CN114366555A - 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人 - Google Patents

一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人 Download PDF

Info

Publication number
CN114366555A
CN114366555A CN202111672958.1A CN202111672958A CN114366555A CN 114366555 A CN114366555 A CN 114366555A CN 202111672958 A CN202111672958 A CN 202111672958A CN 114366555 A CN114366555 A CN 114366555A
Authority
CN
China
Prior art keywords
forearm
connecting piece
wearable
internal
shoulder joint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111672958.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114366555B (zh
Inventor
汪宗保
汪宗兵
汪天明
杨永晖
杨秀丽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Palm Dispatch Automation Technology Co ltd
Anhui University of Traditional Chinese Medicine AHUTCM
Original Assignee
Anhui University of Traditional Chinese Medicine AHUTCM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University of Traditional Chinese Medicine AHUTCM filed Critical Anhui University of Traditional Chinese Medicine AHUTCM
Priority to CN202111672958.1A priority Critical patent/CN114366555B/zh
Publication of CN114366555A publication Critical patent/CN114366555A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114366555B publication Critical patent/CN114366555B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0277—Elbow
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0281—Shoulder
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0285—Hand
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1657—Movement of interface, i.e. force application means
    • A61H2201/1659—Free spatial automatic movement of interface within a working area, e.g. Robot
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
    • A61H2205/06—Arms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
    • A61H2205/06—Arms
    • A61H2205/062—Shoulders
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
    • A61H2205/06—Arms
    • A61H2205/065—Hands

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

本发明提出了一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，所述机器人包括穿戴式背部马甲结构以及穿戴式背部马甲结构背部安装的肩关节结构；所述肩关节结构包括第一齿形轴承外圈，所述第一齿形轴承外圈与肘关节结构连接；所述肘关节结构包括第二齿形轴承外圈，所述第二齿形轴承外圈与腕关节结构连接。本发明通过将下肢分为前臂、上臂和腕部三个部位进行分段或整体康复训练，且通过设置前后、左右以及长度多个维度的灵活调整，适应性强；通过肩部具有六向自由度的柔性化粘弹性阻尼器自行调节机构，可以使更多患者具有良好的穿戴舒适性和康复训练效果；本发明通过背宽、上臂和前臂均设置有长度调节锁紧机构，可满足绝大多数患者康复训练需要。

