TWI405648B - 可穿戴式機械手臂 - Google Patents

Description

可穿戴式機械手臂

本發明係關於一種可穿戴式機械手臂，尤其是關於一種無需使用主動驅動源即可提供使用者進行肩部三自由度及肘部一自由度之旋轉運動，並達成裝置靜力平衡之可穿戴式機械手臂。

一般中風或肢體受創的病人，需要透過長時間的復健過程，以期能將肢體恢復到原本健康的狀態，或可執行肢體原有的功能；而在此復健過程中，往往需要藉著使用對應該肢體部位的復健訓練裝置來進行復健。常見的復健訓練裝置，依照其驅動方式來做區分，大致上可概分為主動式驅動以及被動式驅動等兩種主要類型。

以上肢的復健為例，針對主動式驅動之復健訓練裝置，是採用馬達、致動器等做為主要驅動元件，其可提供裝置所需之動力，以操控病人復健部位之對應元件產生運動效果，達到復健功能。先前技術如美國第7409882號專利，其標的為一肩關節復健裝置，裝置本身設置有電動馬達及滑輪系統，透過驅動電動馬達可拉動滑輪系統之繩索，以控制繩索所對應連結之裝置關節等部位，協助使用者進行肩關節之運動訓練。前述採用主動驅動源之設計，雖可於病人復健時達到省力效果，然而此類裝置需要外接電源或其他動力源驅動，其本身設置成本較高且較耗能源，並且裝置體積龐大而佔空間。

採用被動式驅動源之復健訓練裝置，因無需設置動力提供元件，其組成結構上較為簡化且輕便，方便使用者穿戴訓練。先前技術如美國第5042799號專利，其裝置由複數桿部件組成，可結合於使用者手臂或腳部，當利用其進行手肘之伸展-收合訓練時，藉由對應關節的迴轉件可使得桿件間相對旋轉，且透過調整彈性裝置可改變訓練過程中所提供之阻力大小，以達到不同之訓練效果。然而，此裝置僅能提供手臂進行單一自由度旋轉的訓練，當使用者欲進行手臂側向抬舉等涉及其他自由度旋轉之動作時，就必須更換其他訓練器材，如此將造成使用者困擾。

又如美國第4772015號專利，其裝置結構上以桿件可旋轉地連接於阻力機構，使用者則可藉由握持桿件之握把處進行手臂運動，並利用阻力機構提供運動所需之阻力以達到運動訓練效果。然而此裝置雖然能提供肩部多自由度旋轉之運動訓練，但由於裝置本身之結構限制，並無法即時依使用者動作因應調整裝置於其他自由度之旋轉方向，必須透過調整阻力機構的擺設位置，甚至移動裝置的整體位置才能進行肩部其他自由度之訓練，使用上多有不便。

因此，有必要提供一種無須使用主動式驅動源，且利用單一裝置即可進行肩部之多自由度旋轉之機械手臂，以改善先前技術所存在的問題。

本發明之主要目的係在提供一種無需使用主動驅動源即可輔助使用者進行肩部三自由度之旋轉及肘部一自由度之旋轉，並達成裝置及使用者手臂靜力平衡之可穿戴式機械手臂，藉由平衡使用者手臂重力達到輔助效果。

為達成上述之目的，本發明之可穿戴式機械手臂包括第一桿件組、第二桿件組、第一移動件及第二移動件。第二桿件組係藉由第一迴轉件以樞接第一桿件組；第一移動件包括第一主體部及第一滑動部，第一主體部係藉由第二迴轉件樞接第二桿件組；第一滑動部可相對於第一主體部沿第一軸向移動，且第一滑動部包括滑桿，滑桿之中心軸係實質上垂直於第一軸向；第二移動件包括第二主體部及轉動部，第二主體部係藉由第三迴轉件以樞接第一主體部，轉動部係樞接於第二主體部以相對於第二主體部旋轉，且滑桿貫穿轉動部並可相對於轉動部移動，使得第一主體部相對於第二主體部旋轉時，轉動部可藉由滑桿隨著第一主體部旋轉，且第一滑動部沿著第一軸向移動。

本發明之可穿戴式機械手臂更包括第一彈性件、第二彈性件、第三彈性件及第四彈性件。第一彈性件用以提供第一桿件組與第二桿件組間之張力；第二彈性件用以提供第一桿件組與第一滑動部間之張力；第三彈性件用以提供第一滑動部與轉動部間之張力；第四彈性件用以提供第二桿件組與第二主體部間之張力。藉由第一彈性件、第二彈性件、第三彈性件及第四彈性件，使得第一桿件組、第二桿件組、第一移動件及第二移動件係呈一重量平衡狀態；並且當本發明之可穿戴式機械手臂供使用者穿戴時，藉由前述各彈性件亦使得第一桿件組、第二桿件組、第一移動件、第二移動件及使用者穿戴之肢體部位呈一重量平衡狀態。

