CN114404216A - 一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，属于可穿戴外骨骼技术领域，包括通过球铰结构来模拟肩关节运动范围的球铰手臂带动机构、通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构相接的肩部机构、分别与球铰手臂带动机构和肩部机构相连的背板和设置在背板外侧的电机组；所述球铰手臂带动机构能同时通过柔性宽式皮带和连杆带动手臂运动；所述肩部机构能够固定手臂抬起方向并同时控制手臂在水平方向转动；所述电机组通过柔性绳索与球铰手臂带动机构、肩部机构相连，作为整个辅具的驱动，带动整个辅具的运行。本发明采用绳‑杆传动，提升了装置整体的便捷性，在肩关节处采用球铰机构连接，能够对肩关节进行大角度范围的驱动，活动空间增大。

Description

一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具

技术领域

本发明涉及可穿戴外辅助器械技术领域，尤其是一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具。

背景技术

肩关节是人体重要的部位之一，同时也是人体活动度最大的关节。由于肩关节在人们的生产生活中占据极为重要的位置，会使用肩去完成一些较为危险的活动，时常造成肩关节损伤，且肩关节损伤后康复周期长，同时对完成手臂精细动作的功能恢复效果大多不理想，严重影响了患者的生活质量。另外，脑卒中导致的手臂运动功能障碍，也急需有效的肩关节康复训练，综上所述，如何促进受伤或脑卒中后的肩关节功能恢复，显得至关重要。

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。

经过文献检索后发现，国内在肩关节外骨骼机器人的研究仍处于初期阶段。且存在便携性差，活动范围小等缺点；

针对上述问题，设计一种能够辅助肩关节大范围运动、便携性好的肩关节外骨骼机器人变得十分必要。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，针对现有技术中存在的不足，设计了一种由电机驱动、绳-杆传动、能够进行人机融合的可穿戴外骨骼肩部康复辅具。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，包括通过球铰结构来模拟肩关节运动范围的球铰手臂带动机构、通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构相接的肩部机构、分别与球铰手臂带动机构和肩部机构相连的背板和设置在背板外侧的电机组；所述球铰手臂带动机构能同时通过柔性宽式皮带和连杆带动手臂运动；所述肩部机构能够固定手臂抬起方向并同时控制手臂在水平方向转动；所述背板用于分散机构运行时产生的载荷；所述电机组通过柔性绳索与球铰手臂带动机构、肩部机构相连，作为整个辅具的驱动，带动整个辅具的运行。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述球铰手臂带动机构包括一端与背板固连的球铰、一端与球铰的另一端相连的手臂带动杆、与手臂带动杆另一端固连的轴承臂环和嵌套在轴承臂环内的手臂套筒；所述手臂套筒为圆筒状结构，外侧一端设置有外壁纵向滑轨，顶端设置为规则的凹凸状，在两侧的凸处设置有绑带孔，通过绑带与手臂相连；所述轴承臂环为圆环状结构，外侧一端设置有皮带连接孔、与手臂套筒连接处设置有内壁纵向滑槽；皮带连接孔与肩部机构通过两条柔性宽式皮带相连，外壁纵向滑轨与内壁纵向滑槽啮合。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述球铰包括球铰底座，球形杆件和同心圆弧；所述球铰底座包括背板连接杆、球杆底座、圆弧连接孔；所述球形杆件包括球形接头，弧形挡块与手臂连接杆；同心圆弧包括球形杆件连接槽、底座连接孔，球铰底座中的圆弧连接孔与同心圆弧中的底座连接孔相连，球形杆件中的球形接头置于球杆底座上，使球形接头与同心圆弧能够同心转动，背板连接杆与背板中的球铰连接杆固连，手臂连接杆经球形杆件连接槽与球铰手臂带动机构中的手臂带动杆固连。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述肩部机构为由扇形机构前端和扇形机构后端组成的扇形结构；所述扇形机构前端包括第一手臂驱动滑轮、升降连接孔、若干个前端铰链连接孔和与第一手臂驱动滑轮结构一致的第二手臂驱动滑轮；所述扇形机构后端包括若干个后端铰链连接孔、横向转动轴、纵向升降杆和扇形机构底座；所述纵向升降杆包括升降杆主体、升降杆滑轮；第一手臂驱动滑轮和第二手臂驱动滑轮通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构中皮带连接孔相连，皮带另一端与电机组相连，升降连接孔通过绳索与升降杆滑轮相连，前端铰链连接孔通过铰链与后端铰链连接孔相连。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述背板包括背板主体、设置在背板主体背侧用来安放电机组的电机支架、扇形连接套筒、球铰连接杆；所述电机支架包括横向转动电机支架、升降电机支架、手臂驱动电机支架；扇形连接套筒与肩部机构相连，球铰连接杆与球铰手臂带动机构固连。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电机组包括通过柔性绳索与横向转动轴相连的横向转动电机、通过柔性绳索与升降杆滑轮相连的升降电机、通过两条柔性宽式皮带分别与第一手臂驱动滑轮和第二手臂驱动滑轮相连的手臂驱动电机。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明中可穿戴外骨骼肩部康复辅具的传动结构采用了绳-杆驱动方式，将重量集中于背板，能够减轻装置整体重量，降低使用者肩部的负担，提升便捷性。

