CN111888183A - 一种用于康复机器人的腕部外骨骼 - Google Patents
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Abstract
一种用于康复机器人的腕部外骨骼，它包括外骨骼执行机构和传动驱动机构，所述外骨骼执行机构包括簧片模块和线轮环模块，传动驱动机构将动力通过鲍登线传递给簧片模块，用于控制腕关节作弯曲/伸展和内收/外展运动，线轮环模块为多线轮环状结构，传动驱动机构将动力通过鲍登线传递给线轮环模块，用于控制腕关节作内旋/外旋运动；簧片模块与线轮环模块插接在一起，线轮环模块与簧片模块通过插接方式实现腕部穿戴的镜像互换。该腕部外骨骼采用插装方式，舒适轻便。
Description
技术领域
本发明涉及一种外骨骼，具体涉及一种用于康复机器人的腕部外骨骼，属于康复机器 人领域。
背景技术
中风患者因失去了其运动功能丧失了生活自理的能力，严重者身体完全瘫痪，而中风 后导致偏瘫的概率达百分之五十以上。腕作为人体在日常生活中使用相对频繁的上肢关节, 因此腕部的康复训练成为中风患者急需康复的内容。康复训练通常采用的方法是由医护人 员或患者家属等进行人工康复训练，采用辅助患者进行长时间腕关节屈曲伸展、内收外展 等康复运动，来促进神经***康复。但是这种人工辅助康复训练存在着消耗大量人力、效 率低、成本高昂等不足。而通过康复机器人带动患者进行康复训练，从而节约人力与成本， 是一种弥补人工康复训练不足的方式。
腕部的运动形式主要有三种：弯曲/伸展、内收/外展和内旋/外旋运动。在中风患者康复 训练过程中通过训练腕部三个运动形式，能够有效激活患者腕部相关神经的通路。
研究表明，在腕部动作中，腕部距离躯干较远，自由度较多，且弯曲/伸展和内收/外展 属于远心运动。如何利用轻量结构充分模拟腕部三个自由度的自然运动，改善康复效果成 为现阶段的研究课题。
目前，国内一些腕部康复机械驱动装置已经被研制出来，这些驱动装置通常只实现弯 曲伸展自由度，缺少内旋外旋和内收外收自由度；或者实现方式是各个自由度各自一套驱 动***，这种方式会造成腕部机构的臃肿笨重，舒适性差，腕部关节的运动不自然，康复 治疗的效果不尽人意。
已经存在的一些腕部功能康复设备，绝大多数都不具备感知功能，为了方便对病人的 康复情况进行评价，需要将传感器整合到机器人中，在康复训练的过程中实时采集病人腕 关节的角度力矩信息以供医生和患者参考。目前，现有腕部功能康复设备绝大多是只能够 适用于一侧腕部康复，无法应用到对侧，应用时必须为康复中心配备两套一左一右的康复 设备。
综上，现有的腕部康复机器人，自由度欠缺，或设备臃肿笨重舒适性差，关节运动不 自然，康复治疗的效果不尽人意以及不具备感知功能和镜像互换功能。
发明内容
本发明是为克服现有技术不足，提供一种用于康复机器人的腕部外骨骼。该腕部外骨 骼采用插装方式，舒适轻便，具有镜像互换功能。
一种用于康复机器人的腕部外骨骼，包括外骨骼执行机构和传动驱动机构，所述外骨 骼执行机构包括簧片模块和线轮环模块，传动驱动机构将动力通过鲍登线传递给簧片模块， 用于控制腕关节作弯曲/伸展和内收/外展运动，线轮环模块为多线轮环状结构，传动驱动机 构将动力通过鲍登线传递给线轮环模块，用于控制腕关节作内旋/外旋运动；簧片模块与线 轮环模块插接在一起，线轮环模块与簧片模块通过插接方式实现腕部穿戴的镜像互换。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明采用了簧片模块，线轮环模块与簧片模块通过插接方式实现腕部穿戴的镜像互 换，传动驱动机构将动力通过鲍登线传递给簧片模块，实现腕关节作弯曲/伸展和内收/外展 运动，传动驱动机构将动力通过鲍登线传递给线轮环模块，实现腕关节作内旋/外旋运动， 簧片轻薄韧性好，能够极大减轻机构重量、简化机构形式。
