CN117959144A - 一种手臂康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手臂康复训练系统，包括处理单元和手臂外骨骼，手臂外骨骼包括：前臂旋转电机，设置在人体的躯干部以产生扭矩；鲍登钢索，与前臂旋转电机连接，并且传递前臂旋转电机产生的扭矩；导向套，设置在人体的肘部并限定前臂旋转运动的空间；其中，在鲍登钢索传递的前臂旋转电机的扭矩经过至少两组导向组件和导向滑轮导向后，扭矩被传递到肘部的导向套上的驱动卡盘，驱动卡盘带动驱动杆并使其在导向套的空间轨迹内转动，从而驱动人体前臂做内旋/外旋运动。本发明的手臂康复训练系统，充分考虑了人机工程学和生物力学原理，确保外骨骼系统在助力人体运动时具有良好的适应性和稳定性。

Description

一种手臂康复训练系统

技术领域

本发明涉及康复训练技术领域，尤其涉及一种手臂康复训练系统。

背景技术

现有的康复训练系统，可以利用外骨骼来为患者提供康复训练服务。例如，脑卒中或脊髓损伤致残的根本原因是——中枢神经受到损伤导致肢体无法控制，通过外骨骼机器人带动患者进行康复训练能够重塑肢体与中枢神经之间的联系，实现肢体运动功能的恢复的理想效果。

在临床应用方面，康复外骨骼机器人的优势主要包括运动重复性及一致性好、训练模式丰富和训练反馈效果好三个方面。

首先，外骨骼更适合辅助患者的肢体执行长时间简单重复的运动任务，能够保证康复训练的强度、效果与精度，并且具有良好的运动一致性。

第二，康复外骨骼的处理单元具备可编程能力，可针对患者的损伤程度和康复程度，提供不同强度和模式的个性化训练，増强患者的主动参与意识。

第三，康复外骨骼通常集成有多种传感器，并且具有强大的信息处理能力，可以有效监测和记录整个康复训练过程中人体运动学与生理学等数据，对患者的康复进度给予实时反馈。

但是，当前的手臂外骨骼，尤其是前臂外骨骼，其缺陷在于，肘关节部位的结构简单且笨重，无法使得前臂外骨骼与前臂互相配合使用。

例如，公开号为CN110236879A的专利申请，公开了外骨骼康复训练机械臂及其语音交互系统，通过人机交互模块用于患者与外骨骼康复训练机械臂之间信息的高效交互传递，增加患者康复训练参与性，提高患者使用体验。该发明中的语音广播单元通过控制单元调用系统语音交互提示单元的信息进行语音播报，将信息传递给患者，完成信息流从机器到人的过程。为了增加患者的信息接收渠道，设置了图像显示单元作为语音播报单元的辅助，弥补了外骨骼康复机械臂领域中自然人机交互方面的不足。但是该外骨骼康复训练机械臂的机械结构简单，其前臂旋转机构通常采用固定的C型或整体圆形设计，这使得外骨骼康复机械臂变得笨重且难以适配不同尺寸的肢体。

如上所示，当前的康复用的手臂外骨骼，其缺陷在于：机械结构笨重且无法适配不同尺寸的肢体。本发明希望提供一种能够适配人类的不同尺寸的肘关节和前臂活动的外骨骼。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

现有技术中的前臂外骨骼的机械结构，普遍存在的缺陷是：外骨骼的机械机构笨重，难以与不同尺寸的手臂适配。这使得人在使用手臂外骨骼时，由于手臂外骨骼与自身的手臂的尺寸不匹配，无法高效地完成康复训练动作。

针对该缺陷，如何提供一种轻量化、灵活性好和适配性强的康复训练系统，是当前康复训练用的手臂外骨骼的领域还没有解决的技术问题。

现有技术已经出现通过设置强量化的驱动绳索结构来实现对人体前臂进行牵引训练的技术方案。例如，公开号为CN112077827A的专利文献公开了一种仿竹结构的上肢外骨骼装置，包括：肩部内收外展关节、肩部屈伸关节、肘部屈伸关节、仿竹结构机械臂、驱动模块、背板支架以及电气系统，其中的肩部内收外展关节与肩部屈伸关节通过L型工件相连接，肩部屈伸关节与肘部屈伸关节相连接，仿竹结构机械臂与肘部屈伸关节过盈配合，驱动模块与肩部内收外展关节、肩部屈伸关节、肘部屈伸关节分别相连。该技术方案通过在内部空腔内规划并设置绳索路径或内置其余零件等来实现上至外骨骼的仿生传动。然而，该技术方案中的仿竹机械臂结构只能通过连接肘部屈伸关节结构进行前臂的屈伸模拟过程，无法用于实现前臂旋转运动的辅助康复训练。

针对现有技术之不足，本发明提供了一种手臂康复训练系统，包括处理单元和手臂外骨骼，处理单元和手臂外骨骼的前臂旋转电机以有线和/或无线的方式连接，手臂外骨骼包括前臂旋转电机、鲍登钢索和导向套。前臂旋转电机用于设置在人体的躯干部以产生扭矩；鲍登钢索用于与前臂旋转电机连接，并且传递前臂旋转电机产生的扭矩；导向套用于设置在人体的肘部并限定前臂旋转运动的空间。处理单元用于根据康复训练策略控制前臂旋转电机产生对应的扭矩。在鲍登钢索传递的前臂旋转电机的扭矩经过至少两组导向组件和导向滑轮导向后，扭矩被传递到肘部的导向套上的驱动卡盘，驱动卡盘带动驱动杆并使其在导向套的空间轨迹内转动，从而驱动人体前臂做内旋/外旋运动。

