CN116211650A - 一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，包括柔性可穿戴系统、肩关节减重系统、气动折纸驱动装置，所述柔性可穿戴系统包括肩部管道固定器、上臂气囊，所述肩部管道固定器设于穿戴者的肩部，所述上臂气囊设于穿戴者的上臂，所述肩关节减重系统与所述上臂气囊连接，所述肩关节减重系统设于穿戴者的上臂与躯干之间，所述气动折纸驱动装置设于所述柔性可穿戴系统的外侧，所述气动折纸驱动装置的第一端设于所述肩部管道固定器上，所述气动折纸驱动装置的第二端与所述上臂气囊连接。本发明减少了驱动肩关节所需能耗，降低了驱动装置的体积和重量，同时提高了控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及康复器械技术领域，尤其涉及一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼。
背景技术
近年来，随着柔性材料、柔性驱动技术的快速发展，这些材料和技术被广泛应用于柔性外骨骼机器人，为肢体运动障碍人群提供康复治疗与生活辅助。柔性上肢康复训练设备的出现一定程度上弥补了康复医师资源短缺和康复设备单一的问题，同时弥补了刚性外骨骼质量较大、体积较大、人机交互性差等问题。在柔性上肢增强外骨骼系统的研究中，轻型、可穿戴并带有重力平衡的上肢外骨骼系统取得了一些成果，但还无法进行广泛地推广应用。
现有的上肢柔性外骨骼，其与人体之间的连接一般采用外骨骼服或魔术贴，这种连接方式会对皮肤组织产生拉扯，容易产生偏移。气动柔性外骨骼的驱动器体积、重量大，缺少重力平衡装置，驱动能耗高，非线性控制难度大。
因此，本领域的技术人员致力于提供一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，为穿戴者提供肩关节屈曲/伸展、外展/内收的助力和减重。
发明内容
有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够为穿戴者提供肩关节屈曲/伸展、外展/内收的助力和减重的肩关节外骨骼。
为实现上述目的，本发明提供了一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，包括柔性可穿戴系统、肩关节减重系统、气动折纸驱动装置，所述柔性可穿戴系统包括肩部管道固定器、上臂气囊，所述肩部管道固定器设于穿戴者的肩部，所述上臂气囊设于穿戴者的上臂，所述肩关节减重系统与所述上臂气囊连接，所述肩关节减重系统设于穿戴者的上臂与躯干之间，所述气动折纸驱动装置设于所述柔性可穿戴系统的外侧，所述气动折纸驱动装置的第一端设于所述肩部管道固定器上，所述气动折纸驱动装置的第二端与所述上臂气囊连接；所述肩关节减重系统被配置为平衡人体上肢的重力以及不限制减重平面下肩关节的屈曲/伸展、外展/内收、内旋/外旋，所述肩关节减重系统在肩关节外展/内收的任意角度下实现人体肩关节的重力平衡。
进一步地，所述柔性可穿戴系统还包括肩关节矫形器，所述肩关节矫形器与穿戴者的肩关节、上臂相匹配，所述肩关节矫形器至少覆盖所述肩部管道固定器、上臂气囊之间的肩关节、上臂的外侧部分，所述气动折纸驱动装置位于所述肩部管道固定器、上臂气囊之间的部分固设在所述肩关节矫形器上，所述上臂气囊在充气后固定在人体上臂，作为所述气动折纸驱动装置的动平台，所述上臂气囊的一端与所述肩关节减重系统连接，作为所述肩关节减重系统的上臂支撑点，所述肩部管道固定器用于固定所述气动折纸驱动装置的管道。
进一步地，所述肩关节矫形器还包括绑带，所述肩关节矫形器通过所述绑带与穿戴者的躯干连接，所述上臂气囊在充气后与人体上臂产生柔性固连，使所述肩关节矫形器与人体上臂固定，所述上臂气囊能够保护人体上臂组织，所述上臂气囊的缩放能够促进人体上臂的血液循环，起到按摩作用。
进一步地，所述肩关节减重系统包括可伸缩折纸气囊，所述可伸缩折纸气囊的一端固定于人体上臂内侧，另一端固定于人体胸骨外侧，实现肩关节在人体冠状面上任意角度的重力平衡，使肩关节在进行外展/内收运动时，上臂在任意角度时刻与所述肩关节减重系统的力和力矩平衡。
进一步地，所述可伸缩折纸气囊通过热压机压合与所述上臂气囊连接。
进一步地，所述气动折纸驱动装置包括气动折纸直线驱动器和气动管道，所述气动管道设于所述肩部管道固定器上，所述气动折纸直线驱动器固设在所述肩关节矫形器上，所述气动折纸直线驱动器的两端分别与所述气动管道、上臂气囊连接。
进一步地，所述气动管道包括前侧气动管道、外侧气动管道、后侧气动管道；所述气动折纸直线驱动器设置三根，分别与所述前侧气动管道、外侧气动管道、后侧气动管道对应。
进一步地，所述气动折纸直线驱动器包括折纸机构和外部气囊，所述外部气囊包裹所述折纸机构，所述气动折纸直线驱动器置于人体上臂前侧、外侧、后侧，模拟人体三角肌、肱二头肌的肌肉走向，其中，前侧驱动器用于驱动肩关节屈曲/伸展自由度的运动，外侧驱动器以及所述肩关节减重系统用于驱动肩关节外展/内收自由度的运动，所述折纸机构与所述外部气囊之间留有间隙，用于实现抽气/放气时气腔内部压强的改变。