Description

一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人
技术领域
本发明属于康复医疗器械领域，特别涉及一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人。
背景技术
各种原因引起的上肢肌肉功能损伤、骨科手术后以及神经损伤包括周围神经和脑、脊髓患者需要通过康复训练获得最大程度的功能改善，由于以上损伤的传统式多以灵活性差的石膏、夹板、支具装置固定或自由度不足的康复治疗方式不仅引起患者行动不便和而且不能满足生物学康复的要求，另一方面康复训练目前多是由康复治疗师、医护人员或患者家属辅助患者长时间人工操作来促进上肢运动功能和神经系统康复，由此消耗了大量人力，效率低、成本高，无法满足现代康复训练日益需求的灵活性、便捷性、即时性、省力性、节约性等特点。以自动化程度高的康复机器人带动患者康复训练，可以弥补人工康复训练不足。
但现有的康复机器人大都存在适应性不高、穿戴困难以及对考虑人体的生理力学和运动的机理，其康复效果受到影响。公开号为CN213828960U的专利提出了一种绳拉式上肢助力机器人，采用的是连接绳对重物进行抬升，人体上肢辅助完成重物的搬运，改变了传统上肢外骨骼机器人中人体上肢为主体，外骨骼机器人跟随运动的方式，解放了人体双手，减轻了上肢负重，提高了工作效率。但该方案中未对上肢的每个关键部位进行特殊设计，缺少局部关键部位的对应训练。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，所述机器人包括穿戴式背部马甲结构以及穿戴式背部马甲结构背部安装的肩关节结构；
所述肩关节结构包括第一齿形轴承外圈，所述第一齿形轴承外圈与肘关节结构连接；
所述肘关节结构包括第二齿形轴承外圈，所述第二齿形轴承外圈与腕关节结构连接。
进一步地，所述穿戴式背部马甲结构包括穿戴式马甲，所述穿戴式马甲背部两边分别设置背带，所述背带一端与穿戴式马甲连接，所述背带另一端与安全带锁紧螺栓螺母组件连接；
所述穿戴式马甲背部两侧分别设置背部安装板，两个所述背部安装板背向穿戴式马甲背部的一侧安装背部连接板；所述背部安装板与背部连接板设置U形槽。
进一步地，所述背部安装板为弯折板，包括第一安装平面和第二安装平面，所述第一安装平面上安装背部连接板，所述第二安装平面与肩关节结构连接。
进一步地，所述肩关节结构包括肩关节内收/外展动作电机，所述肩关节内收/外展动作电机安装在背部安装板的第二安装平面上，所述肩关节内收/外展动作电机依次向外有肩关节内板、肩关节粘弹性阻尼器和肩关节外板；
所述肩关节外板上安装有肩关节屈/伸电机，所述肩关节屈/伸电机在垂直方向上连接有上臂上连接件；
所述上臂上连接件通过第一内部型腔与上臂下连接件连接，所述第一内部型腔中设置第一滑槽。
进一步地，所述肩关节结构还包括肩关节内外旋驱动电机总成，所述肩关节内外旋驱动电机总成安装在上臂下连接件的下端外侧，所述上臂下连接件的下端内侧安装第一齿形轴承内圈；
所述肩关节内外旋驱动电机总成上安装有第一输出小齿轮，所述第一齿形轴承内圈外周设置第一齿形轴承外圈，所述第一输出小齿轮与第一齿形轴承外圈啮合；
所述第一齿形轴承外圈圆周上对称设置上臂内外旋外侧支架和上臂内外旋内侧支架，所述上臂内外旋外侧支架与肘关节结构连接。
进一步地，所述肘关节结构包括肘关节屈/伸动作驱动电机，所述肘关节屈/伸动作驱动电机安装在上臂内外旋外侧支架上；
所述肘关节屈/伸动作驱动电机连接前臂上连接件，所述前臂上连接件通过第二内部型腔与前臂下连接件连接；
所述肘关节结构靠近穿戴式马甲一侧安装有前臂平衡上连接件和前臂平衡下连接件；所述前臂平衡上连接件通过第三内部型腔与前臂平衡下连接件连接；
所述前臂平衡上连接件和前臂平衡下连接件与所述前臂上连接件和前臂下连接件对应设置。