为了实现人体前臂旋转运动的模拟过程，现有技术已经出现尝试通过设置驱动绳索来驱动并实现人体前臂内旋/外旋运动的技术方案。例如，公开号为CN106691778A的专利文献公开了一种穿戴式外骨骼上肢康复机器人，包括手臂调整组件、肩关节屈伸组件、肩关节展收组件、上臂旋转运动组件、肘关节屈伸组件、前臂旋转运动组件、腕关节屈伸组件和机架电机组件；手臂调整组件固定在机架电机组件上，手臂调整组件、肩关节屈伸组件、肩关节展收组件、上臂旋转运动组件、肘关节屈伸组件、前臂旋转运动组件与腕关节屈伸组件之间依次连接。该技术方案中的上臂旋转运动组件和前臂旋转运动组件用于固定上臂和前臂，使得手臂做旋转运动，也即是说，其中的前臂的内旋外旋运动过程主要通过驱动前臂旋转从动轮的转动来实现。然而，该技术方案是通过将前臂限制在前臂旋转从动轮内来实现前臂旋转过程，并通过直接作用于前臂的臂体上来实现其内旋/外旋运动过程，相当于直接将前臂产生扭转。一方面，人体的前臂内旋和外旋过程通常是由人体腕部的转动并带动前臂实现的，此种自然状态下的运动方式与该技术方案中通过直接作用于前臂来带动腕部的内旋/外旋的运动过程完全相反，无法提供更适应于人体运动关系的辅助运动效果。另一方面，由于前臂与肘部连接，肘部无法直接跟随前臂进行内旋/外旋，由此使得前臂的运动范围受限，即人体前臂在实现内旋/外旋运动过程中，腕部的内旋/外旋运动幅度显著大于前臂的内旋/外旋运动幅度，如果仅依靠对前臂施加转动效果来实现相应的腕部的内旋/外旋运动，前臂的转动控制范围相对较小，进而导致其整体的转动控制精度较低，并且一旦前臂整体的转动幅度过大，极易造成关节扭伤。与上述现有技术相比，本发明在鲍登钢索传递的前臂旋转电机的扭矩经过至少两组导向组件和导向滑轮导向以实现两个相对方向的牵引后，扭矩被传递到肘部的导向套上的驱动卡盘，从而驱动卡盘带动驱动杆并使其在导向套的空间轨迹内进行往复转动，并伴随着小幅度的摆动，进而驱动人体前臂做内旋/外旋运动。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何提供一种符合人体前臂和腕部真实内旋和外旋运动轨迹的辅助系统。具体地，人体腕部在执行正常的内旋/外旋运动过程中，将会带动前臂产生轻微的摆动幅度，如果仅依靠类似于上述现有技术中通过直接作用于前臂并将前臂整体进行转动的方式，无法与人体真实的腕部内旋/外旋运动状态相适配，进而导致其辅助人体进行前臂内旋和外旋的准确度较低。相反地，本发明的驱动杆能够在驱动卡盘的带动下同时实现转动与摆动过程，这是现有技术仅依靠夹持前臂的旋转结构所无法实现的。本发明通过前臂旋转电机提供的扭矩牵引驱动杆在有限空间内转动并伴随较小幅度摆动的方式来驱动前臂内旋/外旋，进而模拟真实的人体上肢运动轨迹，使得前臂的康复运动过程更精确。本发明的手臂康复训练系统，在响应于处理单元的控制指令的情况下，能够与不同尺寸的手臂适配，结构简单，装配灵活。本发明的手臂外骨骼充分考虑了人机工程学和生物力学原理，确保外骨骼系统在助力人体运动时具有良好的适应性和稳定性。

根据一个优选实施方式，手臂外骨骼还包括肘部关节模组，肘部关节模组与上臂单元和前臂单元连接，并且肘部关节模组通过鲍登钢索与前臂旋转电机连接，在鲍登钢索传递前臂旋转电机的扭矩的情况下，经过至少两组导向组件和导向滑轮导向后，至少一组鲍登钢索将扭矩传递至肘部关节模组中的重定向滑轮，重定向滑轮驱动肘关节驱动绕盘转动并带动人体的手臂肘关节转动，以实现手臂的伸/屈运动。本发明的手臂外骨骼，通过鲍登钢索和肘部关节模组的伸展与弯曲运动，并且能够对肘关节的运动范围进行限制以保护肘关节。

根据一个优选实施方式，肘部关节模组通过上臂连接件与滑模伸缩组件连接，滑模伸缩组件与第一绑带连接，鲍登钢索以与滑模伸缩组件之间存在间隔的方式设置在滑模伸缩组件的外侧。

