CN117562779A - 一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，包括手指限位绑带，肘部柔性驱动器，气体传输结构，肘部紧束结构，腕部柔性驱动器，腕部柔性驱动器固定套，模块连接件A以及模块连接件B，所述肘部柔性驱动器和所述腕部柔性驱动器均为气动软体驱动器，每一者的连接件都为柔性材料。本发明的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，结构巧妙合理，通过腕关节驱动器与肘关节驱动器的协作，创新性地实现了柔性康复机器人对人体上肢肘关节的旋内/旋外运动，实现了腕肘协同训练的康复动作，同时提高了上肢外骨骼康复机器人对康复需求的适应性，改善了穿戴的舒适性与动作柔顺性，最终实现腕肘关节灵活柔顺安全的康复运动。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其是指一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人。
背景技术
脑卒中又称脑血管意外，是急性脑血管病引起的局部脑功能障碍，是全球第二大死亡原因和第三大致残原因，具有发病率高，死亡率高，致残率高，复发率高等特点，且上肢功能障碍是脑卒中的常见问题，因此，有效的康复治疗方法是改善偏瘫上肢运动功能障碍的有效途径。
以往主要的康复方法为治疗医师人工辅助训练，但这种方法极大地占用了医护资源，随着智能机器人技术的发展，外骨骼机器人辅助康复技术逐渐代替人工辅助康复，缓解了医护资源压力。随着康复需求的不断提高，传统的刚性外骨骼康复机器人不足以胜任康复工作，具有柔顺性差的缺点，易于造成二次伤害。近年来，柔性外骨骼康复机器人的提出，解决了这一问题，它具有高柔顺性，且便于携带。柔性上肢外骨骼康复机器人是一种将机器人学、人体工程学、信息学、流体力学、控制学、医疗康复学等多个学科有机地融合为一体，能够实现上肢部分功能代偿的柔性康复机器人。
但是，目前现有的柔性上肢外骨骼康复机器人总体上呈现两个问题：
第一个问题：是对于腕关节内旋/外旋康复动作的实现的设备较少，难以适应多样化的康复对象与康复需求；
第二个问题：是现有的柔性上肢外骨骼康复机器人虽部分采用了气动肌肉，绳索等柔性驱动、传动方式，但是与上肢接触的大多为刚性结构，同刚性外骨骼机器人一样，仍然可能会对患者上肢造成二次伤害，柔顺性较差。此外，大多数上肢外骨骼康复机器人没有充分考虑机器人与人体上肢的贴合特性，不能够有效提高患者穿戴时的舒适性以及在康复时的柔顺性，导致难以较好的实现康复动作。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中柔性上肢外骨骼机器人对于腕关节内旋/外旋康复动作的实现的设备较少，且虽部分采用了气动肌肉，绳索等柔性驱动、传动方式，但是与上肢接触的大多为刚性结构等难点。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，包括：包括手指限位绑带、肘部柔性驱动器、气体输送管、肘部紧束结构、腕部柔性驱动器、模块连接件A、模块连接件B及腕部柔性驱动器固定套；其中，所述肘部柔性驱动器和所述腕部柔性驱动器均为气动软体驱动器，所述手指限位绑带、肘部紧束结构、模块连接件A和模块连接件B均为柔性材料，并且所述手指限位绑带、肘部紧束结构、模块连接件A和模块连接件B贴附在人体表面。本发明基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，结构巧妙合理，通过腕关节驱动器与肘关节驱动器的协作，创新性地实现了柔性康复机器人对人体上肢肘关节的旋内/旋外运动，实现了腕肘协同训练的康复动作，同时提高了上肢外骨骼康复机器人对康复需求的适应性，改善了穿戴的舒适性与动作柔顺性，最终实现腕肘关节灵活柔顺安全的康复运动，以适应多样化的康复需求，提高患者的穿戴舒适性，康复动作的柔顺性，安全高效地完成康复动作。
在本发明的一个实施例中，所述模块连接件A和模块连接件B均起连接作用，所述肘部柔性驱动器的一端与所述手指限位绑带的大拇指端绑带部分通过模块连接件连A连接，并且所述肘部柔性驱动器的另一端与模块连接件B连接，所述手指限位绑带与所述模块连接件A连接，所述肘部紧束结构与模块连接件B连接，所述腕部柔性驱动器固定套套设在人体手腕上，所述气体输送管设置为两根，并且两根气体输送管分别连接在所述肘部柔性驱动器上和所述腕部柔性驱动器上。
在本发明的一个实施例中，所述腕部柔性驱动器包括柔性半圆柱气腔、缠绕纤维、单侧限位层以及柔性底层。
在本发明的一个实施例中，所述柔性半圆柱气腔整体呈半圆柱状，并且柔性半圆柱气腔采用硅弹性体制成，所述柔性半圆柱气腔的一端留有气动接口一，所述气动接口一为所述气体输送管的接口。
