板连接。

优选的，所述主动轮盘的盘面上还设置有弧形限位槽，所述第一大臂固定板上还固定设置有与所述弧形限位槽配合的限位件，以限制所述小臂外骨骼的转动角度。

优选的，所述从动轮盘的盘面上还设置有一紧急制动插销，所述第二大臂固定板上还设置有多个用于与所述紧急制动插销配合的制动孔。

优选的，还包括背箱，所述背箱上设置有供患者穿戴的背带，其中，所述驱动电机以及所述线轮均设置在所述背箱内。

优选的，所述大臂弧形支撑罩靠近患者肩关节的一端设置有拱形基座，所述背箱靠近患者肩关节的一端设置有条形基座，所述肩关节限位保护机构包括第一弧形杆、第二弧形杆、第三弧形杆以及第四弧形杆，其中，

所述第一弧形杆的第一端以及所述第二弧形杆的第一端均可转动连接于所述拱形基座；所述第三弧形杆以及所述第四弧形杆的第一端均可转动连接于所述条形基座；所述第一弧形杆的第二端与所述第三弧形杆的第二端通过竖直轴铰接，所述第二弧形杆的第二端与所述第四弧形杆的第二端通过竖直轴铰接。

优选的，所述背箱内还设置有磁流变液阻尼器、联轴器、力矩传感器以及旋转编码器，其中，所述驱动电机的输出轴与所述磁流变液阻尼器相连，所述磁流变液阻尼器与所述联轴器相连，所述联轴器与所述线轮相连，所述力矩传感器设置于所述联轴器上，所述旋转编码器设置在所述驱动电机的后端并与所述驱动电机的旋转轴相连。

优选的，所述背箱还包括报警装置，且所述背箱内还设置有与所述驱动电机、力矩传感器、磁流变液阻尼器以及所述旋转编码器通讯连接的控制模块，在所述力矩传感器所测得的力矩与预设力矩不符或所述旋转编码器所测得的转动角度与预设角度不符时，所述控制模块控制所述报警装置报警。

优选的，所述背箱内还设置有围设在所述线轮两侧的束线框，以将所述驱动线约束在所述束线框内；

所述束线框的下方还设置有束线法兰，所述束线法兰上设置有供所述驱动线穿过的束线孔。

优选的，所述驱动线为鲍登线，且所述鲍登线的内线与所述主动轮盘和所述线轮配合；所述背箱内靠近所述线轮的位置还设置有用于调整所述内线松紧的涨紧轮，其中，所述涨紧轮通过轮支架滑动安装于所述背箱，且所述背箱靠近所述轮支架的位置固定设置有一调节板，穿过所述调节板和所述轮支架的调节螺栓用于调整所述轮支架与所述调节板之间的间距。

本发明所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人中，增加了肩关节限位保护机构，肩关节限位保护机构的作用在于对患者的肩关节进行适当的活动限制，从而使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变，当驱动机构驱动小臂外骨骼带动患者的小臂绕肘关节进行屈伸运动时，肩关节的部分自由度被限制，这就有效避免了肘关节训练过程中肩关节参与代偿而降低肘关节训练效果的问题；由于肩关节限位保护机构可拆卸地设置在大臂外骨骼靠近患者肩关节的一端，因此在康复训练后期，可通过拆卸肩关节限位保护机构的方式进行肩肘关节的联动训练、以肘辅肩等多关节活动训练，促进肘关节功能的完全恢复，提升患者的生活质量。

由此可见，本发明中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人能够专门应用于肘关节的训练，因而能够达到促进患者肘关节运动功能恢复的训练效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例中所公开的主动轮盘与限位件的配合结构示意图；