滑模块和滑模槽的结构设计使得手臂外骨骼可以沿着手臂的轴向滑动，以适应不同的手臂尺寸。滑模块和滑模槽的结构设计不仅确保了手臂外骨骼的适应性，同时也增加了使用的舒适度。调节螺栓能够使得用户可以根据自己的手臂尺寸来轻松地调整手臂外骨骼的各个绑带的位置。如此设置的优势在于，使得手臂外骨骼可以适应各种不同的尺寸需求，无论是儿童还是成年人都可以使用本发明的手臂外骨骼。第一绑带的结构进一步加强了手臂外骨骼的稳定性和舒适度。本发明的多个绑带不仅可以帮助手臂外骨骼更好地固定在手臂上，同时也为手臂提供了额外的支撑和保护。

根据一个优选实施方式，肘部关节模组的表面设置有至少两个导向组件，鲍登钢索通过导向组件弯曲并通过导向滑轮连接驱动卡盘，在鲍登钢索传递前臂旋转电机的扭矩的情况下，鲍登钢索将前臂旋转电机的扭矩传递至驱动卡盘。

本发明中，驱动卡盘是手臂康复训练系统中的核心部件之一，其转动的准确性直接影响着手臂外骨骼对前臂内旋和外旋运动的控制效果。通过鲍登钢索带动驱动卡盘转动，能够实现对人体的前臂内旋和外旋运动的有效驱动。

根据一个优选实施方式，导向套包括驱动卡盘，驱动卡盘包括卡盘片和钢索绞盘，卡盘片限制驱动杆位置并带动驱动杆转动。本发明的卡盘片卡住驱动杆，并且带动驱动杆转动，能够承受频繁的前臂内、外旋运动所带来的载荷，降低驱动杆的滑动磨损程度。

根据一个优选实施方式，驱动杆包括套杆、轴杆、连接杆和至少两个向心关节轴承，套杆的第一端以允许轴杆在其内互动的方式与轴杆连接，至少一个向心关节轴承设置在轴杆的不接触套杆的一端；套杆的第二端以允许连接杆在其内互动的方式与连接杆连接，至少一个向心关节轴承设置在连接杆的不接触套杆的一端。如此设置，使得整个驱动杆可以在一定的空间内形成任意姿态。驱动杆具有可伸缩功能的优势在于，(1)能够适配当驱动前臂内、外旋时的长度变化，(2)驱动杆与用户的前臂的长度相匹配，提高手臂外骨骼的适配度。

根据一个优选实施方式，肘部关节模组包括重定向滑轮、肘关节驱动绕盘、薄壁轴承和限位块，鲍登钢索通过重定向滑轮导向并缠绕在肘关节驱动绕盘上，薄壁轴承以同轴的方式设置在肘关节驱动绕盘的一侧，限位块设置在肘关节驱动绕盘与肘关节模组外壳之间，用于限定肘关节驱动绕盘的转动角度范围。与上述现有技术相比，本发明的鲍登钢索通过重定向滑轮导向并缠绕在肘关节驱动绕盘上，以将鲍登钢索的施力方向进行固定。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在肘关节驱动绕盘的转动过程中实现鲍登钢索的定向施力。具体地，由于鲍登钢索用于传递扭矩，肘关节驱动绕盘的转动过程必然伴随着鲍登钢索的位置变化，如果缺少重定向滑轮结构，鲍登钢索传递扭矩过程的施力方向将随着肘关节驱动绕盘的转动时刻发生变化，进而导致鲍登钢索与肘部关节模组内壁产生摩擦，或者导致鲍登钢索的施力不均等，这些因素都将导致肘部关节模组机械损耗的增加，极易发生机械故障，进而影响手臂康复训练系统的使用寿命。本发明通过设置重定向滑轮，能够将鲍登钢索在扭矩传递过程中的施力方向进行固定，以避免肘关节驱动绕盘的不同转动角度对鲍登钢索产生的不利影响。进一步地，本发明中，在壳体内侧设计了限位块，用于限定绞盘的转动角度范围，从而防止由于控制失效或其他不可抗拒因素导致的角度超限。该设计在实际使用时对肘关节的角度极限进行机械保护，确保康复训练系统的安全性。

根据一个优选实施方式，肘部关节模组还包括定位套，定位套以与肘关节驱动绕盘同轴的方式设置在薄壁轴承的靠近肘关节模组外壳肘部关节模组外壳的一侧。定位套的结构呈环形。定位套的作用是作为薄壁轴承的轴端挡圈，为薄壁轴承提供轴端精确定位和端部支持，防止轴承和肘关节驱动绕盘轴向移动，确保肘关节驱动绕盘在设计位置上稳定运行。

根据一个优选实施方式，通过上臂连接件与肘部关节模组连接的滑模伸缩组件包括滑模块和滑模槽，滑模块的一端与第一绑带连接；滑模槽以可滑动的方式与滑模块的另一端连接，并且滑模块和滑模槽通过调节螺栓来调节连接位置，以使得通过调节滑模伸缩组件的可调节长度来调节第一绑带或肘部关节模组的位置。本发明通过调节螺栓来调节滑模伸缩组件的可调节长度，使得手臂外骨骼与不同尺寸的手臂相匹配。

根据一个优选实施方式，驱动杆的第一端与设置在第一绑带上的固定基座连接，驱动杆的第二端与腕部套件连接，在驱动杆被鲍登钢索转动的情况下，腕部套件转动以带动前臂做内旋/外旋运动。本发明的驱动杆如此设计，能够使得手臂外骨骼的前臂部分与人的前臂互相匹配，前臂部分更容易内旋和外旋。