本发明设计的腕部外骨骼具有镜像互换功能，能够做到左右互换，同时适用于左侧和 右侧偏瘫中风患者，使一套设备满足不同侧偏瘫患者，将成本控制在患者可接受范围内， 能够尽可能降低成本并提高使用的便利性和利用率。
本发明设计的腕部外骨骼具有易于安装拆卸的模块化结构设计，当部分零部件损坏， 可以快速便捷地更换；此外，模块化结构设计便于穿脱和部件转换，使机构的镜像互换更 加快速便捷。
本发明的腕部功外骨骼采用了基于鲍登线的传动方式，将传动驱动机构输出的力矩传 递到外骨骼驱动关节；该传动方式主要有以下特点：首先，能够实现远距离传输动力，将 电机远置与外骨骼分离开来以减轻机器人对手腕的负担；其次，允许患者在穿戴外骨骼机 器人进行康复训练的时候自由地移动腕的位姿，方便在训练的时候完成一些任务和日常生 活动作。另外，钢丝穿在鞘里面来传递拉力，而鞘的作用是中和掉钢丝对机构的拉力，使 得鲍登线对外骨骼设备的合力为零，即基于鲍登线的驱动机构可以看作是一个纯力矩源， 不会对腕产生牵拉作用。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为去掉一个前臂外壳后的本发明装配图；
图3为图2的***示意图；
图4为本发明传动驱动机构的整体装配图；
图5为绕线模块的***图；
图6为线轮环模块上鲍登线走线布置图；
图7为线性位移传感模块的检测原理示意图。
具体实施方式
参见图1、图2和图4所示，本实施方式的一种用于康复机器人的腕部外骨骼，所述腕 部外骨骼包括外骨骼执行机构和传动驱动机构3，所述外骨骼执行机构包括簧片模块1和线 轮环模块2，传动驱动机构3将动力通过鲍登线传递给簧片模块1，用于控制腕关节作弯曲 /伸展和内收/外展运动，线轮环模块2为多线轮环状结构，传动驱动机构3将动力通过鲍登 线传递给线轮环模块2，用于控制腕关节作内旋/外旋运动；簧片模块1与线轮环模块2插 接在一起，线轮环模块2与簧片模块1通过插接方式实现腕部穿戴的镜像互换。
本实施方式进一步地限定的是簧片模块1，如图3所示，簧片模块1包括固定盖1-0、掌背座1-1、两个执行线轮1-2、两个齿轮1-3、两个齿条1-4、两个簧片连接件1-5、两个 簧片1-6和两个前臂外壳1-7；
两个簧片连接件1-5可滑动地设置在其中一个前臂外壳1-7的内壁上，两个齿条1-4平 行设置，并分别与两个簧片连接件1-5连接，两个齿轮1-3和两个执行线轮1-2可转动地安 装在前臂外壳1-2的内壁上，两个齿条1-4分别与两个齿轮1-3啮合，两个簧片1-6移动方向与两个齿条1-4的移动方向平行，两个簧片1-6一端可转动地设置在两个簧片连接件1-5上，两个簧片1-6的另一端可转动地设置在掌背座1-1上，固定盖1-0连接在所述其中一个前臂外壳1-7的内壁上约束两个执行线轮1-2、两个齿轮1-3、两个齿条1-4和两个簧片连接件1-5。可选地，两个齿轮1-3分别绕前臂外壳1-7的约束轴旋转，两个齿轮1-3均含有D 形轴分别与执行线轮1-2的D型槽配合，固定盖1-0盖住并约束内部组件，两个簧片1-6的 一端含有小孔，分别与两个簧片连接件1-5上的连接轴约束并可旋转，两个簧片1-6的另一 端含有小孔与掌背座1-1上的两个连接轴约束并可旋转。使用时，掌背座1-1通过魔术贴固 定在人体掌背上。