在本发明的一个实施例中，所述缠绕纤维为凯夫拉斯纤维，并且缠绕纤维双向缠绕在所述柔性半圆柱气腔的外部。
在本发明的一个实施例中，所述单侧限位层为尼龙柔性材料，并且单侧限位层贴合在所述柔性半圆柱气腔与所述柔性底层之间。
在本发明的一个实施例中，所述柔性底层为与所述柔性半圆柱气腔相同的硅胶材料，并且柔性底层呈长方体状。
在本发明的一个实施例中，所述肘部柔性驱动器包括锁紧机构、气动接口二以及纤维约束气腔，所述气动接口二为所述气体输送管的接口，所述纤维约束气腔为由McKibben肌肉外套编织管的柔性气腔，所述锁紧机构为锁紧所述气动接口二与所述纤维约束气腔的螺栓锁紧机构。
在本发明的一个实施例中，所述肘部紧束结构与所述腕部柔性驱动器固定套均采用魔术带。
在本发明的一个实施例中，所述康复机器人还包括贴合力感知系统和关节转角与整体姿态感知系统，所述贴合力感知系统包括多个薄膜压力传感器和多个拉力传感器，所述关节转角与整体姿态感知系统包括多个弯曲传感器和六轴姿态传感器。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1)本发明公开的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人结构巧妙合理，针对现有技术少有地实现肘关节内旋/外旋康复动作，本发明通过腕关节驱动器与肘关节驱动器的协作，创新性地实现了柔性康复机器人对人体上肢肘关节的旋内/旋外运动，实现了腕肘协同训练的康复动作，提高上肢外骨骼康复机器人对不同康复对象与康复需求的适应性；
2)本发明公开的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人针对现有上肢外骨骼康复机器人虽部分采用了气动肌肉，绳索等柔性驱动、传动方式，但是与上肢接触的大多为刚性结构，同刚性外骨骼机器人一样，仍然可能会对患者上肢造成二次伤害，柔顺性较差的问题，采取全柔性部件，贴合人体，改善穿戴舒适性与动作柔顺性，实现灵活柔顺安全康复任务。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人整体三维结构的穿戴示意图一；
图2是本发明基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人整体三维结构的穿戴示意图二；
图3是本发明基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人腕关节柔性驱动器的整体结构示意图；
图4是本发明基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人腕关节柔性驱动器的关键结构示意图；
图5是本发明基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人肘部柔性驱动器的整体结构示意图；
图6是本发明基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人肘部柔性驱动器的关键结构示意图。
说明书附图标记说明：10、手指限位绑带；11、肘部柔性驱动器；111、锁紧机构；112、气动接口；113、纤维约束气腔；12、气体输送管；13、肘关节紧束结构；14、腕关节柔性驱动器；141、柔性半圆柱气腔；142、缠绕纤维；143；单侧限位层；144；柔性底层；15、模块连接件A；16、模块连接件B；17、腕关节柔性驱动器固定套。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-6所示，本发明的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，包括手指限位绑带10、肘部柔性驱动器11、气体输送管12、肘关节紧束结构13、腕关节柔性驱动器14、模块连接件A15、模块连接件B16以及腕关节柔性驱动器固定套17。
上述将腕关节柔性驱动器14通过腕关节柔性驱动器固定套17固定在人手腕关节上，通过气体输送管12输入气体至腕关节柔性驱动器14，实现腕关节柔性驱动器14单侧弯曲来驱动上肢腕关节的伸展/屈曲动作。将肘部柔性驱动器11一端通过模块连接件A连接手指限位绑带10，另一端通过模块连接件B16连接肘关节紧束结构13，通过输入气体至肘部柔性驱动器11实现肘关节的柔性驱动器收缩/伸长。手指限位绑带10能够通过手掌不可反向弯曲的特点限制大拇指的移动，因此利用手指限位绑带10限制在肘部柔性驱动器11收缩时，大拇指产生的转动。利用腕关节柔性驱动器14实现的上肢腕关节的伸展/屈曲动作，来限制在肘部柔性驱动器11收缩时，腕关节产生的伸展/屈曲动作，实现肘关节动作的解耦，进而实现肘腕联合康复训练。此外，本发明采取全柔性部件，贴合人体，改善穿戴舒适性与动作柔顺性，实现灵活柔顺安全康复任务。
