CN117562776A - 一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构及外骨骼康复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构及外骨骼康复装置，属于康复外骨骼领域，包括：大臂袖环和小臂袖环；所述大臂袖环和小臂袖环转动连接；所述大臂袖环的环侧依次固定安装有大臂锚点一、大臂锚点二、大臂锚点三；所述小臂袖环的环侧布置有两个小臂锚点；所述大臂袖环的上端设置有固定的固定锚点一和固定锚点二；所述大臂袖环的上端设置有可直线移动的活动锚点；与现有技术相比，本申请的上肢屈伸机构能够实现肩关节前屈、后伸、外展、内收动作，肘关节屈肘、伸肘动作，并且提升了肩关节运动的运动范围。

Description

一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构及外骨骼康复装置

技术领域

本发明涉及康复外骨骼领域，具体涉及一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构及外骨骼康复装置。

背景技术

脑卒中是严重危害健康的重大慢性非传染疾病，85％的脑卒中幸存者会由于运动神经损伤而出现不同程度的偏瘫，针对脑卒中后偏瘫的康复治疗已成为研究热点。上肢康复外骨骼是一种结合了康复医学，针对脑卒中患者上肢康复训练的装置。上肢康复外骨骼可以穿戴在偏瘫患者的患肢上，通过外骨骼装置的运动来带动患者上肢运动，从而辅助偏瘫患者进行高效而且持续的康复训练，促进患者相应功能的康复。

现有的上肢康复外骨骼装置，多采用电机直接驱动，存在重量大，刚性大的问题，不利于患者的穿戴，而且运动时较大的刚性容易对患者造成伤害。因此，亟需研制出一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构及外骨骼康复装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构及外骨骼康复装置,通过柔性绳牵引，将电机与外骨骼分离，重量大大减轻。本申请能够实现上肢肩关节前屈/后伸、外展/内收动作，肘关节屈曲/伸展动作。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

第一方面，本申请提出一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，包括：大臂袖环和小臂袖环；所述大臂袖环和小臂袖环转动连接；所述大臂袖环的环侧依次固定安装有大臂锚点一、大臂锚点二、大臂锚点三；所述小臂袖环的环侧布置有两个小臂锚点；所述大臂袖环的上端设置有固定的固定锚点一和固定锚点二；所述大臂袖环的上端设置有可直线移动的活动锚点；

所述大臂锚点二和大臂锚点三均固定安装有一个可移动的柔性绳一；所述柔性绳一分别穿过固定锚点一和固定锚点二；所述大臂锚点一固定安装有可移动的柔性绳二；所述柔性绳二穿过所述活动锚点；所述小臂锚点均固定连接有一个可移动的柔性绳三；所述大臂袖环在靠近所述大臂锚点一和大臂锚点三处均设置有通孔；所述柔性绳三穿过所述通孔。

在一些实施例中，包括机架；所述机架包括固定杆一和固定杆二；所述固定杆一固定安装有直线驱动机构；所述直线驱动机构的伸缩端设置有所述活动锚点；所述固定杆一靠近所述活动锚点的一侧设置有所述固定锚点一；所述固定杆二与两个所述通孔分别通过一个柔性套管固定连接；所述柔性绳三分别布置在一个所述柔性套管的内部；所述固定杆二在所述柔性套管的上端设置有所述固定锚点二；所述柔性绳二与所述活动锚点连接；两个所述柔性绳一分别与所述固定锚点一和固定锚点二连接。

在一些实施例中，所述大臂袖环与小臂袖环通过肘关节连杆实现转动连接；所述肘关节连杆包括连杆一和可伸缩的连杆二；所述连杆一和连杆二中的一个与所述大臂袖环固定连接，所述连杆一和连杆二中的另一个与所述大臂袖环固定连接；所述连杆一与连杆二转动连接。

在一些实施例中，所述连杆二包括内层连杆和外层连杆；所述外层连杆呈线性均布有连接孔；所述内层连杆设置有腰形孔；所述腰形孔与一个所述腰形孔通过螺栓连接。

在一些实施例中，所述连杆一和连杆二的转动连接处安装有绝对值编码器；所述大臂袖环固定安装有惯性传感器。

在一些实施例中，所述大臂袖环由环体和弧形块组成；所述环体设置有缺口；所述环体在所述缺口处可拆式固定安装有所述弧形块。

在一些实施例中，所述小臂袖环固定安装有支杆；所述支杆设置有凹槽；所述凹槽内转动连接有滑轮；一个所述柔性绳三设在所述凹槽和滑轮之间。

在一些实施例中，所述活动锚点、固定锚点一和固定锚点二均为石墨铜套。

在一些实施例中，所述固定杆二靠近所述套管的一侧固定安装有肩关节靠垫。

第二方面，本申请还提出一种外骨骼康复装置，包括如第一方面所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构。

本发明的有益效果：

本申请通过柔性绳牵引的方式分离了电机和外骨骼，使得外骨骼主体部分质量相较于传统外骨骼大大减轻，质量在1kg以下。现有外骨骼在运动时常出现外骨骼旋转关节与人体关节错位的情况，本发明通过肩关节没有机械旋转中心，采用柔性绳牵引，实际旋转中心完全取决于人体肩关节旋转中心，肘关节连杆设计为可调节的机构，能够针对不同患者调节肘关节旋转中心，解决了外骨骼与人体关节旋转中心错位问题。

本申请通过布置有惯性传感器和绝对值编码器等角度传感器，用于测量上肢的运动姿态位置，通过控制算法，实现精准的上肢姿态位置控制，完成精确的上肢康复动作。本申请通过柔性绳牵引，由于柔性绳具有柔性，使得康复运动的动作更加柔顺，减小刚性，减轻患者在康复训练时的拉扯感，同时赋予患者在运动时一定的自由度，避免外骨骼运动对患者造成伤害。本申请的传动机构为柔性绳，装配制作简单，制作成本也有所降低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本申请的整体结构示意图；

图2为本申请的外骨骼机架示意图；

图3为本申请的外骨骼主体示意图；

图4为本申请的大臂袖环示意图；

图5为本申请的肘关节连杆示意图；

图6为本申请的小臂袖环示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本申请中的固定连接是指将零件或部件安装后，没有任何相对运动的连接；常见的如利用螺杆、花键、楔销等将零部件固定在一起，这种连接方式在维修时可以拆卸，且不会损坏零件；还有如焊接、铆接和过榫配合等，此类方式由于维修或更换时需锻、锯或氧割才能拆卸，所以零配件一般不能二次使用。本申请中的转动连接是将零件或部件安装后，零件相对固定件产生相对旋转运动的连接，常见的形式如通过在固定件上安装轴承，轴承内圈或者外圈安装零件，利用轴承完成旋转运动的关系。本申请中的滑动连接是将零件或部件安装后，零件能够在固定件上进行移动的连接。

一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，包括：大臂袖环2和小臂袖环4；大臂袖环2和小臂袖环4转动连接；大臂袖环2的环侧依次固定安装有大臂锚点一21、大臂锚点二22、大臂锚点三23；小臂袖环4的环侧布置有两个小臂锚点；大臂袖环2的上端设置有固定的固定锚点一12和固定锚点二13；大臂袖环2的上端设置有可直线移动的活动锚点11；

大臂锚点二22和大臂锚点三23均固定安装有一个可移动的柔性绳一；柔性绳一分别穿过固定锚点一12和固定锚点二13；大臂锚点一21固定安装有可移动的柔性绳二51；柔性绳二51穿过活动锚点11；小臂锚点均固定连接有一个可移动的柔性绳三；大臂袖环2在靠近大臂锚点一21和大臂锚点三23处均设置有通孔；柔性绳三穿过通孔。

使用前，将固定锚点一12和固定锚点二13固定在一个支撑面上，如支架、墙壁等；活动锚点11可以固定在一个直线驱动机构上，实现活动锚点11的直线移动；柔性绳的移动可以通过电机进行实现，电机通过带动机轴转动，机轴进行转动，柔性绳在机轴上进行缠绕，从而带动柔性绳进行移动，以拉动对应的锚点；当然柔性绳也可以通过直线驱动机构进行实现，但是此种方式对于直线驱动机构的行程要求高，故优选电机；电机可以加上线轮进行辅助缠绕柔性绳。

在使用时，患者将大臂袖环2和小臂袖环4穿戴到患肢大臂和小臂；穿戴好后，启动电机，电机将旋转运动转为柔性绳的直线运动；其中柔性绳二51和柔性绳一用于驱动肩关节运动，柔性绳三用于驱动肘关节运动；柔性绳二51布置在人的手臂前端，一个柔性绳一位于人的手臂后端，另一个柔性绳一位于人的手臂外侧向；柔性绳三位于人的手臂前后两侧；

进行肩关节前屈运动时，柔性绳二51收缩，提供前屈方向的拉力，两个柔性绳一伸长不提供拉力以免干涉运动。肩关节外展、后伸运动方式原理与前屈一致，内收运动则为柔性绳二51和两个柔性绳一同时伸长，通过患肢自身重力完成内收。肘关节屈肘运动为位于手臂前端的柔性绳三收缩提供屈臂的拉力，位于手臂后端的柔性绳三伸长不提供拉力，以免干涉运动。伸展运动则相反。

本申请中柔性绳是指具有较好的柔韧性的绳索,且能够承受一定的交变载荷；如 钢丝绳，钢丝绳是将力学性能和几何尺寸符合要求的钢丝按照一定的规则捻制在一起的螺 旋状钢丝束，钢丝绳由钢丝、绳芯及润滑脂组成。钢丝绳是先由多层钢丝捻成股，再以绳芯 为中心，由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。

在一些实施例中，包括机架；机架包括固定杆一和固定杆二；固定杆一固定安装有直线驱动机构；直线驱动机构的伸缩端设置有活动锚点11；固定杆一靠近活动锚点11的一侧设置有固定锚点一12；固定杆二与两个通孔分别通过一个柔性套管固定连接；柔性绳三分别布置在一个柔性套管的内部；固定杆二在柔性套管的上端设置有固定锚点二13；柔性绳二51与活动锚点11连接；两个柔性绳一分别与固定锚点一12和固定锚点二13连接。

其中直线驱动机构能够改变连接端位置的结构，常见如液压缸、电动推杆、滚珠丝杆14、直线电机等；上述机构都可以驱动柔性绳三进行移动；固定杆一和固定杆二可以是固定在一起，也可以是分开；固定杆一和固定杆二可以设置安装孔与装置、安装架等进行固定，相对固定柔性绳，安装机架更方便；柔性套管起到对柔性绳三的导向作用，防止电机收缩和释放柔性绳三时，柔性绳三没有套管束缚，柔性绳三不会沿着套管内壁进行移动，而是侧向扭曲。

在一些实施例中，大臂袖环2与小臂袖环4通过肘关节连杆3实现转动连接；肘关节连杆3包括连杆一33和可伸缩的连杆二；连杆一33和连杆二中的一个与大臂袖环2固定连接，连杆一33和连杆二中的另一个与大臂袖环2固定连接；连杆一33与连杆二转动连接；肘关节连杆3通过连杆二的伸缩调节可以实现根据患肢长度调节肘关节连杆3长度，以对准肘关节旋转中心；

伸缩的连杆二其目标是改变连杆二的长度，可以通过至少两节杆进行实现，两个节杆通过调节重叠部分的长度，从而改变两个节杆端点之间的长度即连杆的一个方向的总长；如连杆为圆柱状时，将一个节杆套在一个节杆内，调节好长度后通过螺钉、插销等连接件进行固定；如连杆为扁平的长方形时，可以在节杆布置两个节杆对应设置多个孔，调节好节杆的重叠区域后，通过螺钉或螺栓连接两个节杆上的孔位即可。

在一些实施例中，连杆二包括内层连杆和外层连杆；外层连杆呈线性均布有连接孔；内层连杆设置有腰形孔；腰形孔与一个腰形孔通过螺栓连接；通过将不同位置的连接孔与腰形孔连接即可改变连杆二的长度。

在一些实施例中，连杆一33和连杆二的转动连接处安装有绝对值编码器；大臂袖环2固定安装有惯性传感器26；绝对值编码器用于测量肘关节旋转角度；惯性传感器26实时检测肩关节姿态。

在一些实施例中，大臂袖环2由环体和弧形块组成；环体设置有缺口；环体在缺口处可拆式固定安装有弧形块；环体和弧形块可以通过螺钉、插销、卡扣25等实现可拆式固定安装；便于患者进行穿戴。

在一些实施例中，小臂袖环4固定安装有支杆；支杆设置有凹槽；凹槽内转动连接有滑轮；一个柔性绳三设在凹槽和滑轮之间，滑轮用于柔性绳导向，防止在运动过程中柔性绳与人体肘关节发生接触，对肘关节造成切割伤害。

在一些实施例中，活动锚点11、固定锚点一12和固定锚点二13均为石墨铜套；石墨铜套能够全方向导向柔性绳并且具有一定自润滑能力，增加柔性绳使用寿命。

在一些实施例中，固定杆二靠近套管的一侧固定安装有肩关节靠垫15；肩关节靠垫15给患者提供参考位置，患者在使用时肩膀靠在靠垫处进行穿戴和康复训练。

第二方面，本申请还提出一种外骨骼康复装置，包括如第一方面的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构。

下面结合附图1-6和实施方式，对申请所提供的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构做更进一步的说明。

如图1所示，一种基于柔性绳牵引的上肢康复外骨骼装置包括外骨骼机架1，大臂袖环2，肘关节连杆3，小臂袖环4，柔性绳5；

如图5所示，外骨骼机架1共布置有3个柔性绳锚点：活动锚点11、固定锚点一12、固定锚点二13，锚点采用石墨铜套，能够全方向导向柔性绳并且具有一定自润滑能力，增加柔性绳使用寿命。

大臂袖环2设置有大臂锚点一21、大臂锚点二22、大臂锚点三23；靠近大臂锚点一21设置的通孔一27、靠近大臂锚点三23布置的通孔二28；

柔性绳5包括柔性绳二51、柔性绳一A52、柔性绳一B53、柔性绳三A54和柔性绳三B55；

其中柔性绳二51、柔性绳一A52、柔性绳一B53从电机端的线轮引出；柔性绳二51穿过活动锚点11与大臂锚点一21连接；柔性绳二52穿过固定锚点一12与大臂锚点二22连接；柔性绳二53穿过固定锚点二13与大臂锚点三23连接；3个柔性绳给外骨骼提供拉力。

固定锚点一12和固定锚点二13固定在机架1上，给肩关节柔性绳一A52和柔性绳一B53进行导向。而由于前屈动作幅度较大，在肩关节前屈转动到90°以上时，柔性绳二51长度已经收缩到最短，难以继续提供拉力，所以将前屈锚点一11布置在滚珠丝杆14上，滚珠丝杆14带动前屈锚点一11向后移动，增大前屈锚点一11与前屈锚点二21间的距离，此时柔性绳二51能够再次收缩，从而提供拉力以完成后续的前屈动作。机架下端安装有肩关节靠垫15，给患者提供参考位置，患者在使用时肩膀靠在靠垫处，穿戴外骨骼装置进行康复训练。

如图2所示，外骨骼的大臂袖环2采用光敏树脂材料由3D打印制作，具有一定的拉伸强度、韧性较好并且密度小。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的材料改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护。大臂袖环2由两个部分组成，两个部分通过合叶24连接，通过卡扣25固定在一起；

在穿戴大臂袖环2时，打开卡扣25，将合叶24旋开，将大臂袖环2穿戴在上肢大臂上后，关闭合叶24扣上卡扣25。大臂袖环2上布置有3个柔性绳末端锚点：前屈锚点二21、大臂锚点二22、大臂锚点三23；柔性绳二51、柔性绳一A52、柔性绳一B53收缩提供拉力以带动上肢大臂做肩关节运动。大臂袖环2上布置有一个惯性传感器26，用于测量上肢大臂的姿态，即肩关节转动角度。

如图3所示，肘关节连杆3采用碳纤维材料切割制作，具有很高的强度和刚度，并且密度小，能够给外骨骼装置提供足够的支撑能力。肘关节连杆3的上连杆部分分为两层，外侧连杆31打上多排通孔，内侧连杆32打两排腰型槽通孔，针对不同患者的上肢长度，在使用前先调节两层连杆的相对位置，并用螺栓固定，达到调节上连杆长度的作用。外侧连杆31上端连接大臂袖环2，连杆一33下端连接小臂袖环4，肘关节连杆3在旋转中心安装一个绝对值编码器34，用于测量肘关节旋转角度。

如图4所示，所示小臂袖环4也采用光敏树脂材料由3D打印制作。小臂袖环4布置有2个锚点：小臂锚点A41、小臂锚点B42，2根柔性绳：柔性绳三A54、柔性绳三B55；两个柔性绳分别通过套管一56和套管二57导向，并且分别穿过大臂袖环的通孔一27、通孔二28，收缩提供拉力以带动小臂做肘关节运动，由于小臂不做外展方向的运动，不会受到向外方向的拉力，设计成外开口的形式，方便穿脱。小臂袖环的小臂锚点B42上方设置有一个导向滑轮43，用于柔性绳导向，防止在运动过程中柔性绳与人体肘关节发生接触，对肘关节造成切割伤害。

本发明的使用方式及原理为：患者在使用外骨骼装置时，将患肢肩膀靠在肩关节靠垫15上，分别将大臂袖环2和小臂袖环4穿戴到患肢大臂和小臂上，根据患肢长度调节肘关节连杆3长度，以对准肘关节旋转中心。穿戴好外骨骼装置后，启动电机，电机通过线轮将旋转运动转为柔性绳的直线运动。用于驱动肩关节运动的柔性绳二51、柔性绳一A52、柔性绳一B53对应穿过前屈锚点一11、固定锚点一12、固定锚点二13，末端连接到大臂袖环2的前屈锚点二21、大臂锚点二22、大臂锚点三23，用于驱动肘关节运动的柔性绳三A54和柔性绳三B55穿过大臂袖环2的通孔一27和通孔二28，末端连接到小臂袖环锚点41、42。进行肩关节前屈运动时，柔性绳二51收缩，提供前屈方向的拉力，柔性绳一A52和柔性绳一B53伸长不提供拉力以免干涉运动。肩关节外展、后伸运动方式原理与前屈一致，内收运动则为柔性绳二51、柔性绳一A52、柔性绳一B53同时伸长，通过患肢自身重力完成内收。肘关节屈肘运动为柔性绳三A54收缩提供屈臂的拉力，柔性绳三B55伸长不提供拉力，以免干涉运动。伸展运动则相反。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，包括：大臂袖环(2)和小臂袖环(4)；所述大臂袖环(2)和小臂袖环(4)转动连接；所述大臂袖环(2)的环侧依次固定安装有大臂锚点一(21)、大臂锚点二(22)、大臂锚点三(23)；所述小臂袖环(4)的环侧布置有两个小臂锚点；所述大臂袖环(2)的上端设置有固定的固定锚点一(12)和固定锚点二(13)；所述大臂袖环(2)的上端设置有可直线移动的活动锚点(11)；

所述大臂锚点二(22)和大臂锚点三(23)均固定安装有一个可移动的柔性绳一；所述柔性绳一分别穿过固定锚点一(12)和固定锚点二(13)；所述大臂锚点一(21)固定安装有可移动的柔性绳二(51)；所述柔性绳二(51)穿过所述活动锚点(11)；所述小臂锚点均固定连接有一个可移动的柔性绳三；所述大臂袖环(2)在靠近所述大臂锚点一(21)和大臂锚点三(23)处均设置有通孔；所述柔性绳三穿过所述通孔。

2.根据权利要求1所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，包括机架；所述机架包括固定杆一和固定杆二；所述固定杆一固定安装有直线驱动机构；所述直线驱动机构的伸缩端设置有所述活动锚点(11)；所述固定杆一靠近所述活动锚点(11)的一侧设置有所述固定锚点一(12)；所述固定杆二与两个所述通孔分别通过一个柔性套管固定连接；所述柔性绳三分别布置在一个所述柔性套管的内部；所述固定杆二在所述柔性套管的上端设置有所述固定锚点二(13)；所述柔性绳二(51)与所述活动锚点(11)连接；两个所述柔性绳一分别与所述固定锚点一(12)和固定锚点二(13)连接。

3.根据权利要求2所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，所述大臂袖环(2)与小臂袖环(4)通过肘关节连杆(3)实现转动连接；所述肘关节连杆(3)包括连杆一(33)和可伸缩的连杆二；所述连杆一(33)和连杆二中的一个与所述大臂袖环(2)固定连接，所述连杆一(33)和连杆二中的另一个与所述大臂袖环(2)固定连接；所述连杆一(33)与连杆二转动连接。

4.根据权利要求3所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，所述连杆二包括内层连杆和外层连杆；所述外层连杆呈线性均布有连接孔；所述内层连杆设置有腰形孔；所述腰形孔与一个所述腰形孔通过螺栓连接。

5.根据权利要求4所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，所述连杆一(33)和连杆二的转动连接处安装有绝对值编码器；所述大臂袖环(2)固定安装有惯性传感器(26)。

6.根据权利要求1所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，所述大臂袖环(2)由环体和弧形块组成；所述环体设置有缺口；所述环体在所述缺口处可拆式固定安装有所述弧形块。

7.根据权利要求1所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，所述小臂袖环(4)固定安装有支杆；所述支杆设置有凹槽；所述凹槽内转动连接有滑轮；一个所述柔性绳三设在所述凹槽和滑轮之间。

8.根据权利要求2所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，所述活动锚点(11)、固定锚点一(12)和固定锚点二(13)均为石墨铜套。

9.根据权利要求2所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构，其特征在于，所述固定杆二靠近所述套管的一侧固定安装有肩关节靠垫(15)。

10.一种外骨骼康复装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的基于柔性绳牵引的上肢屈伸机构。