專利名稱：一種上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域中康復(fù)工程技術(shù)，特別是涉及一種上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂。
背景技術(shù)：
“腦卒中”又稱“腦血管病”，中醫(yī)中稱之為“中風(fēng)”，是由于腦循環(huán)異常造成M小時以上的神經(jīng)功能缺失的病癥，可分為“缺血性腦中風(fēng)”和“出血性腦中風(fēng)”。前者是由于各種原因引起腦血管痙攣所致的腦細(xì)胞供血不足的病變。后者是由于腦血管破裂導(dǎo)致腦功能喪失的病變，占80%病人為缺血性中風(fēng)。中風(fēng)病人通常表現(xiàn)為意識喪失、偏癱、失語、記憶力缺失、口眼歪斜、二便失禁等。中國每年的中風(fēng)病患者達(dá)200萬，每年約有120萬人死于腦中風(fēng)。中風(fēng)幸存者60至80%遺留不同程度的后遺癥，四分一到四分三的腦卒中患者可能在2 至5年內(nèi)復(fù)發(fā)。腦卒中是急性腦血管病，具有發(fā)病率高、致殘率高、死亡率高和復(fù)發(fā)率高等“四高” 特點(diǎn)。目前，我國腦卒中相關(guān)高危人群數(shù)量也有大幅增長的趨勢，每年用于此項(xiàng)防治的費(fèi)用約200億元人民幣?？祻?fù)工程(Rehabilitation engineering)是生物醫(yī)學(xué)工程的一個重要分支學(xué)科， 主要研究如何運(yùn)用工程技術(shù)手段提高殘障人士的生活質(zhì)量。它的理論基礎(chǔ)是人機(jī)環(huán)境一體化和工程仿生，在此基礎(chǔ)上形成了服務(wù)于各種康復(fù)目的的設(shè)施與裝置。偏癱是最常見的中風(fēng)后遺癥。上肢功能的恢復(fù)對病人的日常生活能力影響較大， 也是康復(fù)治療中難于解決的問題之一。偏癱后，患者一側(cè)肢體運(yùn)動功能喪失。臨床證明，盡早介入康復(fù)訓(xùn)練不僅能夠維持關(guān)節(jié)活動度、防止關(guān)節(jié)攣縮，而且能夠明顯提高患者運(yùn)動功能的最終康復(fù)程度。偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是替代醫(yī)師牽引患者患肢進(jìn)行康復(fù)治療，完成訓(xùn)練動作的一種醫(yī)療設(shè)備。它不同于一般的工業(yè)機(jī)器人，它有著特殊的工作對象以及特定的工作環(huán)境。設(shè)計(jì)偏癱上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人時，必須從患者的需要出發(fā)，同時符合臨床康復(fù)訓(xùn)練的規(guī)律。在滿足訓(xùn)練功能的同時，機(jī)器人應(yīng)最大限度的保證患者患肢的安全，并且還應(yīng)充分考慮到機(jī)器人與工作環(huán)境的適應(yīng)性以及患者的可接受性。我國康復(fù)機(jī)器人的研究起步較晚，就手臂康復(fù)設(shè)備而言，產(chǎn)品功能單一，其應(yīng)用范圍多限于局部關(guān)節(jié)，即腕關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的康復(fù)是由單獨(dú)的器械完成的，很少有能夠?qū)崿F(xiàn)整個手臂各個關(guān)節(jié)康復(fù)的集成產(chǎn)品。國內(nèi)有關(guān)康復(fù)機(jī)器人研發(fā)中，對于解決腦血管病肢體偏癱患者運(yùn)動功能障礙康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練的產(chǎn)品，尤其是上肢功能訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人還處于起步階段，其中肩部多采用2自由度設(shè)計(jì)，方便機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時卻犧牲了部分的自由度。 它們多是采用大型支架式結(jié)構(gòu)，體積大、成本高、舒適性差且基本難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的逆向輸入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，能方便實(shí)現(xiàn)患者手臂康復(fù)訓(xùn)練所需的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動及它們的組合運(yùn)動。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，包括肩部C型外軌道支座、軌道滑塊、肩頭連接桿、上臂連接桿、前臂連接桿、手腕環(huán)形外軌道支座、手腕擺動連桿和手柄，所述的軌道滑塊的一端設(shè)置在所述的肩部C型外軌道支座內(nèi)，另一端與所述的肩頭連接桿的上部鉸接連接；所述的肩頭連接桿與所述的上臂連接桿鉸接連接；所述的上臂連接桿的下端與前臂連接桿的后端鉸接連接；所述的前臂連接桿的前端安裝有所述的手腕環(huán)形外軌道支座；所述的手腕環(huán)形外軌道支座內(nèi)設(shè)有手腕環(huán)形滑塊；所述的手腕擺動連桿的后端與所述的手腕環(huán)形滑塊相連，前端設(shè)置有所述的手柄。