TWI711443B - 肘關節復健用之外骨骼機器人 - Google Patents

Abstract

一種肘關節復健用之外骨骼機器人，包含外殼、第一與第二支撐件、轉接座、馬達、編碼器、扭矩感測單元、第一與第二肌電感測單元及控制裝置。第一支撐件與使用者上臂結合。第二支撐件支撐前臂且透過第一軸承與第一支撐件結合。轉接座透過第二軸承與外殼結合。馬達與外殼結合且可帶動第二支撐件。編碼器電性連接馬達且可控制馬達。扭矩感測單元設於第二支撐件與馬達之間以感測第二支撐件之扭矩。第一與第二肌電感測單元分別用以感測二頭肌與三頭肌的肌肉活動。控制裝置電性連接編碼器、扭矩感測單元、及第一與第二肌電感測單元，以控制馬達。

Description

肘關節復健用之外骨骼機器人

本發明是有關於一種復健用機器人，且特別是有關於一種肘關節復健用之外骨骼機器人。

隨著醫療技術的進展和衛生環境的改善，近幾十年來全球人口的平均壽命已大幅提高。然而，受到飲食習慣改變和生活壓力增加的影響，罹患腦部和神經病變的患者逐漸增多。患者若是傷及中樞神經，則可能會有肢體偏癱症狀等後遺症，即肢體無法隨心所欲的運動。因此，腦部或神經受損所造成之肢體偏癱症狀的照護與醫療問題備受關注。

另一方面，愈趨頻繁的交通活動和體育與戶外活動，交通傷害和運動傷害的發生機率也隨之提高。若是患者的神經或肌肉等組織受損，也可能導致患者受傷的部位不能正常運動。對於具有身體運動問題的患者而言，復健治療的品質會影響其復原效果和速度。

全球市場上已有桌上型或落地型復健裝置應用於臨床復健治療。但是，桌上型或落地型復健裝置不僅患者無法於居家或移動過程中使用，也無法搭配其他教具或左右 手協同等進階訓練，難以有效地誘發患者之良好腦區複製受損腦區的機制出現。

一般而言，若是可準確評估患者的健康狀態並施予合適的復健治療方式，便可有效縮短患者的復健時間，改善患者的復原情況。

因此，本發明之一目的就是在提供一種肘關節復健用之外骨骼機器人，其為穿戴式裝置，機構設計上採旋轉動作，如此可使外骨骼機器人之整體體積與重量皆較小，方便使用者穿戴與拆卸，而可達到桌上型或落地型復健機器人所不能及之治療效果。

本發明之另一目的是在提供一種肘關節復健用之外骨骼機器人，其控制器可即時接收肘關節扭力、旋轉角度、以及二頭肌與三頭肌之肌電訊號等資訊，並根據這些資訊進行位置及/或力量控制命令的計算，藉此可提供被動軌跡、主動力量、外力干擾、與痙攣舒緩等四種治療模式，不僅可滿足復健治療所需的療程，亦可達到使用者的肌肉安全防護，以利使用者可循序漸進地進行復健治療。

本發明之又一目的是在提供一種肘關節復健用之外骨骼機器人，其穿戴可利用泡棉與帶子來和上臂支撐架與前臂支撐架的結合，即可固定肘關節，而無需藉助U型支架或其他連動肩部支架，便可獨立進行肘關節復健運動。此外，外骨骼機器人之馬達驅動模組無需線性轉換旋轉的元 件，即可直接產生旋轉動作，因此可達到易穿戴、力量緩衝、與結構輕量化等臨床訴求。

本發明之再一目的是在提供一種肘關節復健用之外骨骼機器人，使用者可在復健治療時透過使用者控制介面來下達指令，亦可同時觀察肘關節角度、肘關節轉動速度、扭力、肌電訊號、阻力值等訊號，因此可使使用者與外骨骼機器人間產生互動，藉此吸引使用者積極投入復健治療。