进一步地，所述肘关节结构还包括肘关节内外旋驱动电机总成，所述肘关节内外旋驱动电机总成安装在前臂下连接件的下端外侧，所述前臂下连接件的下端内侧安装第二齿形轴承内圈；所述肘关节内外旋驱动电机总成上安装有第二输出小齿轮，所述第二齿形轴承内圈外圆周设置第二齿形轴承外圈，所述第二输出小齿轮与第二齿形轴承外圈啮合，所述第二齿形轴承外圈与腕关节结构连接。
进一步地，所述第一齿形轴承内圈与第一齿形轴承外圈组成具有齿形单排四点接触球轴承；
所述第二齿形轴承内圈与第二齿形轴承外圈组成具有齿形单排四点接触球轴承。
进一步地，所述腕关节结构包括前臂内外旋支架，所述前臂内外旋支架与肘关节结构中的第二齿形轴承外圈连接；
所述前臂内外旋支架内部设置手掌支架，所述手掌支架包括与前臂内外旋支架底部连接的U型架和与U型架U字形垂直连接的支撑架；
所述U型架的开口处外侧安装腕关节内收/外展驱动电机，所述支撑架远离前臂内外旋支架的一端安装有手支架，所述手支架为U型，U型开口之间设置有手固定环。
进一步地，所述肩关节结构的屈伸角度为-20°～160°，内收/外展角度为-35°～160°，旋内/旋外角度为-80°～80°；所述肘关节结构的屈/伸角度为-5°～130°，前臂旋内/旋外角度为-80°～80°；所述腕关节结构的屈/伸角度为-80°～80°，桡偏/尺角度为-20°～10°。
本发明的有益效果：
本发明通过将上肢分为前臂、上臂和腕部三个部位进行分段或整体康复训练，设置肩部三个主动自由度、肘部二个主动自由度、腕部一主动自由度和一个被动自由度，实现多个维度的灵活调整，适应性强；肩部具有六向自由度的柔性化粘弹性阻尼器自行调节机构，可以使更多患者具有良好的穿戴舒适性和康复训练效果；背宽、上臂和前臂均设置有长度调节锁紧机构，可满足绝大多数患者康复训练需要；
本发明通过上臂和前臂处分别设置有单排四点接触球轴承齿形传动机构确保上臂和前臂内外旋动作；
本发明所述的肩关节内板和肩关节外板之间设置有肩关节粘弹性阻尼器，用于补偿康复训练中上肢与外骨骼康复训练中的误差，确保上肢与外骨骼运动的一致性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了本发明实施例中机器人的整体装配立体结构示意图；
图2示出了本发明实施例中机器人的肩关节结构的装配立体结构示意图；
图3示出了本发明实施例中机器人的肘关节结构和腕关节结构的装配立体结构示意图；
图4为本发明穿戴式背部马甲结构的装配立体结构示意图；
图5为本发明肩关节粘弹性阻尼器部分的装配立体结构示意图；
图6为本发明上臂长度调节部分的装配立体结构示意图；
图7为本发明肩关节内外旋部分和齿形单排四点接触球轴承部分的装配立体结构示意图；
图8为本发明前臂长度调节部分和重量平衡部分的装配立体结构示意图；
图9为本发明肘关节内外旋部分和齿形单排四点接触球轴承部分的装配立体结构示意图；
图10示出了本发明实施例中上肢康复外骨骼位移图；
图11示出了本发明实施例中上肢康复骨骼应力云图。
附图说明：1、穿戴式马甲；2、背带；3、背部连接板；4、背部安装板；5、肩关节内收/外展动作电机；6、肩关节内板；7、肩关节粘弹性阻尼器；8、肩关节外板；9、肩关节屈/伸电机；10、上臂上连接件；11、上臂下连接件；12、肩关节内外旋驱动电机总成；13、第一齿形轴承内圈；14、第一齿形轴承外圈；15、上臂内外旋外侧支架；16、上臂内外旋内侧支架；17、肘关节屈/伸动作驱动电机；18、前臂上连接件；19、前臂下连接件；20、前臂平衡上连接件；21、前臂平衡下连接件；22、肘关节内外旋驱动电机总成；23、第二齿形轴承内圈；24、第二齿形轴承外圈；25、前臂内外旋支架；26、腕关节内收/外展驱动电机；27、手掌支架；28、手支架；29、手固定环；4-1、第一安装平面；4-2、第二安装平面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提出了一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，可以很好地解决上述问题。