进一步地，所述肩部管道固定器设有第一引导孔、第二引导孔、第三引导孔、第四引导孔。
进一步地，所述肩关节矫形器上设有暗扣，所述气动折纸直线驱动器通过所述暗扣与所述肩关节矫形器连接，实现小的占体体积和便于拆装，所述肩关节矫形器上配置多个母扣，适应不同人体体型需求。
本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明提供的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，上臂气囊作为气动折纸驱动装置的动平台，同时为肩关节减重系统的上臂支撑点，其在充气后与人体上臂相固定，在气压的作用下不会产生较大的相对偏移，能够保护人体上臂组织，气囊的缩放可促进人体上臂的血液循环，起到按摩作用。
2、本发明提供的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，气动折纸驱动装置采用折纸机构和气囊组合机构，采用仿生学设计，模仿人体上肢肱二头肌、三角肌的主要肌肉力线走向；折纸机构被气囊封闭之后，在折纸机构内部注入负压，驱动器即发生轴向收缩，进而实现肩关节的屈曲/伸展、外展/内收；装置的质量轻，体积小，制作简单，成本低廉，力重比大，模仿肌肉力线，提高了传动效率。
3、本发明提供的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，气动折纸驱动装置平衡肩关节在内收/外展的运动过程中受到的重力，在肩关节运动的任意位置下实现了重力平衡，减少了驱动肩关节所需能耗，降低了驱动装置的体积和重量，同时提高了控制精度。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的穿戴示意图；
图2是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的整体示意图；
图3是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的柔性可穿戴系统示意图；
图4是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的肩部管道固定器示意图；
图5是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的肩关节减重系统示意图；
图6是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的气动折纸驱动装置示意图；
图7是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的气动折纸直线驱动器示意图；
图8是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的气动管道示意图；
图9是本发明实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的折纸机构展开示意图。
图中，1-柔性可穿戴系统，100-肩关节矫形器，101-肩部管道固定器，1011-第一引导孔，1012-第二引导孔，1013-第三引导孔，1014-第四引导孔，102-上臂气囊；
2-肩关节减重系统，200-可伸缩折纸气囊；
3-气动折纸驱动装置，300-气动折纸直线驱动器，3001-折纸机构，3002-外部气囊，301-气动管道，3011-前侧气动管道，3012-外侧气动管道，3013-后侧气动管道。
具体实施方式
以下介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明提供了一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，利用气囊的柔性特点，对人体上臂进行固定；通过在折纸机构内产生负压，实现驱动器的收缩，进而实现肩关节的屈曲/伸展、外展/内收等动作；在肩关节运动的任意位置处，实现重力平衡，减少驱动肩关节所需能耗。
如图1和图2所示，本实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，包括柔性可穿戴系统1、肩关节减重系统2、气动折纸驱动装置3，柔性可穿戴系统1设置于人体肩部和上臂，为肩关节运动提供保护，同时为肩关节减重系统2、气动折纸驱动装置3提供稳定的受力锚点，并保证连接的稳定性以及穿戴的舒适性。肩关节减重系统2固定在柔性可穿戴系统1的上臂部分，且位于上臂内侧，实现肩关节运动过程中的减重，同时不限制减重平面下肩关节的屈曲/伸展、外展/内收、内旋/外旋，并且在肩关节外展/内收的任意角度下，均可实现人体肩关节的重力平衡。气动折纸驱动装置3固定于柔性可穿戴系统1的外侧，实现肩关节屈曲/伸展、外展/内收的助力。
