CN114053007B - 一种面向健康受试者的多自由度假肢实验装置 - Google Patents

一种面向健康受试者的多自由度假肢实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种面向健康受试的多自由度假肢实验装置，属于机电控制领域，包括控制器、大臂机构、电池、弹性魔术贴绷带、肌电信号传感器、弹性固定带、陀螺仪、腕部机构、机械假手、腕部旋转电机和小臂机构。该多自由度假肢实验装置提供了一种轻便灵活的穿戴式假肢实验装置，能够满足健康受试者的假肢实验要求，在提高受试者佩戴舒适性的同时，可以帮助实验人员获取更加准确和可靠的实验数据，通过独特的结构设计，在降低佩戴者佩戴复杂度的同时，提高了假肢的佩戴舒适性和运动灵活性，设计了独特的大臂机构，将机械假肢的佩戴重量分担到了佩戴者的大臂上，减轻了佩戴者的负担，消除了因受试者小臂负担过重，而对实验数据造成的影响。

Description

一种面向健康受试者的多自由度假肢实验装置
技术领域
本发明涉及一种面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，属于假肢技术领域。
背景技术
经桡截肢患者因为缺失手臂，无法完成一些日常生活活动。随着科技的发展，出现了一些辅助和改善截肢患者行为能力的多自由度动力假肢。然而，随着自由度增多，假肢的控制问题也变得日趋复杂。如何使得患者更加自然灵活的控制假肢，一直是相关领域的研究重点。一般来说，一种新型假肢及其控制方法投入使用之前需要进行大量测试。邀请患者用户直接进行测试将耗费大量人力物力，前期投入较大。而邀请身体健全人员首先进行假肢系统的测试，有助于提升系统可靠性，实现新型假肢系统的尽快部属。
目前针对于健康受试者的多自由度假肢实验装置存在不足。在功能方面，大都不具备腕部转动的功能。从结构设计来讲，目前的实验装置体积大、质量重，佩戴复杂，适应性差。且目前的实验装置仅在小臂处设有假肢的固定机构，将假肢的佩戴重力集中于小臂处，增加了佩戴者的负担，而且当受试者的小臂受力时，会影响到肌电信号的采集，从而影响实验结果。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的技术问题，提出一种面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，可针对多自由度假肢系统及其控制方法进行测试，具有佩戴方便、运动灵活、适应性强、佩戴负担小等特点。
本发明提出一种面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，包括控制器、大臂机构、电池、弹性魔术贴绷带、肌电信号传感器、弹性固定带、陀螺仪、腕部机构、机械假手、腕部旋转电机和小臂机构，
所述大臂机构上固定有控制器、电池和弹性魔术贴绷带，所述弹性魔术贴绷带用于将大臂机构固定到佩戴者的大臂处，所述大臂机构与小臂机构活动连接，所述小臂机构上安装有若干弹性固定带，所述肌电信号传感器通过其中一个弹性固定带固定在佩戴者的小臂上，所述陀螺仪通过另一个弹性固定带固定到佩戴者的手腕处，所述小臂机构固定到腕部机构侧面，所述腕部旋转电机固定在腕部机构下方，所述腕部旋转电机的输出轴与机械假手连接，所述肌电信号传感器、陀螺仪、腕部旋转电机和机械假手通过导线与控制器连接，所述电池为整个系统提供电力。
优选地，所述大臂机构包括大臂固定基座、魔术贴缠绕杆、两对活动销和两对铰接座，所述铰接座固定在大臂固定基座两侧，所述活动销与铰接座铰接，所述魔术贴缠绕杆固定在活动销上，使得魔术贴缠绕杆能够调整与大臂固定基座的相对位置。