附图说明

图1是本发明提供的手臂康复训练系统的结构示意图；

图2是本发明提供的手臂外骨骼的结构示意图；

图3是本发明提供的前臂单元的结构示意图；

图4是本发明提供的导向套的爆炸结构示意图；

图5是本发明提供的上臂单元的结构示意图；

图6是本发明提供的前臂单元的侧视角度的结构示意图；

图7是本发明提供的导向组件的侧面的透视结构图；

图8是本发明提供的肘部关节模组的连接结构示意图；

图9是本发明提供的驱动杆的结构示意图。

附图标记列表

100：手臂外骨骼；101：第一绑带；102：腕部套件；103：驱动杆；104：导向套；105：肘部关节模组；106：导向组件；107：上臂连接件；108：鲍登钢索；109：滑模伸缩组件；110：前臂连接件；111：卡盘片：112：固定基座；113：端口螺母；114：端子固定件；115：前臂轴端固件；116：钢索绞盘；117：导向滑轮；118：鲍登线；119：驱动卡盘；120：滑模块；121：滑模槽；122：调节螺栓；123：重定向滑轮；124：肘部关节模组外壳；125：限位块；126：肘关节驱动绕盘；127：薄壁轴承；128：定位套；129：重定向组件外壳；130：套杆；131：轴杆；132：连接杆；133：向心关节轴承；134：第二绑带；135：挡块；200：处理单元；300：前臂旋转电机。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

现有技术中的前臂外骨骼的机械结构，普遍存在的缺陷是：外骨骼的机械机构笨重，难以与不同尺寸的手臂适配。这使得人在使用手臂外骨骼100时，由于手臂外骨骼100与自身的手臂的尺寸不匹配，无法高效地完成康复训练动作。

针对该缺陷，如何提供一种轻量化、灵活性好和适配性强的康复训练系统，是当前康复训练用的手臂外骨骼的领域还没有解决的技术问题。

本发明对部分名词术语进行说明。

鲍登钢索108：类似于自行车的刹车线，外部有高韧性的套管，内部是鲍登线118。外部刚性套管保证了套管沿长度方向几乎不可压缩和变形，当套管被固定时，其内部的鲍登线118就可以传递拉力。在本发明中，鲍登钢索108用于传递扭矩。

鲍登线118：鲍登钢索108内的钢丝，用于被拉动以传递前臂旋转电机300的扭矩。

绑带：绑带是手臂外骨骼与人的身体直接力接触的部件，通常需要采用较为柔软且耐用的材料制作。绑带的材料例如是聚乙烯塑料等。绑带的主要功能是将手臂外骨骼连接并固定在人体的手臂上，并且兼顾一定的舒适性和支撑性。绑带可以单独拆卸更换，以适配不同人体手臂尺寸。

实施例1

本发明提供了一种手臂康复训练系统，如图1所示，包括处理单元200和手臂外骨骼100。处理单元200为能够执行康复训练策略的编码程序的专用集成芯片、服务器等硬件。处理单元200和手臂外骨骼100的前臂旋转电机300以有线和/或无线的方式连接。优选地，处理单元200通过控制器与手臂外骨骼100的前臂旋转电机300以有线和/或无线的方式连接。在无线连接的情况下，处理单元200包括无线通信组件，控制器或手臂外骨骼100的前臂旋转电机300包括无线通信组件。处理单元200用于根据康复训练策略控制前臂旋转电机300产生对应的扭矩。

患者按预设的康复训练策略的编码程序进行康复训练，有利于提高人体康复疗效，缩短康复周期。本发明的手臂康复训练系统不仅可以单独辅助患者进行上肢康复训练动作，还可以配合其他康复医疗器械工作，还可以用于辅助患者进行相关的康复治疗。

当前康复训练策略比较成熟，本发明在此不详细说明。本发明主要对手臂外骨骼100的结构进行说明。

处理单元200内设置有康复训练模型。康复训练模型内存储了与人体的各个姿势对应的各个前臂旋转电机300应当实施的转动方向、转动角度、力矩大小等扭矩参数。在需要驱动手臂实现某个姿势的情况下。处理单元200按照对应的扭矩参数向前臂旋转电机300发送控制指令，以使得前臂旋转电机300通过鲍登钢索108传动扭矩并驱动前臂实现对应的运动动作。在需要通过手臂外骨骼驱动手臂实现连续的运动动作的情况下，处理单元200按照与时间相关的扭矩参数来控制各个前臂旋转电机300及与其连接的各个鲍登线118的传送扭矩，使得手臂在手臂外骨骼的驱动下实现指定运动动作。

如图2所示，手臂外骨骼100包括上臂单元、肘部关节模组105和前臂单元。上臂单元与肘部关节模组105以机械结构的方式连接。肘部关节模组105和前臂单元以机械结构的方式连接。

上臂单元、肘部关节模组105和前臂单元依次由鲍登钢索108传递前臂旋转电机300的扭矩。上臂单元用于与人体的上臂单元互相适配。肘部关节模组105用于与人体的肘部关节互相适配。前臂单元用于与人体的前臂互相适配。

