CN116747117A - 一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，包括从前到后依次连接的四杆张拉前臂机构和两杆张拉大臂机构。本发明将张拉结构与仿生上肢结构相结合，通过仿生分析建立肘关节的张拉整体结构映射，张拉整体结构具有能够依靠自身结构适应环境保持自平衡的特点，可以通过改变整体的几何构型来实现机构的各种角度变化的运动，从而可以很好的解决可穿戴肘部关节设计的重要问题，据此设计出能满足作为刚性结构具有较强的人体肘关节运动适应性，可以较好的与人体肘关节在运动过程中贴合，同时在人体肘关节运动中够提供随工作角度变化的助力能力的可穿戴助力设备。

Description

一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备

技术领域

本发明涉及上肢可穿戴设备技术领域，更具体的说是涉及一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备。

背景技术

目前，患有上肢功能障碍人口迅速增长，导致康复理疗行业处于供不应求的状态，只有不足20％的康复病人能得到康复训练师的有效训练。

随着康复机器人技术的迅速发展，可穿戴上肢康复外骨骼机器人，作为训练康复和运动辅助有机结合的医疗设备，成为医学机构和相关学者的重点研究对象，也成为缓解医患压力，提高康复，提高患者生活质量，保障康复医疗行业稳定发展的有效途径。

可穿戴上肢康复外骨骼机器人，通过合理的骨骼结构和稳定的控制策略，较好的模拟患者康复过程中主被动康复训练过程，尤其在康复训练动作和力矩控制方面表现出色。很多科研机构和医疗机构相续展开上肢康复外骨骼的研究，比如现有的便携穿戴式上肢康复机器人Rupert，能实现肩关节内/外旋、肩关节屈伸、肘关节屈伸、前臂旋转、手腕手指屈伸等操作，能够帮助患者完成康复训练和辅助进食等日常生活行为。即可穿戴上肢康复外骨骼较好的辅助患者完成康复训练过程，提高了患者康复质量。

但是，上肢可穿戴外骨骼机器人作为高耦合的人机一体化设备，由于其应用的特殊性，在康复训练过程中由机械结构和控制策略导致的舒适性差、自适应性低和存在安全隐患等问题仍需优化。

因此，提供一种运动灵活、结构轻量化，同时面对冲击具有自稳定与自恢复性的基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，以解决传统可穿戴机械手臂存在的设备沉重、结构复杂以及刚性不便穿戴等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，包括从前到后依次连接的四杆张拉前臂机构和两杆张拉大臂机构。

进一步的，所述四杆张拉前臂机构包括前臂第一支撑环、前臂第二支撑环、四个前臂柔性支杆和四个前臂弹性体，所述前臂第一支撑环和所述前臂第二支撑环沿着前后方向间隔分布，所述前臂第一支撑环与所述两杆张拉大臂机构固定连接；所述前臂第一支撑环通过四个同一旋向的所述前臂柔性支杆及四个倾斜分布的所述前臂弹性体与所述前臂第二支撑环连接，且四个所述前臂柔性支杆与四个所述前臂弹性体交错分布。

进一步的，所述四杆张拉前臂机构还包括两个手臂连接杆和框架，两个所述手臂连接杆对称分布，每个所述手臂连接杆后端与所述两杆张拉大臂机构固定连接，每个所述手臂连接杆前端与所述前臂第二支撑环固定连接；两个所述手臂连接杆前端部通过所述框架连接，且所述框架位于所述前臂第二支撑环的外围。