优选地，所述弹性魔术贴绷带一端固定到其中一个魔术贴缠绕杆上，另一端先绕过另一个魔术贴缠绕杆，然后包围佩戴者的大臂，之后再次绕过两个魔术贴缠绕杆。
优选地，所述小臂机构包括小臂伸缩杆、小臂机构基座和直线滑轨，所述直线滑轨的导轨固定在小臂机构基座上，所述直线滑轨的滑块与小臂伸缩杆连接，使得小臂伸缩杆能够相对于小臂机构基座进行伸缩。
优选地，所述小臂机构盖板固定在小臂机构基座上，将直线滑轨和部分小臂伸缩杆覆盖。
优选地，所述腕部机构包括腕部机构外固定架、等截面轴承、腕部机构内固定架、柔性垫圈固定架、柔性垫圈和内固定架挡板，所述腕部机构外固定架与等假面轴承的外圈连接，所述腕部机构内固定架与等截面轴承的内圈连接，使得腕部机构内固定架能够绕腕部机构外固定架进行同轴转动，所述腕部机构内固定架上设有凹槽，与柔性垫圈固定架上的凸起相配合，使得柔性垫圈固定架和腕部机构内固定架在圆周方向上进行固定，使其可以同轴转动，所述内固定架挡板的一端固定在腕部机构内固定架上，使其可以绕固定点旋转，通过转动内固定架挡板，能够使得内固定架挡板的另一端位于柔性垫圈固定架凸起部分上方，以限制柔性垫圈固定架与腕部机构内固定架发生轴向上的错位。
优选地，所述柔性垫圈固定架与柔性垫圈均由两个半圆部分组成，所述柔性垫圈固定到柔性垫圈固定架的内侧，佩戴时，先转动内固定架挡板，使得柔性垫圈固定架的凸起部分不被遮挡，再将柔性垫圈固定架从腕部机构内固定架取出，佩戴者将手臂伸出，穿过腕部机构内固定架，并将腕部机构内固定架放置到佩戴者的手腕处，依次将柔性垫圈固定架的两个半圆部分的凸起安装到腕部机构内固定架的凹槽内，转动内固定架挡板，使其遮挡住柔性垫圈固定架的凸起部分，完成佩戴。
优选地，所述柔性垫圈为回弹性能较好的海绵结构，使得柔性垫圈具有较好的伸缩性能，既能满足腕部粗细不同的佩戴者，又能保证腕部的紧密接触和佩戴舒适度。
优选地，所述大臂机构通过平面轴承与所述小臂机构连接，使得大臂机构可绕着固定处转动。
本发明所述的面向健康受试者的多自由度假肢实验装置的有益效果为：
(1)本发明提供了一种轻便灵活的穿戴式假肢实验装置，能够满足健康受试者的假肢实验要求，在提高受试者佩戴舒适性的同时，可以帮助实验人员获取更加准确和可靠的实验数据。
(2)本发明通过分离式的柔性垫圈和挡板式结构，使得假肢装置容易佩戴且能够适应不同腕部粗细的佩戴者，通过独特的小臂伸缩结构，使得假肢装置既能够适应不同臂长的佩戴者，同时又能够在佩戴者进行手臂伸展时，自动适应手臂姿势的变化。
(3)本发明设计了独特的大臂机构，将机械假肢的佩戴重量分担到了佩戴者的大臂上，减轻了佩戴者的负担，消除了因受试者小臂负担过重，而对实验数据造成的影响。
(4)本发明使用独特的弹性魔术贴绷带和活动的缠绕杆结构，大大提高了佩戴的贴合度和舒适性。
(5)本发明的柔性垫圈采用回弹性能较好的海绵结构，使得柔性垫圈具有较好的伸缩性能，既能满足腕部粗细不同的佩戴者，又能保证腕部的紧密接触和佩戴舒适度。
(6)本发明通过上述独特的结构设计，在降低佩戴者佩戴复杂度的同时，提高了假肢的佩戴舒适性和运动灵活性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
附图1为本发明所述的面向健康受试者的多自由度假肢实验装置的结构示意图；
附图2为本发明所述的面向健康受试者的多自由度假肢实验装置的佩戴示意图；
附图3为本发明所述的大臂机构的结构示意图；