本發明之可穿戴式機械手臂之第一滑動部相對於第一主體部之總位移，係為第一主體部相對於第二主體部之總角位移之正弦函數。

藉由前述設計，使得本發明之可穿戴式機械手臂可提供肩部三自由度旋轉及肘部一自由度之旋轉運動，且利用被動彈性元件以達到裝置整體之靜力平衡效果，使得裝置之結構得以簡化，且無須使用驅動源以節省能源之使用。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。以下舉出本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例來詳加說明，但裝置之各元件之實施態樣並不以此實施例為限。

請參考圖1係本發明之可穿戴式機械手臂1之一實施例之結構爆炸圖。如圖1所示，本發明之可穿戴式機械手臂1包括第一桿件組10、第二桿件組20、第一移動件30及第二移動件40。第一桿件組10及第二桿件組20可各別包括至少一桿件，利用各桿件組以單一桿件或複數桿件之組合，以達到本發明所欲達到之功效。第二桿件組20係藉由第一迴轉件51以樞接第一桿件組10，使得第一桿件組10可相對於第二桿件組20旋轉。第二桿件組20更包括迴轉件調整裝置22，在本實施例中，迴轉件調整裝置22可為一滑軌與滑塊之組合，當第一迴轉件51係設置於滑塊上時，藉由調整滑塊相對於滑軌之位置，可改變第一迴轉件51之設置位置，進而可根據使用者上臂部位之長度來對應調整第二桿件組20至適當長度，但迴轉件調整裝置22之型式並不以此為限。

其中第一桿件組10更包括第一固定件11，且第二桿件組20更包括第二固定件21，藉由第一固定件11及第二固定件21用以結合於使用者之肢體部位，以方便使用者穿戴本發明之可穿戴式機械手臂1，進行手臂部位之復健訓練等相關動作。前述第一固定件11及第二固定件21可為套環、束帶或其他具有類似固定功能之元件。

以下請一併參考圖1至圖3。圖2係本發明之可穿戴式機械手臂1之一實施例之第一移動件30及第二移動件40之結合示意圖。圖3係本發明之可穿戴式機械手臂1之一實施例之第一移動件30及第二移動件40結合後之立體圖。如圖1及圖2所示，本發明之可穿戴式機械手臂1之第一移動件30及第二移動件40係構成一個整體作動機構。第一移動件30包括第一主體部31及第一滑動部32，第一主體部31係藉由第二迴轉件52樞接第二桿件組20，使得第二桿件組20可相對於第一主體部31旋轉；在本實施例中，第一主體部31係呈近似L型之結構件，但本發明不以此為限。

如圖3所示，第一滑動部32可相對於第一主體部31沿第一軸向x1移動，在本實施例中，第一主體部31包括主體部滑桿311，且主體部滑桿311之中心軸方向即為前述第一軸向x1；第一滑動部32係可移動地設置於主體部滑桿311上，使得第一滑動部32可相對於第一主體部31移動。且第一滑動部32包括滑動部滑桿321，滑動部滑桿321之中心軸係實質上垂直於第一軸向x1。

又如圖1至圖3所示，第二移動件40包括第二主體部41及轉動部42，第二主體部41係藉由第三迴轉件53以樞接第一主體部31，使得第一主體部31可相對於第二主體部41旋轉。轉動部42係樞接於第二主體部41，以相對於第二主體部41旋轉。

如圖2及圖3所示，在本實施例中，第二主體部41更包括調整件411，且第二主體部41是藉由調整件411以一第四迴轉件54樞接轉動件42，調整件411用以調整轉動件42相對於第二主體部42移動之位置。此處調整件411可為一導螺桿，其係沿著一第二軸向x2移動以對應調整轉動件42相對於第二主體部41之位置，此第二軸向x2係實質上平行於前述第一滑動部32可滑動之第一軸向x1，但調整件411並不以此為限，亦可使用其他具有位移調整功能之元件來取代。