进一步的，所述四杆张拉前臂机构还包括两个前臂防护板，两个所述前臂防护板均固定在所述前臂第二支撑环上且对称分布。

进一步的，所述两杆张拉大臂机构包括两个大臂第一支撑板、两个大臂第二支撑板、大臂第三支撑板、大臂第四支撑板、大臂第五支撑板、两个齿条、两个转动齿轮、大臂第一弹性体、大臂第二弹性体、大臂第三弹性体和大臂第四弹性体，两个所述大臂第一支撑板对称分布，两个所述大臂第一支撑板的后端通过所述大臂第五支撑板固定连接，两个所述大臂第一支撑板的前端通过所述大臂第三支撑板固定连接；两个所述大臂第二支撑板对称分布且分别位于两个所述大臂第一支撑板的外侧，两个所述大臂第二支撑板的后端通过所述大臂第四支撑板固定连接，两个所述大臂第二支撑板的前端分别与所述前臂第一支撑环固定连接，两个所述手臂连接杆的后端分别与两个所述大臂第二支撑板固定连接；两个所述齿条分别通过齿条固定板安装在两个所述大臂第二支撑板上；两个所述转动齿轮分别安装在两个所述大臂第一支撑板上且位于所述大臂第二支撑板通孔内，两个所述转动齿轮分别与两个所述齿条啮合；所述大臂第一弹性体一端固定在所述前臂第一支撑环上，所述大臂第一弹性体另一端固定在所述大臂第五支撑板上；所述大臂第二弹性体一端固定在所述大臂第五支撑板上，所述大臂第二弹性体另一端固定在所述大臂第四支撑板上；所述大臂第三弹性体一端固定在所述大臂第四支撑板上，所述大臂第三弹性体另一端固定在所述大臂第三支撑板上；所述大臂第四弹性体一端固定在所述大臂第三支撑板上，所述大臂第四弹性体另一端固定在所述前臂第一支撑环上。

进一步的，所述两杆张拉大臂机构还包括锁定滑块和两个滚动块，所述锁定滑块的底端通过轴承安装在所述转动齿轮的转轴上，并且所述锁定滑块与所述转动齿轮外侧面相贴合；两个所述滚动块均安装在所述锁定滑块的顶端，且沿所述齿条固定板表面滚动接触。

进一步的，所述前臂第一支撑环端缘上固定有沿周向逆时针均匀分布的第一连接体、第二连接体、第三连接体和第四连接体；所述前臂第二支撑环端缘上固定有沿周向逆时针均匀分布的第五连接体、第六连接体、第七连接体和第八连接体；四个所述前臂柔性支杆分别为第一前臂柔性支杆、第二前臂柔性支杆、第三前臂柔性支杆和第四前臂柔性支杆；四个所述前臂弹性体分别为第一前臂弹性体、第二前臂弹性体、第三前臂弹性体和第四前臂弹性体；

所述第一前臂柔性支杆一端与所述第一连接体铰接，所述第一前臂柔性支杆另一端与所述第八连接体铰接；所述第二前臂柔性支杆一端与所述第二连接体铰接，所述第二前臂柔性支杆另一端与所述第五连接体铰接；所述第三前臂柔性支杆一端与所述第三连接体铰接，所述第三前臂柔性支杆另一端与所述第六连接体铰接；所述第四前臂柔性支杆一端与所述第四连接体铰接，所述第四前臂柔性支杆另一端与所述第七连接体铰接；所述第一前臂弹性体一端与所述第一连接体连接，所述第一前臂弹性体另一端与所述第五连接体连接；所述第二前臂弹性体一端与所述第二连接体连接，所述第二前臂弹性体另一端与所述第六连接体连接；所述第三前臂弹性体一端与所述第三连接体连接，所述第三前臂弹性体另一端与所述第七连接体连接；所述第四前臂弹性体一端与所述第四连接体连接，所述第四前臂弹性体另一端与所述第八连接体连接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提出了一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，通过仿生分析建立上肢张拉整体映射，由于张拉整体结构具有依靠自身结构适应环境保持自平衡的特点，通过改变整体的几何构型来实现机构的各种角度变化的运动，从而可以很好的解决上肢穿戴这一问题，避免了传统的人体仿生上肢康复助力设备体积大、重量沉、灵活性差及控制系统复杂等不足，在保证制造成本低廉的同时使结构搭建更为简单快捷，具有广阔的应用前景。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备的立体结构示意图；

图2附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备另一视角的立体结构示意图；

图3附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备的主视图；

图4附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备的俯视图；

图5附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备的仰视图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

如图1-5所示，本发明实施例公开了一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，包括从前到后依次连接的四杆张拉前臂机构1和两杆张拉大臂机构2，

