CN113499215B - 基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人 - Google Patents

基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及人体运动康复技术领域，尤其涉及一种基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，包括手背板、一对结构相同的连续多段结构和驱动机构，手背板的一端面上转动连接有一对第一限位件；连续多段结构均包括柔性连接条和弹性钢片，柔性连接条的一侧依次设置有第一执行块、多个第二执行块以及第三执行块；弹性钢片的一端与第一限位件的一侧面转动连接，另一端依次穿过第一执行块、多个第二执行块以及第三执行块后与驱动机构转动连接；每个第二执行块远离手背板的侧壁均为倾斜面；驱动机构用于推动或拉动弹性钢片弯曲变形。本发明提出的一种基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，实现了三自由度的手腕康复训练。

Description

基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人
技术领域
本发明涉及人体运动康复技术领域，尤其涉及基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人。
背景技术
脑卒中(cerebral stroke)又称“中风”，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，严重者可致死亡，恢复者也会留下不同程度后遗症，严重影响生活品质。老年人是中风的高发人群，随着老龄化的加重，脑卒中的发生率也在日渐升高。手腕是生活中运用频繁、功能众多、同时结构灵活的部位，它的功能是人日常生活的重要部分，它的康复对患者能够自主进行正常生活有着极为重要的意义。
手部康复外骨骼可以分为柔性手腕康复外骨骼、刚性手腕康复外骨骼、刚柔一体化性手腕康复外骨骼这三个主要类别。刚性外骨骼和柔性外骨骼各自具有优点，刚性外骨骼的鲁棒性好，控制准确度高；而柔性外骨骼则相反，它具有更好的变形性和适应性，但是却难以精确控制，而且能够提供的辅助力较小。因此刚柔一体化的手腕外骨骼得到了更多的关注，但是现有的刚柔一体化的手腕外骨骼只能实现手腕在上下屈伸和左右偏转运动，无法满足患者手腕康复的需求。
发明内容
本发明提出基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，以解决现有的刚柔一体化的手腕外骨骼无法满足患者手腕康复的需求。
本发明解决上述问题的技术方案是：基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，包括手背板、一对结构相同的连续多段结构和驱动机构，其中：
所述手背板的一端面上转动连接有一对第一限位件；
所述连续多段结构均包括柔性连接条和弹性钢片，所述柔性连接条的一侧依次设置有第一执行块、多个第二执行块以及第三执行块，另一侧设置有第二限位件，所述第二限位件用于限制第三执行块相对于手腕移动；所述弹性钢片的一端与第一限位件的一侧面转动连接，另一端依次穿过第一执行块、多个第二执行块以及第三执行块后与驱动机构转动连接；每个所述第二执行块远离手背板的侧壁均为倾斜面；
所述驱动机构用于推动或拉动弹性钢片弯曲变形。
优选的是，所述第二执行块为直角梯形块，第二执行块倾斜面的倾斜度为81-84度。
优选的是，所述第二执行块的个数为6-10个。
优选的是，一对连续多段结构之间距离大于40mm。
优选的是，所述弹性钢片与第一执行块固定连接。
优选的是，所述驱动机构包括第一直线电机和第二直线电机，所述第一直线电机和第二直线电机的输出轴分别与一对结构相同的连续多段结构中的弹性钢片转动连接。
优选的是，还包括用于固定第一直线电机和第二直线电机的手臂架。
优选的是，手背板和手臂架上均设置有用于固定的魔术贴。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：本申请的手腕康复机器人可以实现背屈/掌屈，挠偏/尺偏，内旋/外旋三自由度的康复训练，符合人体手腕的运动情况。连续多段结构可以提供更大的运动力和稳定的运动轨迹；执行块具体的倾斜面不仅可以控制手腕康复的角度，同时有安全限位的作用，防止电机会拉时手腕弯曲角度过大给患者造成损伤。