本发明的图1简单示出前臂旋转电机300。前臂旋转电机300用于设置在人体的躯干部以产生扭矩。本发明的图2～图9中重点示出了手臂外骨骼100的结构示意图。

图5和图6示出了上臂单元的机械结构的示意图。如图2、图5和图6所示，上臂单元可以包括第一绑带101、滑模伸缩组件109和上臂连接件107。滑模伸缩组件109的第一端与第一绑带101连接。滑模伸缩组件109的第二端与上臂连接件107连接。

根据一个优选实施方式，滑模伸缩组件109包括滑模块120和滑模槽121。滑模块120的一端与第一绑带101连接。滑模槽121以可滑动的方式与滑模块120的另一端连接。滑模块120和滑模槽121通过调节螺栓122来调节连接位置，以使得通过调节滑模伸缩组件109内的彼此嵌入的长度的方式来调节滑模伸缩组件109的伸缩范围。滑模伸缩组件109的伸缩范围越小，第一绑带101和上臂连接件107之间的距离越小，即第一绑带101和上臂连接件107越靠近。滑模伸缩组件109的伸缩范围越大，第一绑带101和上臂连接件107之间的距离越大，即第一绑带101和上臂连接件107越远离。优选地，通过调节螺栓122来调节滑模伸缩组件109的整体的长度，能够使得上臂单元适配于人体不同尺寸的上臂。

滑模块120和滑模槽121的组合设计使得上臂单元的第一绑带101可以沿着手臂滑动，以适应不同的手臂尺寸。这样设计的优势在于，不仅保证了手臂外骨骼100的结构的适应性，同时也增加了其使用的舒适度。调节螺栓122的存在使得用户可以根据自己的手臂尺寸轻松地调整手臂外骨骼100的第一绑带101的位置。本发明的手臂外骨骼100可以适应各种不同的尺寸需求，无论是儿童还是成年人都可以佩带。上臂单元中的第一绑带101的设置进一步加强了手臂外骨骼100的稳定性和舒适度。滑模伸缩组件109不仅可以帮助手臂外骨骼100更好地固定在手臂上，同时也为手臂外骨骼100提供了额外的支撑和保护。

图8示出了肘部关节模组105的结构示意图。如图2所示，肘部关节模组105与上臂连接件107和前臂连接件110机械连接。肘部关节模组105用于限制肘关节的屈伸角度，以及实现肘关节的伸展与弯曲运动。

肘关节是连接上臂和前臂的关键部位，由肱骨(上臂骨)、桡骨和尺骨(前臂的两块骨头)组成，其结构类似于铰链。人体的肘关节的活动范围大约在9～137°之间。肘关节的活动对于日常生活例如抓取物体、推拉等动作任务的执行至关重要。前臂的旋转运动涉及到桡骨和尺骨的协同运动。成年人的平均前臂内旋转角度为84°，外旋转角度为82°。为了确保手臂外骨骼100能够与更广泛的患者的手臂适配，本发明将前臂单元的旋转极限角度增大到90°，肘关节屈伸极限角度增加到了150°。

如图8所示，肘部关节模组105包括重定向滑轮123、肘关节驱动绕盘126、薄壁轴承127和限位块125。重定向滑轮123和肘关节驱动绕盘126设置在同一旋转平面，使得鲍登钢索108通过重定向滑轮123导向并缠绕在肘关节驱动绕盘126上。薄壁轴承127以同轴的方式设置在肘关节驱动绕盘126的一侧。在本发明的图8中，薄壁轴承127设置在肘关节驱动绕盘126的左侧。定位套128以与肘关节驱动绕盘126以同轴的方式设置在薄壁轴承127的靠近肘部关节模组外壳124的一侧，使得薄壁轴承127位于肘关节驱动绕盘126和定位套128之间。

肘关节驱动绕盘126由绕在其盘上的可双向传动的鲍登线118驱动。至少一个限位块125设置在肘关节驱动绕盘126与肘部关节模组外壳124之间。在图8中，限位块125设置在肘关节驱动绕盘126的右侧。限位块125用于限定肘关节驱动绕盘126的转动角度范围。

优选地，肘部关节模组105的外部包覆有肘部关节模组外壳124。例如，在图8中，肘部关节模组外壳124从肘关节驱动绕盘126的轴向的两个方向相对地将肘部关节模组105包覆。优选地，肘部关节模组外壳124上适应性地设置有与肘部关节模组105匹配的空腔、沟槽和固定孔，以使得两侧肘部关节模组外壳124在彼此接触时能够相对固定。优选地，在两侧肘部关节模组外壳124相对固定完成后，利用若干螺栓穿过固定孔来将彼此相对的两个肘部关节模组外壳124机械固定。肘部关节模组外壳124采用轻质的铝材料，一方面用于固定内部的各个组件，另一方面为鲍登线118和轴承等需要润滑的元件提供一个密封环境，从而提高装备的使用寿命。

本发明中，在肘关节驱动绕盘126的侧壁设置至少两个限位块125，用于限定绞盘的转动角度范围，从而防止由于控制失效或其他不可抗拒因素导致的角度超限。如图8所示，两个限位块125设置在肘关节驱动绕盘126的不同周向位置，并且一个限位块125设置在左侧的肘部关节驱动模组外壳124的上部，另一个限位块125设置在右侧的肘部关节驱动模组外壳124的下部。