2、本发明中可穿戴外骨骼肩部康复辅具采用可旋转的扇形机构控制手臂水平旋转，绳-杆拉力控制手臂竖直转动，同时采用球铰结构链接手臂带动杆，大大增加了手臂的活动范围。

3、本发明通过设置球铰手臂带动机构、肩部机构、背板和电机组；球铰手臂带动机构通过球铰结构来模拟肩关节运动范围，同时通过柔性宽式皮带和连杆带动手臂运动；扇形的肩部机构通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构相接，固定手臂抬起方向，同时，通过肩部机构的水平转动，控制手臂在水平方向转动；背板用于分散机构运行时产生的载荷；电机组附于背板上，通过柔性绳索与球铰手臂带动机构、扇形肩部机构相连，作为整个辅具的驱动，带动整个辅具的运行；采用绳-杆传动，提升了装置整体地便捷性，在肩关节处采用球铰机构连接，能够对肩关节进行大角度范围的驱动，活动空间增大。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明中球铰手臂带动机构结构示意图；

图3是本发明中肩部机构结构示意图；

图4是本发明中背板结构示意图；

图5是本发明中球铰结构示意图；

图6是本发明中背板与肩部机构、球铰手臂带动机构配合示意图；

其中，1、球铰手臂带动机构，11、球铰，1101、球铰底座，1102球形杆件，1103、同心圆弧，1104、背板连接杆，1105、球杆底座，1106、圆弧连接孔，1107、球形接头，1108、弧形挡块，1109、手臂连接杆，1110、球形杆件连接槽，1111、底座连接孔，12、手臂带动杆，13、皮带连接孔，14、手臂套筒，15、内壁纵向滑槽，16、外壁纵向滑轨，17、轴承臂环，2、肩部机构，21、第一手臂驱动滑轮、22、前端铰链连接孔，23、升降连接孔，24、升降杆滑轮，25、升降杆主体，26、横向转动轴，27、扇形机构底座，28、后端铰链连接孔，29、第二手臂驱动滑轮，3、背板，31、扇形连接套筒，32、球铰连接杆，33、背板主体，34、升降电机支架，35、横向转动电机支架，36、手臂驱动电机支架， 4A、升降电机，4B、横向转动电机，4C、手臂驱动电机。

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，一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，包括通过球铰结构来模拟肩关节运动范围的球铰手臂带动机构1、通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构1相接的肩部机构2、分别与球铰手臂带动机构1和肩部机构2相连的背板3和设置在背板3外侧的电机组；所述球铰手臂带动机构1能同时通过柔性宽式皮带和连杆带动手臂运动；所述肩部机构2能够固定手臂抬起方向并同时控制手臂在水平方向转动；所述背板3用于分散机构运行时产生的载荷；所述电机组通过柔性绳索与球铰手臂带动机构1、肩部机构2相连，作为整个辅具的驱动，带动整个辅具的运行。

具体的：

如图2所示，所述球铰手臂带动机构1包括一端与背板3固连的球铰11、一端与球铰11的另一端相连的手臂带动杆12、与手臂带动杆12另一端固连的轴承臂环17和嵌套在轴承臂环17内的手臂套筒14；所述手臂套筒14为圆筒状结构，外侧一端设置有外壁纵向滑轨16，顶端设置为规则的凹凸状，在两侧的凸处设置有绑带孔，通过绑带与手臂相连；所述轴承臂环17为圆环状结构，外侧一端设置有皮带连接孔13、与手臂套筒14连接处设置有内壁纵向滑槽15；皮带连接孔13与肩部机构2通过两条柔性宽式皮带相连，外壁纵向滑轨16与内壁纵向滑槽15啮合。

