專利名稱：一種具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域中的康復工程技術(shù)，具體是一種具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)，用于對上肢偏癱或上肢運動功能損傷的患者進行康復訓練。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的進步和人民生活水平的提高，我國已逐步進入老齡化社會。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。另外，由于交通運輸工具的迅速增長，因交通事故而造成神經(jīng)損傷或者肢體損傷的人數(shù)也逐年遞增。醫(yī)學理論和臨床醫(yī)學證明，這類患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，科學的康復訓練對于肢體運動功能的改善和恢復起到非常重要的作用。傳統(tǒng)的上肢康復訓練方式是康復醫(yī)師通過人力協(xié)助患者完成一系列的訓練運動，在康復訓練過程中，醫(yī)師的主觀意識及體力狀態(tài)等因素起到主導作用，加之患者病發(fā)后引 起的語言及認知功能的損傷，削弱了醫(yī)師與患者之間針對康復治療過程的交互作用。因此，傳統(tǒng)的康復訓練方式具有康復效率偏低、工作強度大、訓練效果及評價結(jié)果容易受到醫(yī)師主觀意識影響等局限。為彌補專業(yè)人員的不足，降低醫(yī)師的工作強度并為患者提供及時有效的醫(yī)療服務。自二十世紀九十年代以來，國內(nèi)外的一些研究機構(gòu)相繼開展了穿戴式上肢康復外骨骼的研制與康復訓練技術(shù)研究工作。穿戴式上肢康復外骨骼可以顯著降低康復醫(yī)師的工作強度，并具有訓練參數(shù)重復性好、訓練指標可根據(jù)需要設(shè)定以及有效加快肢體康復進程等優(yōu)點。穿戴式上肢康復外骨骼是典型的人-機一體化系統(tǒng)，人-機穿戴連接后外骨骼機構(gòu)與人體上肢構(gòu)成空間多環(huán)閉鏈機構(gòu)，訓練過程中人-機之間通過連接部位的相互作用實現(xiàn)協(xié)同運動。因此，要求外骨骼機構(gòu)與肢體之間不能出現(xiàn)過強的約束作用力/矩，以避免由此導致的舒適性變差及患肢的二次損傷。根據(jù)人體解剖學可知，人體上肢肩關(guān)節(jié)為3自由度球窩關(guān)節(jié)，可以進行上臂的屈/伸、收/展和內(nèi)旋/外旋運動；上肢肘關(guān)節(jié)具有2個自由度，可以進行前臂的屈/伸和旋前/旋后運動。通過現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索與分析可以看出，目前穿戴式上肢康復外骨骼機構(gòu)的設(shè)計主要基于前述關(guān)節(jié)屬性的運動學仿生。機構(gòu)與上肢的對應關(guān)節(jié)具有相等的自由度，并通過高副低代進行運動等效，構(gòu)件的尺度參照肢體骨胳參數(shù)確定，或?qū)?gòu)件設(shè)計成調(diào)節(jié)式結(jié)構(gòu)。在人-機穿戴連接方式上，外骨骼機構(gòu)與上肢在上臂和前臂之間通過綁帶或穿戴具緊致連接?，F(xiàn)有設(shè)計的優(yōu)點是可以獲得形式簡約的外骨骼機構(gòu)構(gòu)型，不足之處是當人-機對應關(guān)節(jié)軸線出現(xiàn)穿戴偏差時，人-機閉鏈機構(gòu)中存在與康復訓練無關(guān)的內(nèi)部作用力，易導致舒適性變差或出現(xiàn)安全問題。例如，圖1所示的人-機局部閉鏈機構(gòu)肩關(guān)節(jié)閉鏈，在外骨骼機構(gòu)與人體上肢直接緊致連接的情況下，當上肢肩關(guān)節(jié)中心與外骨骼機構(gòu)肩關(guān)節(jié)中心屈伸、內(nèi)外旋和收展轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸線的交點重合時，局部閉鏈機構(gòu)具有恰定的自由度和確定的運動上肢的上臂與外骨骼機構(gòu)的上臂運動相容，康復訓練過程中人-機之間不存在與康復訓練任務無關(guān)的內(nèi)部作用力。但由于人體關(guān)節(jié)的不可視性，實際穿戴時上肢肩關(guān)節(jié)中心與外骨骼機構(gòu)肩關(guān)節(jié)中心不可避免地存在偏差，如圖2所示，局部閉鏈機構(gòu)轉(zhuǎn)化為自由度欠缺的過約束系統(tǒng)上肢的上臂與外骨骼機構(gòu)的上臂運動不相容，在康復訓練過程中，人-機連接部位會產(chǎn)生與康復訓練無關(guān)的內(nèi)部作用力，導致舒適性變差或出現(xiàn)安全問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)，穿戴時允許人-機關(guān)節(jié)軸線之間存在偏差，而在人-機閉鏈機構(gòu)中不會產(chǎn)生與康復訓練無關(guān)的內(nèi)部作用力。