其中四杆张拉前臂机构1包括前臂第一支撑环11(固定平台)、前臂第二支撑环12(转动平台)、四个前臂柔性支杆13、四个前臂弹性体14、两个手臂连接杆15和框架16，前臂第一支撑环11和前臂第二支撑环12沿着前后方向间隔分布，前臂第一支撑环11与两杆张拉大臂机构2固定连接；前臂第一支撑环11通过四个同一旋向的前臂柔性支杆13及四个倾斜分布的前臂弹性体14与前臂第二支撑环12连接，且四个前臂柔性支杆13与四个前臂弹性体14交错分布；两个手臂连接杆15对称分布，每个手臂连接杆15后端与两杆张拉大臂机构2固定连接，每个手臂连接杆15前端与前臂第二支撑环12固定连接；两个手臂连接杆15前端部通过框架16连接，且框架16位于前臂第二支撑环12的外围；

两杆张拉大臂机构2包括两个大臂第一支撑板21、两个大臂第二支撑板22、大臂第三支撑板23、大臂第四支撑板24、大臂第五支撑板25、两个齿条26、两个转动齿轮27、大臂第一弹性体28、大臂第二弹性体29、大臂第三弹性体210和大臂第四弹性体211，两个大臂第一支撑板21对称分布，两个大臂第一支撑板21的后端通过大臂第五支撑板25固定连接，两个大臂第一支撑板21的前端通过大臂第三支撑板23固定连接；两个大臂第二支撑板22对称分布且分别位于两个大臂第一支撑板21的外侧，两个大臂第二支撑板22的后端通过大臂第四支撑板24固定连接，两个大臂第二支撑板22的前端分别与前臂第一支撑环11固定连接，两个手臂连接杆15的后端分别与两个大臂第二支撑板22固定连接，在本实施例中，均采用角铁固定连接；两个齿条26分别通过齿条固定板212安装在两个大臂第二支撑板22上；两个转动齿轮27分别安装在两个大臂第一支撑板21上且位于大臂第二支撑板22通孔内，两个转动齿轮27分别与两个齿条26啮合；大臂第一弹性体28一端固定在前臂第一支撑环11上，大臂第一弹性体28另一端固定在大臂第五支撑板25上；大臂第二弹性体29一端固定在大臂第五支撑板25上，大臂第二弹性体29另一端固定在大臂第四支撑板24上；大臂第三弹性体210一端固定在大臂第四支撑板24上，大臂第三弹性体210另一端固定在大臂第三支撑板23上；大臂第四弹性体211一端固定在大臂第三支撑板23上，大臂第四弹性体211另一端固定在前臂第一支撑环11上。

本发明将张拉结构与仿生上肢结构相结合，通过仿生分析建立肘关节的张拉整体结构映射，张拉整体结构具有能够依靠自身结构适应环境保持自平衡的特点，可以通过改变整体的几何构型来实现机构的各种角度变化的运动，从而可以很好的解决可穿戴肘部关节设计的重要问题，据此设计出能满足作为刚性结构具有较强的人体肘关节运动适应性，可以较好的与人体肘关节在运动过程中贴合，同时在人体肘关节运动中够提供随工作角度变化的助力能力的可穿戴助力设备。

为了进一步优化本发明的技术方案，四杆张拉前臂机构1还包括两个前臂防护板17，两个前臂防护板17均固定在前臂第二支撑环12上且对称分布。

为了进一步优化本发明的技术方案，两杆张拉大臂机构2还包括锁定滑块213和两个滚动块214，锁定滑块213的底端通过轴承安装在转动齿轮27的转轴上，并且锁定滑块213与转动齿轮27外侧面相贴合；两个滚动块214均安装在锁定滑块213的顶端，且沿齿条固定板212表面滚动接触。