根據本發明之上述目的，提出一種肘關節復健用之外骨骼機器人。此肘關節復健用之外骨骼機器人包含外殼、第一支撐件、第二支撐件、轉接座、馬達、編碼器、扭矩感測單元、第一肌電感測單元、第二肌電感測單元、以及控制裝置。第一支撐件配置以透過第一穿戴件與使用者之上臂結合。第二支撐件配置以透過第二穿戴件來支撐使用者之前臂，且透過第一軸承而與第一支撐件結合。轉接座透過第二軸承而與外殼結合。馬達穿過轉接座而與外殼結合，其中馬達配置以帶動第二支撐件。編碼器電性連接馬達，且配置以控制馬達並經由馬達而取得第二支撐件之即時位置訊號。扭矩感測單元設於第二支撐件與馬達之間，且配置以感測施加於第二支撐件之扭矩。第一肌電感測單元設於第一穿戴件上，且配置以感測使用者之二頭肌的肌肉活動(muscle activity)。第二肌電感測單元設於第一穿戴件上，且配置以感測使用者之三頭肌的肌肉活動。控制裝置電性連接至編碼器、扭矩感測單元、第一肌電感測單元、以及第二肌電感 測單元，以根據第二支撐件之即時位置訊號、扭矩、以及第一肌電感測單元和第二肌電感測單元之感測訊號來控制馬達。

依據本發明之一實施例，上述肘關節復健用之外骨骼機器人更包含減速機，其中減速機設於馬達與扭矩感測單元之間。

依據本發明之一實施例，上述肘關節復健用之外骨骼機器人更包含轉接盤，此轉機盤接合在減速機與馬達之間。

依據本發明之一實施例，上述肘關節復健用之外骨骼機器人更包含使用者控制介面，其中此使用者控制介面與控制裝置訊號連接。

依據本發明之一實施例，上述之使用者控制介面包含被動軌跡模式、主動力量模式、外力干擾模式、以及痙攣舒緩模式。

依據本發明之一實施例，上述之第一穿戴件包含第一固定件與第一調整件，第二穿戴件包含第二固定件與第二調整件，第一固定件及第二固定件分別與第一支撐件及第二支撐件結合，第一調整件及第二調整件分別與第一固定件之相對二端及第二固定件之相對二端結合。

依據本發明之一實施例，上述之第一固定件與第二固定件之材質包含泡棉，第一調整件及第二調整件之材質包含塑膠。

依據本發明之一實施例，上述之控制裝置包含運算處理模組，此運算處理模組配置以根據第二支撐件之即時位置訊號、扭矩、以及第一肌電感測單元和第二肌電感測單元之感測訊號，並進行對馬達之位置控制命令及/或力量控制命令的計算。

依據本發明之一實施例，上述之馬達係直流馬達。

依據本發明之一實施例，上述之編碼器設於第一支撐件上，且介於馬達與第一支撐件之間。

100‧‧‧外骨骼機器人

110‧‧‧外殼

120‧‧‧第一支撐件

130‧‧‧第一穿戴件

132‧‧‧第一固定件

134‧‧‧第一調整件

140‧‧‧第二支撐件

150‧‧‧第二穿戴件

152‧‧‧第二固定件

154‧‧‧第二調整件

160‧‧‧第一軸承

170‧‧‧轉接座

180‧‧‧第二軸承

190‧‧‧馬達

200‧‧‧編碼器

210‧‧‧扭矩感測單元

220‧‧‧減速機

230‧‧‧第一肌電感測單元

240‧‧‧第二肌電感測單元

250‧‧‧控制裝置

260‧‧‧轉接盤

270‧‧‧側牆

280‧‧‧使用者控制介面

282a‧‧‧被動軌跡模式

282b‧‧‧主動力量模式

282c‧‧‧外力干擾模式

282d‧‧‧痙攣舒緩模式

284‧‧‧顯示區

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種肘關節復健用之外骨骼機器人的立體示意圖；以及〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種肘關節復健用之外骨骼機器人的分解圖。