上述模块连接件A15和模块连接件B16起连接作用，上述肘部柔性驱动器11的一端与所述手指限位绑带10的大拇指端绑带与模块连接件连A15连接，所述肘部柔性驱动器11的另一端与模块连接件B16连接，所述手指限位绑带10与所述模块连接件A15连接，所述肘部紧束结构13与模块连接件B16连接，所述腕关节柔性驱动器固定套17固定在人体手腕上，所述腕部柔性驱动器14与所述腕关节柔性驱动器固定套17连接，所述气动输送管12具有两根，分别连接在所述肘部柔性驱动器11上和所述腕关节柔性驱动器14上。
上述腕关节柔性驱动器14包括柔性半圆柱气腔141、缠绕纤维142、单侧限位层143以及柔性底层144。
上述腕关节柔性驱动器14采用筑模的方式使用硅胶溶液浇筑出来，在浇注时使用离心机除去气泡，提升驱动器的材料强度，具有较高气密性。柔性半圆气腔，单侧限位层以及柔性底层之间采用胶体溶液连接。
上述柔性半圆柱气腔141整体呈半圆柱状，采用高度可压缩和可拉伸的硅弹性体制成，一端留有气动接口一，所述气动接口一为所述气体输送管12的接口。
上述缠绕纤维142为以一定角度双向缠绕在所述柔性半圆柱气腔141的凯夫拉斯纤维。
上述柔性底层144为与所述柔性半圆柱气腔141相同的硅胶材料，呈长方体状，所述单侧限位层143为贴合在所述柔性半圆柱气腔141与所述柔性底层144之间的不可拉伸的尼龙柔性材料。
上述缠绕纤维142主要是因为腕关节柔性驱动器14气腔充入气体后发生局部不均匀膨胀，阻碍对执行器的有效控制，即所谓的气球效应。缠绕纤维142能够限制腔体径向膨胀，最大化轴向变形，提高系统能量转化率，增大执行器弯曲就奥都并提高腔体内壁强度。腕关节柔性驱动器14的纤维缠绕方式分单向缠绕和双向缠绕两种，由于缠绕圈数是双向缠绕的一半，单条纤维径向缠绕约束方式对柔性执行器的约束作用较小，因而相比于双向缠绕方式更易于发生弯曲变形，但由于纤维绕线与执行器的径向端面所成一定角度，使柔性执行器末端沿轴向发生旋转，由于实验所使用的执行器为半圆柱形，故旋转角度相对较小。双向对称径向缠绕则会因为对称性，两个方向的旋转效应相互抵消，基本不发生轴向旋转。具体缠绕的方式可根据实际需求进行灵活改变。
上述肘部柔性驱动器11包括锁紧机构111，气动接口二112以及纤维约束气腔113，所述气动接口二112为所述气体输送管12的接口，所述纤维约束气腔113为由McKibben肌肉外套编织管的柔性气腔，所述锁紧机构111为锁紧所述气动接口二112与所述纤维约束气腔113的螺栓锁紧机构。
上述腕关节柔性驱动器14选取的是气动肌腱形式的执行器，在其他实施例中，还可以为其他形式的能实现收缩与伸长的柔性执行器。
上述手指限位绑带10与所述模块连接件A15,模块连接件B16均为贴合人体的不可拉伸的柔性材料。
上述手指限位绑带10利用手掌不可反向弯曲的特点限制大拇指的弯曲，当大拇指因肘部柔性驱动器11产生的收缩拉力产生弯曲时，手掌通过手指限位绑带10提供一个反向的力限制大拇指的弯曲。
上述肘部紧束结构13与所述腕关节柔性驱动器固定套17均为由魔术带改良的紧束带。
上述肘部紧束结构用来替代传统的刚性机构，承受肘部柔性驱动器11的拉力，腕关节柔性驱动器固定套17用来固定腕关节柔性驱动器14，两者都由魔术带改装而来，在其他实例中，还可以采用其他形式的紧束结构如吸盘，柔性束带等。
本发明的康复机器人还包括贴合力感知系统，关节转角与整体姿态感知系统，所述贴合力感知系统包括多个薄膜压力传感器和多个拉力传感器，所述关节转角与整体姿态感知系统包括多个弯曲传感器和六轴姿态传感器。
在上肢外骨骼柔性康复机器人模块连接件B16出安装拉力传感器，在腕关节柔性驱动器14与人体贴合处选取特征点，在特征点处安装压力传感器，用于实时测量柔性驱动器的输出力。通过柔性气动器的数学模型：输出力F，输入气压P，形变量δ三者的耦合关系式，在已知输出力的情况下，能得到输入气压P与形变量δ的关系式，从而通过气动模块输入气压，来控制气动驱动器的形变量δ，从而驱动上肢外骨骼柔性康复机器人进行康复动作。将弯曲传感器放置在腕关节柔性驱动器14的单侧限位层和柔性底层之间，实时测量腕关节伸展/屈曲动作弯曲的角度，将六轴姿态传感器放置在人体小臂上，实时测量肘关节内旋/外旋动作弯曲的角度，用实时感知的信息作为反馈信息来修正运动轨迹，提升康复机器人的运动精度，提高使用舒适性和康复效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于，包括：包括手指限位绑带、肘部柔性驱动器、气体输送管、肘部紧束结构、腕部柔性驱动器、模块连接件A、模块连接件B及腕部柔性驱动器固定套；
