CN215740259U - 一种串并联外骨骼式上肢康复机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种串并联外骨骼式上肢康复机构，用于根据接收的控制信号牵引人体上肢，其包括：肩平台，肩平台包括呈三角形部署的第一锚点、第二锚点和第三锚点；大臂部，大臂部包括通过第一万向节连接于第一锚点的大臂主体，以及与大臂主体并联的第一运动支链和第二运动支链；第一运动支链中串联有与大臂主体连接的第一球副、第一移动副和与第二锚点连接的第二万向节；第二运动支链中串联有与大臂主体连接的第二球副、第二移动副和与第三锚点连接的第三万向节；以及，驱动系统；其中，第一移动副和第二移动副由驱动系统分别驱动。本实用新型提供的运动系统易于控制，结构简单，便于推广。

Description

一种串并联外骨骼式上肢康复机构

技术领域

本实用新型属于穿戴式医疗辅助设备领域，尤其涉及一种辅助上肢康复运动的穿戴设备。

背景技术

现有技术中，运动系统损伤患者进行多关节康复训练时，可以在使用穿戴式辅助装置的情况下进行减负荷活动。其中，针对多关节康复训练的穿戴式上肢外骨骼机器人，目前存在的问题是：一方面，人体上肢涉及关节较多，且各关节在各自由度上的运动范围较大，在强度要求下，装置的机械结构较为复杂而难以实现；另一方面，进行被动康复训练的外骨骼机器人必须包含动力源及控制系统，因此其体积大、重量大，人体上肢难以穿戴和承载。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种串并联外骨骼式上肢康复机构，用于辅助患者实施康复训练。

本实用新型提供技术方案为一种串并联外骨骼式上肢康复机构，包括：

肩平台，所述肩平台包括呈三角形部署的第一锚点、第二锚点和第三锚点；

大臂部，所述大臂部包括通过第一万向节连接于所述第一锚点的大臂主体，以及与所述大臂主体并联的第一运动支链和第二运动支链；所述第一运动支链中串联有与所述大臂主体连接的第一球副、第一移动副和与所述第二锚点连接的第二万向节；所述第二运动支链中串联有与所述大臂主体连接的第二球副、第二移动副和与所述第三锚点连接的第三万向节；

以及，驱动系统；

其中，所述第一移动副和所述第二移动副由所述驱动系统分别驱动。

容易理解，第一锚点、第二锚点和第三锚点的三角形布局，有助于第一运动支链和第二运动支链从两个正交方向牵引大臂主体绕第一锚点在两个自由度上旋转。第一运动支链和第二运动支链的各自的移动副提供了便于驱动连接的机械结构。在两个旋转自由度上运动的大臂主体可以用于牵引人体大臂以辅助肩关节的运动。

优选的，所述三角形为直角三角形。该设计下，第一运动支链和第二运动支链的伸缩完全不会相互干扰，不必设置复杂的协同控制。

优选的。所述大臂主体包括用于固定人体大臂的第一绑定部、与所述第一球副连接的第一牵引部和与所述第二球副连接的第二牵引部；所述第一绑定部、所述第一牵引部和所述第二牵引部沿所述大臂主体周向分散设置。

优选的，所述第一绑定部、所述第一牵引部和所述第二牵引部沿所述大臂主体轴向分散设置。

一些实施例中，串并联外骨骼式上肢康复机构包括小臂部，所述小臂部通过正交串联的两个转动副与所述大臂主体连接；所述两个转动副均由所述驱动系统分别驱动。转动副提供了便于驱动的机械结构，小臂部可用于牵引人体小臂以模仿肘关节活动。

优选的，所述小臂部包括用于固定人体小臂的第二绑定部。

上述实施例的进一步改进中，串并联外骨骼式上肢康复机构还包括手部，所述手部通过正交串联的两个转动副与所述小臂部连接；所述两个转动副均由所述驱动系统分别驱动。类似的，手部可用于牵引人体手以模仿腕关节活动。