請同時參照圖1與圖2，其中圖1係繪示依照本發明之一實施方式的一種肘關節復健用之外骨骼機器人的立體示意圖，圖2係繪示依照本發明之一實施方式的一種肘關節復健用之外骨骼機器人的分解圖。在一些實施例中，肘 關節復健用之外骨骼機器人100主要可包含外殼110、第一支撐件120、第二支撐件140、轉接座170、馬達190、編碼器200、扭矩感測單元210、第一肌電感測單元230、第二肌電感測單元240、以及控制裝置250。

外殼110與第一支撐件120分別位於外骨骼機器人100之相對二側。在一些例子中，外殼110與第一支撐件120的組合可形成一容置空間，而供外骨骼機器人100之第二支撐件140、轉接座170、馬達190、編碼器200、與扭矩感測單元210等構件容置。在一些示範例子中，如圖1與圖2所示，外骨骼機器人100可進一步包含側牆270，其中側牆270夾設在外殼110與第一支撐件120之間，而共同形成較大之容置空間來容置第二支撐件140、轉接座170、馬達190、編碼器200、與扭矩感測單元210等構件。

第一支撐件120係配置以與使用者的上臂結合。在一些示範例子中，第一支撐件120可具有多孔位設計，藉此使用者可根據自身上臂的長度來調整第一支撐件120的長度。如圖1所示，外骨骼機器人100更可包含第一穿戴件130，而第一支撐件120可透過第一穿戴件130來與使用者的上臂結合。在一些示範例子中，第一穿戴件130包含第一固定件132與第一調整件134，其中第一固定件132與第一支撐件120結合，第一調整件134則與第一固定件132之相對二端結合，而與第一固定件132共同定義出一環狀空間，以利圈住使用者之上臂，藉此使第一支撐件120穿戴在使用者之上臂上。第一固定件132之材質可包含泡棉，藉由 泡棉材料的柔軟性質與可塑性，可提升使用者的舒適度。第一調整件134之材質可包含塑膠，且第一調整件134可為帶狀結構。透過調整第一調整件134，可調整其與第一固定件132所共同定義出之圈狀結構的大小，以利使用者穿戴與拆卸。第一調整件134可例如具有魔鬼沾設計、多孔位之類皮帶設計、或多孔位之卡扣設計。

第二支撐件140透過第一軸承160而與第一支撐件120結合，藉此第二支撐件140的轉動並不會帶動第一支撐件120。第二支撐件140係配置以與使用者的前臂結合。在一些示範例子中，第二支撐件140同樣可具有多孔位設計，藉此使用者可根據自身前臂的長度來調整第二支撐件140的長度。如圖1所示，外骨骼機器人100更可進一步包含第二穿戴件150。第二支撐件140可透過第二穿戴件150來與使用者的前臂結合。在一些示範例子中，第二穿戴件150包含第二固定件152與第二調整件154，其中第二固定件152與第二支撐件140結合，第二調整件154與第二固定件152之相對二端結合，而與第二固定件152共同定義出一環狀空間，以利圈住使用者之前臂，藉此使第二支撐件140穿戴在使用者之前臂上。同樣地，第二固定件152之材質可包含泡棉，以提升使用者的舒適度。第二調整件154之材質可包含塑膠，且第二調整件154可為帶狀結構。透過調整第二調整件154，可調整其與第二固定件152所共同定義出之圈狀結構的大小，以利使用者穿戴與拆卸。類似地，第二調整 件154可例如具有魔鬼沾設計、多孔位之類皮帶設計、或多孔位之卡扣設計。

請再次參照圖2，轉接座170透過第二軸承180而與外殼110結合，藉此轉接座170的轉動並不會帶動外殼110。轉接座170可利用多個鎖固元件，例如螺絲，而固定在外殼110上。轉接座170可為中空環狀結構。馬達190經由轉接座170與外殼110結合。在一些示範例子中，馬達190穿過轉接座170而固定在外殼110，其中馬達190並未與轉接座170接觸。馬達190主要係配置以帶動第二支撐件140，而第二支撐件140可支撐使用者之前臂，因此馬達190可帶動使用者之前臂來進行肘關節復健。在一些實施例中，馬達190具有位置感測裝置(未繪示)，其可提供第二支撐件140即時的位置資訊，例如使用者前臂與水平面之間的夾角。舉例而言，馬達190可為直流馬達。