本發(fā)明的技術(shù)方案:一種具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)，包括肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)A、上臂構(gòu)件7、上臂連接機構(gòu)B、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)C、前臂構(gòu)件13、前臂連接機構(gòu)D和支撐件1，其特征在于肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)A、上臂構(gòu)件7、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)C和前臂構(gòu)件13構(gòu)成上肢外骨骼機構(gòu)，上臂連接機構(gòu)B和前臂連接機構(gòu)D構(gòu)成人-機連接機構(gòu)，外骨骼機構(gòu)與支撐件I固連，且通過人-機連接機構(gòu)與人體上臂E和前臂F緊致連接。所述的肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)A由上臂收展轉(zhuǎn)動副2、第一轉(zhuǎn)動副連接件3、上臂內(nèi)外旋轉(zhuǎn)動副4、第二轉(zhuǎn)動副連接件5和上臂屈伸轉(zhuǎn)動副6依次串聯(lián)組成，其中上臂收展轉(zhuǎn)動副2與支撐件I相連，上臂屈伸轉(zhuǎn)動副6與上臂構(gòu)件7相連,上臂收展轉(zhuǎn)動副2、上臂內(nèi)外旋轉(zhuǎn)動副4和上臂屈伸轉(zhuǎn)動副6呈轉(zhuǎn)動副軸線互相垂直布置。所述的上臂連接機構(gòu)B由上臂移動副8、上臂運動副連接件9、上臂連接虎克鉸10和上臂綁帶11依次串聯(lián)組成，其中上臂移動副8與上臂構(gòu)件7相連，位于上臂構(gòu)件7的末端且沿上臂構(gòu)件7移動，上臂連接虎克鉸10與上臂綁帶11相連，上臂綁帶11緊致穿戴于上臂E的末端。`所述的肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)C由前臂屈伸轉(zhuǎn)動副12和前臂前后旋轉(zhuǎn)動副18組成，其中前臂屈伸轉(zhuǎn)動副12和前臂前后旋轉(zhuǎn)動副18呈轉(zhuǎn)動副軸線垂直布置。所述的前臂連接機構(gòu)D由前臂移動副14、前臂運動副連接件15、前臂連接球副16和前臂綁帶17依次串聯(lián)組成，其中前臂移動副14與前臂構(gòu)件13相連，前臂構(gòu)件與前臂屈伸轉(zhuǎn)動副12相連；前臂移動副14位于前臂構(gòu)件13的末端且沿前臂構(gòu)件13移動，前臂連接球副16與前臂綁帶17相連，前臂綁帶17緊致穿戴于前臂F的末端。所述的上臂連接機構(gòu)B還可以由上臂圓柱副19、上臂運動副連接件20、上臂連接移動副21和上臂綁帶11依次串聯(lián)組成，上臂圓柱副19與上臂構(gòu)件7相連，位于上臂構(gòu)件7的末端且軸線與上臂構(gòu)件7平行，上臂連接移動副21與上臂綁帶11相連。所述的前臂連接機構(gòu)D還可以由前臂圓柱副22、前臂運動副連接件23、前臂連接虎克鉸24和前臂綁帶17依次串聯(lián)組成，前臂圓柱副22與上臂構(gòu)件7相連，位于前臂構(gòu)件13的末端且軸線與前臂構(gòu)件13平行，前臂連接虎克鉸24與前臂綁帶11相連。為了增強上肢康復訓練的功能，在本上肢康復外骨骼機構(gòu)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，在外骨骼機構(gòu)的末端添加腕部屈/伸和收/展運動，或其中任何一種運動，也屬于本上肢康復外骨骼機構(gòu)技術(shù)方案所涵蓋的范圍。本發(fā)明的有益效果:上肢外骨骼機構(gòu)通過人-機連接機構(gòu)與人體上肢緊致連接，所構(gòu)成的人-機閉鏈機構(gòu)具有恰定的約束，穿戴時允許人-機關(guān)節(jié)軸線之間存在偏差，而在人-機閉鏈機構(gòu)中不會產(chǎn)生與康復訓練無關(guān)的內(nèi)部作用力，有助于提高上肢康復訓練的安全性及康復訓練的效果。