如图3、图4所示，柔性可穿戴系统1包括肩关节矫形器100、肩部管道固定器101、上臂气囊102。肩部管道固定器101设于穿戴者的肩关节处，上臂气囊102设于穿戴者的上臂处，上臂气囊102为环形，即套设在穿戴者的上臂上。肩关节矫形器100为穿戴式结构，其能够包裹肩部管道固定器101与上臂气囊102之间的肩关节和上臂；为了实现连接的稳固，肩关节矫形器100的两端可以分别与肩部管道固定器101和上臂气囊102连接；肩关节矫形器100上还设有绑带，能够绕过穿戴者的躯干，将柔性可穿戴系统1绑缚在人体躯干上。
肩关节矫形器100上设有暗扣，通过暗扣能够将气动折纸驱动装置3固定于柔性可穿戴系统1的外侧。
肩部管道固定器101带有第一引导孔1011、第二引导孔1012、第三引导孔1013、第四引导孔1014，第一引导孔1011、第二引导孔1012、第三引导孔1013、第四引导孔1014在肩部管道固定器101的中心处相连通。
如图5所示，肩关节减重系统2包括可伸缩折纸气囊200，本实施例中，可伸缩折纸气囊200通过热压机压合实现与环形气囊102连接。
如图2、图6至图8所示，气动折纸驱动装置3包括气动折纸直线驱动器300，气动管道301。
气动管道301包括前侧气动管道3011、外侧气动管道3012、后侧气动管道3013以及汇流气动管道，分别穿过气动管道固定器101的第一引导孔1011、第二引导孔1012、第三引导孔1013、第四引导孔1014，实现气动管道301与肩部管道固定器101的固定连接。
气动折纸直线驱动器300包括折纸机构3001、外部气囊3002，折纸机构3001包覆在外部气囊3002上。本实施例中，气动折纸直线驱动器300共设置3根，分别与前侧气动管道3011、外侧气动管道3012、后侧气动管道3013相对应，前侧气动管道3011、外侧气动管道3012、后侧气动管道3013的一端分别内嵌于前侧、外侧、后侧的折纸机构3001内，实现气动折纸直线驱动器300与气动管道301的固定连接。气动折纸直线驱动器300通过肩关节矫形器100上的暗扣固定在肩关节矫形器100上，其另一端与可伸缩折纸气囊200连接。
如图9所示为折纸机构3001的展开示意图，折纸机构3001展开之后其表面积远大于折叠后的面积。
本实施例的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼的工作过程如下：外部气囊3002在折纸机构3001与上臂气囊102之间形成负压环境，气动管道301提供所需负压强，引起气动折纸直线驱动器300的变形。气动折纸直线驱动器300的外部气囊3002限制折纸机构3001的运动自由度，折纸机构3001引导外部气囊3002在产生气压时进行单自由度运动。人体肩关节屈曲时，前侧气动管道3011抽气，前侧气动折纸直线驱动器300收缩，带动上肢在矢状面内向人体前侧抬起；肩关节伸展时，后侧气动管道3013抽气，后侧气动折纸直线驱动器300收缩，带动上肢在矢状面内向人体后侧抬起；肩关节外展时，外侧气动管道3012抽气，外侧气动折纸直线驱动器300收缩，可伸缩折纸气囊200充气，带动上肢在额状面内向人体外侧抬起；肩关节内收时，外侧气动管道3012充气，外侧气动折纸直线驱动器300伸展，可伸缩折纸气囊200放气，带动上肢在额状面内向人体内侧落下，直到可伸缩折纸气囊200完全收缩。在肩关节外展与内收的任意角度下，可伸缩折纸气囊200均可实现人体肩关节的重力平衡，同时不限制减重平面下肩关节的屈曲/伸展、外展/内收、内旋/外旋。
本发明的气动折纸驱动装置采用仿生学设计，模仿人体上臂肌肉的力线走向，采用气动和折纸机构的组合来提供动力和减小体积，同时肩关节减重系统采用气动折纸机构的重力平衡方式，来平衡上肢重力，帮助使用者实现肩关节屈曲/伸展、外展/内收的助力和减重，能够保护人体上臂组织，同时减少了肩关节所需能耗，降低了驱动装置的体积和重量，提高了控制精度。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到。
Claims (10)
1.一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，包括柔性可穿戴系统、肩关节减重系统、气动折纸驱动装置，所述柔性可穿戴系统包括肩部管道固定器、上臂气囊，所述肩部管道固定器设于穿戴者的肩部，所述上臂气囊设于穿戴者的上臂，所述肩关节减重系统与所述上臂气囊连接，所述肩关节减重系统设于穿戴者的上臂与躯干之间，所述气动折纸驱动装置设于所述柔性可穿戴系统的外侧，所述气动折纸驱动装置的第一端设于所述肩部管道固定器上，所述气动折纸驱动装置的第二端与所述上臂气囊连接；所述肩关节减重系统被配置为平衡人体上肢的重力以及不限制减重平面下肩关节的屈曲/伸展、外展/内收、内旋/外旋，所述肩关节减重系统在肩关节外展/内收的任意角度下实现人体肩关节的重力平衡。