图3为图2的爆炸结构示意图；

图4为本发明实施例中所公开的背箱的结构示意图；

图5为图4中背箱的内部结构示意图；

图6为图5另一角度的结构示意图；

图7为患者佩戴本发明实施例中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人后的状态示意图；

图8为本发明实施例中下位机的一种模块化结构示意图；

图9为本发明实施例中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人在被动训练时的流程示意图；

图10为本发明实施例中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人在主动训练时的流程示意图。

其中，1为小臂弧形支撑罩，2为U型束缚带，3为第二小臂固定板，4为从动轮盘，5为第二大臂固定板，6为背带，7为背箱，8为散热孔，9为大臂弧形支撑罩，10为驱动线，11为第一大臂固定板，12为主动轮盘，13为第一小臂固定板，14为限位件，15为弧形限位槽，16为第一线槽，17为端帽，18为轴承，19为芯轴，20为开关，21为报警装置，22为线轮，23为力矩传感器，24为旋转编码器，25为驱动电机，26为磁流变液阻尼器，27为联轴器，28为束线法兰，29为束线框，30为U型传动条，31为拱形基座，32为条形基座，33为第一弧形杆，34为第二弧形杆，35为第三弧形杆，36为第四弧形杆，37为竖直轴。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种专门应用于肘关节的外骨骼康复训练机器人，以能够提高患者肘关节运动功能恢复的效果。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

请结合图1和图7进行理解，本发明中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人，包括小臂外骨骼、大臂外骨骼、驱动机构以及肩关节限位保护机构，其中，小臂外骨骼和大臂外骨骼分别用于套设在患者上肢的小臂和大臂位置，小臂外骨骼与大臂外骨骼在与患者肘关节相对应的位置铰接相连，以使小臂外骨骼相对于大臂外骨骼能够转动；肩关节限位保护机构用于对患者的肩关节进行活动限制，以便使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变，肩关节限位保护机构可拆卸地设置在大臂外骨骼靠近患者肩关节的一端，驱动机构用于驱动小臂外骨骼带动患者的小臂绕肘关节进行屈伸运动。

由以上实施例可以看出，肩关节限位保护机构的作用在于对患者的肩关节进行活动限制，从而使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变，因此当驱动机构驱动小臂外骨骼带动患者的小臂绕肘关节进行屈伸运动时，肩关节的部分自由度被限制，这就有效避免了肘关节训练过程中肩关节参与代偿而降低肘关节训练效果的问题；由于肩关节限位保护机构可拆卸地设置在大臂外骨骼靠近患者肩关节的一端，因此在康复训练后期，可通过拆卸肩关节限位保护机构的方式进行肩肘关节的联动训练、以肘辅肩等多关节活动训练，促进肘关节功能的完全恢复，提升患者的生活质量。

可见，上述实施例中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人能够专门应用于肘关节的训练，因而其能够达到促进患者肘关节运动功能恢复的训练效果。

需要进行说明的是，肘关节康复训练的同时应同时关注肩关节的稳定性与功能的灵活性，所谓的肩关节参与代偿是指患者肘关节无法屈伸到其正常关节活动范围内时通过耸肩、可以抬高肩胛骨等动作来代偿，肩关节的代偿运动会对肘关节的康复训练造成影响；而肩关节限位保护机构的作用就是不让患者通过耸肩、过度活动肩胛骨等来代偿肘关节的运动，在康复训练的过程中，患者大臂与躯干之间的夹角反复变化对于肘关节运动的难度也是有影响的，这同样不利于患者肘关节的功能恢复；由此可见，肩关节限位保护机构的主要作用就在于能够在矢状面内限制肩关节的活动。

在一种实施例中，小臂外骨骼具体包括小臂弧形支撑罩1以及小臂束缚件，小臂弧形支撑罩1用于与患者的小臂外侧进行接触，小臂束缚件的两端分别与小臂弧形支撑罩1开口的两端相连，小臂束缚件束紧患者小臂的内侧以将患者的小臂固定在小臂弧形支撑罩1内；大臂外骨骼包括大臂弧形支撑罩9以及大臂束缚件，大臂弧形支撑罩9用于与患者的大臂外侧接触，大臂束缚件的两端分别与大臂弧形支撑罩9开口的两端相连，大臂束缚件束紧患者大臂的内侧以将患者的大臂固定在大臂弧形支撑罩9内。