附图4为本发明所述的小臂机构的结构示意图；
附图5为本发明所述的腕部机构的轴向观测示意图；
附图6为本发明所述的腕部机构的爆炸形式示意图；
附图7为弹性魔术贴绷带与魔术贴缠绕杆的缠绕关系示意图。
图中，1-控制器，2-大臂机构，2.1-大臂机构盖板，2.2-大臂固定基座，2.3-魔术贴缠绕杆，2.4-活动销，2.5-铰接座，3-电池，4-弹性魔术贴绷带，5-肌电信号传感器，6-弹性固定带，7-陀螺仪，8-腕部机构，8.1-腕部机构外固定架，8.2-等截面轴承，8.3-腕部机构内固定架，8.4-柔性垫圈固定架，8.5-柔性垫圈，8.6-内固定架挡板，9-机械假手，10-腕部旋转电机，11-小臂机构，11.1-小臂伸缩杆，11.2-小臂机构基座，11.3-直线滑轨，11.4-小臂机构盖板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-7说明本实施方式。本实施方式所述的面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，包括控制器1、大臂机构2、电池3、弹性魔术贴绷带4、肌电信号传感器5、弹性固定带6、陀螺仪7、腕部机构8、机械假手9、腕部旋转电机10和小臂机构11，所述大臂机构2上固定有控制器1、电池3和弹性魔术贴绷带4，所述弹性魔术贴绷带4用于将大臂机构2固定到佩戴者的大臂处，所述大臂机构2与小臂机构11活动连接，所述小臂机构11上安装有若干弹性固定带6，所述肌电信号传感器5通过其中一个弹性固定带6固定在佩戴者的小臂上，所述陀螺仪7通过另一个弹性固定带6固定到佩戴者的手腕处，所述小臂机构11固定到腕部机构8侧面，所述腕部旋转电机10固定在腕部机构8下方，所述腕部旋转电机10的输出轴与机械假手9连接，所述肌电信号传感器5、陀螺仪7、腕部旋转电机10和机械假手9通过导线与控制器1连接，所述电池3为整个系统提供电力。
所述大臂机构2包括大臂固定基座2.2、魔术贴缠绕杆2.3、两对活动销2.4和两对铰接座2.5，所述铰接座2.5固定在大臂固定基座2.2两侧，所述活动销2.4与铰接座2.5铰接，所述魔术贴缠绕杆2.3固定在活动销2.4上，使得魔术贴缠绕杆2.3能够调整与大臂固定基座2.2的相对位置。
所述弹性魔术贴绷带4一端固定到其中一个魔术贴缠绕杆2.3上，另一端先绕过另一个魔术贴缠绕杆2.3，然后包围佩戴者的大臂，之后再次绕过两个魔术贴缠绕杆2.3，因为所述魔术贴缠绕杆2.3可以调整与大臂固定基座2.1的相对位置，因此弹性魔术贴绷带4可以更好的贴合佩戴者的大臂。
所述小臂机构11包括小臂伸缩杆11.1、小臂机构基座11.2和直线滑轨11.3，所述直线滑轨11.3的导轨固定在小臂机构基座11.2上，所述直线滑轨11.3的滑块与小臂伸缩杆11.1连接，使得小臂伸缩杆11.1能够相对于小臂机构基座11.2进行伸缩。
所述小臂机构盖板11.4固定在小臂机构基座11.2上，将直线滑轨11.3和部分小臂伸缩杆11.1覆盖。
所述腕部机构8包括腕部机构外固定架8.1、等截面轴承8.2、腕部机构内固定架8.3、柔性垫圈固定架8.4、柔性垫圈8.5和内固定架挡板8.6，所述腕部机构外固定架8.1与等假面轴承8.2的外圈连接，所述腕部机构内固定架8.3与等截面轴承8.2的内圈连接，使得腕部机构内固定架8.3能够绕腕部机构外固定架8.1进行同轴转动，所述腕部机构内固定架8.3上设有凹槽，与柔性垫圈固定架8.4上的凸起相配合，使得柔性垫圈固定架8.4和腕部机构内固定架8.3在圆周方向上进行固定，使其可以同轴转动，所述内固定架挡板8.6的一端固定在腕部机构内固定架8.3上，使其可以绕固定点旋转，通过转动内固定架挡板8.6，能够使得内固定架挡板8.6的另一端位于柔性垫圈固定架8.4凸起部分上方，以限制柔性垫圈固定架8.4与腕部机构内固定架8.3发生轴向上的错位。
