CN102151215B - 一种上肢外骨骼式康复机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上肢外骨骼式康复机械臂，包括肩部C型外轨道支座、轨道滑块、肩头连接杆、上臂连接杆、前臂连接杆、手腕环形外轨道支座、手腕摆动连杆和手柄。轨道滑块的一端设置在肩部C型外轨道支座内，另一端与肩头连接杆的上部铰接连接；肩头连接杆与上臂连接杆铰接连接；上臂连接杆的下端与前臂连接杆的后端铰接连接；前臂连接杆的前端安装有手腕环形外轨道支座；手腕环形外轨道支座内设有手腕环形滑块；手腕摆动连杆的后端与手腕环形滑块相连，前端设置有手柄。本发明能方便实现患者手臂康复训练所需的肩关节、肘关节、腕关节的各种运动及它们的组合运动。

Description

一种上肢外骨骼式康复机械臂

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域中康复工程技术，特别是涉及一种上肢外骨骼式康复机械臂。

背景技术

“脑卒中”又称“脑血管病”，中医中称之为“中风”，是由于脑循环异常造成24小时以上的神经功能缺失的病症，可分为“缺血性脑中风”和“出血性脑中风”。前者是由于各种原因引起脑血管痉挛所致的脑细胞供血不足的病变。后者是由于脑血管破裂导致脑功能丧失的病变，占80％病人为缺血性中风。中风病人通常表现为意识丧失、偏瘫、失语、记忆力缺失、口眼歪斜、二便失禁等。中国每年的中风病患者达200万，每年约有120万人死于脑中风。中风幸存者60至80％遗留不同程度的后遗症，四分一到四分三的脑卒中患者可能在2至5年内复发。

脑卒中是急性脑血管病，具有发病率高、致残率高、死亡率高和复发率高等“四高”特点。目前，我国脑卒中相关高危人群数量也有大幅增长的趋势，每年用于此项防治的费用约200亿元人民币。

康复工程(Rehabilitation engineering)是生物医学工程的一个重要分支学科，主要研究如何运用工程技术手段提高残障人士的生活质量。它的理论基础是人机环境一体化和工程仿生，在此基础上形成了服务于各种康复目的的设施与装置。

偏瘫是最常见的中风后遗症。上肢功能的恢复对病人的日常生活能力影响较大，也是康复治疗中难于解决的问题之一。偏瘫后，患者一侧肢体运动功能丧失。临床证明，尽早介入康复训练不仅能够维持关节活动度、防止关节挛缩，而且能够明显提高患者运动功能的最终康复程度。

偏瘫上肢康复训练机器人是替代医师牵引患者患肢进行康复治疗，完成训练动作的一种医疗设备。它不同于一般的工业机器人，它有着特殊的工作对象以及特定的工作环境。设计偏瘫上肢康复训练机器人时，必须从患者的需要出发，同时符合临床康复训练的规律。在满足训练功能的同时，机器人应最大限度的保证患者患肢的安全，并且还应充分考虑到机器人与工作环境的适应性以及患者的可接受性。

我国康复机器人的研究起步较晚，就手臂康复设备而言，产品功能单一，其应用范围多限于局部关节，即腕关节，肘关节和肩关节的康复是由单独的器械完成的，很少有能够实现整个手臂各个关节康复的集成产品。国内有关康复机器人研发中，对于解决脑血管病肢体偏瘫患者运动功能障碍康复机器人训练的产品，尤其是上肢功能训练康复机器人还处于起步阶段，其中肩部多采用2自由度设计，方便机构设计的同时却牺牲了部分的自由度。它们多是采用大型支架式结构，体积大、成本高、舒适性差且基本难以实现运动的逆向输入。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种上肢外骨骼式康复机械臂，能方便实现患者手臂康复训练所需的肩关节、肘关节、腕关节的各种运动及它们的组合运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种上肢外骨骼式康复机械臂，包括肩部C型外轨道支座、轨道滑块、肩头连接杆、上臂连接杆、前臂连接杆、手腕环形外轨道支座、手腕摆动连杆和手柄，所述的轨道滑块的一端设置在所述的肩部C型外轨道支座内，另一端与所述的肩头连接杆的上部铰接连接；所述的肩头连接杆与所述的上臂连接杆铰接连接；所述的上臂连接杆的下端与前臂连接杆的后端铰接连接；所述的前臂连接杆的前端安装有所述的手腕环形外轨道支座；所述的手腕环形外轨道支座内设有手腕环形滑块；所述的手腕摆动连杆的后端与所述的手腕环形滑块相连，前端设置有所述的手柄。

所述的肩头连接杆与所述的上臂连接杆还通过限位弧形导轨配合连接。

所述的手腕环形滑块上设有对称的两个延伸块；所述的手腕摆动连杆的后端与所述的延伸块铰接连接。

所述的肩头连接杆与轨道滑块间通过填充构件来调整两者之间的距离。

所述的手柄与手部摆动连杆之间通过腰子孔配合连接。

所述的上臂连接杆和前臂连接杆采用尺寸可调的组合件制成。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用三自由度的肩关节设计可以方便实现偏瘫患者手臂康复所需的各种运动，整套装置能同步协调控制肩关节、肘关节、腕关节、及肩胛骨的各种运动，将各结构件换成简单的尺寸可调的组合件可实现各种规格的调整来适应不同体型的病人。肩关节处带虚轴的三自由度设计不仅提供了依附紧密的外骨骼式构架，同时也轻松的实现逆向运动的输入，因此同样方便的实现康复训练中需要的主动、半主动运动。该装置也可以扩展用作健康人体关节锻炼和运动员肢体运动训练的装置。本发明为自主输入运动的康复机器人的开发提供了基础装置，通过本发明的应用可进一步实现医疗设备的家庭化及其操作的简单化。本发明结构设计简单、灵巧、多自由度康复，有利于推广和应用。

附图说明

图1是本发明的整体简化结构图；

图2是本发明中肩关节简化结构图；

图3是本发明中腕关节简化结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种上肢外骨骼式康复机械臂，如图1、图2和图3所示，上肢外骨骼式康复机械臂，包括肩部C型外轨道支座1、轨道滑块2、肩头连接杆3、上臂连接杆4、前臂连接杆5、手腕环形外轨道支座6、手腕摆动连杆7和手柄8。轨道滑块2的一端设置在所述的肩部C型外轨道支座1内，轨道滑块2能绕所述的肩部C型外轨道支座1滑动。轨道滑块2的另一端与肩头连接杆3的上部铰接连接。肩头连接杆3与上臂连接杆4铰接连接，为了实现机构运动的稳定性及准确性，肩头连接杆3与上臂连接杆4还通过限位弧形导轨18配合连接。上臂连接杆4的下端与前臂连接杆5的后端铰接连接。前臂连接杆5的前端安装有手腕环形外轨道支座6，手腕环形外轨道支座6内设有手腕环形滑块9，手腕环形滑块9能够在手腕环形外轨道支座6内滑动。手腕环形滑块9上设有对称的两个延伸块10，手腕摆动连杆7的后端与延伸块10铰接连接。手腕摆动连杆7前端设置有手柄8，该手柄8与手部摆动连杆7之间通过腰子孔配合连接。

如图1和图2所示，肩部C型外轨道支座1与患者肩膀通过柔性缠绕固定连接，整个肩膀的细小偏移可以通过第七轴17的小角度转动实现。肩部前摆和后摆是通过轨道滑块2绕外置肩部C型外轨道支座1构成的第一轴11运动来实现的。肩部连接上臂的自转是通过肩头连接杆3与轨道滑块2铰接形成的第二轴12来实现的。肩部的外展功能通过肩头连接杆3与上臂连接杆4铰接形成的第三轴13来实现的，同时为了实现机构运动的稳定性及准确性肩头连接杆3与上臂连接杆4还通过限位弧形导轨18配合连接。肘关节处的自由度采用简单铰接形成的第四轴14来实现。真实的腕关节具有三个自由度，但权衡康复治疗的需求及机构设计的便携性，方案最终只选取其中的两个自由度，可实现手腕的自转和手掌的前后摆动。如图3所示，手腕的自转是通过手腕环形外轨道支座6和手腕环形滑块9配合形成的第五轴15实现的。前后摆动是通过手腕摆动连杆7与延伸块10铰接形成的第六轴16来实现的。

