CN106393071A - 一种9自由度穿戴自适应上肢康复外骨骼机构 - Google Patents
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Abstract
一种9自由度穿戴自适应上肢康复外骨骼机构，包括肩关节适应机构、外骨骼机构、连接机构和支撑件。所述外骨骼机构由肩关节等效机构和肘关节等效机构组成，其中肩关节等效机构实现上臂基于ISB描述的抬升面、抬升角和内外旋角的运动，肘关节等效机构实现前臂屈/伸和旋内/旋外运动；所述肩关节适应机构、连接机构有运动副和连接件组成，其作用是适应肩、肘关节运动耦合影响。连接方式是：支撑件、肩关节适应机构和外骨骼机构顺次固连，且通过连接机构和上肢紧致连接构成人机闭链机构。本发明结构简单；肩关节适应机构布置在前端，使连接支链短，机构重力传输到支撑件，穿戴轻便；适应肩、肘关节运动耦合，解除人机闭链产生与训练无关人机力和力矩。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域中的康复工程技术，具体是一种9自由度穿戴自适应上肢康复外骨骼机构，用于对上肢偏瘫或上肢运动功能损伤患者进行康复训练。
背景技术
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，我国已开始进入老龄化社会，脑卒中已成为老龄化群体的常见多发病。由于我国人口基数巨大，伴随老龄化进程的发展，脑卒中患者数目急剧增加，据统计，目前我国每年新增脑卒中患者多达150～200万人，是60岁以上老龄群体致死和致残的首因。同时，因各种交通事故、自然灾害频发，造成脊髓损伤、脑外伤患者数目也逐年增加。前述三种疾病和损伤极易造成肢体瘫痪，给患者的日常生活带来极大不便。由于人体上肢从事各种复杂、精细活动，其功能障碍直接影响患者工作和日常的生活能力，值得特别关注。上肢功能障碍的本质是中枢神经存在损伤，相应地，康复训练的根本目标是激发中枢神经的重组和代偿，促进神经***运动感知功能恢复，进而使患肢恢复运动能力。将先进的机器人技术应用于上肢临床康复训练，能够发挥机器人自动化、精确化和执行重复性高强度体力劳动的优势，弥补康复医疗资源短缺的不足，降低医护人员的劳动强度，提高康复训练效果。
根据人体解剖学可知，人体肩部关节图1、图2所示错综复杂，它由肱骨、肩胛骨、锁骨、胸骨及其间的盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节和肩胛胸壁关节连接而成，其中胸锁关节和肩胛胸壁关节运动学尚且不清楚，根据人体骨骼模型运动学分析，肩部关节中的盂肱关节(传统意义上的肩关节)在不同抬升面，抬升不同抬升角的运动过程中，转动中心在人体肩部关节相对于人体胸骨的运动过程中，是漂移的，并且漂移轨迹并不是线性的，而是有多段低曲率弧线构成，并且肩部盂肱关节旋转中心的漂移(肩关节运动耦合)也不仅限于矢状面内，这使研究肩部盂肱关节的运动更加复杂；人体肘部骨骼如图3所示，它有肱骨、桡骨、尺骨及其间的关节连接而成，肘关节是肱骨下端和桡骨、尺骨上端构成的复合关节，包括肱尺关节、肱桡关节和桡尺近侧关节，图中A点、B点和C点分别为肱骨小头、肱骨滑车和尺骨环状关节面的中心。肱尺关节由肱骨滑车与尺骨半月切迹构成，属于蜗状关节，是肘关节的主体部分，可沿轴线AB做前臂屈伸运动。桡尺近侧关节由桡骨头环状关节面与尺骨的桡骨切迹构成，属于车轴关节，桡尺远侧关节由桡骨头与桡腕关节盘的近侧面构成，属于车轴关节，这两个关节联合构成绕轴线AC的前臂旋转运动，经查阅相关文献，肘关节在前屈后伸的运动过程中，轴线不是固定的，而是漂移的(肘关节运动耦合)，具体运动规律尚不清晰。