CN114452157A - 用于辅助上肢运动的装置 - Google Patents

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CN114452157A CN202111508383.XA CN202111508383A CN114452157A CN 114452157 A CN114452157 A CN 114452157A CN 202111508383 A CN202111508383 A CN 202111508383A CN 114452157 A CN114452157 A CN 114452157A
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郭铭丰
喻豪勇
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National University of Singapore
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Abstract

本申请提供了一种用于辅助上肢运动的装置，所述装置包括肘部模块，在使用中与所述上肢的肘关节对齐并被配置为随所述肘关节弯曲和伸展；前臂模块，固定所述上肢的前臂并被配置成使所述前臂旋前和旋后；驱动组件，其分别驱动所述肘部模块和所述前臂模块；以及外壳，其与所述肘部模块和所述前臂模块分开，并被配置为在所述外壳中接收所述驱动组件。

Description

用于辅助上肢运动的装置
技术领域
本申请涉及一种上肢受损者佩戴的便携式电动矫形器，尤其涉及一种用于辅助上肢运动的装置。
背景技术
现在，数百万人患有中风、神经系统疾病和肌肉萎缩。由于大多数康复装置侧重于基于诊所的培训，因此患者只能在诊所接受培训或运动辅助。然而，患者无法在诊所外进行日常任务。因此，像本申请这样的便携式辅助装置对于患者最大限度地提高他们在日常生活活动(activities of daily living，ADL)中的独立性是必要的。
本申请是一种辅助肘部和前臂ADL的便携式装置。它提供了两个主动自由度，以协助日常生活中肘部屈曲/伸展和前臂旋前/旋后。
发明内容
本申请是一种便携式装置，它在日常生活活动(ADL)中帮助患有中风、神经系统疾病或肌肉萎缩症的人的肘部和前臂。
所述装置被配置为主动辅助两个上肢运动：肘部屈曲/伸展和前臂旋前/旋后。所述装置的支架的长度可调，适合不同身材的用户。
在本申请的一个方面，提供了一种用于辅助上肢运动的装置，所述装置包括：
肘部模块，在使用中与所述上肢的肘关节对齐并被配置为随所述肘关节弯曲和伸展；
前臂模块，固定所述上肢的前臂并被配置成使所述前臂旋前和旋后；
驱动组件，其分别驱动所述肘部模块和所述前臂模块；以及
外壳，其与所述肘部模块和所述前臂模块分开，并被配置为在所述外壳中接收所述驱动组件。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述肘部模块包括：
第一臂支架；
第一连杆组件，其连接至所述第一臂支架；
第二连杆组件，其与所述第一连杆组件连接并且能够相对于所述第一连杆组件旋转；以及
第一缆线驱动机构，其连接在第一连杆组件和第二连杆组件的接头处，并被配置为由所述驱动组件驱动以驱动所述第一连杆组件相对于所述第二连杆组件旋转。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述第一连杆组件包括：
第一连杆，所述第一连杆的一端连接所述第一臂支架的一端；和
第二连杆，其平行于所述第一连杆，且所述第二连杆的一端与所述第一臂支架的另一端相连。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述第二连杆组件包括：
第三连杆，所述第三连杆的一端连接所述第一连杆的相对端；和
第四连杆，其平行于所述第三连杆，所述第四连杆的一端连接所述第二连杆的相对端。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述第一缆线驱动机构包括：
轮，其与所述肘关节对齐并连接到所述第一连杆组件和所述第二连杆组件之间的所述接头处；和
缆线，其连接在所述驱动组件和所述轮之间；
其中，所述驱动组件通过所述缆线带动所述轮转动，以带动所述第一连杆组件相对于所述第二连杆组件转动。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述第一缆线驱动机构还包括：
轮支撑件，用于支撑所述轮，所述轮支撑件设有护套固定件，所述护套固定件设有护套，所述护套用于所述缆线在其中滑动。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述前臂模块与所述第二连杆组件连接。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述前臂模块包括：
圆形导轨，其连接所述第二连杆组件；
连接件，其可滑动地连接在所述圆形导轨上；
第二臂支架，其连接到所述连接件；和