限位块125与肘部关节驱动模组外壳124注塑成一体。肘关节驱动绕盘126上设置有挡块135。挡块135与鲍登线118之间存在间隙，即挡块135不影响肘关节驱动绕盘126上的鲍登线118的移动。挡块135的接触鲍登线118的一侧可以设置有允许鲍登线118滑动的若干沟槽，以便使得鲍登线118有序移动，避免鲍登线118移位并打结。

当鲍登线118驱动肘关节驱动绕盘126旋转时，挡块135被限制在两个限位块125所形成的圆周角范围内，从而确保肘部关节模组105的转动角度不会超出设计范围。

在肘关节驱动绕盘126转动的情况下，限位块125对肘关节驱动绕盘126的转动角度的极限进行机械限制，确保康复训练系统的安全性。限位块125还可预防因电机或其它零件失控并导致穿戴者受伤的情况。

在鲍登线118从肘关节驱动绕盘126绕出后，通过重定向滑轮123缠绕并改变导向，使得鲍登线118的输入端和输出端尽可能靠近甚至并行，从而使整个肘部关节模组105结构更加紧凑，装配更加灵活。肘部关节模组105内部的重定向滑轮123与肘关节驱动绕盘126相互配合，提高了肘部关节模组105的空间利用率。本发明的肘部关节模组105的结构紧凑轻巧，可模块化装配。

考虑到其相对远离上臂单元的位置，因此前臂单元的设计的轻量化和紧凑性成为设计的首要考虑因素。传统的前臂旋转机构通常采用固定的C型或整体圆形设计，这使得手臂外骨骼100变得笨重且难以适配不同尺寸的肢体。本发明观察到前臂内旋运动时桡骨和尺骨相对旋转的特性，尤其是这种相对运动在前臂靠近手腕端处表现的更为明显，而在肘关节端相对旋转的幅度较小。本发明将前臂单元的第二绑带134安装在前臂的肘部关节端，而随动构件则通过机械结构固定在靠近手腕端，确保前臂旋转时不会对手臂外骨骼100的稳定性和刚性产生负面影响。

如图2所示，前臂单元包括导向套104、第二绑带134和腕部套件102。导向套104设置在第二绑带134的外侧。导向套104用于设置在人体的肘部并限定前臂旋转运动的空间。如图3所示，第二绑带134的外侧设置有前臂轴端固件115。前臂轴端固件115用于固定第二绑带134和若干元件。前臂轴端固件115通过前臂连接件110与肘部关节模组105机械连接。固定基座112设置在前臂轴端固件115上。端子固定件114用于允许鲍登线118贯穿并限制鲍登线118的摆动和横向移动。端子固定件114设置在固定基座112的两侧。两个端子固定件114的连线与鲍登线118的方向近似垂直。

如图4所示，前臂轴端固件115的朝向腕部套件102的一端设置有驱动卡盘119。驱动卡盘119被导向套104包覆并存在导向套104内的空腔中。驱动卡盘119包括卡盘片111和钢索绞盘116。卡盘片111的贯穿孔朝向腕部套件102所在方向。卡盘片111内设置有用于卡住驱动杆103的孔。孔可以是开放式的孔，也可以是封闭的孔。钢索绞盘116设置在卡盘片111的朝向腕部套件102的一侧，并且钢索绞盘116的中心线与前臂的轴向非垂直。例如，钢索绞盘116上的鲍登线118的缠绕方向与前臂的轴向近似垂直。驱动杆103的第一端的向心关节轴承133与固定基座112以可转动的方式机械连接。驱动杆103贯穿卡盘片111的贯穿孔。驱动杆103的第二端的向心关节轴承133与腕部套件102上的连接端以可转动的方式连接，使得腕部套件102与驱动杆103能够适应性调整连接角度。在驱动杆103被鲍登钢索108转动的情况下，腕部套件102转动以带动前臂做内旋/外旋运动。本发明的驱动杆103如此设计，能够使得手臂外骨骼100的前臂部分与人的前臂互相匹配，前臂部分更容易内旋和外旋。

卡盘片111限制驱动杆103位置并带动驱动杆103转动。本发明的卡盘片111卡住驱动杆103，并且带动驱动杆103转动，能够承受频繁的前臂内、外旋运动所带来的载荷，降低驱动杆103的滑动磨损程度。

前臂轴端固件115的靠近腕部套件102的一端还设置有至少两个导向滑轮117。至少两个导向滑轮117设置在导向套104的两侧，并且导向滑轮117的轴线的高度趋近于端子固定件114的孔所在的高度，使得鲍登线118在贯穿端子固定件114后能够通过导向滑轮117弯曲且导向至连接驱动杆103的连接位置，使得鲍登线118能够牵引驱动杆103移动和转动。本发明如此设置前臂单元，能够实现对人体前臂内旋和外旋运动的有效驱动。卡盘片111采用具有高强度和耐磨性的材料制成，以承受频繁的前臂内、外旋运动所带来的载荷并降低对驱动杆103的滑动磨损程度。