通过现有技术文献的检索与分析可以看出，现有上肢康复机器人平台包括麻雀理工学院研制的MIT-MANUS、瑞士Honcoma公司的Armin、美国华盛顿大学研制的CADEN-7、美国亚利桑那州立大学PUPERT-IV等，其中MIT-MANUS、Armin已经实现了产品化和临床应用。国内哈工大、上海交大、清华、安阳神方、广州一康、北京工业大学等研究机构也从事相关研究。上述上肢康复机器人平台及样机从机构学考虑，主要可分为两类，一类如申请号为201110237805.4的发明专利公开了一种上肢康复训练机器人，该机器人机构的优点是：借鉴人体上肢骨骼的运动生理结构特征，获得形式简约的机构构型，不足之处在于：只考虑到肩部关节三个自由度，肘部两个自由度，没有考虑到人体肩肘部关节在运动过程中，肩部盂肱关节的旋转中心随上肢的运动而改变，肘部关节旋转轴线的漂移。当人-机对应关节轴线出现穿戴偏差时，人-机闭链机构中存在与康复训练无关的内部作用力与力矩，易导致舒适性变差或出现安全问题；一类如申请号为201310003656.4的发明专利公开了一种具有人-机运动相容性的上肢康复外骨骼机构，该机构同样借鉴了人体上肢骨骼的运动生理结构特征，并充分考虑了人-机闭链机构中存在的与康复训练无关的内部作用力和力矩，但结构复杂，连接机构支链过长、力传输效果不好，并且支链重量大部分有人体上肢承担，不能有效传输到支撑件上。
本发明的目的是提出了一种9自由度穿戴自适应上肢康复外骨骼机构。该外骨骼机构充分借鉴人体上肢骨骼的运动生理结构特征，获得形式简约的外骨骼机构构型，并充分考虑了人-机闭链机构中存在的与康复训练无关的内部作用力和力矩，合理布置连接支链，把部分人机连接支链移植到与支撑件固连的位置，使人机连接支链短，力传输效果好，支链重量可有效传输到到支撑件。
发明内容
一种9自由度穿戴自适应上肢外骨骼机构，包括肩关节适应机构A、外骨骼机构、连接机构和支撑件。其特征在于肩关节等效机构B和肘关节等效机构E构成外骨骼机构，上臂连接机构D和前臂连接机构G构成连接机构，肩关节适应机构A与支撑件固连，且通过外骨骼机构、上臂连接机构D、前臂连接机构G与人体上臂C和前臂F紧致连接。
所述的肩关节适应机构A，由第一导轨、第一滑块、第二导轨、第二滑块和滑块固定板组成、其中第一导轨和第一滑块，第二导轨和第二滑块分别组成两个移动副，两移动副移动方向都在水平面内，且互相垂直。
所述的肩关节等效机构B，由上臂第一转动副、第一转动副连接件、上臂第二转动副、第二转动副连接件、上臂杆长调节螺旋运动副和上臂第三运动副依次串联组成，其中上臂第一转动副与滑块固定板相连，上臂第二转动副与上臂第一运动副通过第一运动副连接件相连，上臂第三运动副通过上臂杆长调节螺旋运动副、第二运动副连接件和上臂第二运动副相连，其中上臂杆长调节螺旋运动副沿第二运动副连接件直线运动，根据不同人体上臂长度调节外骨骼上臂杆长，上臂第一转动副、上臂第二转动副和上臂第三转动副呈转动副轴线互相垂直布置，交于一点。
所述的上臂连接机构D，由上臂移动副和上臂绷带组成、其中上臂移动副与上臂第三运动副固定相连，上臂绑带和上臂移动副固定连接，上臂绑带紧致穿戴于上臂C的末端。
所述的肘关节等效机构E，由前臂屈伸运动副连接件、前臂屈伸转动副、前臂屈伸运动连接杆、前臂杆长调节螺旋运动副和前臂旋内旋外转动副组成，其中前臂屈伸转动副通过前臂屈伸运动副连接件与上臂第三运动副相连，前臂杆长调节螺旋运动与前臂屈伸运动连接杆相连，调节前臂轴向力解除机构G和人体前臂F的固定位置，前臂旋内旋外运动副固连在前臂杆长调节螺旋副上，前臂屈伸转动副和前臂旋内旋外转动副呈转动副轴线垂直布置。
所述的前臂连接机构G，由前臂移动副和前臂绷带组成，其中前臂移动副固连在前臂旋内旋外运动副内，前臂移动副和前臂绑带固连，前臂绑带紧致穿戴于前臂F的末端。