优选的，所述手部包括用于固定人体手的第三绑定部。

上述各个技术方案的一个优选在于，所述驱动系统为气动控制系统，其包括气阀、气管和空压机；当所述串并联外骨骼式上肢康复机构包括移动副时，所述驱动系统包括气缸，并通过所述气缸驱动所述移动副运动；当所述串并联外骨骼式上肢康复机构包括转动副时，所述驱动系统包括气马达，并通过所述气马达驱动所述转动副运动。

上述各个技术方案的一个优选在于，所述肩平台为座椅支架，以便使用者以稳定坐姿佩戴本串并联外骨骼式上肢康复机构。

本实用新型技术方案带来的技术效果在于提供了一种小型的、便于驱动的、静态穿戴的外骨骼式上肢康复机构,解决了目前针对多关节康复训练的穿戴式上肢外骨骼机器人中在上肢关节的自由度较多条件下实现被动康复训练的问题，同时，克服了进行被动康复训练的外骨骼机器人必须包含动力源及控制系统，体积和重量受限。一些实施例中，串并联外骨骼式上肢康复机构由肩部、大臂部、小臂部和末端手部组成，肩部固定在座椅支架上形成肩平台，肩部和大臂部组成肩关节，实现上肢的屈曲/伸展、内收/外摆两个自由度；大臂部和小臂部组成肘关节，实现屈曲/伸展、内收/外摆两个自由度；小臂部和末端手部组成腕关节，实现屈曲/伸展、内收/外摆两个自由度，共6个自由度。大臂部为(2-UPS+UP)并联机构，通过两个气缸实现大臂屈曲/伸展、内收/外摆运动，使机构的稳定性较好，然后与小臂部和末端手部通过4R串联，肘关节和腕关节通过气马达驱动，可以实现上肢的6个自由度，利于患者进行康复运动。一些实施例中大臂主体设有具有锁止的P副，与第一万向节组成UP机构可以实现大臂部的长度调节，小臂部也设有具有锁止的P副长度调节机构，可根据不同体型的患者的人来进行调节。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例中串并联外骨骼式上肢康复机构的运动系统结构示意图；

图2为图1实施例中大臂主体A向结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例中肩平台的结构示意图；

图4为本实用新型一个实施例中串并联外骨骼式上肢康复机构各部位运动方向与人体运动对应关系的示意图；

图5为本实用新型另一个实施例中串并联外骨骼式上肢康复机构的运动系统结构示意图。

其中，肩平台10，大臂部20，大臂主体201，第一运动支链202，第二运动支链203，第一绑定部204，第一2R副21，小臂部30，第二2R副31，手部40。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步说明本实用新型技术方案。需要说明的是，如非特别说明，本文中字符U、P、R、S分别指代运动副中的万向节、移动副、转动副、球副以及与这些运动副等同的现有结构。

参考图1至4，本实施例是一种串并联外骨骼式上肢康复机构，包括依次活动连接的肩平台10、大臂部20、小臂部30和末端手部40。其中，OA为大臂主体201的轴向，AB为转动副R1、R2之间连接件的轴向,BC为小臂部30的轴向，CD为转动副R3、R4之间连接件的轴向。具体的，

肩平台10包括呈三角形部署的第一锚点、第二锚点和第三锚点；优选的本实施例中三角形为直角三角形，即第一运动支链202和第二运动支链203中移动副的伸缩方向在第一锚点、第二锚点和第三锚点平面的投影为正交。

大臂部20包括通过第一万向节U1连接于所述第一锚点的大臂主体201，以及与所述大臂主体201并联的第一运动支链202和第二运动支链203；所述第一运动支链202中沿肩平台10到大臂主体201方向依次串联有与所述大臂主体201连接的第一球副S1、第一移动副P1和与所述第二锚点连接的第二万向节U2；所述第二运动支链203中沿肩平台10到大臂主体201方向依次串联有与所述大臂主体201连接的第二球副S2、第二移动副P2和与所述第三锚点连接的第三万向节U3。容易理解的，大臂主体201通过2-UPS+U三路并联机构与肩平台10连接，其中第一移动副P1和第二移动副P2，易于通过气缸、液压缸或者电机驱动的直线往复机构实现，本实施例中，第一移动副P1和第二移动副P2各自由独立的气缸分别驱动。