本发明的前臂单元利用第二绑带134和可伸缩的驱动杆103，使前臂在旋转时保持稳定性和刚性，同时考虑了前臂旋转运动的自然特性。

在固定基座112与随动构件之间，本发明引入一根可伸缩的驱动杆103来实现力的传导。随动构件是指能够适应性移动的构件，代指本发明中的多种构件。这样设置的优势在于，不仅避免了整只手臂被包裹的情况，同时在轻量化方面取得了最优效果。驱动杆103的两端采用向心关节轴承133固定，使其能够在空间内做任意的摆动与旋转运动。结合肘部关节模组105，使得力从前臂驱动电机传递出来，鲍登线118绕过重定向滑轮123后施加到导向滑轮117上，推动驱动杆103旋转，从而带动前臂进行内、外旋转。需要注意的是，前臂单元的运动轨迹必须与手臂的内、外旋转一致，并为手臂的内、外旋转提供力的支持。因此，本发明的驱动杆103的运动轨迹被限制在与手臂的尺寸和运动学模型相关的空间中，这也是导向套104的结构如此设计的原因。

为了精确地确定导向套104的形状和尺寸，本发明首先建立与人体前臂尺寸及运动特征相关联的空间数学模型。具体地，基于对人体前臂的实际测量和观察，通过详细分析前臂的生理结构和运动机理，提取关键尺寸和运动参数，进而构建出与人体前臂尺寸及运动特征紧密相关的空间数学模型。导向套104的结构设计直接影响到外骨骼系统的整体性能和穿戴者的舒适度。因此，本发明采用“反构法”，将空间数学模型中的参数转化为导向套104内部空间的几何形状描述。这一独特的设计方法使得导向套104能够更好地适应人体前臂的生理结构和运动需求，提高手臂外骨骼100对前臂内、外旋运动的控制精度和稳定性。导向套104可以通过3D增材制造技术来进行加工。

如图9所示，驱动杆103包括套杆130、轴杆131、连接杆132和至少两个向心关节轴承133。套杆130的第一端以允许轴杆131在其内滑动的方式与轴杆131连接。至少一个向心关节轴承133设置在轴杆131的不接触套杆130的一端。套杆130的第二端以允许连接杆132在其内滑动的方式与连接杆132连接。至少一个向心关节轴承133设置在连接杆132的不接触套杆130的一端。如此设置，使得整个驱动杆103可以在一定的空间内形成任意姿态。驱动杆103具有可伸缩功能的优势在于，(1)能够适配当驱动前臂内、外旋时的长度变化，(2)驱动杆103与用户的前臂的长度相匹配，提高手臂外骨骼100的适配度。

优选地，第一绑带101和肘部关节模组105设置有导向组件106。如图7所示，导向组件106由重定向滑轮123、端口螺母113、导向件外壳组成。导向件外壳的进口和出口均设置有端口螺母113。导向件外壳内的空腔设置有至少一个重定向滑轮123。

在导向组件106内，鲍登线118直接与重定向滑轮123接触并被导向。在鲍登线118的传动过程中只产生静摩擦力，避免了当鲍登线118直接弯曲时由钢索套与鲍登线118之间滑动摩擦和弯曲应力，从而降低了传动能力的损失，提高整个手臂外骨骼100的传动效率。导向组件106的出入口夹角为90°，并且可模块化组装和搭配，保证任意位置的准确定位和平稳转动，使得鲍登钢索108能够顺畅地传递扭矩，从而提高了整个外骨骼系统的灵敏性和可控性。

如图2所示，鲍登钢索108以与滑模伸缩组件109之间存在间隔的方式设置在滑模伸缩组件109的外侧。在鲍登钢索108贯穿导向组件106并由导向组件106导向后，鲍登钢索108连接端子固定件114并使得鲍登线118贯穿端子固定件114上的孔。鲍登线118通过端子固定件114后由导向滑轮117导向并绕在钢索绞盘116上。与钢索绞盘116所连接的卡盘片111带动驱动杆103旋转，从而驱动前臂内旋和外旋。

如图2所示，在鲍登钢索108传递的前臂旋转电机300的扭矩经过至少两组导向组件106和导向滑轮117导向后，扭矩被传递到肘部的导向套104上的驱动卡盘119。驱动卡盘119带动驱动杆103并使其在导向套104的空间轨迹内转动，从而驱动人体前臂做内旋/外旋运动。

本发明的手臂康复训练系统，在响应于处理单元200的控制指令的情况下，能够与不同尺寸的手臂适配，结构简单，装配灵活。本发明的手臂外骨骼100充分考虑了人机工程学和生物力学原理，确保外骨骼系统在助力人体运动时具有良好的适应性和稳定性。

如图2所示，在鲍登钢索108传递前臂旋转电机300的扭矩的情况下，经过至少两组钢索导向组件106和导向滑轮导向后，至少一组鲍登钢索108将扭矩传递至肘部关节模组105中的重定向滑轮123，重定向滑轮123驱动肘关节驱动绕盘126转动并带动人体的手臂肘关节转动，以实现手臂的伸/屈运动。本发明的手臂外骨骼100，通过鲍登钢索108和肘部关节模组105的伸展与弯曲运动，并且能够对肘关节的运动范围进行限制以保护肘关节。

本发明的鲍登钢索108与若干滑轮组成的滑轮传动结构，使得整个手臂外骨骼100的设计不仅实现了功能性需求，还具有了轻量化、灵活性和适配性等特征，优化了传统电机驱动的繁重，在人机工程学上具有创新性的应用。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种手臂康复训练系统，包括处理单元(200)和手臂外骨骼(100)，处理单元(200)和手臂外骨骼(100)的前臂旋转电机(300)以有线和/或无线的方式连接，其特征在于，