本发明通过从仿生学和人机工程角度出发，依据人体生物力学机理对上肢各关节力学进行分析，并对上肢康复可穿戴外骨骼的整体机械结构进行人机工程化建模，设计了肩宽和臂长可调节可锁定机构，设计了前臂和上臂内/外旋单排四点接触球轴承齿形传动以及肩部柔性化被动调整机构(粘弹性性阻尼器)等；然后，对上肢康复外骨骼各关节驱动力矩进行理论分析与计算，进行各驱动关节电机和变速箱的选型；最后，对上肢外骨骼进行了整体有限元分析。
本发明将上肢可穿戴式外骨骼设计成6个主动自由度和1个被动自由度，外加1个肩部柔性化粘弹性阻尼器。具体包括肩关节结构：屈/伸、内收/外展、旋内/旋外三个主动自由度；肘关节结构：屈/伸和旋内/旋外(方便设计简化)两个主动自由度；腕关节屈/伸一个主动自由度和腕关节桡偏/尺偏一个被动自由度。以上设计可以剔去上肢活动影响不大的自由度从而简化机器人结构。
其中，上肢各关节运动及每个关节自由度设计角度为：
肩关节屈/伸角度为-20°～160°，肩关节内收/外展角度为-35°～160°，肩关节旋内/旋外角度为-80°～80°，肘关节屈/伸角度为-5°～130°，前臂旋内/旋外角度为-80°～80°，腕关节屈/伸角度为-80°～80°，腕关节桡偏/尺角度为-20°～10°。上述角度不影响人体正常运动且可以保持可穿戴的安全性和舒适性。
基于人体生物力学各部分重量公式计算上臂、前臂和手掌重量，初步设计三维模型，测量质心和转动惯量的优势可精确求解外骨骼机械臂质心和转动惯量。上肢各关节不同自由度运动所需要的驱动扭矩由重力载荷和惯性力载荷构成：
Figure BDA0003453555540000061
式中，mi表示关节i和关节i+1之间的连杆质量；lij表示关节i和关节i+1之间杆件质心到关节j轴线的极限距离，Jij表示关节i和关节i+1间的杆件质心相对关节j轴线的转动惯量；εj表示关节j的角加速度。
按照上述方法得到的机器人结构如图1所示，本发明提出的可穿戴式上肢康复外骨骼机器人包括穿戴式背部马甲结构、肩关节结构、肘关节结构和腕关节结构。所述机器人包括穿戴式背部马甲结构以及穿戴式背部马甲结构背部安装的肩关节结构；所述肩关节结构包括第一齿形轴承外圈14，所述第一齿形轴承外圈14与肘关节结构连接；所述肘关节结构包括第二齿形轴承外圈24，所述第二齿形轴承外圈24与腕关节结构连接。
如图4所示，所述穿戴式背部马甲结构包括穿戴式马甲1，所述穿戴式马甲1背部两边位置分别设置背带2，两根背带2分别与两组安全带锁紧螺栓螺母组件连接，所述背带2一端与穿戴式马甲1进行连接，所述背带2另一端与安全带锁紧螺栓螺母组件相连接。如图2所示，所述安全带锁紧螺栓螺母组件用于固定上肢外骨骼机器人背部安装板4，所述背部安装板4为弯折板，包括第一安装平面4-1和第二安装平面4-2，所述第一安装平面4-1用于安装背部连接板3，所述第一安装平面4-1与穿戴式马甲1背部不接触，所述背部安装板4与背部连接板3通过U形槽左右调节，再用普通螺栓螺母组件锁定，所述背部安装板4的第二安装平面4-2与肩关节结构连接，用于肩关节结构的安装。
如图3和图5所示，所述肩关节结构包括肩关节内收/外展动作电机5，所述肩关节内收/外展动作电机5安装在背部安装板4的第二安装平面4-2上。所述肩关节内收/外展动作电机5、肩关节内板6、肩关节粘弹性阻尼器7和肩关节外板8从靠近穿戴式马甲1的位置依次向外连接，呈串联式连接，所述肩关节内收/外展动作电机5驱动肩关节进行内收/外展动作，所述肩关节粘弹性阻尼器7用于补偿康复训练中上肢与外骨骼康复训练中的误差，确保上肢与外骨骼运动的一致性。所述肩关节外板8上安装有肩关节屈/伸电机9，所述肩关节屈/伸电机9在垂直方向上连接有上臂连接件。