第二缆线驱动机构，其用于通过所述驱动组件驱动所述连接件沿所述圆形导轨滑动。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述第二缆线驱动机构包括：
滑轮，其连接到所述第二连杆组件；和
缆线，其穿过所述连接件并连接在所述驱动组件与所述滑轮之间；
其中，所述驱动组件通过所述缆线带动所述滑轮转动，带动所述第二臂支架沿所述圆形导轨滑动。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述装置还包括：
第三臂支架，其通过可伸缩的横梁与所述圆形导轨相连。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述驱动组件包括分别驱动所述肘部模块和所述前臂模块的至少两个致动器。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述驱动组件包括控制单元、电源和用于固定所有电子元件的板。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述外壳为背包。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述装置还包括传感器系统，该传感器系统包括至少一种用于捕捉人体运动学和动态运动数据的运动、力、肌肉或神经元传感器或标记物。
除了上述的一个或多个特征之外，或者作为任何前述实施例的替代，所述传感器系统与所述驱动组件电连接。
肩带模块中的带子和织物的实施例被配置为将用户的肩部和肱骨保持在适当位置并避免肩部半脱位。
由于采用了缆线驱动机构，若干个致动器可以安装在例如背包等任何合适的位置，从而减少了装置对受损肢体运动的惯性，用户可以自由舒适地移动装置。在致动器的优选的实施例中，一系列弹性致动器用于实现力控制和复杂的运动。此外，通过安装在背包中的致动器，该装置变得便于携带，用户可以随身携带并在不同位置执行ADL任务。
由于该装置可以充当不同的角色，例如，人体动作辅助提供者，其中该装置帮助受损的上肢，以及人体动作捕捉装置，其中至少一个传感器测量上肢的实时运动数据，以控制致动器并评估用户的健康状况。该装置的示例性应用包括单侧康复和日常辅助。
附图简要说明
本申请的示例性实施例在附图中以示例的方式示出，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件，并且其中：
图1是可以采用本申请的用于辅助上肢运动的的示例性装置的示意图；
图2是可以采用本申请的示例性背包的示意图；
图3是可以采用本申请的用于前臂的示例性附接装置的示意图；
图4是可采用本申请的用于前臂和手的另一示例性附接装置的示意图；
图5是可以采用本申请的装置的示例性肘部和前臂模块的示意图。
图6是其中可以采用本申请的用于肘部屈曲/伸展的示例性缆线驱动机构的示意图；
图7是可以采用本申请的装置的示例性前臂模块的示意图；
图8是可以采用本申请的前臂模块中的示例性圆周运动引导件的示意图；
图9是可以采用本申请的用于前臂旋前/旋后的示例性缆线驱动机构的示意图；和
图10是其中可以采用本申请的装置的示例性传感器的示意图。
具体实施例的详细说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接位于另一个元件上或者间接位于另一个元件上。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接或间接连接至另一个元件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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。
在本申请的一个实施例中，图1示出了可以采用本申请的辅助上肢运动的装置的示例性实施例。该装置在操作时通过至少两个致动器301、302帮助受损的上肢进行肘部屈曲/伸展和前臂旋前/旋后。该装置的示例性应用包括日常生活活动(ADL)和康复中的单侧运动辅助。
由于缆线驱动机构允许两个致动器301、302与框架分离并安装在其他合适的位置，例如外壳，在本申请中，外壳是可以背在用户背部的背包3，使得惯性减少了装置对肢体运动障碍的影响，并且用户可以使用装置自由舒适地移动。在致动器的优选实施例中，一系列弹性致动器用于实现力控制和复杂运动。此外，通过两个背带306安装在背包3中的致动器连接在用户的背部，该装置变得便于用户携带并在不同位置执行ADL任务。
在本申请实施例中，该装置设有两个模块：用于肘部屈伸的肘部模块和用于前臂旋前/旋后的前臂模块。肘部模块和前臂模块连接并附接到用户的身体。如图1所示，在本申请的实施例中，肘部模块通过第一臂支架101和第一带102附接到上臂。连接到第一臂支架101，具有一组三个带103的织物104被配置为拉动肱骨头进入肩关节窝，防止肩关节脱位。前臂模块通过第二臂支架501和第二带502连接到前臂。此外，对于装置的框架，装置的长度可调节不同身体尺寸的用户，具体地，第三臂支架701连接到具有可伸缩梁6的圆形运动引导件4，通过第三条带702附接到另一个前臂位置，以便当用户的前臂较长时，第三臂支架701由于伸缩梁6可根据实际需要进行伸缩，因此可用于辅助第二臂支架501托住前臂。第三臂支架701的另一个实施例将在图4中呈现。将装置安装到使用者的身体上时，使用者可以通过对齐不同的孔组以适应他/她的身体尺寸来调整所述可伸缩梁6的长度。