如此设计，固定盖1-0盖住前臂外壳1-7，包裹内部并约束内部组件，钢丝带动两个执 行线轮1-2转动，从而带动通过D形轴配合的两个齿轮1-3转动，从而通过啮合的两个齿条1-4转换为直线运动，从而带动两簧片连接件1-5在前臂外壳1-7内部导轨内前进或回退运动，两簧片连接件1-5在前臂外壳1-7中运动时带动两个簧片1-6同时运动；当两个簧片连接件1-5同时前进，前臂外壳1-7和掌背座1-1之间存在使间距扩大的力作用，在人体腕部骨骼及关节的约束下，两个簧片1-6发生弯曲伸展，从而带动腕部关节弯曲，则能够实现腕部的弯曲动作；当弯曲达到一定角度，簧片连接件1-5到达滑轨终点，限制继续弯曲并保护佩戴者的安全；当两簧片连接件1-5回退时则正好与上述运动过程相反，则能够实现腕部的弯曲伸展运动；当两个簧片连接件1-5交错前进和回退，两个簧片1-6会产生相反方向运动，所构成四边形发生错位，则能够实现腕部的内收/外展自由度。
更进一步地，所述簧片模块1还包括直线位移传感模块，两个簧片连接件1-5和前臂外 壳1-7之间布置有用于检测二者相对位移的直线位移传感模块。所述线性位移传感模块包括 柔性超薄线性位置传感器、滑杆、弹簧和接触头；柔性超薄线性位置传感器固定在所述其 中一个前臂外壳1-7上，滑杆固定在簧片连接件1-5上，滑杆内包裹弹簧，弹簧顶住一端的 接触头，接触头与柔性超薄线性位置传感器的柔性导电电阻层接触滑动。设计的腕部外骨 骼能够利用直线位移传感器根据胡克定律测得腕部弯曲力矩，具有机构集成度高的特点， 尽可能使机构轻便可穿戴。检测原理如图7所示。滑杆的端部为接触头。
如此设计，运动时簧片连接件和外侧前臂外壳之间的直线位移传感模块可以检测相对直 线位移距离，并利用胡克定律可得到腕关节弯曲力矩信息。
腕部关节簧片力矩wτe可由下式计算得出：
wτe＝wkwθ
式中wk.—腕部的簧片刚度；
wθ.—腕部相对于关节远心的旋转角度。
其中，wθ与wx满足如下关系：
式中wx.—腕部的线性驱动位移，由位移传感器采集；
r.—腕部簧片距关节远心的距离半径。
由于上式不存在解析解，因而在应用过程中只能采用数值解获取wθ与wx对应关系，记 为：
wθ＝F(wx)
假设簧片力矩作用力臂约为簧片一半长度，则腕部关节稳态状态下，即静止或匀速旋 转过程中，可认为线性驱动力wFa与簧片力矩平衡，即：
式中wl—腕部簧片长度。
在腕部关节非稳态状态下，根据上述各式，以腕部弯曲时关节旋转角度方向为正方 向，在旋转过程中施加在手腕各关节的净力矩wτ可计算为：
基于上述具体实施方式，如图1和图3所示，所述线轮环模块2包括内环2-1、外环2-2 和七个引导线轮2-3；内环2-1的内侧面做有带有母插槽的插台，前臂外壳1-7上做有带有子插槽的接台，插台上开有能插接接台的母插槽，接台上开有能插接插台的子插槽，其中五个引导线轮2-3沿周向可转动地设置于内环2-1的端面上，另外两个引导线轮2-3可转动地设置在外环2-2的端面上，内环2-1与外环2-2扣合后可约束七个引导线轮2-3，内环2-1与外环2-2相对转动。如此设置，通过内环2-1、外环2-1的相对转动，则能够实现腕部内 旋外旋自由度。鲍登线的钢丝顺时针或逆时针拉动末端引导线轮2-3，使内环2-1、外环2-2 相对发生顺时针或逆时针转动，则能够实现腕部内旋外旋自由度。
进一步地限定的是弧线位移传感模块2-4，线轮环模块2还包括弧线位移传感模块2-4， 内环2-1和外环2-2之间布置有用于检测二者相对旋转位移的弧线位移传感模块2-4。所述 弧线位移传感模块2-4包括柔性超薄弧线位置传感器、滑杆、弹簧和接触头；柔性超薄弧线 位置传感器固定在外环2-2上，滑杆固定在内环2-1上，滑杆内包裹弹簧，弹簧顶住一端的 接触头，接触头与柔性超薄弧线位置传感器的柔性导电电阻层接触滑动。如此设置，运动 时内环2-1和外环2-2之间的弧线位移传感模块可以检测相对弧线位移距离，通过计算可得 到线轮环旋转角度。