所述手臂外骨骼(100)包括：

前臂旋转电机(300)，设置在人体的躯干部以产生扭矩；

鲍登钢索(108)，与所述前臂旋转电机(300)连接，并且传递所述前臂旋转电机(300)产生的扭矩；

导向套(104)，限定前臂旋转运动的空间；

其中，

在所述鲍登钢索(108)传递的所述前臂旋转电机(300)的扭矩经过至少两组导向组件(106)和导向滑轮(117)导向后，所述扭矩被传递到肘部的所述导向套(104)上的驱动卡盘(119)，所述驱动卡盘(119)带动驱动杆(103)并使其在所述导向套(104)的空间轨迹内转动，从而驱动人体前臂做内旋/外旋运动。

2.根据权利要求1所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述手臂外骨骼(100)还包括肘部关节模组(105)，所述肘部关节模组(105)与上臂单元和前臂单元连接，并且所述肘部关节模组(105)通过所述鲍登钢索(108)与所述前臂旋转电机(300)连接，

在所述鲍登钢索(108)传递所述前臂旋转电机(300)的扭矩的情况下，经过至少两组所述导向组件(106)和导向滑轮(117)导向后，至少一组鲍登钢索(108)将所述扭矩传递至所述肘部关节模组(105)中的重定向滑轮(123)，所述重定向滑轮(123)驱动肘关节驱动绕盘(126)转动并带动人体的手臂肘关节转动，以实现手臂的伸/屈运动。

3.根据权利要求2所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述肘部关节模组(105)通过上臂连接件(107)与滑模伸缩组件(109)连接，

所述滑模伸缩组件(109)与第一绑带(101)连接，

所述鲍登钢索(108)以与所述滑模伸缩组件(109)之间存在间隔的方式设置在所述滑模伸缩组件(109)的外侧。

4.根据权利要求1～3任一项所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述肘部关节模组(105)的表面设置有至少两个导向组件(106)，

所述鲍登钢索(108)通过所述导向组件(106)弯曲并通过导向滑轮(117)连接驱动卡盘(119)，

在所述鲍登钢索(108)传递所述前臂旋转电机(300)的扭矩的情况下，所述鲍登线(118)将所述前臂旋转电机(300)的扭矩传递至驱动卡盘(119)。

5.根据权利要求1～4任一项所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述导向套(104)包括驱动卡盘(119)，所述驱动卡盘(119)包括卡盘片(111)和钢索绞盘(116)，

所述卡盘片(111)限制所述驱动杆(103)位置并带动所述驱动杆(103)转动。

6.根据权利要求1～5任一项所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述驱动杆(103)包括套杆(130)、轴杆(131)、连接杆(132)和至少两个向心关节轴承(133)，

所述套杆(130)的第一端以允许所述轴杆(131)在其内互动的方式与所述轴杆(131)连接，至少一个所述向心关节轴承(133)设置在所述轴杆(131)的不接触所述套杆(130)的一端；

所述套杆(130)的第二端以允许所述连接杆(132)在其内互动的方式与所述连接杆(132)连接，至少一个所述向心关节轴承(133)设置在所述连接杆(132)的不接触所述套杆(130)的一端。

7.根据权利要求1～6任一项所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述肘部关节模组(105)包括重定向滑轮(123)、肘关节驱动绕盘(126)、薄壁轴承(127)和限位块(125)，

所述鲍登钢索(108)通过所述重定向滑轮(123)导向并缠绕在所述肘关节驱动绕盘(126)上，

所述薄壁轴承(127)以同轴的方式设置在所述肘关节驱动绕盘(126)的一侧，

所述限位块(125)设置在所述肘关节驱动绕盘(126)与肘部关节模组外壳(124)之间，用于限定所述肘关节驱动绕盘(126)的转动角度范围。

8.根据权利要求1～7任一项所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述肘部关节模组(105)还包括定位套(128)，

所述定位套(128)以与所述肘关节驱动绕盘(126)同轴的方式设置在所述薄壁轴承(127)的靠近肘部关节模组外壳(124)的一侧。

9.根据权利要求1～8任一项所述的手臂康复训练系统，其特征在于，通过上臂连接件(107)与所述肘部关节模组(105)连接的滑模伸缩组件(109)包括滑模块(120)和滑模槽(121)，

所述滑模块(120)的一端与第一绑带(101)连接；

所述滑模槽(121)以可滑动的方式与所述滑模块(120)的另一端连接，并且所述滑模块(120)和所述滑模槽(121)通过调节螺栓(122)来调节连接位置，以使得通过调节所述滑模伸缩组件(109)的可调节长度来调节第一绑带(101)或所述肘部关节模组(105)的位置。

10.根据权利要求1～9任一项所述的手臂康复训练系统，其特征在于，所述驱动杆(103)的第一端与设置在第一绑带(101)上的固定基座(112)连接，所述驱动杆(103)的第二端与腕部套件(102)连接，

在所述驱动杆(103)被所述鲍登钢索(108)转动的情况下，所述腕部套件(102)转动以带动前臂做内旋/外旋运动。