在本申请中，将沉重的致动器与装置分离并安装在其他合适的位置，例如上述背包，减少了装置的惯性，减少了肢体运动障碍的阻抗，用户可以自由移动和舒适。由于致动器与装置分离，它们的尺寸和重量不会影响装置的运动。可采用电动、气动、液压等多种驱动方式。
在本申请的一个实施例中，图2是其中可以采用本申请的示例性背包3的示意图。背包3包含有驱动组件，并且驱动组件包括分别连接缆线202、204、403、405的两个致动器301、302以及缆线202、204、403、405分别穿过安装在致动器301、302上的缆线护套203、205、404、406。进一步地，驱动组件包括被配置用于控制致动器301、302的控制单元303例如，电源304被配置用于为致动器301、302供电，以及板305被配置用于保持所有电子部件。
图3和图4是可以采用本申请的用于前臂或手的两个示例性附接装置的示意图。在本申请的一个实施例中，如图3所示，第三臂支架701通过第三带702附接到前臂；在本申请的另一个实施例中，如图4所示，第四臂支架703通过第三和第四带702、704附接到前臂和手上。因此，该装置可以应用臂支架的两个实施例来满足不同用户的需求：(1)具有第三臂支架的装置701可以在不限制手腕运动的情况下支撑前臂，适合手腕完整的用户；(2)带有第四臂支架703的装置可以固定手腕运动来支撑前臂和手，适合手腕有缺陷的用户。
在本申请的一个实施例中，图5是其中可以采用本申请的装置的示例性肘部和前臂模块的示意图。与肘关节对齐的肘部模块帮助用户肘部弯曲/伸展。在一个可能的实施例中，肘部模块包括用于支撑上臂的第一臂支架101和连接到第一臂支架的第一连杆组件；以及第二连杆组件，该第二连杆组件与第一连杆组件连接并可相对于第一连杆组件转动。第一连杆组件包括第一连杆207和第二连杆208，第一连杆207的一端连接第一臂支架101的一端；第二连杆208与第一连杆207平行，第二连杆208的一端与第一臂支架101的相对端相连。第二连杆组件包括：第三连杆209和第四连杆210；第三连杆209连接于第一连杆207的另一端；第四连杆210与第三连杆209平行，第四连杆210的一端连接第二连杆208的另一端。此外，肘部模块包括与肘部对齐的第一缆线驱动机构2。第一缆线驱动机构2包括与两条缆线连接的轮201，第一护套固定件206和第三轮支撑件211。轮201与肘关节对齐并连接到第一连杆组件和第二连杆组件之间的接头处。以及缆线202、204(如图6所示)连接在致动器和轮201之间；当背包内的致动器通过缆线202、204带动轮201转动时，第一连杆组件相对于第二连杆组件转动以实现肘部屈伸。第一连杆207、第二连杆208，第三连杆209和第四连杆210形成双边结构，以更牢固、更顺畅地传递辅助力。
在本申请实施例中，图6展示了其中可以采用本发明的第一缆线驱动机构2。第一缆线驱动机构2为肘部屈曲/伸展提供一个主动自由度。轮201被配置为弯曲和伸展肘关节，其中第一和第二缆线202、204在致动器301的驱动下在第一和第二护套203、205内滑动。具有两个护套固定器的第一护套固定构件206被配置为固定第一和第二护套203、205，使得第一和第二缆线202、204可以在不移动第一和第二护套203、205的情况下向前和向后滑动。
在本申请实施例中，第一和第二缆线202、204也可以是单根缆线。
在本申请实施例中，图7是可以采用本申请的装置的示例性前臂模块的示意图。前臂模块帮助用户进行前臂旋前/旋后。在一个可能的实施例中，前臂模块通过第三和第四连接杆209、210连接到肘部模块。前臂模块还设有第二缆线驱动机构4，第二缆线驱动机构4包括两组双滑轮409、410，与第三、第四缆绳403、405连接的圆周运动导轨，该圆周运动导轨设有圆形导轨。第三和第四缆线403、405在第三和第四护套404、406以及连接在第三和第四连接连杆209、210上的第二和第三护套固定构件407、408内滑动。第二和第三护套固定构件407、408被配置为固定第三和第四护套404、406，使得第三和第四缆线403、405可以向前和向后滑动而不移动第三和第四护套404、406。另外，前臂模块具有附接的第二臂支架501到圆形导轨402。
在本申请实施例中，图8是可以采用本申请的前臂模块中的示例性圆周运动引导件的示意图。除了附接到第三和第四连接连杆209、210的圆形导轨402之外，第二圆形运动导轨还包括四个滚轮401和一个连接件411，如图8所示，连接件411用于将滚轮401与伸缩梁6连接并沿圆形导轨402滑动。
至于致动，图9展示了其中可以采用本申请的第二缆线驱动机构4。第二缆线驱动机构4通过第三缆线403和第四缆线405拉动连接构件411来为前臂内旋/旋后提供一个主动自由度。图9中的虚线表示圆形导轨402内的第三和第四缆线403、405。当被第三和第四缆线403、405拉动时，连接件411沿着圆形导轨402主动滑动。两组两个滑轮409、410用于垂直改变第三和第四缆线403、405的驱动方向，使得第三和第四缆线403、405可以平行于用户的前臂。
