CN114191256A - 一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，属于腕部康复训练装置领域，包括穿戴在人体前臂上的前臂框架、设置在前臂框架上端前部的掌屈球铰链传动机构、穿戴在人体手部的且与前臂框架相连接的手套、固定安装在前臂框架上端后部的控制盒、固定安装在前臂框架上端中部的给掌屈球铰链传动机构提供驱动力的第一电机、设置在前臂框架内侧端前部的内收球铰链传动机构以及固定安装在在前臂框架内侧端中部的给内收球铰链传动机构提供驱动力的第二电机。本发明采用双球铰链式传动机构，由简单的电机驱动实现人体腕关节三自由度的大范围运动，采用可穿戴设计，增加了患者康复训练的灵活性，结构简单，整体质量较轻，稳定性好。

Description

一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人

技术领域

本发明涉及腕部康复训练装置领域，尤其是一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人。

背景技术

人体上肢在人们的生产生活中占据极为重要的位置，人们会使用上肢去完成生产生活中大部分的动作，然而，当涉及到一些较为危险的活动时，时常造成腕部损伤且腕部损伤后康复周期长，严重影响了患者的生活质量。因此，如何促进受伤后的腕部功能恢复，显得至关重要。

加拿大骨科医生罗伯特·索尔特在1960年提出了连续被动活动康复疗法(Continuous Passive Motion，CPM)，简称CPM疗法。通过外力带动患肢做长时间全范围的被动活动，以此阻止病患关节的僵硬，并促进患肢血液循环达到加速康复的目的。CPM疗法已被证实效果明显，但由于高强度和高重复性的特点，对理疗师的劳动强度提出了很高要求。为解决上述问题，机器人及其相关技术被应用到腕部康复中，利用腕部外骨骼系统代替理疗师，驱动患肢进行被动运动，促进腕部功能恢复。

外骨骼原指一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型、建筑和保护的坚硬外部结构。外骨骼机器人是一种由刚性的框架构成并且可以穿戴的机器装置，可以提供额外能量来供应或者辅助相应的肢体运动，实践证明外骨骼机器人能够在人们的生产生活中进行正常肢体的运动力量增强或者患侧肢体的运动功能改善。

人体腕部共有3个自由度，它是联系手部和前臂的枢纽，目前针对手部康复和肩、肘关节的外骨骼机器人数量不少，但是，经过文献检索发现，国内在可穿戴腕部外骨骼机器人的研究上相对数量较少。现有技术，虽然能够对腕关节进行康复训练，但是目前腕部康复还存在以下问题：

（1）目前比较多的腕部康复训练装置是不可穿戴的，固定底座式的，对于患者腕部康复训练的场地和时间有一定的要求，便携性不足；

（2）其余外骨骼机械臂较多涉及到整个上肢的设计，没有专门针对腕部关节进行设计，或者其采用的设计方案较为复杂，在腕部运动训练辅助方面并不实用，同时，外骨骼重量较大，导致运动惯量大，稳定性不好，使其带动患者训练的运动空间受限。