基于上述所述实施方式，所述传动驱动机构3包括机架3-1和三套驱动器；每套驱动器 包括绕线模块3-2、电机3-3、联轴器3-4和六根鲍登线；
所述绕线模块3-2包括源线轮3-21、线轮输出轴3-22、线轮外壳3-23和外壳顶盖3-24；
三套驱动器上下并排设置在机架3-0上，每套驱动器中：电机3-3安装在机架3-1上， 线轮外壳3-23安装在机架3-1上；电机3-3的输出端通过联轴器3-4与线轮输出轴3-22连 接，线轮输出轴3-22布置在线轮外壳3-23内，源线轮3-21固套在线轮输出轴3-22上，外壳顶盖3-24安装在线轮外壳3-23上，线轮输出轴3-22的两端通过法兰轴承3-25安装在线轮外壳3-23和外壳顶盖3-24上，线轮外壳3-23上安装有垂直于线轮输出轴3-22的两个调整螺钉3-26，每个调整螺钉3-26在沿长度方向上加工有中心通孔，源线轮3-21分别通过鲍登线与执行线轮1-2和引导线轮2-3连接。
如此设置，传动驱动机构3输出的力矩可以通过鲍登线传递到腕部外骨骼关节，绕线 模块3-2能够通过旋转空心开槽调整螺钉3-26来调整钢丝的张力，鲍登线的钢丝从螺钉侧 面的开槽穿进螺钉，鞘插进螺钉头的中心孔并固定，当外旋螺钉时，鞘受到的压力增大，由于鞘的压力与钢丝的张力相等，钢丝的张力也增大，该绕线模块可以方便的实现对钢丝的预紧。
设计的外骨骼的各组件，绝大部分可通过3D打印的选择性烧结技术(SLS)制作而来， 其材料可选尼龙；通过这种方法，能够打印出小型复杂的零件，同时能够使每个零件具有 高强度，轻重量的特点；通过3D打印SLS工艺可以快速的制造零件，降低原型样机的开发时间；关键零件可以通过后期的打磨来完成整机的装配。外骨骼中只有齿轮齿条和线轮采用机加工，极大的降低了加工成本。
更进一步地，结合图3、图4和图5所示，其中两套驱动器用作簧片模块1的驱动，控制腕关节的弯曲/伸展和内收/外展运动的鲍登线走线如下：
对于一个执行线轮1-2：两根鲍登线的两根钢丝的一端缠绕在源线轮3-21上，两根钢 丝的另一端缠绕在执行线轮1-2上，两根鲍登线鞘的与两根钢丝的一端对应的一端穿进两 个调整螺钉3-26的中心孔中并固定，两根鲍登线鞘的另一端固定在前臂外壳1-7上；
如图6所示，剩余一套驱动器用作线轮环模块2，控制腕关节作内旋/外旋运动的鲍登 线走线如下：两根鲍登线的两根钢丝的一端缠绕在源线轮3-21上，两根钢丝另一端绕在线 轮环模块2的引导线轮2-3上，两根鲍登线鞘的与两根钢丝的一端对应的一端穿进线轮环模 块2对应的两个调整螺钉3-26的中心孔中并固定，两根鲍登线鞘的另一端固定在外环2-2 上。如此设计，能够实现远距离传输动力，将电机远置与外骨骼分离开来以减轻机器人对 腕部的负担；其次，允许患者在穿戴外骨骼机器人进行康复训练的时候自由地移动腕的位 姿，方便在训练的时候完成一些任务和日常生活动作。另外，钢丝穿在鞘里面来传递拉力， 而鞘的作用是中和掉钢丝对机构的拉力，使得鲍登线对外骨骼设备的合力为零，即基于鲍 登线的驱动机构可以看作是一个纯力矩源，不会对腕关节产生牵拉作用。