虽然该装置可以在没有传感器的情况下工作，但图10示出了具有电连接到致动器的传感器系统的装置的实施例，传感器系统可以包括至少一个运动、力、肌肉或神经元传感器或标记物用于捕获人体运动学和动态运动数据。在一个实施例中，惯性测量单元(inertia measurement unit,IMU)802安装在前臂上，其中IMU捕捉上肢运动用于各种目的，例如但不限于致动控制、患者评估和虚拟现实(VR)相互作用。此外，编码器801捕获上肢运动用于致动控制和其他非限制性目的。
上述实施例仅为本申请的优选实施例而已，不应视为对本申请的限制。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种用于辅助上肢运动的装置，包括：
肘部模块，在使用中与所述上肢的肘关节对齐并被配置为随所述肘关节弯曲和伸展；
前臂模块，固定所述上肢的前臂并被配置成使所述前臂旋前和旋后；
驱动组件，其分别驱动所述肘部模块和所述前臂模块；以及
外壳，其与所述肘部模块和所述前臂模块分开，并被配置为在所述外壳中接收所述驱动组件。
2.根据权利要求1所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述肘部模块包括：
第一臂支架；
第一连杆组件，其连接至所述第一臂支架；
第二连杆组件，其与所述第一连杆组件连接并且能够相对于所述第一连杆组件旋转；以及
第一缆线驱动机构，其连接在第一连杆组件和第二连杆组件的接头处，并被配置为由所述驱动组件驱动以驱动所述第一连杆组件相对于所述第二连杆组件旋转。
3.根据权利要求2所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述第一连杆组件包括：
第一连杆，所述第一连杆的一端连接所述第一臂支架的一端；和
第二连杆，其平行于所述第一连杆，且所述第二连杆的一端与所述第一臂支架的另一端相连。
4.根据权利要求3所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述第二连杆组件包括：
第三连杆，所述第三连杆的一端连接所述第一连杆的相对端；和
第四连杆，其平行于所述第三连杆，所述第四连杆的一端连接所述第二连杆的相对端。
5.根据权利要求2所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述第一缆线驱动机构包括：
轮，其与所述肘关节对齐并连接到所述第一连杆组件和所述第二连杆组件之间的所述接头处；和
缆线，其连接在所述驱动组件和所述轮之间；
其中，所述驱动组件通过所述缆线带动所述轮转动，以带动所述第一连杆组件相对于所述第二连杆组件转动。
6.根据权利要求5所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述第一缆线驱动机构还包括：
轮支撑件，用于支撑所述轮，所述轮支撑件设有护套固定件，所述护套固定件设有护套，所述护套用于所述缆线在其中滑动。
7.根据权利要求2所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述前臂模块与所述第二连杆组件连接。
8.根据权利要求7所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述前臂模块包括：
圆形导轨，其连接所述第二连杆组件；
连接件，其可滑动地连接在所述圆形导轨上；
第二臂支架，其连接到所述连接件；和
第二缆线驱动机构，其用于通过所述驱动组件驱动所述连接件沿所述圆形导轨滑动。
9.根据权利要求8所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述第二缆线驱动机构包括：
滑轮，其连接到所述第二连杆组件；和
缆线，其穿过所述连接件并连接在所述驱动组件与所述滑轮之间；
其中，所述驱动组件通过所述缆线带动所述滑轮转动，带动所述第二臂支架沿所述圆形导轨滑动。
10.根据权利要求8或9所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第三臂支架，其通过可伸缩的横梁与所述圆形导轨相连。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述驱动组件包括分别驱动所述肘部模块和所述前臂模块的至少两个致动器。
12.根据权利要求1-9中任一项所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述驱动组件包括控制单元、电源和用于固定所有电子元件的板。
13.根据权利要求1-9中任一项所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述外壳为背包。
14.根据权利要求1-9中任一项所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述装置还包括传感器系统，该传感器系统包括至少一种用于捕捉人体运动学和动态运动数据的运动、力、肌肉或神经元传感器或标记物。
15.根据权利要求14所述的用于辅助上肢运动的装置，其特征在于，所述传感器系统与所述驱动组件电连接。
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