所述柔性垫圈固定架8.4与柔性垫圈8.5均由两个半圆部分组成，所述柔性垫圈8.5固定到柔性垫圈固定架8.4的内侧，佩戴时，先转动内固定架挡板8.6，使得柔性垫圈固定架8.4的凸起部分不被遮挡，再将柔性垫圈固定架8.4从腕部机构内固定架8.3取出，佩戴者将手臂伸出，穿过腕部机构内固定架8.3，并将腕部机构内固定架8.3放置到佩戴者的手腕处，依次将柔性垫圈固定架8.4的两个半圆部分的凸起安装到腕部机构内固定架8.3的凹槽内，转动内固定架挡板8.6，使其遮挡住柔性垫圈固定架8.4的凸起部分，完成佩戴。
所述柔性垫圈8.5为回弹性能较好的海绵结构，使得柔性垫圈8.5具有较好的伸缩性能，既能满足腕部粗细不同的佩戴者，又能保证腕部的紧密接触和佩戴舒适度。
所述大臂机构2通过平面轴承与所述小臂机构11连接，使得大臂机构2可绕着固定处转动。
所述的面向健康受试者的多自由度假肢实验装置的具体操作过程为：
在实际使用中，佩戴者应先将肌电信号传感器5和陀螺仪7通过弹性固定带6分别固定到小臂处和手腕处，然后再将手臂伸入到腕部机构8中，按照上述方法完成腕部机构8的佩戴，最后通过将弹性魔术贴绷带4缠绕大臂，并调整贴合程度，最终完成整个装置的佩戴。
使用过程中，控制器1通过肌电信号传感器5获得的肌肉收缩信息来控制机械假手9，通过陀螺仪7获得的腕部旋转角度来控制腕部旋转电机10的旋转，实现对假肢的灵活控制。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，包括控制器(1)、大臂机构(2)、电池(3)、弹性魔术贴绷带(4)、肌电信号传感器(5)、弹性固定带(6)、陀螺仪(7)、腕部机构(8)、机械假手(9)、腕部旋转电机(10)和小臂机构(11)，
所述大臂机构(2)上固定有控制器(1)、电池(3)和弹性魔术贴绷带(4)，所述弹性魔术贴绷带(4)用于将大臂机构(2)固定到佩戴者的大臂处，所述大臂机构(2)与小臂机构(11)活动连接，所述小臂机构(11)上安装有若干弹性固定带(6)，所述肌电信号传感器(5)通过其中一个弹性固定带(6)固定在佩戴者的小臂上，所述陀螺仪(7)通过另一个弹性固定带(6)固定到佩戴者的手腕处，所述小臂机构(11)固定到腕部机构(8)侧面，所述腕部旋转电机(10)固定在腕部机构(8)下方，所述腕部旋转电机(10)的输出轴与机械假手(9)连接，所述肌电信号传感器(5)、陀螺仪(7)、腕部旋转电机(10)和机械假手(9)通过导线与控制器(1)连接，所述电池(3)为整个系统提供电力。
2.根据权利要求1所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，所述大臂机构(2)包括大臂固定基座(2.2)、魔术贴缠绕杆(2.3)、两对活动销(2.4)和两对铰接座(2.5)，所述铰接座(2.5)固定在大臂固定基座(2.2)两侧，所述活动销(2.4)与铰接座(2.5)铰接，所述魔术贴缠绕杆(2.3)固定在活动销(2.4)上，使得魔术贴缠绕杆(2.3)能够调整与大臂固定基座(2.2)的相对位置。