其中，所述肘部柔性驱动器和所述腕部柔性驱动器均为气动软体驱动器，所述手指限位绑带、肘部紧束结构、模块连接件A和模块连接件B均为柔性材料，并且所述手指限位绑带、肘部紧束结构、模块连接件A和模块连接件B贴附在人体表面。
2.根据权利要求1所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述模块连接件A和模块连接件B均起连接作用，所述肘部柔性驱动器的一端与所述手指限位绑带的大拇指端绑带部分通过模块连接件连A连接，并且所述肘部柔性驱动器的另一端与模块连接件B连接，所述手指限位绑带与所述模块连接件A连接，所述肘部紧束结构与模块连接件B连接，所述腕部柔性驱动器固定套套设在人体手腕上，所述气体输送管设置为两根，并且两根气体输送管分别连接在所述肘部柔性驱动器上和所述腕部柔性驱动器上。
3.根据权利要求1所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述腕部柔性驱动器包括柔性半圆柱气腔、缠绕纤维、单侧限位层以及柔性底层。
4.根据权利要求3所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述柔性半圆柱气腔整体呈半圆柱状，并且柔性半圆柱气腔采用硅弹性体制成，所述柔性半圆柱气腔的一端留有气动接口一，所述气动接口一为所述气体输送管的接口。
5.根据权利要求3所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述缠绕纤维为凯夫拉斯纤维，并且缠绕纤维双向缠绕在所述柔性半圆柱气腔的外部。
6.根据权利要求3所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述单侧限位层为尼龙柔性材料，并且单侧限位层贴合在所述柔性半圆柱气腔与所述柔性底层之间。
7.根据权利要求3所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述柔性底层为与所述柔性半圆柱气腔相同的硅胶材料，并且柔性底层呈长方体状。
8.根据权利要求1所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述肘部柔性驱动器包括锁紧机构、气动接口二以及纤维约束气腔，所述气动接口二为所述气体输送管的接口，所述纤维约束气腔为由McKibben肌肉外套编织管的柔性气腔，所述锁紧机构为锁紧所述气动接口二与所述纤维约束气腔的螺栓锁紧机构。
9.根据权利要求1所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述肘部紧束结构与所述腕部柔性驱动器固定套均采用魔术带。
10.根据权利要求1所述的基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人，其特征在于：所述康复机器人还包括贴合力感知系统和关节转角与整体姿态感知系统，所述贴合力感知系统包括多个薄膜压力传感器和多个拉力传感器，所述关节转角与整体姿态感知系统包括多个弯曲传感器和六轴姿态传感器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311772109.2A CN117562779A (zh) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311772109.2A CN117562779A (zh) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117562779A true CN117562779A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89895641
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311772109.2A Pending CN117562779A (zh) | 2023-12-21 | 2023-12-21 | 一种基于关节解耦策略的腕肘协同柔性康复机器人 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117562779A (zh) |
-
2023
- 2023-12-21 CN CN202311772109.2A patent/CN117562779A/zh active Pending
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