小臂束缚件和大臂束缚件可以采用目前医疗器械中常用的弹性束缚带，但弹性束缚带容易对患者的小臂和大臂血流造成阻碍，为此，本实施例中做了进一步优化，小臂束缚件以及大臂束缚件均为U型束缚带2，U型束缚带2本身就具有一定的弧度，因此U型束缚带2与小臂弧形支撑罩1以及大臂弧形支撑罩9共同构成与患者的小臂和大臂适配的腔体，患者手臂伸入该腔体中即可，当然，为了适当调节松紧，U型束缚带2上还应当设置有用于调节束缚力度的松紧调节机构，松紧调节机构可以为魔术贴搭扣，也可以为常用的松紧扣，U型束缚带2在小臂弧形支撑罩1以及大臂弧形支撑罩9上设置的数量不受限制，本实施例中在小臂弧形支撑罩1以及大臂弧形支撑罩9上均设置有两个上述U型束缚带2。

作为优选的方式，小臂弧形支撑罩1以及大臂弧形支撑罩9与患者皮肤接触的一面采用透气网孔结构的竹炭纤维耐磨网面制造。

考虑到患者肘关节做屈伸运动时需要让位空间，小臂外骨骼以及大臂外骨骼的铰接位置需要设计相应的让位结构来对患者的肘关节进行让位，一种可能的方式是在小臂弧形支撑罩或大臂弧形支撑罩上设置鼓包结构来进行让位，但该种结构的容易造成肘关节外骨骼康复训练机器人整体占用空间较大；

本实施例中所公开的方案，小臂弧形支撑罩1靠近大臂弧形支撑罩9的一端设置有相对布置的第一小臂固定板13和第二小臂固定板3，大臂弧形支撑罩9靠近小臂弧形支撑罩1的一端设置有相对布置的第一大臂固定板11和第二大臂固定板5，第一小臂固定板13与第一大臂固定板11铰接相连，第二小臂固定板3与第二大臂固定板5铰接相连，如图1中所示，上述几个固定板连接之后中部形成一镂空部位，该镂空部位刚好形成为患者的肘关节进行让位的让位空间。

当然，第一小臂固定板13与第一大臂固定板11，以及第二小臂固定板3与第二大臂固定板5也可以间接铰接相连，如本实施例中，驱动机构包括主动轮盘12、从动轮盘4、驱动电机25以及驱动线10，其中，主动轮盘12的圆周上开设有第一线槽，主动轮盘12的盘面固定连接在第一小臂固定板13上，主动轮盘12的中心可转动连接于第一大臂固定板11上；从动轮盘4的盘面固定连接于第二小臂固定板3上，从动轮盘4的中心可转动连接于第二大臂固定板5上，驱动电机25的输出端设置有线轮22，线轮22的圆周上开设有第二线槽，驱动线10首尾连接后形成的闭合驱动线圈套设在第一线槽和第二线槽上，驱动电机25往复运动即可通过驱动线带动主动轮盘12往复运动，进而通过主动轮盘12带动小臂外骨骼绕大臂外骨骼往复运动。

在上述实施例中，第一小臂固定板13与第一大臂固定板11，以及第二小臂固定板3与第二大臂固定板5分别通过主动轮盘12以及从动轮盘4间接铰接相连，请结合图3进行理解，第一大臂固定板11上设置有芯轴19，轴承18的内圈与芯轴19固定相连，轴承18的外圈与主动轮盘12固定相连，为了防止轴承18从芯轴19上脱落，芯轴19端部还设置有一端帽17，从动轮盘4与第二大臂固定板5的连接方式参照主动轮盘12与第一大臂固定板11的连接方式理解即可。

第一小臂固定板13、第二小臂固定板3与小臂弧形支撑罩1之间可以为一体式结构也可为分体式结构，本发明实施例中优选的采用一体式结构；第一大臂固定板11、第二大臂固定板5与小臂弧形支撑罩1之间可以为一体式结构也可为分体式结构，本发明实施例中优选的采用一体式结构，为了能够确保小臂外骨骼的转动在允许的范围内，避免对患者造成伤害，本实施例中所公开的技术方案中，主动轮盘12的盘面上还设置有弧形限位槽15，如图3中所示，第一大臂固定板11上固定设置有与弧形限位槽15配合的限位件14，限位件14与弧形限位槽15的配合能够限制小臂外骨骼的转动角度在0°～90°的范围内；进一步的，从动轮盘4的盘面上还设置有一紧急制动插销，第二大臂固定板5上还设置有多个用于与紧急制动插销相配合的制动孔，当设备或训练模式突然出现故障时，医务人员或患者监护人可快速使紧急制动插销插入制动孔内，从而避免二次损伤的发生。