为了增强上肢康复训练的功能，在本上肢康复外骨骼机构技术方案的基础上，在外骨骼机构的末端添加腕部屈/伸和收/展运动，或其中任何一种运动，也属于本上肢康复外骨骼机构技术方案所涵盖的范围。
本发明的有益效果：在人体上肢穿戴上该外骨骼机构后，外骨骼机构通过上臂连接机构D、前臂连接机构G与人体上肢上臂C、前臂F紧致连接，构成人-机闭链机构，肩关节适应机构A、外骨骼机构、上臂连接机构D、前臂连接机构G通过顺次连接，重力传输到支撑件上，且肩关节适应机构布置在该上肢外骨骼机构前端，与支撑件固连，使连接支链变短，人体上肢穿戴轻便，具体穿戴时允许肩关节等效机构的旋转中心和人体肩关节旋转中心不对心、人体肘关节关节轴线和肘关节等效机构轴线之间存在偏差，如图4、10所示，在外骨骼机构带动人体上肢的运动过程中，肩关节等效机构驱动上臂实现基于ISB描述的抬升面、抬升角和内外旋角的运动，肩关节适应机构适应肩关节由于和外骨骼不对心在水平面内的运动，解除了肩关节等效机构与肩关节在水平面内的产生的人机作用力和力矩，上臂连接机构解除肩关节等效机构与人体肩关节在人体上臂轴向产生的力和力矩；肘关节等效机构实现前臂屈/伸和旋内/旋外运动，前臂连接机构解除由于人体肘关节轴线和肘关节等效机构轴线不对齐引起的前臂轴向作用力和力矩。本发明结构简单；肩关节适应机构布置在该上肢外骨骼机构前端，与支撑件固连，使连接支链变短，机构重力传输到支撑件，穿戴轻便；适应肩、肘关节运动耦合影响，解除人机闭链产生与训练无关的人机作用力和力矩；有助于提高上肢康复训练的安全性及康复训练的效果。
附图说明
图1为人体右侧上肢肩部骨骼示意图
图2为人体右侧上肢肩部骨骼结构示意图
图3为人体肘部骨骼结构示意图
图4为一种9自由度穿戴自适应上肢外骨骼机构
图5为肩关节适应机构A
图6为肩关节等效机构B
图7为上臂连接机构D
图8为肘关节等效机构E
图9为前臂连接机构G
图10为一种9自由度穿戴自适应上肢外骨骼机构穿戴偏差示意图
附图标记说明：
附图标号说明：A.肩关节适应机构，B.肩关节等效机构，C.人体上臂，D.上臂连接机构，E.肘关节等效机构，F.人体前臂，G.前臂连接机构，1.支撑件，2.第一导轨，3.第一滑块，4.第二导轨，5.第二滑块，6.滑块固定板，7.上臂第一转动副，8.第一转动副连接件，9.上臂第二转动副，10.第二转动副连接件，11.上臂杆长调节螺旋运动副，12.上臂第三运动副，13.前臂屈伸运动副连接件，14.前臂屈伸转动副，15.前臂屈伸运动连接杆，16.前臂杆长调节螺旋运动副，17.前臂旋内旋外转动副，18.上臂移动副，19.上臂绷带，20.前臂移动副，21.前臂绷带
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
一种9自由度穿戴自适应上肢外骨骼机构如图4、5所示，包括肩关节适应机构A、外骨骼机构、连接机构和支撑件1。其特征在于肩关节等效机构B和肘关节等效机构E构成外骨骼机构，上臂连接机构D和前臂连接机构G构成连接机构，肩关节适应机构A与支撑件1固连，且通过外骨骼机构、上臂连接机构D、前臂连接机构G与人体上臂C和前臂F紧致连接。
所述的肩关节适应机构A如图5所示，由第一导轨2、第一滑块3、第二导轨4、第二滑块5和滑块固定板6组成、其中第一导轨2和第一滑块3，第二导轨4和第二滑块5分别组成两个移动副，两移动副移动方向都在水平面内，且互相垂直。
所述的肩关节等效机构B如图6所示，由上臂第一转动副7、第一转动副连接件8、上臂第二转动副9、第二转动副连接件10、上臂杆长调节螺旋运动副11和上臂第三运动副12依次串联组成，其中上臂第一转动副7与滑块固定板6相连，上臂第二转动副9与上臂第一运动副7通过第一运动副连接件8相连，上臂第三运动副12通过上臂杆长调节螺旋运动副11、第二运动副连接件10和上臂第二运动副9相连，其中上臂杆长调节螺旋运动副11沿第二运动副连接件10直线运动，根据不同人体上臂长度调节外骨骼上臂杆长，上臂第一转动副7、上臂第二转动副9和上臂第三转动副12呈转动副轴线互相垂直布置，交于一点。