如图3所示，肩部机构2包括扇形机构前端、扇形机构后端；扇形机构前端包括手臂驱动滑轮24、升降连接孔23、前端铰链连接孔22；扇形机构后端包括后端铰链连接孔28、横向转动轴26、纵向升降杆、扇形机构底座27，纵向升降杆包括升降杆主体25、升降杆滑轮24，手臂驱动滑轮24通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构1中皮带连接孔13相连，皮带另一端与电机组相连，升降连接孔23通过绳索与升降杆滑轮24相连，前端铰链连接孔22通过铰链与后端铰链连接孔28相连。

如图4所示，背板3包括背板主体33、电机支架、扇形连接套筒31、球铰连接杆32，电机支架包括：横向转动电机支架35、升降电机支架34、手臂驱动电机支架36，电机支架附于背板主体33上并与电机组相连，扇形连接套筒31与肩部机构2相连，球铰连接杆32与球铰手臂带动机构1固连；

如图1所示，电机组包括横向转动电机4B、升降电机4A、手臂驱动电机4C，分别与横向转动电机支架35、升降电机支架34、手臂驱动电机支架36相连；横向转动电机4B通过柔性绳索与横向转动轴26相连，升降电机4A通过柔性绳索与升降杆滑轮24相连，手臂驱动电机4C通过两条柔性宽式皮带与手臂驱动滑轮24相连；

如图5所示，球铰11包括球铰底座1101，球形杆件1102和同心圆弧1103；球铰底座1101包括背板连接杆1104、球杆底座1105、圆弧连接孔1106，球形杆件1102包括球形接头1107，弧形挡块1108与手臂连接杆1109，同心圆弧1103包括球形杆件连接槽1110、底座连接孔1111，球铰底座中的圆弧连接孔1106与同心圆弧1103中的底座连接孔1111相连，球形杆件1102中的球形接头1107置于球杆底座1105上，使球形接头1107与同心圆弧1103可同心转动，背板连接杆1104与背板3中的球铰连接杆32固连，手臂连接杆1109经球形杆件连接槽1110与球铰手臂带动机构1中的手臂带动杆12固连；

如图6所示，背板3与肩部机构2、球铰手臂带动机构1的配合，背板3中的球铰连接杆32与球铰手臂带动机构1中的背板连接杆1104固连，背板3中的扇形连接套筒31与肩部机构2中的扇形机构底座27相连。

具体的使用方法：

如图1-6所示，一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，球铰11与球铰连接杆32固连，另一端与手臂带动杆12固连，第一手臂驱动滑轮21、第二手臂驱动滑轮29与轴承臂环17中的皮带连接孔13通过柔性宽皮带相连，皮带另一端与手臂驱动电机4C相连，升降杆滑轮24通过柔性绳索与扇形机构前端相连，绳索另一侧与升降电机4A相连，手臂驱动电机4C通过两条柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构1相连，另一端与手臂驱动电机4C相连，手臂套筒14中的外壁纵向滑轨16与轴承臂环17中的内壁纵向滑槽15啮合，手臂套筒14通过绑带与手臂相连，电机组中的升降电机4A、横向转动电机4B、手臂驱动电机4C分别放置在对应的升降电机支架34、横向转动电机支架35、手臂驱动电机支架36中，从而形成一个机器人整体，可穿戴外骨骼肩部康复辅具采用电机驱动，采用柔性绳索结构传动，通过轴承臂环17与使用者手臂结合，当横向转动电机4B转动时，带动横向转动轴26转动，从而使所述肩部机构2转动，带动球铰手臂带动机构1水平转动，当手臂驱动电机4C转动时，带动球铰手臂带动机构1竖直转动，同时升降电机4A转动，带动扇形的肩部机构2前端升起，保持肩部机构2前端与球铰手臂带动机构1大于一定角度，使电机能够有足够的力带动球铰手臂带动机构1及手臂，电机组的升降电机4A、横向转动电机4B、手臂驱动电机4C三种电机相互配合，完成对应的肩部康复训练或者肩部日常活动；

进一步地，使用者在穿戴可穿戴外骨骼肩部康复辅具时，手臂套筒14外壁与轴承臂环17内壁可纵向滑动，以适应手臂与轴承臂环17之间的相对位移；

进一步地，第一手臂驱动滑轮21和第二手臂驱动滑轮29与轴承臂环17中的皮带连接孔13通过柔性宽皮带相连，由于重力影响，当受到来自皮带的拉力时，能始终保持拉力方向向上。