所述上臂连接件包括上臂上连接件10和上臂下连接件11，所述上臂上连接件10与所述肩关节屈/伸电机9连接。如图6所示，所述上臂上连接件10通过第一内部型腔与上臂下连接件11连接，所述第一内部型腔中安装第一滑槽，所述第一滑槽用于调节上臂长度，调节后可通过螺栓进行锁紧固定。如图7所示，所述上臂下连接件11外侧下部的肩关节内外旋驱动电机安装板上安装有肩关节内外旋驱动电机总成12，所述上臂下连接件11下端内侧连接第一齿形轴承内圈13，所述第一轴承内圈13外周设置第一齿形轴承外圈14；所述肩关节内外旋驱动电机总成12上安装有第一输出小齿轮，所述第一输出小齿轮与第一齿形轴承外圈14啮合。所述第一齿形轴承内圈13与第一齿形轴承外圈14组成具有齿形单排四点接触球轴承，所述第一齿形轴承外圈14与上臂内外旋外侧支架15和上臂内外旋内侧支架16连接，所述上臂内外旋外侧支架15和上臂内外旋内侧支架16关于第一齿形轴承外圈14的圆心对称设置，所述上臂内外旋外侧支架15与肘关节结构连接。
所述肘关节结构包括肘关节屈/伸动作驱动电机17，所述肘关节屈/伸动作驱动电机17安装在上臂内外旋外侧支架15上。所述肘关节屈/伸动作驱动电机17连接前臂上连接件18，所述前臂上连接件18通过第二内部型腔与前臂下连接件19连接，所述第二内部型腔中设置第二滑槽，所述前臂上连接件18和前臂下连接件19通过第二滑槽移动来调节前臂长度，调节后通过螺栓进行锁紧固定。如图8所示，所述肘关节结构靠近穿戴式马甲1一侧安装有前臂平衡上连接件20和前臂平衡下连接件21，所述所述前臂平衡上连接件20和前臂平衡下连接件21与所述前臂上连接件18和前臂下连接件19对应设置，所述前臂平衡上连接件20和前臂平衡下连接件21通过第三内部型腔连接，所述第三内部型腔中设置第三滑槽，所述所述前臂平衡上连接件20和前臂平衡下连接件21在第三滑槽中移动来调节前臂长度，调节后通过螺栓进行锁紧固定。如图9所示，所述前臂下连接件19下端的外侧安装有肘关节内外旋驱动电机总成22，所述前臂下连接件19下端的内侧安装第二齿形轴承内圈23，所述肘关节内外旋驱动电机总成22上安装有第二输出小齿轮，所述第二齿形轴承内圈23外圆周设置第二齿形轴承外圈24，所述第二输出小齿轮与第二齿形轴承外圈24啮合，所述第二齿形轴承内圈23与第二齿形轴承外圈24组成具有齿形单排四点接触球轴承，所述第二齿形轴承外圈14与腕关节结构连接。
如图1和图3所示，所述腕关节结构包括前臂内外旋支架25，所述前臂内外旋支架25与肘关节结构中的第二齿形轴承外圈24连接。所述前臂内外旋支架25内部设置手掌支架27。所述手掌支架27包括与前臂内外旋支架25底部连接的U型架和与U型架U字形垂直连接的支撑架，所述U型架的开口处外侧安装腕关节内收/外展驱动电机26，所述支撑架远离前臂内外旋支架25的一端安装有手支架28，所述手支架28为U型，U型开口之间设置有手固定环29。所述腕关节内收/外展驱动电机26安装在手掌支架27上，所述手掌支架27安装有手支架28，所述手支架28内部设置有手固定环29。
进一步地，上臂可调节长度为276-340mm，前臂可调节长度为202-260mm。
本发明的工作方式：
首先使用者将两侧上肢分别穿过马甲袖筒进入肩关节齿形轴承内圈13和肘关节齿形轴承内圈23；根据人体上肢肩宽、上臂长度和前臂长度依次进行：通过背部安装板4和背部连接板3上U形槽滑动，肩宽位置合适后用螺栓锁紧固定；通过在上臂上连接件10方槽中滑动上臂下连接件11，上臂长度位置合适后用螺栓锁紧固定；通过在前臂上连接件18方槽中滑动前臂下连接件19，前臂长度位置合适后用螺栓锁紧固定。穿戴调整合适后，使用者用手握住手固定环29进行康复训练动作。肩关节内收/外展动作、屈/伸和内外旋分别由电机、和驱动完成训练工作；肘关节屈/伸和内外旋分别由电机和驱动完成训练工作；腕关节屈/伸由电机驱动完成训练工作。