編碼器200電性連接馬達190。編碼器200主要係配置以控制馬達190，且可從馬達190取得第二支撐件140之即時位置訊號。如圖2所示，在一些示範例子中，編碼器200設於第一支撐件120上，且介於第二支撐件140與第一支撐件120之間，而第二支撐件140位於馬達190與第一支撐件120之間，因此編碼器200亦介於馬達190與第一支撐件120之間。

請再次參照圖2，扭矩感測單元210設於第二支撐件140與馬達190之間。扭矩感測單元210配置以感測施 加於第二支撐件140之扭矩，並可將感測到之扭矩的訊號傳輸至圖1之控制裝置250。

在一些實施例中，肘關節復健用之外骨骼機器人100更包含減速機220。減速機220設於馬達190與扭矩感測單元210之間。減速機220主要係配置以降低馬達190之轉速來提高扭力。減速機220可例如選用薄型減速機，以縮減外骨骼機器人100的厚度。

在一些示範例子中，外骨骼機器人100更可包含轉接盤260。轉接盤260接合在減速機220與馬達190之間，以結合減速機220與馬達190。

如圖1所示，第一肌電感測單元230可例如設於第一穿戴件130之第一調整件134上，以貼近使用者之二頭肌。第一肌電感測單元230主要係配置以感測使用者之二頭肌的肌肉活動，而獲得使用者之二頭肌的肌電訊號。第二肌電感測單元240可例如設於第一穿戴件130之第一固定件132上，以貼近使用者之三頭肌。第二肌電感測單元240主要係配置以感測使用者之三頭肌的肌肉活動，而獲得使用者之三頭肌的肌電訊號。在一些示範例子中，第一肌電感測單元230和第二肌電感測單元240為電極片，但本發明之實施方式並不受限於此。

控制裝置250電性連接編碼器200、扭矩感測單元210、第一肌電感測單元230、以及第二肌電感測單元240，以根據第二支撐件140之即時位置訊號、扭矩感測單元210所感測到的扭矩、以及第一肌電感測單元230和第二 肌電感測單元240之感測訊號來控制馬達190。控制裝置250可設置在外殼110、第一支撐件120、與第一穿戴件130等外構件上，或者可與外骨骼機器人100之其他構件分開設置。舉例而言，如圖1所示，控制裝置250可設置在第一穿戴件130之第一固定件132上，或者可穿戴在使用者身上。

在一些實施例中，控制裝置250中可包含運算處理模組(未繪示)，運算處理模組配置以即時接收第二支撐件140之即時位置訊號、扭矩、以及第一肌電感測單元230和第二肌電感測單元240之感測訊號，並進行對馬達190之位置控制命令及/或力量控制命令的計算。在一些示範例子中，控制裝置250之運算處理模組可包含阻抗控制模組、阻抗模組、比例積分控制器、以及重力補償模組。阻抗控制模組係配置以接收扭矩之感測訊號、二頭肌與三頭肌之肌電訊號、以及第二支撐件140之即時位置，並據以控制阻抗模組。阻抗模組係配置以提供扭矩訊號，以使外骨骼機器人100提供具有不同阻力的阻抗性訓練(resistance exercises)。此外，阻抗控制模組可根據二頭肌與三頭肌之肌電訊號來判斷使用者的手臂是否發生痙攣，並根據判斷結果提供對應之復健模式，例如正常復健模式或痙攣舒緩模式。比例積分控制器則配置以根據阻抗模組所提供之扭矩訊號來控制馬達190所提供的扭矩。重力補償模組則配置以對比例積分控制器所輸出之扭矩訊號進行重力補償，以減少重力帶來的影響。

由於控制裝置250之運算處理模組可即時推算患者痙攣程度，來作為外骨骼機器人100是否繼續復健訊練或增加訓練力道的閥值，因此不僅可徹底解決中風患者於復健機器人訓練後出現肌肉拉傷的二次傷害問題，更可確保使用者循序漸進地復健治療。