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 (6)

1.一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，其特征在于：包括通过球铰结构来模拟肩关节运动范围的球铰手臂带动机构（1）、通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构（1）相接的肩部机构（2）、分别与球铰手臂带动机构（1）和肩部机构（2）相连的背板（3）和设置在背板（3）外侧的电机组；所述球铰手臂带动机构（1）能同时通过柔性宽式皮带和连杆带动手臂运动；所述肩部机构（2）能够固定手臂抬起方向并同时控制手臂在水平方向转动；所述背板（3）用于分散辅具运行时产生的载荷；所述电机组通过柔性绳索与球铰手臂带动机构（1）、肩部机构（2）相连，作为整个辅具的驱动，带动整个辅具的运行。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，其特征在于：所述球铰手臂带动机构（1）包括一端与背板（3）固连的球铰（11）、一端与球铰（11）的另一端相连的手臂带动杆（12）、与手臂带动杆（12）另一端固连的轴承臂环（17）和嵌套在轴承臂环（17）内的手臂套筒（14）；所述手臂套筒（14）为圆筒状结构，外侧一端设置有外壁纵向滑轨（16），顶端设置为规则的凹凸状，在两侧的凸处设置有绑带孔，通过绑带与手臂相连；所述轴承臂环（17）为圆环状结构，外侧一端设置有皮带连接孔（13）、与手臂套筒（14）连接处设置有内壁纵向滑槽（15）；皮带连接孔（13）与肩部机构（2）通过两条柔性宽式皮带相连，外壁纵向滑轨（16）与内壁纵向滑槽（15）啮合。

3.根据权利要求2所述的一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，其特征在于：所述球铰（11）包括球铰底座（1101），球形杆件（1102）和同心圆弧（1103）；所述球铰底座（1101）包括背板连接杆（1104）、球杆底座（1105）、圆弧连接孔（1106）；所述球形杆件（1102）包括球形接头（1107），弧形挡块（1108）与手臂连接杆（1109）；同心圆弧（1103）包括球形杆件连接槽（1110）、底座连接孔（1111），球铰底座（1101）中的圆弧连接孔（1106）与同心圆弧（1103）中的底座连接孔（1111）相连，球形杆件（1102）中的球形接头（1107）置于球杆底座（1105）上，使球形接头（1107）与同心圆弧（1103）能够同心转动，背板连接杆（1104）与背板（3）中的球铰连接杆（32）固连，手臂连接杆（1109）经球形杆件连接槽（1110）与球铰手臂带动机构（1）中的手臂带动杆（12）固连。

4.根据权利要求2所述的一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，其特征在于：所述肩部机构（2）为由扇形机构前端和扇形机构后端组成的扇形结构；所述扇形机构前端包括第一手臂驱动滑轮（21）、升降连接孔（23）、若干个前端铰链连接孔（22）和与第一手臂驱动滑轮（21）结构一致的第二手臂驱动滑轮（29）；所述扇形机构后端包括若干个后端铰链连接孔（28）、横向转动轴（26）、纵向升降杆和扇形机构底座（27）；所述纵向升降杆包括升降杆主体（25）、升降杆滑轮（24）；第一手臂驱动滑轮（21）和第二手臂驱动滑轮（29）通过柔性宽式皮带与球铰手臂带动机构（1）中皮带连接孔（13）相连，皮带另一端与电机组相连，升降连接孔（23）通过绳索与升降杆滑轮（24）相连，前端铰链连接孔（22）通过铰链与后端铰链连接孔（28）相连。

5.根据权利要求1所述的一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，其特征在于：所述背板（3）包括背板主体（33）、设置在背板主体（33）背侧用来安放电机组的电机支架、扇形连接套筒（31）、球铰连接杆（32）；所述电机支架包括横向转动电机支架（35）、升降电机支架（34）、手臂驱动电机支架（36）；扇形连接套筒（31）与肩部机构（2）相连，球铰连接杆（32）与球铰手臂带动机构（1）固连。

6.根据权利要求1所述的一种可穿戴外骨骼肩部康复辅具，其特征在于：所述电机组包括通过柔性绳索与横向转动轴（26）相连的横向转动电机（4B）、通过柔性绳索与升降杆滑轮（24）相连的升降电机（4A）、通过两条柔性宽式皮带分别与第一手臂驱动滑轮（21）和第二手臂驱动滑轮（29）相连的手臂驱动电机（4C）。

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