针对上述问题，设计一种可穿戴的、较为轻便的、专门针对腕部康复训练的装置变得十分必要。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，是一种由电机驱动、球铰链结构传动的便携式可穿戴腕部康复机器人。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，包括穿戴在人体前臂上的前臂框架、设置在前臂框架上端前部的掌屈球铰链传动机构、穿戴在人体手部的且与前臂框架相连接的手套、固定安装在前臂框架上端后部的控制盒、固定安装在前臂框架上端中部的给掌屈球铰链传动机构提供驱动力的第一电机、设置在前臂框架内侧端前部的内收球铰链传动机构以及固定安装在在前臂框架内侧端中部的给内收球铰链传动机构提供驱动力的第二电机；所述掌屈球铰链传动机构和所述内收球铰链传动机构结构一致，均采用多杆传动机构。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述前臂框架是根据人体前臂的长度和粗度比例进行设置的，能够完整地包裹住人的前臂上半部分，具体包括半圆形的第一臂环、第二臂环、第三臂环、连接第一臂环和第二臂环的第一连接件、连接第二臂环和第三臂环的第二连接件以及若干条松紧带；所述第一臂环上方设置有安装控制盒的控制盒安装孔；所述第二臂环上端设置有安装第一电机的第一电机安置平台，内侧端设置有安装第二电机的第二电机安置平台；所述第二连接件的上端设置有安装掌屈球铰链传动机构的第一固定平台，内侧端设置有安装内收球铰链传动机构的第二固定平台。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述掌屈球铰链传动机构包括安装在第一固定平台上的第一固定件、一端与第一电机铰接的第一连杆、一端与第一连杆的另一端铰接的第二连杆、一端与第二连杆的另一端铰接的第三连杆和与第三连杆的另一端铰接的第一球铰链底座；所述第一球铰链底座与所述手套的上端相连；所述内收球铰链传动机构包括安装在第二固定平台上的第二固定件、一端与第二电机铰接的第四连杆、一端与第四连杆的另一端铰接的第五连杆、一端与第五连杆的另一端铰接的第六连杆和与第三连杆的另一端铰接的第二球铰链底座；所述第二球铰链底座与所述手套的侧端相连；所述第一连杆与第一固定件的滑槽通过第一连杆中段的铰接孔铰接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一固定件和所述第二固定件的结构均为一体成型，包括底板和设置在底板前端的两条闭口的半圆弧状的支撑架，所述支撑架的中部设置有半圆弧状的滑槽。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述手套为掌屈球铰链传动机构和内收球铰链传动机构传动机构驱动的对象，带动人体手部进行腕关节的掌屈、内收康复训练运动，具体包括手套本体、设置在手套本体上端的第一定位底座和设置在手套本体内侧端的第二定位底座。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述控制盒包括内部放置电控器件的电路盒、覆盖在电路盒上方的电路盖、电线引出孔和设置在电路盒底端的臂环连接孔；所述电线引出孔引出电源线与所述第一电机和第二电机相连。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电控器件至少包括stm32核心板、控制电路和电源。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一电机和第二电机均采直线推杆电机；所述第一电机固定安装在第二臂环上方的第一电机安置平台上，所述第二电机固定安装在第二臂环内侧端的第二电机安置平台上；第一电机包括第一电机本体、与第一电机本体相连接的第一伸缩杆以及设置在第一伸缩杆前端的第一铰接孔；第二电机与第一电机的结构一致，包括第二电机本体、与第二电机本体相连接的第二伸缩杆以及设置在第二伸缩杆前端的第二铰接孔。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明是一种专门针对腕关节康复训练的机器人，采用可穿戴设计，能够让患者的康复训练不受时间和场地的限制，提高了康复训练效率。

2、本发明结构简单，通过简单的双球铰链传动机构实现了人体腕关节三个自由度的大范围运动，机器人整体重量较轻，惯性较小，稳定性较好。

3、本发明采用双球铰链式传动机构，由简单的电机驱动实现人体腕关节三自由度的大范围运动，采用可穿戴设计，增加了患者康复训练的灵活性，结构简单，整体质量较轻，稳定性好。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中前臂框架结构示意图；

图3为本发明中掌屈球铰链传动机构结构示意图；

图4为本发明中手套结构示意图；

图5为本发明中控制盒结构示意图；

图6为本发明中第一电机结构示意图；

图7为本发明中第一电机与掌屈球铰链传动机构、第二电机与内收球铰链传动机构和手套配合的结构示意图；

其中，1、前臂框架，11、第一臂环，12、第二臂环，13、第三臂环，14、第一连接件，15、第二连接件，2、掌屈球铰链传动机构，21、第一固定件，22、第一连杆，23、第二连杆，24、第三连杆，25、第一球铰链底座，3、手套，31、第一定位底座，32、第二定位底座，4、控制盒，41、电路盖，42、电路盒，43、电线引出孔，5、第一电机，51、第一电机本体，52、第一伸缩杆，53、第一铰接孔，6、内收球铰链传动机构，61、第二固定件，62、第四连杆，63、第五连杆，64、第六连杆，65、第二球铰链底座，7、第二电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”……等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”……仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”……的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“若干个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，包括穿戴在人体前臂上的前臂框架1、设置在前臂框架1上端前部的掌屈球铰链传动机构（2）、穿戴在人体手部的且与前臂框架1相连接的手套3、固定安装在前臂框架1上端后部的控制盒4、固定安装在前臂框架1上端中部的给掌屈球铰链传动机构2提供驱动力的第一电机5、设置在前臂框架1内侧端前部的内收球铰链传动机构6以及固定安装在在前臂框架1内侧端中部的给内收球铰链传动机构6提供驱动力的第二电机7；所述掌屈球铰链传动机构2和所述内收球铰链传动机构6结构一致，均采用多杆传动机构。所述掌屈球铰链传动机构2通过手套3与人体手部相连，受到驱动后，能够带动人体腕部进行掌屈和背伸运动；所述内收球铰链传动机构6通过手套3与人体手部相连，受到驱动后，能够带动人体腕部进行内收和外展运动。