本发明得到的机器人可以实现上肢肩关节、肘关节和腕关节等全方位康复运动，通过模拟人体生理力学和运动的机理来进行设计，三个肩关节转动轴线在空间中交汇于同一个点，但在总体结构设计布局避开关节轴线的空间交汇点，同时在肩关节处增加粘弹性阻尼器来弥补患者与机器人在运动中的误差，提高了康复训练中的柔韧性和舒适性。所述机器人可用于对上肢肌肉受损或神经损伤等造成的上肢运动功能障碍患者进行运动康复训练，提高效率、降低康复过程中训练人员的劳动强度和便于患者自主活动。对上述机器人机械强度和刚度进行应力应变分析，其结果分别如图10和11所示，所述机器人的最大应力为2.31e+007N/m2远远小于材料的屈服强度，最大变形量为0.259mm，应力和应变满足了使用设计要求，结构安全，达到可靠性要求。
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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述机器人包括穿戴式背部马甲结构以及穿戴式背部马甲结构背部安装的肩关节结构；
所述肩关节结构包括第一齿形轴承外圈(14)，所述第一齿形轴承外圈(14)与肘关节结构连接；
所述肘关节结构包括第二齿形轴承外圈(24)，所述第二齿形轴承外圈(24)与腕关节结构连接。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述穿戴式背部马甲结构包括穿戴式马甲(1)，所述穿戴式马甲(1)背部两边分别设置背带(2)，所述背带(2)一端与穿戴式马甲(1)连接，所述背带(2)另一端与安全带锁紧螺栓螺母组件连接；
所述穿戴式马甲(1)背部两侧分别设置背部安装板(4)，两个所述背部安装板(4)背向穿戴式马甲(1)背部的一侧安装背部连接板(3)；所述背部安装板(4)与背部连接板(3)设置U形槽。
3.根据权利要求2所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述背部安装板(4)为弯折板，包括第一安装平面(4-1)和第二安装平面(4-2)，所述第一安装平面(4-1)上安装背部连接板(3)，所述第二安装平面(4-2)与肩关节结构连接。
4.根据权利要求1所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述肩关节结构包括肩关节内收/外展动作电机(5)，所述肩关节内收/外展动作电机(5)安装在背部安装板(4)的第二安装平面(4-2)上，所述肩关节内收/外展动作电机(5)依次向外有肩关节内板(6)、肩关节粘弹性阻尼器(7)和肩关节外板(8)；
所述肩关节外板(8)上安装有肩关节屈/伸电机(9)，所述肩关节屈/伸电机(9)在垂直方向上连接有上臂上连接件(10)；
所述上臂上连接件(10)通过第一内部型腔与上臂下连接件(11)连接，所述第一内部型腔中设置第一滑槽。
5.根据权利要求4所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述肩关节结构还包括肩关节内外旋驱动电机总成(12)，所述肩关节内外旋驱动电机总成(12)安装在上臂下连接件(11)的下端外侧，所述上臂下连接件(11)的下端内侧安装第一齿形轴承内圈(13)；
所述肩关节内外旋驱动电机总成(12)上安装有第一输出小齿轮，所述第一齿形轴承内圈(13)外周设置第一齿形轴承外圈(14)，所述第一输出小齿轮与第一齿形轴承外圈(14)啮合；
所述第一齿形轴承外圈(14)圆周上对称设置上臂内外旋外侧支架(15)和上臂内外旋内侧支架(16)，所述上臂内外旋外侧支架(15)与肘关节结构连接。
6.根据权利要求1或5所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述肘关节结构包括肘关节屈/伸动作驱动电机(17)，所述肘关节屈/伸动作驱动电机(17)安装在上臂内外旋外侧支架(15)上；