請再次參照圖1，在一些實施例中，外骨骼機器人100更可包含使用者控制介面280，其中使用者控制介面280與控制裝置250訊號連接。舉例而言，使用者控制介面280可透過線路與控制裝置250電性連接的方式達到訊號連接，亦可透過無線傳輸的方式，例如藍牙傳輸方式，達到訊號連接。使用者控制介面280可為行動裝置，例如智慧型手機、智慧型手錶、平板電腦、或遙控裝置。在一些示範例子中，使用者控制介面280可包含四種復健模式，即被動軌跡模式282a、主動力量模式282b、外力干擾模式282c、以及痙攣舒緩模式282d。使用者或復健師可根據復健需求而透過使用者控制介面280來選擇復健模式，使用者控制介面280接著可將所選取之復健模式的對應訊號傳送至控制裝置250，控制裝置250再根據所接收到的訊號經由編碼器200來控制馬達190的運轉。利用外骨骼機器人100的這些復健訓練模式可協助中風或肌肉無力等使用者者進行復健訓練。

使用者可利用外骨骼機器人100來進行主動復健訓練與被動復健訓練。主動訓練是由使用者主動出力並週期性地進行復健訓練，主動訓練可包含主動力量模式282b 與外力干擾模式282c。在主動訓練期間，外骨骼機器人100可根據使用者的選擇而提供主動力量模式282b或外力干擾模式282c等模式的協助。在復健訓練期間，外骨骼機器人100所施予的力量與干擾次數等參數皆可透過使用者介面280來調整。

被動復健訓練包含被動軌跡模式282a。在被動軌跡模式282a的復健訓練期間，使用者被動放鬆，由外骨骼機器人100主動出力，帶著使用者之肘關節根據預設軌跡、速度、與次數等參數，週期性地進行復健訓練。

當外骨骼機器人100感知到使用者於復健訓練期間有例如肌張力過強或嚴重攣縮等情況出現時，會主動進入痙攣舒緩模式282d，放鬆使用者肘關節收縮肌肉群。當使用者於復健訓練前已處於張力過強或嚴重攣縮情形，可直接選擇痙攣舒緩模式。

使用者控制介面280可在使用者完成被動復健訓練或主動復健訓練期間，即時記錄肘關節角度/速度、扭力、肌電訊號、阻力值等資訊，並將這些資訊顯示在使用者控制介面280的顯示區284中。藉此，可使使用者與外骨骼機器人間產生互動，進而可吸引使用者積極投入及維持復健訓練。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之肘關節復健用之外骨骼機器人為穿戴式裝置，機構設計上採旋轉動作，如此可使外骨骼機器人之整體 體積與重量皆較小，方便使用者穿戴與拆卸，而可達到桌上型或落地型復健機器人所不能及之治療效果。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之肘關節復健用之外骨骼機器人的控制器可即時接收肘關節扭力、旋轉角度、以及二頭肌與三頭肌之肌電訊號等資訊，並根據這些資訊進行位置及/或力量控制命令的計算，藉此可提供被動軌跡、主動力量、外力干擾、與痙攣舒緩等四種治療模式，不僅可滿足復健治療所需的療程，亦可達到使用者的肌肉安全防護，以利使用者可循序漸進地進行復健治療。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點就是因為本發明之肘關節復健用之外骨骼機器人的穿戴可利用泡棉與帶子來和上臂支撐架與前臂支撐架的結合，即可固定肘關節，而無需藉助U型支架或其他連動肩部支架，便可獨立進行肘關節復健運動。此外，外骨骼機器人之馬達驅動模組無需線性轉換旋轉的元件，即可直接產生旋轉動作，因此可達到易穿戴、力量緩衝、與結構輕量化等臨床訴求。

由上述之實施方式可知，本發明之再一優點就是因為使用者利用本發明之肘關節復健用之外骨骼機器人來進行復健治療時，可透過使用者控制介面來下達指令，亦可同時觀察肘關節角度、肘關節轉動速度、扭力、肌電訊號、阻力值等訊號，因此可使使用者與外骨骼機器人間產生互動，藉此吸引使用者積極投入復健治療。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧外骨骼機器人