附图说明
图1为本发明三自由度手腕康复机器人的结构示意图；
图2为本发明的第一连续多段结构的结构示意图；
图3为本发明的第一轴承座的结构示意图；
图4为本发明的连续多段结构弯曲与反向弯曲的原理图；
图5为本发明手腕康复机器人的运动方式示意图；
图6为佩戴有手腕康复机器人的手腕侧面运动图；
图7为佩戴有手腕康复机器人的手腕横截面运动图。
图中：1-手背板，2-第一轴承座，3-第二轴承座，4-第一连续多段结构，5-第二连续多段结构，6-第一直线电机，7-第二直线电机，8-手臂架，9-弹性钢片，10-第一执行块，11-第二执行块，12-第三执行块。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。
基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，如图1-3所示，包括手背板1、一对结构相同的连续多段结构和驱动机构。
手背板1的一端面上转动连接有一对第一限位件，手背板1固定在手上，用于带动手运动。
一对连续多段结构均包括柔性连接条和弹性钢片9，柔性连接条的一侧依次设置有第一执行块10、多个第二执行块11以及第三执行块12，另一侧设置有第二限位件，第二限位件用于限制第三执行块12的一端相对于手腕水平移动。弹性钢片9的一端转动连接在与其相对的一个第一限位件的一侧面上，另一端依次穿过第一执行块10、多个第二执行块11、第三执行块12后与驱动机构转动连接，保证了手背板1可以有X0Y平面的旋转和XOZ平面的旋转。
每个第二执行块11远离手背板1的侧壁均为倾斜面，如图4所示，当弹性钢片9向前运动时，整个连续多段结构就会弯曲；当弹性钢片9后撤时，各个第二执行块11贴在一起，连续多段结构就会反向弯曲。如图6和图7所示，当驱动机构带动一个或两个弹性钢片9弯曲变形，弯曲前后它的末端会和原位置(虚线)有个高度差，反向弯曲时也是如此，高度差会造成手背板的旋转β，因此，当两个连续多段结构弯曲变形后，手背板1会根据一对连续多段结构的变形弯曲程度带动手腕绕X轴、Y轴或Z轴转动。
手腕康复机器人工作原理如图5所示，在使用时，将手背板1固定在手背上，第二限位件和驱动机构固定在手臂上，初始状态为驱动机构处于中间行程。从初始状态开始，当驱动机构同时推动一对弹性钢片9一起前进时，一对连续多段结构均会弯曲，手背板1带动手腕掌曲，当驱动机构同时拉动一对弹性钢片9一起后撤时，一对连续多段结构均会反向弯曲，手背板1带动手腕背曲；当驱动机构推动其中一个弹性钢片9前进而另一个不变时，手背板1带动手腕尺偏或手腕挠偏；当推动其中一个弹性钢片9前进而另一个后退时，手背板1带动带动手腕内旋或手腕外旋。
作为本发明一个优选的实施例，第二执行块11为直角梯形块，倾斜面的倾斜度为81-84度。倾斜度用于控制手腕康复的角度，同时有安全限位的作用，防止电机会拉时手腕弯曲角度过大给患者造成损伤。
作为本发明一个优选的实施例，第二执行块11的个数为6-10个，满足康复的角度需求。
作为本发明一个优选的实施例，两个连续多段结构之间距离大于40mm，保证内旋外旋的力矩。
作为本发明一个优选的实施例，弹性钢片9与第一执行块10固定连接。
作为本发明一个优选的实施例，驱动机构包括第一直线电机6和第二直线电机7，第一直线电机6和第二直线电机7的输出轴分别与一对结构相同的连续多段结构中的弹性钢片9转动连接。
作为本发明一个优选的实施例，还包括用于固定驱动机构的手臂架8，手臂架8上设置有用于固定的魔术贴。第一直线电机6和第二直线电机7固定在手臂架8上。
实施例1：如图1、图3所示，基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，包括手背板1、第一轴承座2、第二轴承座3、第一连续多段结构4、第二连续多段结构5、第一直线电机6、第二直线电机7和手臂架8，手背板1用于带动手运动。第一轴承座2上装有两个轴承，两个轴承垂直设置，并分别通过两个轴承与手背板1和第一连续多段结构4连接。