如图2所示，前臂框架1包括半圆形臂环组、臂环连接件组和若干条设置在半圆形臂环组和臂环连接件组下端的松紧带，根据人体前臂的长度和粗度比例，前臂框架1中半圆臂环组和臂环连接件组的长度也成对应比例，臂环组经连接件组连接之后完整地包裹住人的前臂上半部分，再由松紧带分别与臂环相连，实现了对人前臂的柔性包裹，其中，臂环组包括第一臂环11、第二臂环12和第三臂环13，臂环连接件组包括第一连接件14和第二连接件15，第一臂环11上方设置有与控制盒4相连接的控制盒安装孔；第二臂环12上端设置有与第一电机5相连接的第一电机安置平台，内侧端设置有与第二电机7相连接的第二电机安置平台；第二连接件15上端设置有与掌屈球铰链传动机构2的第一固定件21相连接的第一固定平台，内侧端设置有安装内收球铰链传动机构6的第二固定平台；第一臂环11与第二臂环12通过第一连接件14连接，第二臂环12与第三臂环13通过第二连接件15连接；所述前臂框架1通过松紧带固定穿戴在人体前臂上，依靠人体前臂支撑，作为掌屈球铰链传动机构2、内收球铰链传动机构6、控制盒4、第一电机5和第二电机7的机架。

如图3所示，掌屈球铰链传动机构2包括第一固定件21、第一连杆22、第二连杆23、第三连杆24和第一球铰链底座25，其中，第一固定件21通过预留的两排孔用螺钉固定在第二连接件15上的第一固定平台上，第一连杆22的一端与第一电机5的第一推杆52末端的第一铰接孔53铰接，第一连杆22与第一固定件21的滑槽通过第一连杆22中段的铰接孔铰接，第一连杆22的另一端与第二连杆23的一端铰接、第二连杆23的另一端与第三连杆24的一端铰接，第三连杆24的另一端与第一球铰链底座25铰接，形成了第一球铰链关节，第一球铰链底座25与手套3上端的第一定位底座31固定连接；

如图4所示，手套3包括手套本体、设置在手套本体上端的第一定位底座31、设置在手套本体内侧端的第二定位底座32，其中，第一定位底座31与掌屈球铰链传动机构2的第一球铰链底座25固定连接，第二定位底座32与内收球铰链传动机构6的第二球铰链底座65固定连接；

如图5所示，控制盒4包括电路盖41、电路盒42、电线引出孔43和设置在电路盒42底端的臂环连接孔；电路盒42中放置stm32核心板、控制电路、电源等电控器件；电路盖41覆盖在电路盒42上实现电路封装；电线引出孔43引出电源线与第一电机5和第二电机7相连，控制盒4安装在第一臂环11上方；臂环连接孔与第一臂环11上设置的控制盒安装孔用螺钉相连；

如图6所示，第一电机5包括第一电机本体51、第一伸缩杆52、第一铰接孔53，第一电机5固定安装在第二臂环12上的第一电机安置平台上，第一伸缩杆51末端设置有第一铰接孔52，第一铰接孔52与掌屈球铰链传动机构2的第一连杆22的一端铰接；