所述的上臂连接机构D如图7所示，由上臂移动副18和上臂绷带19组成、其中上臂移动副18与上臂第三运动副12固定相连，上臂绑带19和上臂移动副18固定连接，且上臂绑带19紧致穿戴于上臂C的末端。
所述的肘关节等效机构E如图8所示，由前臂屈伸运动副连接件13、前臂屈伸转动副14、前臂屈伸运动连接杆15、前臂杆长调节螺旋运动副16和前臂旋内旋外转动副17组成，其中前臂屈伸转动副14通过前臂屈伸运动副连接件13与上臂第三运动副12相连，前臂杆长调节螺旋运动16与前臂屈伸运动连接杆15相连，调节前臂轴向力解除机构G和人体前臂F的固定位置，前臂旋内旋外运动副17固连在前臂杆长调节螺旋副16上，前臂屈伸转动副14和前臂旋内旋外转动副17呈转动副轴线垂直布置。
所述的前臂连接机构G如图9所示，由前臂移动副20和前臂绷带21组成，其中前臂移动副20固连在前臂旋内旋外运动副17上，前臂移动副20和前臂绑带21固连，且前臂绑带20紧致穿戴于前臂F的末端。
在所述的一种9自由度穿戴自适应上肢外骨骼机构，是用于人体右侧上肢功能康复的外骨骼机构，可以调整第一转动副、第二转动副、第三转动副及肘关节等效机构的相对安装位置，用于人体左侧上肢功能的康复，不限于本实例。
上述实施方式对本发明的实质进行了阐释与说明，但不应视为对本发明的限制，任何基于本发明实质所作的简单改进，只要其运动学及机构组成原理基于如图4所示的一种9自由度穿戴自适应上肢外骨骼机构，都应落入本发明权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种9自由度穿戴自适应上肢外骨骼机构，包括肩关节适应机构A、外骨骼机构、连接机构和支撑件；其特征在于肩关节等效机构B和肘关节等效机构E构成外骨骼机构，上臂连接机构D和前臂连接机构G构成连接机构，肩关节适应机构A与支撑件固连，且通过外骨骼机构、连接机构与人体上臂C和前臂F连接；
所述的肩关节适应机构A由第一导轨、第一滑块、第二导轨、第二滑块和滑块固定板组成、其中第一导轨和第一滑块，第二导轨和第二滑块分别组成两个移动副，两移动副移动方向都在水平面内，且互相垂直；
所述的肩关节等效机构B由上臂第一转动副、第一转动副连接件、上臂第二转动副、第二转动副连接件、上臂杆长调节螺旋运动副和上臂第三运动副依次串联组成，其中上臂第一转动副与滑块固定板相连，上臂第二转动副与上臂第一运动副通过第一运动副连接件相连，上臂第三运动副通过上臂杆长调节螺旋运动副、第二运动副连接件和上臂第二运动副相连，其中上臂杆长调节螺旋运动副沿第二运动副连接件直线运动，根据不同人体上臂长度调节外骨骼上臂杆长，上臂第一转动副、上臂第二转动副和上臂第三转动副呈转动副轴线互相垂直布置，交于一点；
所述的上臂连接机构D由上臂移动副和上臂绷带组成、其中上臂移动副与上臂第三运动副固定相连，上臂绑带和上臂移动副固定连接，且上臂绑带穿戴于上臂C的末端；
所述的肘关节等效机构E由前臂屈伸运动副连接件、前臂屈伸转动副、前臂屈伸运动连接杆、前臂杆长调节螺旋运动副和前臂旋内旋外转动副组成，其中前臂屈伸转动副通过前臂屈伸运动副连接件与上臂第三运动副相连，前臂杆长调节螺旋运动与前臂屈伸运动连接杆相连，调节前臂轴向力解除机构G和人体前臂F的固定位置，前臂旋内旋外运动副固连在前臂杆长调节螺旋副上，前臂屈伸转动副和前臂旋内旋外转动副呈转动副轴线垂直布置；
所述的前臂连接机构G，由前臂移动副和前臂绷带组成，其中前臂移动副固连在前臂旋内旋外运动副上，前臂移动副和前臂绑带固连，且前臂绑带穿戴于前臂F的末端。
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