110‧‧‧外殼

120‧‧‧第一支撐件

130‧‧‧第一穿戴件

132‧‧‧第一固定件

134‧‧‧第一調整件

140‧‧‧第二支撐件

150‧‧‧第二穿戴件

152‧‧‧第二固定件

154‧‧‧第二調整件

200‧‧‧編碼器

230‧‧‧第一肌電感測單元

240‧‧‧第二肌電感測單元

250‧‧‧控制裝置

270‧‧‧側牆

280‧‧‧使用者控制介面

282a‧‧‧被動軌跡模式

282b‧‧‧主動力量模式

282c‧‧‧外力干擾模式

282d‧‧‧痙攣舒緩模式

284‧‧‧顯示區

Claims (9)

1. 一種肘關節復健用之外骨骼機器人，包含：一外殼；一第一支撐件，配置以透過一第一穿戴件與一使用者之一上臂結合；一第二支撐件，配置以透過一第二穿戴件來支撐該使用者之一前臂，且透過一第一軸承而與該第一支撐件結合；一轉接座，透過一第二軸承而與該外殼結合；一馬達，穿過該轉接座而與該外殼結合，其中該馬達配置以帶動該第二支撐件；一編碼器，電性連接該馬達，且配置以控制該馬達並經由該馬達而取得該第二支撐件之一即時位置訊號；一扭矩感測單元，設於該第二支撐件與該馬達之間，且配置以感測施加於該第二支撐件之一扭矩；一第一肌電感測單元，設於該第一穿戴件上，且配置以感測該使用者之二頭肌的肌肉活動；一第二肌電感測單元，設於該第一穿戴件上，且配置以感測該使用者之三頭肌的肌肉活動；一控制裝置，電性連接該編碼器、該扭矩感測單元、該第一肌電感測單元、以及該第二肌電感測單元，以根據該第二支撐件之該即時位置訊號、該扭矩、以及該第一肌電感測單元和該第二肌電感測單元之感測訊號來控制該馬達；以及一使用者控制介面，其中該使用者控制介面與該控制裝置訊號連接。
2. 如申請專利範圍第1項之肘關節復健用之外骨骼機器人，更包含一減速機，其中該減速機設於該馬達與該扭矩感測單元之間。
3. 如申請專利範圍第2項之肘關節復健用之外骨骼機器人，更包含一轉接盤，接合在該減速機與該馬達之間。
4. 如申請專利範圍第1項之肘關節復健用之外骨骼機器人，其中該使用者控制介面包含一被動軌跡模式、一主動力量模式、一外力干擾模式、以及一痙攣舒緩模式。
5. 如申請專利範圍第1項之肘關節復健用之外骨骼機器人，其中該第一穿戴件包含一第一固定件與一第一調整件，該第二穿戴件包含一第二固定件與一第二調整件，該第一固定件及該第二固定件分別與該第一支撐件及該第二支撐件結合，該第一調整件及該第二調整件分別與該第一固定件之相對二端及該第二固定件之相對二端結合。
6. 如申請專利範圍第5項之肘關節復健用之外骨骼機器人，其中該第一固定件與該第二固定件之材質包含泡棉，該第一調整件及該第二調整件之材質包含塑膠。
7. 如申請專利範圍第1項之肘關節復健用之外骨骼機器人，其中該控制裝置包含一運算處理模組，該運算處理模組配置以即時接收該第二支撐件之該即時位置訊號、該扭矩、以及該第一肌電感測單元和該第二肌電感測單元之感測訊號，並進行對該馬達之一位置控制命令及/或一力量控制命令的計算。
8. 如申請專利範圍第1項之肘關節復健用之外骨骼機器人，其中該馬達係一直流馬達。
9. 如申請專利範圍第1項之肘關節復健用之外骨骼機器人，其中該編碼器設於該第一支撐件上，且介於該馬達與該第一支撐件之間。

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