圖1為肩關(guān)節(jié)外骨骼無偏差穿戴位置。圖2為肩關(guān)節(jié)外骨骼有偏差穿戴位置。圖3本發(fā)明的上肢康復外骨骼機構(gòu)。圖4為本發(fā)明的上臂連接機構(gòu)形式二。圖5為本發(fā)明的前臂連接機構(gòu)形式二。圖中:A、肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)，B、上臂連接機構(gòu)，C、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)，D、前臂連接機構(gòu)，E、人體上臂，F(xiàn)、人體前臂，1、支撐件，2、上臂收展轉(zhuǎn)動副，3、第一轉(zhuǎn)動副連接件，4、上臂內(nèi)外旋轉(zhuǎn)動副，5、第二轉(zhuǎn)動副連接件，6、上臂屈伸轉(zhuǎn)動副，7、上臂構(gòu)件，8、上臂移動副，9、上臂運動副連接件，10、上臂連接虎克鉸，11、上臂綁帶，12、前臂屈伸轉(zhuǎn)動副，13、前臂構(gòu)件、14、前臂移動副，15、前臂運動副連接件，16、前臂連接球副，17、前臂綁帶，18、前臂前后旋轉(zhuǎn)動副，19、上臂圓柱副，20、上臂運動副連接構(gòu)件，21、上臂連接移動副，22、前臂圓柱副，23、前臂運動副連接件，24、前臂連接虎克鉸。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。如圖3所示，上肢康復外骨骼機構(gòu)包括肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)A、上臂構(gòu)件7、上臂連接機構(gòu)B、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)C、前臂構(gòu)件13、前臂連接機構(gòu)D和支撐件1，其中肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)A、上臂構(gòu)件7、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)C和前臂構(gòu)件13構(gòu)成上肢外骨骼機構(gòu)，上臂連接機構(gòu)B和前臂連接機構(gòu)D構(gòu)成人-機連接機構(gòu)。外骨骼機構(gòu)通過肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)A中的上臂收展轉(zhuǎn)動副2與支撐件I固連，以支撐外骨骼機構(gòu)的重量。穿戴時，肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)A中的上臂收展轉(zhuǎn)動副2、上臂內(nèi)外旋轉(zhuǎn)動副4和上臂屈伸轉(zhuǎn)動副6的軸線通過人體肩關(guān)節(jié)中心，在此允許存在偏差，以驅(qū)動上肢實現(xiàn)上臂的收/展、內(nèi)旋/外旋和屈/伸運動；肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)C中的前臂屈伸轉(zhuǎn)動副12和前臂前后旋轉(zhuǎn)動副18的軸線通過肘關(guān)節(jié)中心，在此也允許存在偏差，以驅(qū)動上肢實現(xiàn)前臂的屈/伸和旋前/旋后運動；上臂連接機構(gòu)B中的上臂綁帶11與人體上臂E緊致連接，并盡量靠近上臂E的末端；前臂連接機構(gòu)D中的前臂綁帶17與人體前臂F緊致連接，并盡量靠近前臂F的末端。上肢康復外骨骼機構(gòu)中的上臂連接機構(gòu)B也可采用圖4所示的結(jié)構(gòu)形式。

上肢康復外骨骼機構(gòu)中的前臂連接機構(gòu)D也可采用圖5所示的結(jié)構(gòu)形式。
權(quán)利要求
1.一種具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)，其特征在于:包括肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)(A)、上臂構(gòu)件(7)、上臂連接機構(gòu)(B)、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)(C)、前臂構(gòu)件(13)、前臂連接機構(gòu)(D)和支撐件(1)，其特征在于肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)(A)、上臂構(gòu)件(7)、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)(C)和前臂構(gòu)件(13)構(gòu)成上肢外骨骼機構(gòu)，上臂連接機構(gòu)(B)和前臂連接機構(gòu)(D)構(gòu)成人-機連接機構(gòu)，外骨骼機構(gòu)與支撐件(I)固連，且通過人-機連接機構(gòu)與人體上臂(E)和前臂(F)緊致連接； 