进一步的，本实施例中所公开的技术方案中还设置有一U型传动条，该U型传动条的一端与主动轮盘12或者第一小臂固定板13相连，U型传动条的另一端与从动轮盘4或者第二小臂固定板3连接，该U型传动条能够将主动轮盘12的动力传递至从动轮盘4或者第二小臂固定板3上。

本领域技术人员能够理解的是，肩关节限位保护机构的形式不限于一种，只要能够使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变即可，例如肩关节限位保护机构可以为与患者的大臂位置配合的活动支撑腿，支撑腿的顶部设置有与患者大臂适配的支撑槽，通过支撑腿能够使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变即可。

本实施例中所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人还包括背箱7，如图1和图4中所示，背箱7上还设置有供患者穿戴的背带6，并且驱动电机25以及线轮22均设置该背箱7内，大臂弧形支撑罩9靠近患者肩关节的一端还设置有拱形基座31，背箱7靠近患者肩关节的一端设置有条形基座32，肩关节限位保护机构包括第一弧形杆33、第二弧形杆34、第三弧形杆35以及第四弧形杆36，其中，第一弧形杆33的第一端以及第二弧形杆34的第一端均可转动并且可拆卸的连接于拱形基座31，第三弧形杆35以及第四弧形杆36的第一端均可转动并且可拆卸的连接于条形基座32，第一弧形杆33的第二端与第三弧形杆35的第二端通过竖直轴铰接，第二弧形杆34的第二端与第四弧形杆36的第二端通过竖直轴37铰接。

第一弧形杆33、第二弧形杆34、第三弧形杆35以及第四弧形杆36构成一个类球状结构罩设在肩关节的外侧面，如图1和图7中所示，这四根杆件能够实现存在摩擦力的相对转动，以允许患者的大臂能够在朝向身体和远离身体的方向上适当活动，但同时这四根杆件能够使患者的大臂在矢状面内保持在相对固定的角度上。

当然，除了设置在背箱7内，驱动电机25也可设置在大臂外骨骼和小臂外骨骼内；除了通过驱动电机25带动驱动线10运动之外，驱动机构也可以采用驱动电机25结合齿轮机构的方式带动小臂外骨骼旋转。

进一步的，请参考图5，背箱7内还设置有磁流变液阻尼器26、联轴器27、力矩传感器23以及旋转编码器24，驱动电机25的输出轴与磁流变液阻尼器26相连，磁流变液阻尼器26与联轴器27相连，联轴器27与线轮22相连，力矩传感器23设置在联轴器27上，旋转编码器24设置在驱动电机25后端并与驱动电机25的旋转轴相连。

旋转编码器24的外侧还设置有保护罩，以便辅助固定旋转编码器24的位置，旋转编码器24与驱动电机25的旋转轴通过柔性连接结构相连，旋转编码器24的作用在于确定驱动电机25的旋转角度，除此之外，背箱7还设置有报警装置21和控制模块，控制模块与驱动电机25、力矩传感器23、磁流变液阻尼器26以及旋转编码器24通讯连接，在力矩传感器23所测得的力矩与预设力矩不符或者旋转编码器24所测得的转动角度与预设角度不符时，控制模块控制报警装置21报警。

设置磁流变液阻尼器26之后使得该肘关节外骨骼康复训练机器人既能够实现患者的被动训练(通过驱动电机带动)，也可以实现在患者主动训练时为患者提供合适的阻尼。

如图4中所述，背箱7的顶部设置有控制背箱7内的用电器通电的开关20，背箱7的后方设置有两个散热格栅作为散热孔8使用。

请参考图6，在背箱7内还设置有围设在线轮22两侧的束线框29，束线框29的作用在于将驱动线10约束在束线框29的范围内，束线框29的下部设置有束线法兰，束线法兰上设置有供驱动线10穿过的束线孔。