具体的，前臂第一支撑环11端缘上固定有沿周向逆时针均匀分布的第一连接体、第二连接体、第三连接体和第四连接体；前臂第二支撑环12端缘上固定有沿周向逆时针均匀分布的第五连接体、第六连接体、第七连接体和第八连接体；四个前臂柔性支杆13分别为第一前臂柔性支杆、第二前臂柔性支杆、第三前臂柔性支杆和第四前臂柔性支杆；四个前臂弹性体14分别为第一前臂弹性体、第二前臂弹性体、第三前臂弹性体和第四前臂弹性体；

第一前臂柔性支杆一端与第一连接体铰接，第一前臂柔性支杆另一端与第八连接体铰接；第二前臂柔性支杆一端与第二连接体铰接，第二前臂柔性支杆另一端与第五连接体铰接；第三前臂柔性支杆一端与第三连接体铰接，第三前臂柔性支杆另一端与第六连接体铰接；第四前臂柔性支杆一端与第四连接体铰接，第四前臂柔性支杆另一端与第七连接体铰接；在本实施例中，均通过球副铰接；第一前臂弹性体一端与第一连接体连接，第一前臂弹性体另一端与第五连接体连接；第二前臂弹性体一端与第二连接体连接，第二前臂弹性体另一端与第六连接体连接；第三前臂弹性体一端与第三连接体连接，第三前臂弹性体另一端与第七连接体连接；第四前臂弹性体一端与第四连接体连接，第四前臂弹性体另一端与第八连接体连接。

本发明的工作原理：

本发明可以完成以下动作：四杆张拉前臂机构1可以实现仿人体小臂的一定角度转动与小位移的平移，同时两杆张拉大臂机构2与四杆张拉前臂机构1配合，可以实现肘关节的屈曲伸直运动：

当进行前臂旋转动作时，前臂弹性体14由最小拉力逐渐增大，此时四个前臂柔性支杆13开始进行旋转运动，也就是说此时前臂第二支撑环12相对于前臂第一支撑环11开始转动，此时前臂第二支撑环12和前臂第一支撑环11间会产生小范围的收缩，当前臂弹性体14拉伸至最大拉力时，转动角度达到最大，此时放松前臂弹性体14带动前臂第二支撑环12和前臂柔性支杆13恢复至初始状态，至此完成前臂的旋转和小范围位移动作的整个过程；

当进行肘关节屈曲伸直动作时，大臂第一支撑板21及其整体，以及大臂第二支撑板22及其整体，通过转动齿轮27与齿条26的啮合及滚动完成旋转运动；当肘关节伸直时，大臂第一弹性体28与大臂第三弹性体210处于拉力最大状态，大臂第二弹性体29与大臂第四弹性体211处于拉力最小状态；在进行屈曲运动时，前臂第一支撑环11及其整体，以及大臂第二支撑板22及其整体绕转动齿轮27与齿条26啮合处开始旋转，此时大臂第二弹性体29与大臂第四弹性体211被拉伸，拉力逐渐变大，大臂第一弹性体28与大臂第三弹性体210被压缩，拉力逐渐变小；当前臂第一支撑环11及其整体与大臂第二支撑板22及其整体转动角度达到最大角度时，完成全部屈曲动作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，其特征在于，包括从前到后依次连接的四杆张拉前臂机构和两杆张拉大臂机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，其特征在于，所述四杆张拉前臂机构包括前臂第一支撑环、前臂第二支撑环、四个前臂柔性支杆和四个前臂弹性体，所述前臂第一支撑环和所述前臂第二支撑环沿着前后方向间隔分布，所述前臂第一支撑环与所述两杆张拉大臂机构固定连接；所述前臂第一支撑环通过四个同一旋向的所述前臂柔性支杆及四个倾斜分布的所述前臂弹性体与所述前臂第二支撑环连接，且四个所述前臂柔性支杆与四个所述前臂弹性体交错分布。

3.根据权利要求2所述的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，其特征在于，所述四杆张拉前臂机构还包括两个手臂连接杆和框架，两个所述手臂连接杆对称分布，每个所述手臂连接杆后端与所述两杆张拉大臂机构固定连接，每个所述手臂连接杆前端与所述前臂第二支撑环固定连接；两个所述手臂连接杆前端部通过所述框架连接，且所述框架位于所述前臂第二支撑环的外围。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，其特征在于，所述四杆张拉前臂机构还包括两个前臂防护板，两个所述前臂防护板均固定在所述前臂第二支撑环上且对称分布。