簧片模块1的两个簧片分别由两组传动驱动机构3驱动，当两组传动驱动机构3同时 前进和回退，在人体腕部骨骼及关节的约束下，簧片1-6发生弯曲伸展，从而带动腕部关节 运动，则能够实现腕部的弯曲伸展自由度；当两个传动驱动机构3交错前进和回退，两个簧片1-6会产生相反方向运动，则能够实现腕部的内收外展自由度；通过内环2-1、外环2-2相对转动，则能够实现腕部内旋外旋自由度；簧片1-6轻薄韧性好，能够极大减轻机构重量、简化机构形式；人体腕部关节在弯曲伸展时存在远心运动，且远心位置不断变化，该腕部外骨骼与人体腕部关节会构成变曲率同心圆结构，当驱动簧片1-6同时运动时，等效半径伸长或缩短，远心位置随之发生变化，则能够实现人体腕部与外骨骼的远心运动匹配，使关节运动更加自然，符合腕部关节实际运动形式，实现人机相容性。
使腕部外骨骼机构的运动轨迹与腕部关节各个自由度的自然运动轨迹更加贴近，腕部 动作更快达到预期的康复效果。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术 人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许 的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (9)
1.一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：所述腕部外骨骼包括外骨骼执行机构和传动驱动机构3，所述外骨骼执行机构包括簧片模块(1)和线轮环模块(2)，传动驱动机构(3)将动力通过鲍登线传递给簧片模块(1)，用于控制腕关节作弯曲/伸展和内收/外展运动，线轮环模块(2)为多线轮环状结构，传动驱动机构(3)将动力通过鲍登线传递给线轮环模块(2)，用于控制腕关节作内旋/外旋运动；簧片模块(1)与线轮环模块(2)插接在一起，线轮环模块(2)与簧片模块(1)通过插接方式实现腕部穿戴的镜像互换。
2.根据权利要求1所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：簧片模块(1)包括固定盖(1-0)、掌背座(1-1)、两个执行线轮(1-2)、两个齿轮(1-3)、两个齿条(1-4)、两个簧片连接件(1-5)、两个簧片(1-6)和两个前臂外壳(1-7)；
两个簧片连接件(1-5)可滑动地设置在其中一个前臂外壳(1-7)的内壁上，两个齿条(1-4)平行设置，并分别与两个簧片连接件(1-5)连接，两个齿轮(1-3)和两个执行线轮(1-2)可转动地安装在前臂外壳(1-2)的内壁上，两个齿条(1-4)分别与两个齿轮(1-3)啮合，两个簧片(1-6)移动方向与两个齿条(1-4)的移动方向平行，两个簧片(1-6)一端可转动地设置在两个簧片连接件(1-5)上，两个簧片(1-6)的另一端可转动地设置在掌背座(1-1)上，固定盖(1-0)连接在所述其中一个前臂外壳(1-7)的内壁上约束两个执行线轮(1-2)、两个齿轮(1-3)、两个齿条(1-4)和两个簧片连接件(1-5)。
3.根据权利要求2所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：所述簧片模块(1)还包括直线位移传感模块(1-8)，两个簧片连接件(1-5)和前臂外壳(1-7)之间布置有用于检测二者相对位移的直线位移传感模块(1-8)。
4.根据权利要求3所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：所述线性位移传感模块(1-8)包括柔性超薄线性位置传感器、滑杆、弹簧和接触头；柔性超薄线性位置传感器固定在所述其中一个前臂外壳(1-7)上，滑杆固定在簧片连接件(1-5)上，滑杆内包裹弹簧，弹簧顶住一端的接触头，接触头与柔性超薄线性位置传感器的柔性导电电阻层接触滑动。
5.根据权利要求4所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：所述线轮环模块(2)包括内环(2-1)、外环(2-2)和七个引导线轮(2-3)；内环(2-1)的内侧面做有带有母插槽的插台，前臂外壳(1-7)上做有带有子插槽的接台，插台上开有能插接接台的母插槽，接台上开有能插接插台的子插槽，其中五个引导线轮(2-3)沿周向可转动地设置于内环(2-1)的端面上，另外两个引导线轮(2-3)可转动地设置在外环(2-2)的端面上，内环(2-1)与外环(2-2)扣合后可约束七个引导线轮(2-3)，内环(2-1)与外环(2-2)相对转动。
6.根据权利要求5所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：所述线轮环模块(2)还包括弧线位移传感模块(2-4)，内环(2-1)和外环(2-2)之间布置有用于检测二者相对旋转位移的弧线位移传感模块(2-4)。
7.根据权利要求6所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：所述弧线位移传感模块(2-4)包括柔性超薄弧线位置传感器、滑杆、弹簧和接触头；柔性超薄弧线位置传感器固定在外环(2-2)上，滑杆固定在内环(2-1)上，滑杆内包裹弹簧，弹簧顶住一端的接触头，接触头与柔性超薄弧线位置传感器的柔性导电电阻层接触滑动。
8.根据权利要求7所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：所述传动驱动机构(3)包括机架(3-1)和三套驱动器；每套驱动器包括绕线模块(3-2)、电机(3-3)、联轴器(3-4)和六根鲍登线；
所述绕线模块(3-2)包括源线轮(3-21)、线轮输出轴(3-22)、线轮外壳(3-23)和外壳顶盖(3-24)；
三套驱动器上下并排设置在机架(3-0)上，每套驱动器中：电机(3-3)安装在机架(3-1)上，线轮外壳(3-23)安装在机架(3-1)上；电机(3-3)的输出端通过联轴器(3-4)与线轮输出轴(3-22)连接，线轮输出轴(3-22)布置在线轮外壳(3-23)内，源线轮(3-21)固套在线轮输出轴(3-22)上，外壳顶盖(3-24)安装在线轮外壳(3-23)上，线轮输出轴(3-22)的两端通过法兰轴承(3-25)安装在线轮外壳(3-23)和外壳顶盖(3-24)上，线轮外壳(3-23)上安装有垂直于线轮输出轴(3-22)的两个调整螺钉(3-26)，每个调整螺钉(3-26)在沿长度方向上加工有中心通孔，源线轮(3-21)分别通过鲍登线与执行线轮(1-2)和引导线轮(2-3)连接。
9.根据权利要求8所述一种用于康复机器人的腕部外骨骼，其特征在于：其中两套驱动器用作簧片模块(1)的驱动，控制腕关节的弯曲/伸展和内收/外展运动的鲍登线走线如下：
对于一个执行线轮(1-2)：两根鲍登线的两根钢丝的一端缠绕在源线轮(3-21)上，两根钢丝的另一端缠绕在执行线轮(1-2)上，两根鲍登线鞘的与两根钢丝的一端对应的一端穿进两个调整螺钉(3-26)的中心孔中并固定，两根鲍登线鞘的另一端固定在前臂外壳(1-7)上；
剩余一套驱动器用作线轮环模块(2)，控制腕关节作内旋/外旋运动的鲍登线走线如下：
两根鲍登线的两根钢丝的一端缠绕在源线轮(3-21)上，两根钢丝另一端绕在线轮环模块(2)的引导线轮(2-3)上，两根鲍登线鞘的与两根钢丝的一端对应的一端穿进线轮环模块(2)对应的两个调整螺钉(3-26)的中心孔中并固定，两根鲍登线鞘的另一端固定在外环(2-2)上。
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