驱动线10可以为普通钢丝线也可为鲍登线，由于鲍登线具有外皮，其可以有效避免运动的内线对患者造成意外伤害，因此，本实施例中的驱动线10优选采用鲍登线，鲍登线的内线与主动轮盘12和线轮22配合；背箱7内靠近线轮22的位置还设置有用于调整内线松紧的涨紧轮，该涨紧轮通过轮支架滑动安装在背箱7上，背箱7靠近轮支架的位置固定设置有一调节板，穿过调节板和轮支架的调节螺栓用于调整轮支架与调节板之间的间距，从而实现对内线松紧的调节，以防止鲍登线的内线从第一线槽以及第二线槽中脱落。

实际使用时，该肘关节外骨骼康复训练机器人可以与上位机相连，上位机优选为远程终端的计算机，下位机为设置在背箱7的控制模块，控制模块优选为ARM芯片，计算机通过USB向控制模块下达指令进而控制驱动系统带动患者的肘关节进行康复训练，同时计算机能够显示并存储患者肘关节实时的位置和运动状态；

下位机控制系统采用模块化设计，如图8中所示，通过控制模块(ARM芯片)对旋转编码器24、力矩传感器23、磁流变液阻尼器26和驱动电机25进行控制、数据采集与反馈，其中，控制模块优选采用NXP LPC系列芯片，其具有内存空间大，外设接口多等优点，符合康复训练设备的设计与需求。

小臂弧形支撑罩1以及大臂弧形支撑罩9采用弱刚性3D打印轻型化材料制作，能够体表相贴合，质量轻的同时强度较高，设备整体重量不超过5kg，便于穿脱，同时穿戴体验也更加舒适。

磁流变液阻尼器26为盘式磁流变液阻尼器，该阻尼器的功能是作为一种无源式力反馈装置，该阻尼器的原理是当线圈没有接通时，壳体内磁场强度为零，磁流变液以牛顿流体形态表现，当线圈接通电路时随着电流的增大，壳体内的磁场强度也逐渐增大，磁流变液的磁粘滞性也逐渐增强，最终失去液态以固态的方式表现，在此过程中磁流变液阻尼器的输出力矩也会相应增大。通过调节线圈输入的电流进而可以改变壳体的磁场强度从而调节最终的输出力矩可以在患者使用该康复机器人时实现相应的力变化与力反馈。

所述驱动电机25选用直流力矩电机，考虑到患者在进行肘关节康复训练时往往处于低速率被动/主动运动，且在康复前期因肌力较弱或关节卡压等异常情况甚至可能出现运动停滞的现象，所以本发明优选型号为NH48LYX系列直流力矩驱动电机，该驱动电机25能够在低转速或堵转的情况下进行工作，无需借住齿轮减速等减速机设备，易于控制，稳定性较佳，且可以提供足够的转矩。

旋转编码器24优选型号为E50S8增量式旋转编码器，能够根据旋转的方向对输出的脉冲信号进行计数并将轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量进行输出。

力矩传感器23优选型号为静态扭矩传感器测量输出力矩，传感器信号经由变送器通过A/D模拟信号转换输入到ARM芯片进行处理，通过分析收集到的力矩数据和机械的尺寸数据有助于计算分析患者在康复过程中肘关节的受力状况。

考虑到本发明所提供的肘关节外骨骼康复训练机器人是一款由患者穿戴于身上的训练设备，所以机构重量的分配及机构与患者接触部位的合理性是一个关键设计问题，因此本发明在设计中参考了登山背包负重系统的设计，将机构重量平均分布于躯干及背部，保持机构重心的稳定；同时，本发明所提供的肘关节外骨骼康复训练机器人能够适应GB/T 10000—1988《中国成年人人体尺寸》中10％-99％人体的平均身体尺寸(18-60岁)，可以满足绝大部分群体的使用需求，具有广泛、良好的适用性。