如图1、图7所示，第二电机7与第一电机5的结构一致，包括第二电机本体、第二伸缩杆和第二铰接孔。

如图7所示，内收球铰链传动机构6的结构与掌屈球铰链传动机构2的结构是一致的，内收球铰链传动机构6包括第二固定件61、第四连杆62、第五连杆63、第六连杆64和第二球铰链底座65，其中，第二固定件61通过预留的两排孔用螺钉固定在第二连接件15的内侧端的第二固定平台上，第四连杆62的一端与第二电机7推杆末端的第二铰接孔铰接，第四连杆62与第二固定件61的滑槽通过第四连杆62中段的铰接孔铰接，第四连杆62的另一端与第五连杆63的一端铰接、第五连杆63的另一端与第六连杆64的一端铰接，第六连杆64的另一端与第二球铰链底座65铰接，形成了第二球铰链关节，第二球铰链底座25与手套3内侧端的第二定位底座32固定连接；第二电机7的第二铰接孔与内收球铰链传动机构6的第四连杆62的一端孔铰接。

第一固定件21和第二固定件61的结构均为一体成型，包括底板和设置在底板前端的两条闭口的半圆弧状的支撑架，所述支撑架的中部设置半圆弧状的滑槽。

所述第一连杆22和所述第四连杆62的结构均为带弯折的连杆，连杆的中间开孔用于穿过螺杆与支撑架上的滑槽连接，能使第一连杆22和所述第四连杆62在滑槽里运动，连杆的两端设置连接孔，一端用于连接电机，一端用于连接下一个连杆。

一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人的使用方法：

第一电机5固定安装在第二臂环12上面的第一电机安置平台上，第一电机5的第一伸缩杆52末端的第一铰接孔53与掌屈球铰链传动机构2的第一连杆22一端铰接，掌屈球铰链传动机构2中的第一固定件21与前臂框架中1的第二连接件15相连接，第一固定件21与第一连杆22中段的铰接孔铰接，第一连杆22的另一端与第二连杆23铰接，第二连杆23与第三连杆24铰接，第三连杆24与第一球铰链底座25铰接，形成了第一球铰链关节，第一球铰链底座25与手套3的第一定位底座31固定连接；

第二电机7固定安装在第二臂环12内侧端的第二电机安置平台上，第二电机7的第二伸缩杆末端的第二铰接孔与内收球铰链传动机构6的第四连杆62一端铰接，内收球铰链传动机构6中的第二固定件61与前臂框架中1的第二连接件15内侧端的第二固定平台相连接，第二固定件61与第四连杆62中段的铰接孔铰接，第四连杆62的另一端与第五连杆63铰接，第五连杆63与第六连杆64铰接，第六连杆64与第二球铰链底座65铰接，形成了第二球铰链关节，第二球铰链底座65与手套3的第二定位底座32固定连接；控制盒4安装好，内部电控元件连接准备完毕。

从而形成了一个可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人整体，所述可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人采用直线推杆的第一电机5和第二电机7驱动，使用手套3与使用者手部相连，当第一电机5伸长时，推动掌屈球铰链传动机构2，经过传动后，通过第一球铰链关节推动手套3运动，由手套3的运动带动人体腕关节进行掌屈运动，同样的，第一电机5缩短时，拉动掌屈球铰链传动机构2，经过传动后，通过第一球铰链关节拉动手套3运动，由手套3的运动带动人体腕关节进行背伸运动；同理，当第二电机7伸长或缩短时，驱动内收球铰链传动机构6，经过传动后，通过第二球铰链关节带动手套3，进而推动人体腕关节进行尺偏和桡偏；

进一步地，第一电机5和第二电机7在控制盒4的控制作用下配合运动时，驱动掌屈球铰链传动机构2和内收球铰链传动机构6，经过传动后，第一球铰链关节和第二球铰链关节带动人体腕关节实现旋前和旋后运动；具体的，当掌屈球铰链传动机构2驱动手套3时，内收球铰链传动机构6的第二球铰链关节旋转，带动腕关节实现旋前运动，当内收球铰链传动机构6驱动手套3时，掌屈球铰链传动机构2的第一球铰链关节旋转，带动腕关节实现旋后运动。