如圖3所示，滑動部滑桿321係貫穿轉動部42，當第一主體部31相對於第二主體部41旋轉時，滑動部滑桿321會隨著第一主體部31而旋轉，因此轉動部42可藉由滑動部滑桿321所帶動而隨之旋轉；由於轉動部42與第三迴轉件53對應不同旋轉軸，使得滑動部滑桿321在轉動過程中，可相對於轉動部42沿著滑動部滑桿321之中心軸方向進行移動調整，以因應轉動部42與第一主體部31之間的距離改變；此時第一滑動部32亦會因應第一主體部31相對於第二主體部41之旋轉而沿第一軸向x1移動。而藉由調整調整件411相對於第二主體部41之位置，第一滑動部32相對於第一主體部31之位置亦實質上平行地對應改變。

請參考圖4係本發明之可穿戴式機械手臂1之一實施例於組合後之示意圖。如圖4所示，在本實施例中，本發明之可穿戴式機械手臂1之第二桿件組20樞接於第一桿件組10，使得第一桿件組10可藉由第一迴轉件51之旋轉軸s1相對於第二桿件組20旋轉，以對應使用者肘部之伸展收縮動作。第一主體部31樞接於第二桿件組20，使得第二桿件組20可藉由第二迴轉件52之旋轉軸s2相對於第一主體部31旋轉，以對應使用者肩部之伸展收縮動作；且第一迴轉件51之旋轉軸s1與第二迴轉件52之旋轉軸s2係實質上彼此平行且位於同一平面上。

第二主體部41樞接於第一主體部31，使得第一主體部31可藉由第三迴轉件53之旋轉軸s3相對於第二主體部41旋轉，以對應使用者肩部之外展內斂動作；其中第二迴轉件52之旋轉軸s2係實質上垂直於第三迴轉件53之旋轉軸s3。轉動部42樞接於第二主體部41，使得轉動部42藉由第四迴轉件54之旋轉軸s4相對於第二主體部41旋轉，其中第四迴轉件54之旋轉軸s4與第三迴轉件53之旋轉軸s3係實質上彼此平行且位於同一平面上。

此外，本發明之可穿戴式機械手臂1更包括支撐架70，第二主體部42係藉由第五迴轉件55樞接支撐架70，使得第二主體部42可藉由第五迴轉件55之旋轉軸s5相對於支撐架70旋轉，以對應使用者肩部之外旋內旋動作；其中第五迴轉件55之旋轉軸s5係實質上垂直於第三迴轉件53之旋轉軸s3，並與地面垂直。支撐架70係可結合於一物體上，例如柱體、牆壁、框架或其他固定式物體等，以便提高使用者穿戴本發明之機械手臂1進行運動訓練時之穩定性。

本發明之可穿戴式機械手臂1藉由前述結構設計，在實際使用上，第一迴轉件51係對應於使用者手臂之肘關節，以便於進行肘部之伸展收縮訓練，提供肘部一自由度旋轉之運動效果；而第二迴轉件52、第三迴轉件53及第五迴轉件55可對應於使用者手臂之肩關節，以便於進行肩部之伸展收縮、外展內斂或外旋內旋等訓練，提供肩部三自由度旋轉之運動效果。

又如圖4所示，本發明之可穿戴式機械手臂1更包括第一彈性件61、第二彈性件62、第三彈性件63及第四彈性件64，各彈性件可採用一拉伸彈簧。在本實施例中，本發明之機械手臂1更包括滑輪定位件80，滑輪定位件80係可移動地設置於第一桿件組10上；其中第一彈性件61之一端係連接於第二桿件組20之接點23，於繞經第二桿件組20之滑輪組24後，將第一彈性件61之另一端則連接於滑輪定位件80，使得第一彈性件61用以提供第一桿件組10與第二桿件組20間之張力；而藉由移動該滑輪定位件80可調整第一彈性件61所提供之張力大小。

第二彈性件62之一端係連接於第一滑動部32，於繞經滑輪定位件80後，將第二彈性件62之另一端連接於第一桿件組10之接點12，使得第二彈性件62用以提供第一桿件組10與第一滑動部32間之張力；而藉由移動滑輪定位件80或經調整件411帶動第一滑動部32，可對應調整第二彈性件62所提供之張力大小。

轉動部42更包括支撐件421，第三彈性件63之一端係連接於第一滑動部32之第一接點322，第三彈性件63於繞經轉動部42之支撐件421及再繞經第一滑動部32之滑輪件323後，第三彈性件63之另一端才與第一滑動部32上不同位置之第二接點324相連接，使得第三彈性件63用以提供第一滑動部32與轉動部42間之張力。