所述肘关节屈/伸动作驱动电机(17)连接前臂上连接件(18)，所述前臂上连接件(18)通过第二内部型腔与前臂下连接件(19)连接；
所述肘关节结构靠近穿戴式马甲(1)一侧安装有前臂平衡上连接件(20)和前臂平衡下连接件(21)；所述前臂平衡上连接件(20)通过第三内部型腔与前臂平衡下连接件(21)连接；
所述前臂平衡上连接件(20)和前臂平衡下连接件(21)与所述前臂上连接件(18)和前臂下连接件(19)对应设置。
7.根据权利要求1所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述肘关节结构还包括肘关节内外旋驱动电机总成(22)，所述肘关节内外旋驱动电机总成(22)安装在前臂下连接件(19)的下端外侧，所述前臂下连接件(19)的下端内侧安装第二齿形轴承内圈(23)；所述肘关节内外旋驱动电机总成(22)上安装有第二输出小齿轮，所述第二齿形轴承内圈(23)外圆周设置第二齿形轴承外圈(24)，所述第二输出小齿轮与第二齿形轴承外圈(24)啮合，所述第二齿形轴承外圈(24)与腕关节结构连接。
8.根据权利要求5或7所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述第一齿形轴承内圈(13)与第一齿形轴承外圈(14)组成具有齿形单排四点接触球轴承；
所述第二齿形轴承内圈(23)与第二齿形轴承外圈(24)组成具有齿形单排四点接触球轴承。
9.根据权利要求1或7所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述腕关节结构包括前臂内外旋支架(25)，所述前臂内外旋支架(25)与肘关节结构中的第二齿形轴承外圈(24)连接；
所述前臂内外旋支架(25)内部设置手掌支架(27)，所述手掌支架(27)包括与前臂内外旋支架(25)底部连接的U型架和与U型架U字形垂直连接的支撑架；
所述U型架的开口处外侧安装腕关节内收/外展驱动电机(26)，所述支撑架远离前臂内外旋支架(25)的一端安装有手支架(28)，所述手支架(28)为U型，U型开口之间设置有手固定环(29)。
10.根据权利要求1所述的一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人，其特征在于：
所述肩关节结构的屈伸角度为-20°～160°，内收/外展角度为-35°～160°，旋内/旋外角度为-80°～80°；
所述肘关节结构的屈/伸角度为-5°～130°，前臂旋内/旋外角度为-80°～80°；
所述腕关节结构的屈/伸角度为-80°～80°，桡偏/尺角度为-20°～10°。
CN202111672958.1A 2021-12-31 2021-12-31 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人 Active CN114366555B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111672958.1A CN114366555B (zh) 2021-12-31 2021-12-31 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111672958.1A CN114366555B (zh) 2021-12-31 2021-12-31 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114366555A true CN114366555A (zh) 2022-04-19
CN114366555B CN114366555B (zh) 2024-03-15