进一步地，使用者在穿戴可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人时，可以通过在前臂框架1中添加填充物，调整松紧带的长度，在穿戴手套3前套上一副常规的手套，使得穿戴更舒适。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：包括穿戴在人体前臂上的前臂框架（1）、设置在前臂框架（1）上端前部的掌屈球铰链传动机构（2）、穿戴在人体手部的且与前臂框架（1）相连接的手套（3）、固定安装在前臂框架（1）上端后部的控制盒（4）、固定安装在前臂框架（1）上端中部的给掌屈球铰链传动机构（2）提供驱动力的第一电机（5）、设置在前臂框架（1）内侧端前部的内收球铰链传动机构（6）以及固定安装在在前臂框架（1）内侧端中部的给内收球铰链传动机构（6）提供驱动力的第二电机（7）；所述掌屈球铰链传动机构（2）和所述内收球铰链传动机构（6）结构一致，均采用多杆传动机构。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：所述前臂框架（1）是根据人体前臂的长度和粗度比例进行设置的，能够完整地包裹住人的前臂上半部分，具体包括半圆形的第一臂环（11）、第二臂环（12）、第三臂环（13）、连接第一臂环（11）和第二臂环（12）的第一连接件（14）、连接第二臂环（12）和第三臂环（13）的第二连接件（15）以及若干条松紧带；所述第一臂环（11）上方设置有安装控制盒（4）的控制盒安装孔；所述第二臂环（12）上端设置有安装第一电机（5）的第一电机安置平台，内侧端设置有安装第二电机（7）的第二电机安置平台；所述第二连接件（15）的上端设置有安装掌屈球铰链传动机构（2）的第一固定平台，内侧端设置有安装内收球铰链传动机构（6）的第二固定平台。

3.根据权利要求2所述的一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：所述掌屈球铰链传动机构（2）包括安装在第一固定平台上的第一固定件（21）、一端与第一电机（5）铰接的第一连杆（22）、一端与第一连杆（22）的另一端铰接的第二连杆（23）、一端与第二连杆（23）的另一端铰接的第三连杆（24）和与第三连杆（24）的另一端铰接的第一球铰链底座（25）；所述第一球铰链底座（25）与所述手套（3）的上端相连；所述内收球铰链传动机构（6）包括安装在第二固定平台上的第二固定件（61）、一端与第二电机（7）铰接的第四连杆（62）、一端与第四连杆（62）的另一端铰接的第五连杆（63）、一端与第五连杆（63）的另一端铰接的第六连杆（64）和与第三连杆（64）的另一端铰接的第二球铰链底座（65）；所述第二球铰链底座（65）与所述手套（3）的侧端相连；所述第一连杆（22）与第一固定件（21）的滑槽通过第一连杆（22）中段的铰接孔铰接。

4.根据权利要求3所述的一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：所述第一固定件（21）和所述第二固定件（61）的结构均为一体成型，包括底板和设置在底板前端的两条闭口的半圆弧状的支撑架，所述支撑架的中部设置有半圆弧状的滑槽。

5.根据权利要求1所述的一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：所述手套（3）为掌屈球铰链传动机构（2）和内收球铰链传动机构（6）传动机构驱动的对象，带动人体手部进行腕关节的掌屈、内收康复训练运动，具体包括手套本体、设置在手套本体上端的第一定位底座（31）和设置在手套本体内侧端的第二定位底座（32）。

6.根据权利要求1所述的一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：所述控制盒（4）包括内部放置电控器件的电路盒（42）、覆盖在电路盒（42）上方的电路盖（41）、电线引出孔（43）和设置在电路盒（42）底端的臂环连接孔；所述电线引出孔（43）引出电源线与所述第一电机（5）和第二电机（7）相连。

7.根据权利要求6所述的一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：所述电控器件至少包括stm32核心板、控制电路和电源。

8.根据权利要求2所述的一种可穿戴双球铰链腕部康复训练机器人，其特征在于：所述第一电机（5）和第二电机（7）均采直线推杆电机；所述第一电机固定安装在第二臂环（12）上方的第一电机安置平台上，所述第二电机固定安装在第二臂环（22）内侧端的第二电机安置平台上；第一电机（5）包括第一电机本体（51）、与第一电机本体（51）相连接的第一伸缩杆（52）以及设置在第一伸缩杆（52）前端的第一铰接孔（53）；第二电机（7）与第一电机（5）的结构一致，包括第二电机本体、与第二电机本体相连接的第二伸缩杆以及设置在第二伸缩杆前端的第二铰接孔。

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