如图2所示，第一连续多段结构4包括弹性钢片9、第一执行块10、十个第二执行块11以及第三执行块12，第一执行块10、十个第二执行块11以及第三执行块12分别通过尼龙线和底部的尼龙布缝在一起，尼龙布的底部设置有绑带。第三执行块12、第一执行块10、第二执行块11的宽度依次减小。弹性钢片9的一端通过轴承销与第一轴承座2连接，另一端依次穿过第一执行块10、十个第二执行块11以及第三执行块12后与通过螺钉与轴承销固定在一个轴承上，该轴承通过轴承座与第一直线电机6连接。弹性钢片9与第一执行块10通过螺钉或AB胶固定，当弹性钢片9向前运动时，整个连续多段结构就会弯曲。第二执行块11均为直角梯形块，且倾斜面均朝一个方向，当弹性钢片9后撤时，各个第二执行块11贴在一起，整个连续多段结构就会反向弯曲。第二执行块11的倾斜面的倾斜度为82度，即相邻两个第二执行块11之间的夹角是7度，那么手腕康复的最大角范围就是70度。
第二连续多段结构5和第一连续多段4平行设置且两者的结构相同，并且第二连续多段结构5与第二轴承座3、第二直线电机7之间的连接关系也和第一连续多段结构4与第一轴承座2、第一直线电机6的连接关系相同，这里不过多赘述。
在使用时，将第一直线电机6和第二直线电机7固定在手臂架8上，手背板1通过魔术贴绑在手上，手臂架8和绑带固定在手臂上，并使第一直线电机6和第二直线电机7都处于中间行程。开启第一直线电机6和第二直线电机7，当第一直线电机6和第二直线电机7一起前进时手腕掌曲，当第一直线电机6和第二直线电机7一起后撤时手腕背曲；当第一直线电机6前进第二直线电机7不变时手腕尺偏，当第二直线电机7前进第一直线电机6不变时手腕挠偏；当第一直线电机6前进，第二直线电机7后退时，两个连续多段结构的末端会产生高度差这会使得手背板1旋转，从而带动手腕内旋；当第二直线电机7前进，第一直线电机6后退时，手背板1带动手腕外旋。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，其特征在于，包括手背板、一对结构相同的连续多段结构、驱动机构，其中：
所述手背板的一端面上转动连接有一对第一限位件；
所述连续多段结构均包括柔性连接条和弹性钢片，所述柔性连接条的一侧依次设置有第一执行块、多个第二执行块以及第三执行块，另一侧设置有第二限位件，所述第二限位件用于限制第三执行块相对于手腕移动；所述弹性钢片的一端与第一限位件的一侧面转动连接，另一端依次穿过第一执行块、多个第二执行块以及第三执行块后与驱动机构转动连接，所述弹性钢片与第一执行块固定连接；每个所述第二执行块靠近第一执行块的侧壁面均为倾斜面；
第一限位件为轴承座，轴承座上装有两个轴承，两个轴承垂直设置，轴承座分别通过两个轴承与手背板和第一连续多段结构连接；
所述驱动机构用于推动或拉动弹性钢片弯曲变形；
从初始状态开始，当驱动机构同时推动一对弹性钢片一起前进时，一对连续多段结构均会弯曲，手背板带动手腕掌曲，当驱动机构同时拉动一对弹性钢片一起后撤时，一对连续多段结构均会反向弯曲，手背板带动手腕背曲；当驱动机构推动其中一个弹性钢片前进而另一个不变时，手背板带动手腕尺偏或手腕挠偏；当推动其中一个弹性钢片前进而另一个后退时，手背板带动手腕内旋或手腕外旋。
2.根据权利要求1所述的基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，其特征在于，所述第二执行块为直角梯形块，倾斜面的倾斜度为81-84度。
3.根据权利要求2所述的基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，其特征在于，所述第二执行块的个数为6-10个。
4.根据权利要求1所述的基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，其特征在于，一对连续多段结构之间距离大于40mm。
5.根据权利要求1所述的基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，其特征在于，所述驱动机构包括第一直线电机和第二直线电机，所述第一直线电机和第二直线电机的输出轴分别与一对结构相同的连续多段结构中的弹性钢片转动连接。
6.根据权利要求5所述的基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，其特征在于，还包括用于固定第一直线电机和第二直线电机的手臂架。
7.根据权利要求6所述的基于连续多段结构的三自由度手腕康复机器人，其特征在于，手背板和手臂架上均设置有用于固定的魔术贴。
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