Family

ID=81141758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111672958.1A Active CN114366555B (zh) 2021-12-31 2021-12-31 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114366555B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115284258A (zh) * 2022-08-15 2022-11-04 国网上海市电力公司 一种力反馈式可穿戴上肢外骨骼机器人
CN116059079A (zh) * 2022-12-27 2023-05-05 力之医疗科技(广州)有限公司 一种上肢康复外骨骼
TWI828331B (zh) * 2022-09-23 2024-01-01 國家中山科學研究院 上肢外骨骼裝置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109481225A (zh) * 2018-09-30 2019-03-19 上海神添实业有限公司 一种轻量仿生式上肢外骨骼康复机器人系统
CN110944804A (zh) * 2017-07-18 2020-03-31 Iuvo公司 用于辅助操作者施力的系统
CN111956453A (zh) * 2020-08-31 2020-11-20 重庆理工大学 多自由度上肢柔性助力外骨骼
CN113043241A (zh) * 2019-12-26 2021-06-29 中国科学院沈阳自动化研究所 一种轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手
US20210290469A1 (en) * 2020-03-19 2021-09-23 U.S. Bionics Inc. (DBA: suitX) Remote center shoulder joint for shoulder supporting exoskeleton

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110944804A (zh) * 2017-07-18 2020-03-31 Iuvo公司 用于辅助操作者施力的系统
CN109481225A (zh) * 2018-09-30 2019-03-19 上海神添实业有限公司 一种轻量仿生式上肢外骨骼康复机器人系统
CN113043241A (zh) * 2019-12-26 2021-06-29 中国科学院沈阳自动化研究所 一种轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手
US20210290469A1 (en) * 2020-03-19 2021-09-23 U.S. Bionics Inc. (DBA: suitX) Remote center shoulder joint for shoulder supporting exoskeleton
CN111956453A (zh) * 2020-08-31 2020-11-20 重庆理工大学 多自由度上肢柔性助力外骨骼

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115284258A (zh) * 2022-08-15 2022-11-04 国网上海市电力公司 一种力反馈式可穿戴上肢外骨骼机器人
TWI828331B (zh) * 2022-09-23 2024-01-01 國家中山科學研究院 上肢外骨骼裝置
CN116059079A (zh) * 2022-12-27 2023-05-05 力之医疗科技(广州)有限公司 一种上肢康复外骨骼

Also Published As

Publication number Publication date
CN114366555B (zh) 2024-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114366555A (zh) 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人
EP3156193B1 (en) Worn movement assistance device
CN107648013B (zh) 一种上肢外骨骼机器人4自由度前臂
US8800366B2 (en) Robotic exoskeleton for limb movement
US8968220B2 (en) Wearable robotic system for rehabilitation training of the upper limbs
US7601104B2 (en) Passive gravity-balanced assistive device for sit-to-stand tasks
CN101125112B (zh) 一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置
CN101357097B (zh) 五自由度外骨骼式上肢康复机器人
CN208626133U (zh) 轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人
CN201135581Y (zh) 一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置
CN106361537A (zh) 一种基于混合驱动的七自由度上肢康复机器人
CN111281394B (zh) 一种腕关节运动功能评测与康复机器人
CN107320910A (zh) 一种上肢柔顺康复外骨骼
CN108836732B (zh) 一种具有人-机运动相容性和无源重力平衡特性的上肢康复训练外骨骼机构
CN109512635A (zh) 一种手指外骨骼康复机器人
CN110897833A (zh) 一种开环式可调节腕关节康复训练外骨骼
Beil et al. Self-aligning exoskeleton hip joint: Kinematic design with five revolute, three prismatic and one ball joint
CN101181175B (zh) 一种肘关节康复训练装置
CN109953867B (zh) 一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人
Spagnuolo et al. Passive and active gravity-compensation of LIGHTarm, an exoskeleton for the upper-limb rehabilitation
CN110037890A (zh) 一种基于双四杆机构的手功能康复外骨骼机器人
CN114767462A (zh) 末端驱动式下肢步态康复训练装置
CN113768740B (zh) 一种五自由度容错机构及肘关节康复机器人
Xu et al. Development and analysis of a novel bio-syncretic parallel hip exoskeleton based on torque requirements
Lacuata et al. Design and Fabrication of a Modular, Lightweight, and Portable Upper Limb Exoskeleton for Shoulder and Elbow

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20230206

Address after: 230012 no.350 Longzihu Road, Xinzhan District, Hefei City, Anhui Province (shaoquanhu campus)

Applicant after: ANHUI University OF CHINESE MEDICINE

Applicant after: ANHUI PALM DISPATCH AUTOMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 230012 No.1 Qianjiang Road, Xinzhan District, Hefei City, Anhui Province (shaoquanhu campus)

Applicant before: ANHUI University OF CHINESE MEDICINE

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant