CN112545835A - 上肢外骨骼用腕关节组件 - Google Patents

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CN112545835A CN202011438624.3A CN202011438624A CN112545835A CN 112545835 A CN112545835 A CN 112545835A CN 202011438624 A CN202011438624 A CN 202011438624A CN 112545835 A CN112545835 A CN 112545835A
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张俊忠
张莹莹
刘斌
刘静
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杨洪波
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Abstract

本发明公开了一种上肢外骨骼用腕关节组件，包括第一旋转机构和第二旋转机构；第一旋转机构包括第一电机、与第一电机的输出轴驱动连接的第一旋转板以及与所述第一旋转板的另一端固接的第一连接板；第二旋转机构包括固接在所述第一连接板上的第二电机、与所述第二电机的输出轴驱动连接的第二旋转板以及设置在所述第二旋转板上的把手。本发明可完成腕关节尺屈/桡屈及背屈/掌屈的运动，实现腕关节在这两个自由度上的训练，同时限位装置保障了该组件使用过程的安全性；本发明的限位装置还具有缓冲机构，能缓冲碰撞冲击力，减小对手腕的冲击造成的伤害或不适感，能提高其使用的舒适性；本发明结构简单，不同粗细的手臂的患者均可使用，适应性强。

Description

上肢外骨骼用腕关节组件
技术领域
本发明涉及康复医疗设备领域，特别涉及一种上肢外骨骼用腕关节组件。
背景技术
对于脑卒中、中风和截瘫肢体残障患者，生活质量的高低取决于残障肢体功能的恢复程度。运用先进康复治疗技术，改善患者肢体运动功能，使患者在最短时间内达到最令人满意的康复治疗效果并最终脱离病残的折磨，一直是康复工作者的目标。
外骨骼康复机器人作为一种神经康复类高端医疗器械，可以帮助患者进行高强度、重复性、针对性和互动性的康复训练。上肢外骨骼康复机器人可用于对患者的肩关节、肘关节和腕关节进行康复训练。其中，腕关节具有背屈/掌屈、尺屈/桡屈的自由度，腕关节康复训练组件需要能实现这两个自由度的训练。现有技术中，有采用弧形导轨式腕关节，如中国专利201110086977.6：一种上肢外骨骼式康复机械臂，其中的腕关节组件存在结构复杂、适应力弱的缺陷。另外，为保证腕关节康复训练的安全，需要进行安全限位，但现在的机构中要么缺少相关限位机构，要么采用的是刚性限位机构，有一定的碰撞冲击力，降低了使用的舒适性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种上肢外骨骼用腕关节组件。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：上肢外骨骼用腕关节组件，包括第一旋转机构和第二旋转机构；
所述第一旋转机构包括第一电机、与所述第一电机的输出轴驱动连接的第一旋转板以及与所述第一旋转板的另一端固接的第一连接板；
所述第二旋转机构包括固接在所述第一连接板上的第二电机、与所述第二电机的输出轴驱动连接的第二旋转板以及设置在所述第二旋转板上的把手；
所述第一电机用于驱动所述第一连接板绕X轴转动，所述第二电机用于驱动所述第二连接板绕Z轴转动，从而在使用者手掌握住所述把手时，通过所述第一旋转机构能实现腕关节的尺屈/桡屈运动的被动训练，通过所述第二旋转机构能实现腕关节的背屈/掌屈运动的被动训练。
优选的是，所述第一旋转板包括位于中间的矩形部以及位于所述矩形部两端的两个半圆形部；
所述第一电机上间隔固接有第一限位挡块和第二限位挡块；
所述第一限位挡块通过对所述矩形部的第一侧进行阻挡，能够实现对所述第一旋转板绕X轴朝第一方向转动的极限位置进行限位；
所述第二限位挡块通过对所述矩形部的第二侧进行阻挡，能够实现对所述第一旋转板绕X轴朝与所述第一方向相反的第二方向转动的极限位置进行限位。
优选的是，所述第二旋转板为圆形，其外周边沿向外凸出形成有阻挡部；
所述第二电机上间隔固接有第三限位挡块和第四限位挡块，且所述第三限位挡块和第四限位挡块处于所述阻挡部两侧；
所述第三限位挡块通过对所述阻挡部的第一侧进行阻挡，能够实现对所述第二旋转板绕Z轴朝第三方向转动的极限位置进行限位；
所述第四限位挡块通过对所述阻挡部的第二侧进行阻挡，能够实现对所述第二旋转板绕Z轴朝与所述第三方向相反的第四方向转动的极限位置进行限位。
优选的是，所述第一限位挡块、第二限位挡块、第三限位挡块和第四限位挡块结构相同，均包括挡块本体、开设在所述挡块本体的内侧表面的弧形接触凹槽以及开设在所述挡块本体的第一端的固定孔；所述固定孔内设置有用于将所述挡块本体固接在所述第一电机或第二电机的外壁上的固定件；
所述弧形接触凹槽用于与所述第一电机或第二电机的柱状外壁接触，所述挡块本体的第二端用于阻挡所述矩形部或阻挡部。
优选的是，所述固定孔为光孔，所述第一电机和第二电机的外壁上开设有与所述固定孔位置对应的螺纹孔，所述固定件为可穿过所述光孔以螺纹连接在所述螺纹孔中的螺丝。
优选的是，所述挡块本体的第二端的中部开设有第一形变槽，沿所述挡块本体的第二端向所述挡块本体的第一端，所述第一形变槽的宽度逐渐变小；
所述第一形变槽沿长度方向不贯通所述挡块本体，所述第一形变槽沿厚度方向贯通所述挡块本体；
其中，沿所述挡块本体的第二端向所述挡块本体的第一端为所述挡块本体的长度方向，所述固定孔的开设方向为所述挡块本体的厚度方向。
优选的是，所述第一形变槽的两内壁之间连接有缓冲弹簧，所述第一形变槽的其中一个内壁上固接有限位柱。
优选的是，所述挡块本体的第二端的用于与所述矩形部或阻挡部接触的两侧面上均开设有弧形阻挡凹槽。
优选的是，所述弧形接触凹槽中部朝向所述挡块本体的内部开设有第二形变槽。
优选的是，所述第二旋转板上固接有第二连接板，所述把手可转动连接在所述第二连接板上，且所述把手的中轴线与Z轴平行。
本发明的有益效果是：本发明的上肢外骨骼用腕关节组件可完成腕关节尺屈/桡屈及背屈/掌屈的运动，实现腕关节在这两个自由度上的训练，同时限位装置保障了该组件使用过程的安全性；本发明的限位装置还具有缓冲机构，能缓冲碰撞冲击力，减小对手腕的冲击造成的伤害或不适感，能提高其使用的舒适性；本发明结构简单，不同粗细的手臂的患者均可使用，适应性强。
附图说明
图1为本发明的上肢外骨骼用腕关节组件的结构示意图；
图2为本发明的上肢外骨骼用腕关节组件的另一个视角的结构示意图；
图3为本发明的第一旋转板处于竖直状态的结构示意图；
图4为本发明的第一旋转板处于一个极限旋转位置时的结构示意图；
图5为本发明的第一旋转板处于另一个极限旋转位置时的结构示意图；
图6为本发明的一种实施例中的挡块本体的结构示意图；
图7为本发明的另一种实施例中的挡块本体的结构示意图；
图8为本发明的另一种实施例中的挡块本体的剖视结构示意图。
附图标记说明：
1—第一旋转机构；10—第一电机；11—第一旋转板；12—第一连接板；13—矩形部；14—半圆形部；15—矩形部的第一侧；16—矩形部的第二侧；17—第一限位挡块；18—第二限位挡块；19—安装板；
2—第二旋转机构；20—第二电机；21—第二旋转板；22—第二连接板；23—把手；24—阻挡部；25—阻挡部的第一侧；26—阻挡部的第二侧；27—第三限位挡块；28—第四限位挡块；
30—挡块本体；31—弧形接触凹槽；32—固定孔；33—第一形变槽；34—缓冲弹簧；35—限位柱；36—弧形阻挡凹槽；37—第二形变槽；38—安装槽；300—挡块本体的第一端；301—挡块本体的第二端。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-5所示，本实施例的一种上肢外骨骼用腕关节组件，包括第一旋转机构1和第二旋转机构2；
第一旋转机构1包括第一电机10、与第一电机10的输出轴驱动连接的第一旋转板11以及与第一旋转板11的另一端固接的第一连接板12；
第二旋转机构2包括固接在第一连接板12上的第二电机20、与第二电机20的输出轴驱动连接的第二旋转板21以及设置在第二旋转板21上的把手23；
第一电机10用于驱动第一连接板12绕X轴转动，第二电机20用于驱动第二连接板22绕Z轴转动，从而在使用者手掌握住把手23时，通过第一旋转机构1能实现腕关节的尺屈/桡屈运动的被动训练，通过第二旋转机构2能实现腕关节的背屈/掌屈运动的被动训练。
第二旋转板21上固接有第二连接板22，把手23可转动连接在第二连接板22上，且把手23的中轴线与Z轴平行。
本发明的上肢外骨骼用腕关节组件可作为单独的模块使用，也可应用在上肢外骨骼中，用于对上肢腕关节障碍或功能受限的患者辅助进行腕关节尺屈/桡屈、背屈/掌屈两个自由度的被动康复训练。
在本实施例中，第一电机10的侧部还固接有安装板19，安装板19与外部的固定端固接。使用时，患者手掌握住把手23，第一电机10工作，带动第一旋转板11以及第一旋转板11上的第二旋转机构2整体绕X轴转动，从而带动患者的手腕进行尺屈/桡屈的被动运动；第二电机20工作，带动第二旋转板21绕Z轴转动，从而带动患者的手腕进行背屈/掌屈运动的被动运动。从而实现患者的腕关节在尺屈/桡屈、背屈/掌屈两个自由度的被动康复训练。
其中，第一旋转板11包括位于中间的矩形部13以及位于矩形部13两端的两个半圆形部14；第一电机10上间隔固接有第一限位挡块17和第二限位挡块18；第一限位挡块17通过对矩形部13的第一侧15进行阻挡，能够实现对第一旋转板11绕X轴朝第一方向转动的极限位置进行限位；
第二限位挡块18通过对矩形部13的第二侧16进行阻挡，能够实现对第一旋转板11绕X轴朝与第一方向相反的第二方向转动的极限位置进行限位。
第一限位挡块17为腕关节的尺屈/桡屈运动提供安全限位，第二限位挡块18为腕关节的背屈/掌屈运动提供安全限位，以防止转动角度过度而造成腕关节损伤。
其中，第二旋转板21为圆形，其外周边沿向外凸出形成有阻挡部24；第二电机20上间隔固接有第三限位挡块27和第四限位挡块28，且第三限位挡块27和第四限位挡块28处于阻挡部24两侧；第三限位挡块27通过对阻挡部24的第一侧25进行阻挡，能够实现对第二旋转板21绕Z轴朝第三方向转动的极限位置进行限位；第四限位挡块28通过对阻挡部24的第二侧26进行阻挡，能够实现对第二旋转板21绕Z轴朝与第三方向相反的第四方向转动的极限位置进行限位。
在一种实施例中，参照图6，第一限位挡块17、第二限位挡块18、第三限位挡块27和第四限位挡块28作为限位装置，其结构相同，均包括挡块本体30、开设在挡块本体30的内侧表面的弧形接触凹槽31以及开设在挡块本体30的第一端300的固定孔32；固定孔32内设置有用于将挡块本体30固接在第一电机10或第二电机20的外壁上的固定件；
弧形接触凹槽31用于与第一电机10或第二电机20的柱状外壁接触，挡块本体30的第二端301用于阻挡矩形部13或阻挡部24。固定孔32为光孔，第一电机10和第二电机20的外壁上开设有与固定孔32位置对应的螺纹孔，固定件为可穿过光孔以螺纹连接在螺纹孔中的螺丝。
即挡块本体30的第一端300固接在第一电机10或第二电机20的柱状外壁上，通过设置弧形接触凹槽31，使挡块本体30能贴合电机的柱状外壁连接；螺丝穿过固定孔32后与螺纹孔螺纹连接，从而使挡块本体30固定连接在电机上。挡块本体30的第二端301则用于对第一旋转板11和第二旋转板21各自的2个极限旋转位置进行限位，具体的以第一旋转板11的限位为例进行详细说明。参照图3-5，图3中，第一旋转板11处于竖直状态，其逆时针旋转时，挡块本体30的弧形接触凹槽31与第一旋转板11的半圆形部14之间具有间隙，挡块本体30对半圆形部14无阻挡作用，半圆形部14可相对挡块本体30进行旋转，参照图4，当半圆形部14右端与矩形部13的连接位置旋转至第一限位挡块17的挡块本体30处时，矩形部13被第一限位挡块17的挡块本体30阻挡而无法转动，从而限制第一旋转板11逆时针旋转的最大角度为α；同理，第一旋转板11顺时针旋转时，参照图5，当半圆形部14左端与矩形部13的连接位置旋转至第二限位挡块18的挡块本体30处时，矩形部13被第二限位挡块18的挡块本体30阻挡而无法转动，从而限制第一旋转板11顺时针旋转的最大角度为β。
而对于第二旋转板21，当第二旋转板21正反向旋转，使阻挡部24分别与第三限位挡块27和第四限位挡块28接触时，即为第二旋转板21的两个极限旋转位置，也即阻挡部24只能在第三限位挡块27和第四限位挡块28之间进行转动。
在另一种实施例中，参照图7-8，挡块本体30具有缓冲机构，能够缓冲工作时其与矩形部13或阻挡部24之间的碰撞冲击力，即能减小机构旋转至某一极限位置时的刚性碰撞对手腕的冲击造成的伤害或不适感，同时也能减小因刚性碰撞而对结构造成的损害。具体的，本实施例中，挡块本体30的第二端301的中部开设有第一形变槽33，沿挡块本体30的第二端301向挡块本体30的第一端300，第一形变槽33的宽度逐渐变小；
第一形变槽33沿长度方向不贯通挡块本体30，第一形变槽33沿厚度方向贯通挡块本体30；
其中，沿挡块本体30的第二端301向挡块本体30的第一端300为挡块本体30的长度方向，固定孔32的开设方向为挡块本体30的厚度方向。
进一步的，第一形变槽33的两内壁之间连接有缓冲弹簧34，第一形变槽33的其中一个内壁上固接有限位柱35。第一形变槽33的两内壁上还设置有安装槽38，缓冲弹簧34连接在安装槽38内。
挡块本体30的第二端301的用于与矩形部13或阻挡部24接触的两侧面上均开设有弧形阻挡凹槽36。弧形阻挡凹槽36表面可设置橡胶层，以提供缓冲保护，减小挡块本体30与阻挡机构之间的碰撞作用。
挡块本体30的弧形阻挡凹槽36受到外力作用时会向中间的第一形变槽33收拢，压缩缓冲弹簧34，收缩至极限位置时，第一形变槽33的一个内壁上的限位柱35与第一形变槽33的另一个内壁接触。
下面以挡块本体30与阻挡部24的接触为例说明本实施例中的挡块本体30中的缓冲机构的工作原理。例如，当第二旋转板21旋转至一个极限位置时，挡块本体30的第二端301右侧的弧形阻挡凹槽36与阻挡部24接触，由于挡块本体30的第二端301中间开设有第一形变槽33，且第一形变槽33的宽度向挡块本体30的内部是逐渐减小的，所以第一形变槽33两侧的挡块本体30具有一定的弹性，受力时会向中间弯曲收拢；所以此时，第一形变槽33右侧的挡块本体30因受到阻挡部24的阻挡力而向中间弯曲收拢，直至限位柱35的右侧顶住第一形变槽33右侧的内壁，从而通过弹性形变缓冲掉两者之间的冲击力；进一步的，此时缓冲弹簧34还被压缩，提供进一步的缓冲作用。当阻挡部24的阻挡力消失后，第一形变槽33右侧的挡块本体30向右复位，此时，由于缓冲弹簧34还对第一形变槽33右侧的挡块本体30也具有向右的弹力作用，故能辅助挡块本体30的复位，使挡块本体30恢复弹性形变，从而使挡块本体30能长期维持很好的冲击缓冲效果。本实施例中，限位柱35的设置是用于将第一形变槽33两侧的挡块本体30的弯曲形变控制在一定的允许范围内，且要保证在允许的弯曲形变范围内，旋转板不会超过安全限位的范围。
在进一步的实施例中，弧形接触凹槽31中部朝向挡块本体30的内部开设有第二形变槽37。第二形变槽37的设，使第二形变槽37两端的挡块本体30能向中间或背向中间的第二形变槽37有一定的形变弯曲，从而使弧形接触凹槽31能在一定范围内适应不同曲率的圆柱面。例如，当安装的电机的柱状外壁表面曲率稍变大时，由于第二形变槽37两端的挡块本体30能背向中间的第二形变槽37弯曲，从而使弧形接触凹槽31的曲率变大，仍能贴合连接在电机的柱状外壁上。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，包括第一旋转机构和第二旋转机构；
所述第一旋转机构包括第一电机、与所述第一电机的输出轴驱动连接的第一旋转板以及与所述第一旋转板的另一端固接的第一连接板；