本发明使用有源/无源相结合的力反馈驱动方法，使磁流变液阻尼器26与驱动电机25相配合，可同时提供主动康复训练和被动康复训练两种工作模式。

在被动/助力训练模式下，驱动电机25作为有源执行器，通过驱动电机25的转动收紧鲍登线的内线，以带动肘关节的同步屈伸运动，当接近训练停止时间或者训练停止次数时，利用驱动电机25的超调机制，使用磁流变液阻尼器24辅助驱动电机25停止工作，使患者肘关节的康复训练过程更加平稳、安全。

同时本发明所设置的旋转编码器24和力矩传感器23能够在患者康复训练的过程随时测量相关运动学和动力学参数，可以对康复效果进行实时评估，也有利于后期对整体肘关节功能进行康复评定。

在康复训练的前期，患者可在本发明所设计肩关节限位保护机构的限位保护下进行轮椅上的坐姿或其他辅助立位下的训练，在该训练模式中肩关节活动度部分被限制，可有效避免在肘关节训练过程中肩关节参与代偿进而导致训练效果训练；在康复训练的后期，通过拆卸肩关节限位保护机构可进行肩肘关节的联动训练。

如图9中所示，上述上位机和下位机数据连接后，本发明被动康复训练的完整实施步骤如下：

步骤一：开始训练，系统进行初始化，由计算机发出指令，开启传感(背箱内的各种传感器)与控制系统，对康复训练的牵引速度或牵引拉力进行设定。

步骤二：确认设定无误后，在训练的过程中旋转编码器24和力矩传感器23实时对驱动电机25的电机轴的角速度以及驱动力矩的大小等进行测量，通过增减驱动电机25的PWM占空比的途径控制参数与预设值相一致。如与预设值误差超过一定范围(通常以10％为最大误差范围)则开启相应的预警装置21报警提示。

步骤三：判断患者是否达到训练设置的终点，如未到达则训练继续进行，如已到达继续循环步骤二可进行下一次训练；如要临时停止训练，则由计算机系统发出相关停机指令，停止信号的采集与数据处理，驱动电机25刹车并打开磁流变液阻尼器26，训练终止。

在主动/被动训练模式下，磁流变液阻尼器26实现对阻力大小的设置与调节，利用磁流变液作为阻尼来源具有阻力大小连续可调、响应迅速、能耗小的诸多优点，可以在康复训练的不同时期、不同阶段对于不同肌力分级循序渐进增加阻尼以达到更好的康复效果。

如图10中所示，上述上位机和下位机数据连接后，本发明主动康复训练的完整实施步骤如下：

步骤一：开始训练，系统进行初始化，由计算机系统发出指令，开启传感与控制系统，对作为阻力源的磁流变液阻尼器的阻力输出值进行设定。

步骤二：确认设定无误后，在训练的过程中力矩传感器实时对阻力进行检测，通过增减磁流变液阻尼器输入电流大小的途径控制阻力与预设值相一致。

步骤三：判断患者是否达到训练设置的终点，如未到达则训练继续进行，如已到达继续循环步骤二可进行下一次训练；如要增加训练阻尼则回到步骤一，重新设置初始的阻力值然后重复步骤二进行训练；如要停止训练，则由计算机系统发出相关停机指令，停止信号的采集与数据处理，电源关闭，停止对磁流变液阻尼器的电流输入，训练终止。

与现有技术相比，本发明所公开的肘关节外骨骼康复训练机器人的优点包括：

(1)本发明中肩关节限位保护机构的设置关注到了传统肘关节康复训练中存在肩关节代偿的细节问题并进行了解决。同时本发明通过驱动线进行驱动的驱动结构，能够显著减小驱动结构以及末端执行机构的体积，避免了机械构件之间、外骨骼机械与人体之间可能产生的干涉；通过组合结构的合理排列减轻了末端执行器的转动惯量，提升了该康复训练机器人的动态性能。

(2)本发明中驱动线灵活的排布使该康复训练机器人整体所占据的几何空间非常小，能够使驱动组件部分与大臂外骨骼和小臂外骨骼部分相分离，从而使外骨骼附着在患者肘关节上的部分尽可能轻，在长时间、多组数训练时能够显著降低患者肢体的疲劳感。