小臂部30通过第一2R副21与所述大臂主体201连接。第一2R副21由串联的转动副R1和转动副R2组成，转动副R1和转动副R2的转动轴基本是正交的。其中，靠近大臂主体201一侧的R1的旋转轴基本与大部主体201的轴线平行，远离大臂主体201一侧的R2的旋转轴基本与大部主体201的轴线垂直。转动副R1和转动副R2分别由独立的气马达驱动。一些其他实施例中，转动副R1和转动副R2分别由独立的舵机驱动。

手部40通过第二2R副31与小臂部30连接。第二2R副31由串联的转动副R3和转动副R4组成，转动副R3和转动副R4的转动轴基本是正交的。其中，靠近小臂部30一侧的R3的旋转轴基本与小臂部30的轴线垂直，远离小臂部30一侧的R4的旋转轴基本与小臂部30的轴线平行。转动副R3和转动副R4分别由独立的气马达驱动。一些其他实施例中，转动副R3和转动副R4分别由独立的舵机驱动。

本实施例中，驱动系统为气动控制系统，其包括气阀、气管和空压机；对于上述的第一移动副P1和第二移动副P2通过独立的气阀控制相应的气缸驱动，使得大臂主体201绕肩平台10在两个旋转轴自由度上运动；对于上述的转动副R1、R2通过独立的气阀控制相应的气马达驱动，使得小臂部30绕大臂主体201在两个旋转自由度上运动；对于上述的转动副R3、R4通过独立的气阀控制相应的气马达驱动，使得手部40绕小臂部30在两个旋转自由度上运动。从而形成一共六个自由度的运动控制。

容易理解的，本实施例是一种(2-UPS+U)&&4R串并联机构，在以外骨骼式穿戴于人体上肢后，通过六个自由度的辅助驱动，可以完成相应的上肢康复训练，在使用启动系统时，整体机构轻便。

本实施例中，肩平台10为座椅支架或者座椅支架的一部分，大臂部20分别通过U1、U2、U3连接于第一锚点、第二锚点和第三锚点。所述肩平台10和大臂主体201通过U1连接，用于组成肩关节，以便实现大臂主体的屈曲/伸展、内收/外摆两个自由度。大臂主体轴向分散设置第一绑定部204、与S1连接的第一牵引部、与S2连接的第二牵引部，即第一绑定部204设置在第一牵引部和第二牵引部相反一侧，以便第一运动支链202和第二运动支链203的机械结构不会互相干涉，也不会干涉人体手臂固定于第一绑定部204。其他一些实施例中，人体大臂被大臂主体201托举于大臂主体201上方设置的凹槽内，S1、S2的连接结构被设置于大臂主体201的下方位置。一些实施例中，在大臂部20的轴向上，S1、S2的连接结构被设置为相距一个距离，以防止第一运动支链202与第二运动支链203以外锁死。

可以理解，大臂部20为(2-UPS+U)并联机构，即3条运动支链并联在一起，其中，大臂主体201为U支链，即大臂部20通过U副(万向节)与肩平台10联接，其余两个支链结构相同为UPS支链，即上端通过U副(万向节)与肩平台10联接，中间为P副(移动副)，下端通过S副(球副)与大臂主体201相连。本实施例中，P副由气压缸来驱动，通过两个气压缸的移动带动大臂主体U支链两个方向的摆动，从而实现肩关节屈曲/伸展、内收/外摆运动。

可以理解的，大臂主体201和小臂部30通过R1、R2连接，用于组成肘关节，以便实现人体小臂的屈曲/伸展、内收/外摆两个自由度；小臂部30和末端手部40过R3、R4连接，用于组成腕关节，以便实现人体手的屈曲/伸展、内收/外摆两个自由度。