各转动轴间具有运动从属关系，由主到次依次为第七轴、第一轴、第二轴、第三轴、第四轴、第五轴、第六轴。在实际使用中每个关节的运动处都可设计一组机械限位装置来实现各关节在活动范围内安全运动。且前臂连接杆、上臂连接杆和第七轴所处位置均可设计为尺寸可调的组合件，肩头连接杆与轨道滑块间也可通过填充构件来调整两者之间距离来实现肩部高度可调的功能，手柄与手部摆动连杆间是通过腰子孔配合连接的，这样就实现了一款设计精巧、尺寸可调的可穿戴式外骨骼机械臂了。

不难发现，本发明涉及了手臂康复训练需要的主要六个自由度及肩胛骨的一个附属调节自由度。通过共点的3根转轴实现肩关节的三个自由度，在满足构件和身体不干涉的前提下实现了真实肩关节处的球副功能，这样的设计为手臂的安装提供了足够的可靠空间，能很好的实现穿戴式的外骨骼结构。其中通过肩部C形轨道构成的虚拟轴实现肩部前摆和后摆动作，通过与C形轨道配合的滑块上的纵向轴实现肩部连接上臂的自转运动，通过肩部后侧垂直于以上两轴的轴实现肩部的外展运动。3轴间具有一定的父子关系，为C形轨道构成的虚轴带动实现自转的轴，实现上臂自转的轴带动实现外展功能的轴。在该关系分布下的3轴的共同配合中能有效避免构件与身体的干涉实现真实肩关节的所有运动。肘关节处采用简单的铰链连接。人体真实的腕关节原本具有三个自由度，但权衡到康复治疗中的需求及机构设计所提供的效益，方案最终只选取其中的两个自由度，既可实现手腕的自转和手掌的前后摆动。本发明可以通过气动驱动或电机驱动，即可将驱动装置直接安装在要驱动的部位，也可以通过带外管道的钢丝绳作为传动装置配合上滑轮来实现驱动，实现方式相当灵活。

由此可见，本发明结构简单、轻巧，调节方便、灵活，适应不同体型的患者及不同阶段的康复训练要求，同时造价低廉，实用性好，完全能实现康复中所需的所有动作来实现对病人的康复治疗。另外运动的可逆向输入特点不仅为该领域新一代的产品开发提供了基础装置，也可以扩展用作健康人体关节锻炼和运动员肢体运动训练的装置。

Claims (5)

1.一种上肢外骨骼式康复机械臂，包括肩部C型外轨道支座（1）、轨道滑块（2）、肩头连接杆（3）、上臂连接杆（4）、前臂连接杆（5）、手腕环形外轨道支座（6）、手腕摆动连杆（7）和手柄（8），其特征在于，所述的轨道滑块（2）的一端设置在所述的肩部C型外轨道支座（1）内，另一端与所述的肩头连接杆（3）的上部铰接连接；所述的肩头连接杆（3）与所述的上臂连接杆（4）铰接连接；所述的上臂连接杆（4）的下端与前臂连接杆（5）的后端铰接连接；所述的前臂连接杆（5）的前端安装有所述的手腕环形外轨道支座（6）；所述的手腕环形外轨道支座（6）内设有手腕环形滑块（9）；所述手腕环形滑块（9）设有对称的两个延伸块（10），所述的手腕摆动连杆（7）的后端与所述的延伸块（10）铰接连接，前端设置有所述的手柄（8）。

2.根据权利要求1所述的上肢外骨骼式康复机械臂，其特征在于，所述的肩头连接杆（3）与所述的上臂连接杆（4）还通过限位弧形导轨（18）配合连接。

3.根据权利要求1所述的上肢外骨骼式康复机械臂，其特征在于，所述的肩头连接杆（3）与轨道滑块（2）间通过填充构件来调整两者之间的距离。

4.根据权利要求1所述的上肢外骨骼式康复机械臂，其特征在于，所述的手柄（8）与手腕摆动连杆（7）之间通过腰子孔配合连接。

5.根据权利要求1所述的上肢外骨骼式康复机械臂，其特征在于，所述的上臂连接杆（4）和前臂连接杆（5）采用尺寸可调的组合件制成。

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