2.如权利要求1所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述柔性可穿戴系统还包括肩关节矫形器，所述肩关节矫形器与穿戴者的肩关节、上臂相匹配，所述肩关节矫形器至少覆盖所述肩部管道固定器、上臂气囊之间的肩关节、上臂的外侧部分，所述气动折纸驱动装置位于所述肩部管道固定器、上臂气囊之间的部分固设在所述肩关节矫形器上，所述上臂气囊在充气后固定在人体上臂，作为所述气动折纸驱动装置的动平台，所述上臂气囊的一端与所述肩关节减重系统连接，作为所述肩关节减重系统的上臂支撑点，所述肩部管道固定器用于固定所述气动折纸驱动装置的管道。
3.如权利要求2所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述肩关节矫形器还包括绑带，所述肩关节矫形器通过所述绑带与穿戴者的躯干连接，所述上臂气囊在充气后与人体上臂产生柔性固连，使所述肩关节矫形器与人体上臂固定，所述上臂气囊能够保护人体上臂组织，所述上臂气囊的缩放能够促进人体上臂的血液循环，起到按摩作用。
4.如权利要求1所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述肩关节减重系统包括可伸缩折纸气囊，所述可伸缩折纸气囊的一端固定于人体上臂内侧，另一端固定于人体胸骨外侧，实现肩关节在人体冠状面上任意角度的重力平衡，使肩关节在进行外展/内收运动时，上臂在任意角度时刻与所述肩关节减重系统的力和力矩平衡。
5.如权利要求4所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述可伸缩折纸气囊通过热压机压合与所述上臂气囊连接。
6.如权利要求2所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述气动折纸驱动装置包括气动折纸直线驱动器和气动管道，所述气动管道设于所述肩部管道固定器上，所述气动折纸直线驱动器固设在所述肩关节矫形器上，所述气动折纸直线驱动器的两端分别与所述气动管道、上臂气囊连接。
7.如权利要求6所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述气动管道包括前侧气动管道、外侧气动管道、后侧气动管道；所述气动折纸直线驱动器设置三根，分别与所述前侧气动管道、外侧气动管道、后侧气动管道对应。
8.如权利要求6所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述气动折纸直线驱动器包括折纸机构和外部气囊，所述外部气囊包裹所述折纸机构，所述气动折纸直线驱动器置于人体上臂前侧、外侧、后侧，模拟人体三角肌、肱二头肌的肌肉走向，其中，前侧驱动器用于驱动肩关节屈曲/伸展自由度的运动，外侧驱动器以及所述肩关节减重系统用于驱动肩关节外展/内收自由度的运动，所述折纸机构与所述外部气囊之间留有间隙，用于实现抽气/放气时气腔内部压强的改变。
9.如权利要求7所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述肩部管道固定器设有第一引导孔、第二引导孔、第三引导孔、第四引导孔。
10.如权利要求7所述的穿戴式柔性肩关节动力外骨骼，其特征在于，所述肩关节矫形器上设有暗扣，所述气动折纸直线驱动器通过所述暗扣与所述肩关节矫形器连接，实现小的占体体积和便于拆装，所述肩关节矫形器上配置多个母扣，适应不同人体体型需求。
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| CN116211650A true CN116211650A (zh) | 2023-06-06 |
Family
ID=86584269
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310231982.4A Pending CN116211650A (zh) | 2023-03-09 | 2023-03-09 | 一种穿戴式柔性肩关节动力外骨骼 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116211650A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117320849A (zh) * | 2023-08-15 | 2023-12-29 | 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所 | 用于肩关节助力的可穿戴软体机器人装置 |
-
2023
- 2023-03-09 CN CN202310231982.4A patent/CN116211650A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117320849A (zh) * | 2023-08-15 | 2023-12-29 | 中国疾病预防控制中心职业卫生与中毒控制所 | 用于肩关节助力的可穿戴软体机器人装置 |
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