5.根据权利要求3所述的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，其特征在于，所述两杆张拉大臂机构包括两个大臂第一支撑板、两个大臂第二支撑板、大臂第三支撑板、大臂第四支撑板、大臂第五支撑板、两个齿条、两个转动齿轮、大臂第一弹性体、大臂第二弹性体、大臂第三弹性体和大臂第四弹性体，两个所述大臂第一支撑板对称分布，两个所述大臂第一支撑板的后端通过所述大臂第五支撑板固定连接，两个所述大臂第一支撑板的前端通过所述大臂第三支撑板固定连接；两个所述大臂第二支撑板对称分布且分别位于两个所述大臂第一支撑板的外侧，两个所述大臂第二支撑板的后端通过所述大臂第四支撑板固定连接，两个所述大臂第二支撑板的前端分别与所述前臂第一支撑环固定连接，两个所述手臂连接杆的后端分别与两个所述大臂第二支撑板固定连接；两个所述齿条分别通过齿条固定板安装在两个所述大臂第二支撑板上；两个所述转动齿轮分别安装在两个所述大臂第一支撑板上且位于所述大臂第二支撑板通孔内，两个所述转动齿轮分别与两个所述齿条啮合；所述大臂第一弹性体一端固定在所述前臂第一支撑环上，所述大臂第一弹性体另一端固定在所述大臂第五支撑板上；所述大臂第二弹性体一端固定在所述大臂第五支撑板上，所述大臂第二弹性体另一端固定在所述大臂第四支撑板上；所述大臂第三弹性体一端固定在所述大臂第四支撑板上，所述大臂第三弹性体另一端固定在所述大臂第三支撑板上；所述大臂第四弹性体一端固定在所述大臂第三支撑板上，所述大臂第四弹性体另一端固定在所述前臂第一支撑环上。

6.根据权利要求5所述的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，其特征在于，所述两杆张拉大臂机构还包括锁定滑块和两个滚动块，所述锁定滑块的底端通过轴承安装在所述转动齿轮的转轴上，并且所述锁定滑块与所述转动齿轮外侧面相贴合；两个所述滚动块均安装在所述锁定滑块的顶端，且沿所述齿条固定板表面滚动接触。

7.根据权利要求2所述的一种基于张拉整体结构的仿生上肢康复助力设备，其特征在于，所述前臂第一支撑环端缘上固定有沿周向逆时针均匀分布的第一连接体、第二连接体、第三连接体和第四连接体；所述前臂第二支撑环端缘上固定有沿周向逆时针均匀分布的第五连接体、第六连接体、第七连接体和第八连接体；四个所述前臂柔性支杆分别为第一前臂柔性支杆、第二前臂柔性支杆、第三前臂柔性支杆和第四前臂柔性支杆；四个所述前臂弹性体分别为第一前臂弹性体、第二前臂弹性体、第三前臂弹性体和第四前臂弹性体；

所述第一前臂柔性支杆一端与所述第一连接体铰接，所述第一前臂柔性支杆另一端与所述第八连接体铰接；所述第二前臂柔性支杆一端与所述第二连接体铰接，所述第二前臂柔性支杆另一端与所述第五连接体铰接；所述第三前臂柔性支杆一端与所述第三连接体铰接，所述第三前臂柔性支杆另一端与所述第六连接体铰接；所述第四前臂柔性支杆一端与所述第四连接体铰接，所述第四前臂柔性支杆另一端与所述第七连接体铰接；所述第一前臂弹性体一端与所述第一连接体连接，所述第一前臂弹性体另一端与所述第五连接体连接；所述第二前臂弹性体一端与所述第二连接体连接，所述第二前臂弹性体另一端与所述第六连接体连接；所述第三前臂弹性体一端与所述第三连接体连接，所述第三前臂弹性体另一端与所述第七连接体连接；所述第四前臂弹性体一端与所述第四连接体连接，所述第四前臂弹性体另一端与所述第八连接体连接。