所述的肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)(A)由上臂收展轉(zhuǎn)動副(2)、第一轉(zhuǎn)動副連接件(3)、上臂內(nèi)外旋轉(zhuǎn)動副(4)、第二轉(zhuǎn)動副連接件(5)和上臂屈伸轉(zhuǎn)動副(6)依次串聯(lián)組成，其中上臂收展轉(zhuǎn)動副(2)與支撐件(I)相連，上臂屈伸轉(zhuǎn)動副(6)與上臂構(gòu)件(7)相連，上臂收展轉(zhuǎn)動副(2)、上臂內(nèi)外旋轉(zhuǎn)動副(4)和上臂屈伸轉(zhuǎn)動副(6)呈轉(zhuǎn)動副軸線互相垂直布置； 所述的上臂連接機構(gòu)(B)由上臂移動副(8)、上臂運動副連接件(9)、上臂連接虎克鉸(10)和上臂綁帶(11)依次串聯(lián)組成，其中上臂移動副(8)與上臂構(gòu)件(7)相連，位于上臂構(gòu)件(7)的末端且沿上臂構(gòu)件(7)移動，上臂連接虎克鉸(10)與上臂綁帶(11)相連，上臂綁帶(11)緊致穿戴于上臂 (E)的末端； 所述的肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)(C)由前臂屈伸轉(zhuǎn)動副(12)和前臂前后旋轉(zhuǎn)動副(18)組成，其中前臂屈伸轉(zhuǎn)動副(12)和前臂前后旋轉(zhuǎn)動副(18)呈轉(zhuǎn)動副軸線垂直布置； 所述的前臂連接機構(gòu)(D)由前臂移動副(14)、前臂運動副連接件(15)、前臂連接球副(16)和前臂綁帶(17)依次串聯(lián)組成，其中前臂移動副(14)與前臂構(gòu)件(13)相連，前臂構(gòu)件(13)與前臂屈伸轉(zhuǎn)動副(12)相連； 前臂移動副(14)位于前臂構(gòu)件(13)的末端且沿前臂構(gòu)件(13)移動，前臂連接球副(16)與前臂綁帶(17)相連，前臂綁帶(17)緊致穿戴于前臂(F)的末端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)，其特征在于:所述的上臂連接機構(gòu)(B)或者由上臂圓柱副(19)、上臂運動副連接件(20)、上臂連接移動副(21)和上臂綁帶(11)依次串聯(lián)組成，上臂圓柱副(19)與上臂構(gòu)件(7)相連，位于上臂構(gòu)件(7)的末端且軸線與上臂構(gòu)件(7)平行，上臂連接移動副(21)與上臂綁帶(11)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)，其特征在于:所述的前臂連接機構(gòu)(D)或者由前臂圓柱副(22)、前臂運動副連接件(23)、前臂連接虎克鉸(24)和前臂綁帶(17)依次串聯(lián)組成，前臂圓柱副(22)與上臂構(gòu)件(7)相連，位于前臂構(gòu)件(13)的末端且軸線與前臂構(gòu)件(13)平行，前臂連接虎克鉸(24)與前臂綁帶(11)相連。
全文摘要
一種具有人-機運動相容性的上肢康復外骨骼機構(gòu)，包括外骨骼機構(gòu)、人-機連接機構(gòu)和支撐件。外骨骼機構(gòu)與背后支撐件固連，且通過連接機構(gòu)與人體上肢緊致連接構(gòu)成人-機閉鏈機構(gòu)。外骨骼機構(gòu)由肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)、肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)和上肢構(gòu)件組成，其中肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)驅(qū)動上肢實現(xiàn)上臂屈/伸、收/展和內(nèi)旋/外旋運動，肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)驅(qū)動上肢實現(xiàn)前臂屈/伸和旋前/旋后運動；人-機連接機構(gòu)由連接運動副和運動副連接件組成，其作用是使人-機閉鏈機構(gòu)具有恰定的約束。該機構(gòu)穿戴時允許外骨骼機構(gòu)的關(guān)節(jié)運動軸線與對應上肢關(guān)節(jié)軸線存在偏差，而在人-機閉鏈機構(gòu)中不產(chǎn)生與康復訓練無關(guān)的內(nèi)部作用力，有助于提高上肢康復訓練的安全性及康復訓練的效果。
文檔編號A61H1/00GK103070756SQ20131000365
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者李劍鋒, 袁樹崢, 范金紅, 馬春敏, 劉德忠 申請人:北京工業(yè)大學