以下請一併參考圖4及圖5。圖5係本發明之可穿戴式機械手臂1之一實施例之第一移動件30及第二移動件40之結構俯視圖。如圖4及圖5所示，在本實施例中，第四彈性件64之一端係連接於第二主體部41之調整件411，於繞經第一主體部31之滑輪件312、313及第二迴轉件52後，第四彈性件64之另一端再連接於第二桿件組20之接點25，使得第四彈性件64用以提供第二桿件組20與第二主體部41間之張力；而藉由移動調整件411可對應調整第四彈性件64所提供之張力大小。

藉由前述第一彈性件61、第二彈性件62、第三彈性件63及第四彈性件64，將使得第一桿件組10、第二桿件組20、第一移動件30及第二移動件40係呈一重量平衡狀態，並且於使用者於穿戴本發明之可穿戴式機械手臂1時，透過各彈性件使得使用者之肢體部位、各桿件組及各移動件之重量均可完全被支撐，讓使用者更容易操作本發明之可穿戴式機械手臂1來進行各項運動訓練。

以下請一併參考圖6(a)、圖6(b)及圖6(c)。圖6(a)係本發明之可穿戴式機械手臂1之一實施例之第一移動件30與第二移動件40結合後之側視圖。圖6(b)係本發明之可穿戴式機械手臂1之一實施例於第一移動件30相對於第二移動件40之總角位移為θ之側視圖。圖6(c)係本發明之可穿戴式機械手臂1之第一滑動部32相對於主體部滑桿311之總位移與第一移動件30相對於第二移動件40之總角位移之對應關係示意圖。如圖6(a)所示，在本發明之可穿戴式機械手臂1維持平衡之狀態下，假設調整件411(或轉動部42)與第三迴轉件63之相對垂直距離為A，而第一滑動部32相對於第一主體部31之初始總位移亦為A，此時第一滑動部32停留在一起始位置P0；如圖6(b)所示，當第一主體部31相對於第二主體部41旋轉時，第一滑動部32會沿著主體部滑桿311移動，直到第一移動件30相對於第二移動件40之總角位移為θ時，第一滑動部32會停留在一對應位置P1，此時第一滑動部32自起始點P0相對於第一主體部31之總位移L。如圖6(c)所示，初始總位移A、總位移L與總角位移θ之對應關係如下式所述：

L=A*sinθ

亦即，第一滑動部32相對於第一主體部31之總位移L，係為第一主體部31相對於第二主體部41之總角位移θ之正弦函數，與第一滑動部32相對於第一主體部31之初始總位移A之乘積。

藉由前述設計，使得使用者進行肩部之外展內斂運動時，依據使用者抬舉手臂之角度大小，第一主體部31會相對於第二主體部41旋轉對應角度，第一滑動部32亦會隨著旋轉角度而相對進行位移調整，提供彈性元件62在肩部之外展內斂運動時其伸長量變化，該伸長量變化所產生之外展內斂旋轉運動靜力矩，會補償手臂重力所產生之外展內斂旋轉運動靜力矩，而達到平衡效果，藉此減少使用者在外展內斂旋轉運動下的肌肉出力。而依需求或狀況不同，使用者亦可藉由調整第二主體部41之調整件411，來改變轉動件42之設置位置，進而改變連動之第一滑動部32之初始總位移A，使彈性元件62有不同的預拉張力，以達到不同之平衡效果。

綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請　貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1．．．可穿戴式機械手臂

10．．．第一桿件組

11．．．第一固定件

20．．．第二桿件組

21．．．第二固定件

22．．．迴轉件調整裝置

23．．．接點

24．．．滑輪組

25．．．接點

30．．．第一移動件

31．．．第一主體部

311．．．主體部滑桿

312、313．．．滑輪件

32．．．第一滑動部

321．．．滑動部滑桿

322．．．第一接點

323．．．滑輪件

324．．．第二接點

40．．．第二移動件

41．．．第二主體部

411．．．調整件

42．．．轉動部

421．．．支撐件

51．．．第一迴轉件

52．．．第二迴轉件

53．．．第三迴轉件

54．．．第四迴轉件

55．．．第五迴轉件

61．．．第一彈性件

62．．．第二彈性件

63．．．第三彈性件

64．．．第四彈性件

70．．．支撐架

80．．．滑輪定位件

s1、s2、s3、s4、s5．．．旋轉軸

x1．．．第一軸向

x2．．．第二軸向

A．．．初始總位移

L．．．總位移

θ．．．總角位移

P0．．．起始位置

P1．．．對應位置

圖1係本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例之結構爆炸圖。

圖2係本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例之第一移動件及第二移動件之結合示意圖。

圖3係本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例之第一移動件及第二移動件結合後之立體圖。

圖4係本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例於組合後之示意圖。

圖5係本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例之第一移動件及第二移動件之結構俯視圖。

圖6(a)係本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例之第一移動件與第二移動件結合後之側視圖。