(3)本发明中涉及的驱动线的动力传输原理与人体肌肉、肌腱的动力传动原理基本相同，与当前仿生学的设计潮流相符合，且穿戴式结构的紧凑设计能够实现康复训练除肘关节外其他肢体的活动自由，便于携带。

(4)本发明中驱动方法使用有源/无源相结合的力反馈驱动方法，将磁流液变阻尼器26与驱动电机25相配合，可同时提供主动康复训练和被动康复训练两种康复训练模式。患者在康复前期因肌力较弱、训练速率较慢甚至在康复训练中出现关节卡压等情况可采用被动(助力)训练模式；在康复的中后期随着关节功能的改善、肌力的恢复可进行主动(抗阻)训练模式，且由于磁流变液阻尼器26能够实现对阻力大小的快速连续调节，本发明能够满足患者在康复训练的不同时期、不同阶段对于不同肌力分级训练的康复需求，通过循序渐进增加阻尼帮助患者实现更好的康复效果。

(5)本发明中旋转编码器24和力矩传感器23的设置能够在患者康复训练的过程随时测量相关运动学和动力学参数，可以对康复效果进行实时评估，也有利于后期对整体肘关节功能进行康复评定。

(6)本发明中作为机器人主体的外骨骼部分采用弱刚性3D打印轻型化材料制作，能够与体表相贴合，质量轻的同时强度较高，设备整体重量不超过5kg，便于穿脱，同时穿戴体验也更加舒适。

(7)本发明中作为驱动组件的线轮22旁边还设置有具有张紧功能的涨紧轮，能够保证驱动线10内线与线轮22保持一定的张力且不会滑脱，使系统可以持续可靠运行较长时间。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，包括小臂外骨骼、大臂外骨骼、驱动机构以及肩关节限位保护机构，其中，

所述小臂外骨骼和所述大臂外骨骼分别用于套设在患者上肢的小臂和大臂位置，且所述小臂外骨骼与所述大臂外骨骼在与患者肘关节相对应的位置铰接相连；

所述肩关节限位保护机构用于对患者的肩关节进行活动限制，以使患者的大臂与躯干之间的夹角在矢状面内保持不变，所述肩关节限位保护机构能够拆卸地设置在所述大臂外骨骼靠近患者肩关节的一端；

所述驱动机构用于驱动所述小臂外骨骼带动患者的小臂绕肘关节进行屈伸运动。

2.根据权利要求1所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述小臂外骨骼包括小臂弧形支撑罩(1)以及小臂束缚件，所述小臂弧形支撑罩(1)用于与患者的小臂外侧接触，所述小臂束缚件的两端分别与所述小臂弧形支撑罩(1)开口的两端相连，且所述小臂束缚件用于与患者小臂内侧接触并将患者小臂固定在所述小臂弧形支撑罩(1)内；

所述大臂外骨骼包括大臂弧形支撑罩(9)以及大臂束缚件，所述大臂弧形支撑罩(9)用于与患者的大臂外侧接触，所述大臂束缚件的两端分别与所述大臂弧形支撑罩(9)开口的两端相连，且所述大臂束缚件用于与患者大臂内侧接触并将患者大臂固定在所述大臂弧形支撑罩(9)内。

3.根据权利要求2所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述小臂弧形支撑罩(1)靠近所述大臂弧形支撑罩(9)的一端设置有相对布置的第一小臂固定板(13)和第二小臂固定板(3)，所述大臂弧形支撑罩(9)靠近所述小臂弧形支撑罩(1)的一端设置有相对布置的第一大臂固定板(11)和第二大臂固定板(5)，其中，所述第一小臂固定板(13)与所述第一大臂固定板(11)铰接，所述第二小臂固定板(3)与所述第二大臂固定板(5)铰接。

4.根据权利要求3所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述驱动机构包括主动轮盘(12)、从动轮盘(4)、驱动电机(25)以及驱动线(10)，其中，

所述主动轮盘(12)的圆周上开设有第一线槽，且所述主动轮盘的盘面固定连接于所述第一小臂固定板(13)上，所述主动轮盘(12)的中心可转动连接于所述第一大臂固定板(11)上；