本实施例中，大臂主体201为U分支杆件，小臂部30也设计为杆件，两个杆件均设有可锁止的长度调节副，以便根据人体体型实现臂长调节。小臂部30包括用于固定人体小臂的第二绑定部。手部40包括用于固定人体手的第三绑定部。结合上述的绑定和调节，使得本机构的肘关节、腕关节尽量与人体的关节贴合，提高舒适性。

本实施例中，气动控制系统包括气缸、气马达、气阀、气管、空压机等，具有气源方便、动作迅速、结构简单、成本低的优点。两个气缸驱动肩关节的P1、P2，实现大臂部的屈曲/伸展、内收/外摆运动，四个气马达分别通过减速装置和联轴器与四个转动副(R1、R2、R3、R4)相连，通过驱动肘关节和腕关节实现小臂部和末端手部的屈曲/伸展、内收/外摆运动。气缸和气马达均设位置检测传感器和限位装置，实现运动的有效控制。

参考图2至5，另一个改进的实施例中，与上述实施例区别在于，转动副R3、R4的转动轴仍为正交，但R4同时正交于CD轴向，以便大幅度的实现图3中(d)部分中人体手的内收、外展运动。同时，XOY角被设置为直角。

参考图3，在一个实施例中，肩平台10为直角平台，通过U1实现的U支链布置在直角顶点处，两个UPS支链分别通过U2、U3布置在两个直角边方向，且三个U副(U1、U2、U3)的布置方向相同，肩平台10可拆卸的固定在座椅上。

示范的，本实用新型的一个应用中的工作原理是：

肩平台固定在座椅支架上，患者坐在座椅上，进行被动式和主动式康复训练。刚开始，患者较为严重时，可实施被动式康复训练，患者恢复到一定程度时，可实施主动式康复训练，机构具有六个自由度，工作空间大，可实现患者在较大的工作空间内进行屈伸、收摆锻炼利于患者恢复。

Claims (10)

1.一种串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于，包括：

  肩平台，所述肩平台包括呈三角形部署的第一锚点、第二锚点和第三锚点；

  大臂部，所述大臂部包括通过第一万向节连接于所述第一锚点的大臂主体，以及与所述大臂主体并联的第一运动支链和第二运动支链；所述第一运动支链中串联有与所述大臂主体连接的第一球副、第一移动副和与所述第二锚点连接的第二万向节；所述第二运动支链中串联有与所述大臂主体连接的第二球副、第二移动副和与所述第三锚点连接的第三万向节；

  以及，驱动系统；

  其中，所述第一移动副和所述第二移动副由所述驱动系统分别驱动。

2.根据权利要求1所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：所述三角形为直角三角形。

3.根据权利要求1所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：包括小臂部，所述小臂部通过正交串联的两个转动副与所述大臂主体连接；所述两个转动副均由所述驱动系统分别驱动。

4.根据权利要求3所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：包括手部，所述手部通过正交串联的两个转动副与所述小臂部连接；所述两个转动副均由所述驱动系统分别驱动。

5.根据权利要求1所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：所述大臂主体包括用于固定人体大臂的第一绑定部、与所述第一球副连接的第一牵引部和与所述第二球副连接的第二牵引部；所述第一绑定部、所述第一牵引部和所述第二牵引部沿所述大臂主体周向分散设置。

6.根据权利要求5所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：所述第一绑定部、所述第一牵引部和所述第二牵引部沿所述大臂主体轴向分散设置。

7.根据权利要求3所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：所述小臂部包括用于固定人体小臂的第二绑定部。

8.根据权利要求4所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：所述手部包括用于固定人体手的第三绑定部。

9.根据权利要求1至8任一项所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：所述驱动系统为气动控制系统，其包括气阀、气管和空压机；当所述串并联外骨骼式上肢康复机构包括移动副时，所述驱动系统包括气缸，并通过所述气缸驱动所述移动副运动；当所述串并联外骨骼式上肢康复机构包括转动副时，所述驱动系统包括气马达，并通过所述气马达驱动所述转动副运动。

10.根据权利要求1所述的串并联外骨骼式上肢康复机构，其特征在于：所述肩平台为座椅支架。

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