圖6(b)係本發明之可穿戴式機械手臂之一實施例於第一移動件相對於第二移動件之總角位移為θ之側視圖。

圖6(c)係本發明之可穿戴式機械手臂之第一滑動部相對於主體部滑桿之總位移L與第一移動件相對於第二移動件之總角位移θ之對應關係示意圖。

1．．．可穿戴式機械手臂

10．．．第一桿件組

11．．．第一固定件

20．．．第二桿件組

21．．．第二固定件

22．．．迴轉件調整裝置

30．．．第一移動件

31．．．第一主體部

32．．．第一滑動部

40．．．第二移動件

41．．．第二主體部

42．．．轉動部

51．．．第一迴轉件

52．．．第二迴轉件

Claims (13)

1. 一種可穿戴式機械手臂，包括：一第一桿件組；一第二桿件組，係藉由一第一迴轉件樞接該第一桿件組；一第一移動件，包括一第一主體部及一第一滑動部，該第一主體部係藉由一第二迴轉件樞接該第二桿件組；該第一滑動部可相對於該第一主體部沿一第一軸向移動，且該第一滑動部包括一滑動部滑桿，該滑動部滑桿之中心軸係實質上垂直於該第一軸向；一第二移動件，包括一第二主體部及一轉動部，該第二主體部係藉由一第三迴轉件以樞接該第一主體部，該轉動部係樞接於該第二主體部以相對於該第二主體部旋轉，且該滑動部滑桿貫穿該轉動部並可相對於該轉動部移動，使得該第一主體部相對於該第二主體部旋轉時，該轉動部可藉由該滑動部滑桿隨著該第一主體部旋轉，且該第一滑動部沿著該第一軸向移動；以及一第一彈性件，用以提供該第一桿件組與該第二桿件組間之張力；一第二彈性件，用以提供該第一桿件組與該第一滑動部間之張力；一第三彈性件，用以提供該第一滑動部與該轉動部間之張力；以及一第四彈性件，用以提供該第二桿件組與該第二主體部間之張力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中該轉動部更包括一支撐件，該第三彈性件係繞過該支撐件，且該第三彈性件之兩端分別連接於該第一滑動部之不同位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中該第二主體部更包括一調整件，該第二主體部以該調整件藉由一第四迴轉件樞接該轉動件，該調整件用以調整該轉動件相對於該第二主體部移動之位置。
4. 如申請專利範圍第3項所述之可穿戴式機械手臂，其中該第四迴轉件與該第三迴轉件之旋轉軸係實質上彼此平行且位於同一平面上。
5. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中該第二桿件組包括一迴轉件調整裝置，該第一迴轉件係設置於該迴轉件調整裝置上，藉由該迴轉件調整裝置以調整該第一迴轉件之位置。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，更包括一滑輪定位件，該滑輪定位件係可移動地設置於該第一桿件組上，其中該第一彈性件之兩端係分別連接於該滑輪定位件及該第二桿件組，該第二彈性件係繞過該滑輪定位件，且該第二彈性件之兩端分別連接於該第一桿件組與該第一滑動部。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中該第一桿件組更包括一第一固定件，且該第二桿件組更包括一第二固定件，藉由該第一固定件及該第二固定件用以結合於一使用者之肢體部位。
8. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中該第一迴轉件與該第二迴轉件之旋轉軸係實質上彼此平行且位於同一平面上。
9. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中該第二迴轉件之旋轉軸係實質上垂直於該第三迴轉件之旋轉軸。
10. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中該第一滑動部相對於該第一主體部之總位移，係為該第一主體部相對於該第二主體部之總角位移之正弦函數。
11. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，更包括一支撐架，該第二主體部係藉由一第五迴轉件樞接該支撐架，其中該第五迴轉件之旋轉軸係實質上垂直於該第三迴轉件之旋轉軸。
12. 如申請專利範圍第1項所述之可穿戴式機械手臂，其中藉由該第一彈性件、該第二彈性件、該第三彈性件及該第四彈性件，使得該第一桿件組、該第二桿件組、該第一移動件及該第二移動件係呈一重量平衡狀態。
13. 如申請專利範圍第7項所述之可穿戴式機械手臂，其中藉由該第一彈性件、該第二彈性件、該第三彈性件及該第四彈性件，使得該第一桿件組、該第二桿件組、該第一移動件、該第二移動件及該使用者之肢體部位係呈一重量平衡狀態。