所述第二旋转机构包括固接在所述第一连接板上的第二电机、与所述第二电机的输出轴驱动连接的第二旋转板以及设置在所述第二旋转板上的把手；
所述第一电机用于驱动所述第一连接板绕X轴转动，所述第二电机用于驱动所述第二连接板绕Z轴转动，从而在使用者手掌握住所述把手时，通过所述第一旋转机构能实现腕关节的尺屈/桡屈运动的被动训练，通过所述第二旋转机构能实现腕关节的背屈/掌屈运动的被动训练。
2.根据权利要求1所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述第一旋转板包括位于中间的矩形部以及位于所述矩形部两端的两个半圆形部；
所述第一电机上间隔固接有第一限位挡块和第二限位挡块；
所述第一限位挡块通过对所述矩形部的第一侧进行阻挡，能够实现对所述第一旋转板绕X轴朝第一方向转动的极限位置进行限位；
所述第二限位挡块通过对所述矩形部的第二侧进行阻挡，能够实现对所述第一旋转板绕X轴朝与所述第一方向相反的第二方向转动的极限位置进行限位。
3.根据权利要求2所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述第二旋转板为圆形，其外周边沿向外凸出形成有阻挡部；
所述第二电机上间隔固接有第三限位挡块和第四限位挡块，且所述第三限位挡块和第四限位挡块处于所述阻挡部两侧；
所述第三限位挡块通过对所述阻挡部的第一侧进行阻挡，能够实现对所述第二旋转板绕Z轴朝第三方向转动的极限位置进行限位；
所述第四限位挡块通过对所述阻挡部的第二侧进行阻挡，能够实现对所述第二旋转板绕Z轴朝与所述第三方向相反的第四方向转动的极限位置进行限位。
4.根据权利要求3所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述第一限位挡块、第二限位挡块、第三限位挡块和第四限位挡块结构相同，均包括挡块本体、开设在所述挡块本体的内侧表面的弧形接触凹槽以及开设在所述挡块本体的第一端的固定孔；所述固定孔内设置有用于将所述挡块本体固接在所述第一电机或第二电机的外壁上的固定件；
所述弧形接触凹槽用于与所述第一电机或第二电机的柱状外壁接触，所述挡块本体的第二端用于阻挡所述矩形部或阻挡部。
5.根据权利要求4所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述固定孔为光孔，所述第一电机和第二电机的外壁上均开设有与所述固定孔位置对应的螺纹孔，所述固定件为可穿过所述光孔以螺纹连接在所述螺纹孔中的螺丝。
6.根据权利要求4所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述挡块本体的第二端的中部开设有第一形变槽，沿所述挡块本体的第二端向所述挡块本体的第一端，所述第一形变槽的宽度逐渐变小；
所述第一形变槽沿长度方向不贯通所述挡块本体，所述第一形变槽沿厚度方向贯通所述挡块本体；
其中，沿所述挡块本体的第二端向所述挡块本体的第一端为所述挡块本体的长度方向，所述固定孔的开设方向为所述挡块本体的厚度方向。
7.根据权利要求6所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述第一形变槽的两内壁之间连接有缓冲弹簧，所述第一形变槽的其中一个内壁上固接有限位柱。
8.根据权利要求7所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述挡块本体的第二端的用于与所述矩形部或阻挡部接触的两侧面上均开设有弧形阻挡凹槽。
9.根据权利要求4所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述弧形接触凹槽中部朝向所述挡块本体的内部开设有第二形变槽。
10.根据权利要求1所述的上肢外骨骼用腕关节组件，其特征在于，所述第二旋转板上固接有第二连接板，所述把手可转动连接在所述第二连接板上，且所述把手的中轴线与Z轴平行。
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