3.根据权利要求2所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，所述弹性魔术贴绷带(4)一端固定到其中一个魔术贴缠绕杆(2.3)上，另一端先绕过另一个魔术贴缠绕杆(2.3)，然后包围佩戴者的大臂，之后再次绕过两个魔术贴缠绕杆(2.3)。
4.根据权利要求1所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，所述小臂机构(11)包括小臂伸缩杆(11.1)、小臂机构基座(11.2)和直线滑轨(11.3)，所述直线滑轨(11.3)的导轨固定在小臂机构基座(11.2)上，所述直线滑轨(11.3)的滑块与小臂伸缩杆(11.1)连接，使得小臂伸缩杆(11.1)能够相对于小臂机构基座(11.2)进行伸缩。
5.根据权利要求4所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，小臂机构盖板(11.4)固定在小臂机构基座(11.2)上，将直线滑轨(11.3)和部分小臂伸缩杆(11.1)覆盖。
6.根据权利要求1所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，所述腕部机构(8)包括腕部机构外固定架(8.1)、等截面轴承(8.2)、腕部机构内固定架(8.3)、柔性垫圈固定架(8.4)、柔性垫圈(8.5)和内固定架挡板(8.6)，所述腕部机构外固定架(8.1)与等截面轴承(8.2)的外圈连接，所述腕部机构内固定架(8.3)与等截面轴承(8.2)的内圈连接，使得腕部机构内固定架(8.3)能够绕腕部机构外固定架(8.1)进行同轴转动，所述腕部机构内固定架(8.3)上设有凹槽，与柔性垫圈固定架(8.4)上的凸起相配合，使得柔性垫圈固定架(8.4)和腕部机构内固定架(8.3)在圆周方向上进行固定，使其可以同轴转动，所述内固定架挡板(8.6)的一端固定在腕部机构内固定架(8.3)上，使其可以绕固定点旋转，通过转动内固定架挡板(8.6)，能够使得内固定架挡板(8.6)的另一端位于柔性垫圈固定架(8.4)凸起部分上方，以限制柔性垫圈固定架(8.4)与腕部机构内固定架(8.3)发生轴向上的错位。
7.根据权利要求6所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，所述柔性垫圈固定架(8.4)与柔性垫圈(8.5)均由两个半圆部分组成，所述柔性垫圈(8.5)固定到柔性垫圈固定架(8.4)的内侧，佩戴时，先转动内固定架挡板(8.6)，使得柔性垫圈固定架(8.4)的凸起部分不被遮挡，再将柔性垫圈固定架(8.4)从腕部机构内固定架(8.3)取出，佩戴者将手臂伸出，穿过腕部机构内固定架(8.3)，并将腕部机构内固定架(8.3)放置到佩戴者的手腕处，依次将柔性垫圈固定架(8.4)的两个半圆部分的凸起安装到腕部机构内固定架(8.3)的凹槽内，转动内固定架挡板(8.6)，使其遮挡住柔性垫圈固定架(8.4)的凸起部分，完成佩戴。
8.根据权利要求7所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，所述柔性垫圈(8.5)为海绵结构，使得柔性垫圈(8.5)具有良好的伸缩性能，既能满足腕部粗细不同的佩戴者，又能保证腕部的紧密接触和佩戴舒适度。
9.根据权利要求1所述面向健康受试者的多自由度假肢实验装置，其特征在于，所述大臂机构(2)通过平面轴承与所述小臂机构(11)连接，使得大臂机构(2)可绕着固定处转动。
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