所述从动轮盘(4)的盘面固定连接于所述第二小臂固定板(3)上，所述从动轮盘(4)的中心可转动连接于所述第二大臂固定板(5)上；

所述驱动电机(25)的输出端连接有线轮(22)，所述线轮(22)的圆周上开设有第二线槽，所述驱动线(10)首尾连接后形成的闭合驱动圈套设在所述第一线槽和所述第二线槽上。

5.根据权利要求4所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，还包括U型传动条(30)，所述U型传动条(30)的一端与所述主动轮盘(12)或者所述第一小臂固定板(13)连接；所述U型传动条(30)的另一端与所述从动轮盘(4)或者所述第二小臂固定板(3)连接。

6.根据权利要求4所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述主动轮盘(12)的盘面上还设置有弧形限位槽(15)，所述第一大臂固定板(11)上还固定设置有与所述弧形限位槽(15)配合的限位件(14)，以限制所述小臂外骨骼的转动角度；

所述从动轮盘(4)的盘面上还设置有一紧急制动插销，所述第二大臂固定板(5)上还设置有多个用于与所述紧急制动插销配合的制动孔。

7.根据权利要求4所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，还包括背箱(7)，所述背箱(7)上设置有供患者穿戴的背带(6)，其中，所述驱动电机(25)以及所述线轮(22)均设置在所述背箱(7)内；

所述大臂弧形支撑罩(9)靠近患者肩关节的一端设置有拱形基座(31)，所述背箱(7)靠近患者肩关节的一端设置有条形基座(32)，所述肩关节限位保护机构包括第一弧形杆(33)、第二弧形杆(34)、第三弧形杆(35)以及第四弧形杆(36)，其中，

所述第一弧形杆(33)的第一端以及所述第二弧形杆(34)的第一端均可转动连接于所述拱形基座(31)；所述第三弧形杆(35)以及所述第四弧形杆(36)的第一端均可转动连接于所述条形基座(32)；所述第一弧形杆(33)的第二端与所述第三弧形杆(35)的第二端通过竖直轴铰接，所述第二弧形杆(34)的第二端与所述第四弧形杆(36)的第二端通过竖直轴(37)铰接。

8.根据权利要求7所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述背箱(7)内还设置有磁流变液阻尼器(26)、联轴器(27)、力矩传感器(23)以及旋转编码器(24)，其中，所述驱动电机(25)的输出轴与所述磁流变液阻尼器(26)相连，所述磁流变液阻尼器(26)与所述联轴器(27)相连，所述联轴器(27)与所述线轮(22)相连，所述力矩传感器(23)设置于所述联轴器(27)上，所述旋转编码器(24)设置在所述驱动电机(25)的后端并与所述驱动电机(25)的旋转轴相连。

9.根据权利要求8所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述背箱(7)还包括报警装置(21)，且所述背箱(7)内还设置有与所述驱动电机(25)、力矩传感器(23)、磁流变液阻尼器(26)以及所述旋转编码器(24)通讯连接的控制模块，在所述力矩传感器(23)所测得的力矩与预设力矩不符或所述旋转编码器(24)所测得的转动角度与预设角度不符时，所述控制模块控制所述报警装置(21)报警。

10.根据权利要求7所述的肘关节外骨骼康复训练机器人，其特征在于，所述背箱(7)内还设置有围设在所述线轮(22)两侧的束线框(29)，以将所述驱动线(10)约束在所述束线框(29)内；

所述束线框(29)的下方还设置有束线法兰(28)，所述束线法兰(28)上设置有供所述驱动线(10)穿过的束线孔；

所述驱动线(10)为鲍登线，且所述鲍登线的内线与所述主动轮盘(12)和所述线轮(22)配合；所述背箱(7)内靠近所述线轮(22)的位置还设置有用于调整所述内线松紧的涨紧轮，其中，所述涨紧轮通过轮支架滑动安装于所述背箱(7)，且所述背箱(7)靠近所述轮支架的位置固定设置有一调节板，穿过所述调节板和所述轮支架的调节螺栓用于调整所述轮支架与所述调节板之间的间距。

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