所述的肩頭連接桿與所述的上臂連接桿還通過限位弧形導(dǎo)軌配合連接。所述的手腕環(huán)形滑塊上設(shè)有對稱的兩個延伸塊；所述的手腕擺動連桿的后端與所述的延伸塊鉸接連接。所述的肩頭連接桿與軌道滑塊間通過填充構(gòu)件來調(diào)整兩者之間的距離。所述的手柄與手部擺動連桿之間通過腰子孔配合連接。所述的上臂連接桿和前臂連接桿采用尺寸可調(diào)的組合件制成。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明采用三自由度的肩關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)可以方便實(shí)現(xiàn)偏癱患者手臂康復(fù)所需的各種運(yùn)動， 整套裝置能同步協(xié)調(diào)控制肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、及肩胛骨的各種運(yùn)動，將各結(jié)構(gòu)件換成簡單的尺寸可調(diào)的組合件可實(shí)現(xiàn)各種規(guī)格的調(diào)整來適應(yīng)不同體型的病人。肩關(guān)節(jié)處帶虛軸的三自由度設(shè)計(jì)不僅提供了依附緊密的外骨骼式構(gòu)架，同時也輕松的實(shí)現(xiàn)逆向運(yùn)動的輸入，因此同樣方便的實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練中需要的主動、半主動運(yùn)動。該裝置也可以擴(kuò)展用作健康人體關(guān)節(jié)鍛煉和運(yùn)動員肢體運(yùn)動訓(xùn)練的裝置。本發(fā)明為自主輸入運(yùn)動的康復(fù)機(jī)器人的開發(fā)提供了基礎(chǔ)裝置，通過本發(fā)明的應(yīng)用可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備的家庭化及其操作的簡單化。 本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、靈巧、多自由度康復(fù)，有利于推廣和應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的整體簡化結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明中肩關(guān)節(jié)簡化結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明中腕關(guān)節(jié)簡化結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，如圖1、圖2和圖3所示，上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，包括肩部C型外軌道支座1、軌道滑塊2、肩頭連接桿3、上臂連接桿4、前臂連接桿5、手腕環(huán)形外軌道支座6、手腕擺動連桿7和手柄8。軌道滑塊2的一端設(shè)置在所述的肩部C型外軌道支座1內(nèi)，軌道滑塊2能繞所述的肩部C型外軌道支座1滑動。軌道滑塊2的另一端與肩頭連接桿3的上部鉸接連接。肩頭連接桿3與上臂連接桿4 鉸接連接，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，肩頭連接桿3與上臂連接桿4還通過限位弧形導(dǎo)軌18配合連接。上臂連接桿4的下端與前臂連接桿5的后端鉸接連接。前臂連接桿5的前端安裝有手腕環(huán)形外軌道支座6，手腕環(huán)形外軌道支座6內(nèi)設(shè)有手腕環(huán)形滑塊9， 手腕環(huán)形滑塊9能夠在手腕環(huán)形外軌道支座6內(nèi)滑動。手腕環(huán)形滑塊9上設(shè)有對稱的兩個延伸塊10，手腕擺動連桿7的后端與延伸塊10鉸接連接。手腕擺動連桿7前端設(shè)置有手柄 8，該手柄8與手部擺動連桿7之間通過腰子孔配合連接。如圖1和圖2所示，肩部C型外軌道支座1與患者肩膀通過柔性纏繞固定連接，整個肩膀的細(xì)小偏移可以通過第七軸17的小角度轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)。肩部前擺和后擺是通過軌道滑塊2繞外置肩部C型外軌道支座1構(gòu)成的第一軸11運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。肩部連接上臂的自轉(zhuǎn)是通過肩頭連接桿3與軌道滑塊2鉸接形成的第二軸12來實(shí)現(xiàn)的。肩部的外展功能通過肩頭連接桿3與上臂連接桿4鉸接形成的第三軸13來實(shí)現(xiàn)的，同時為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性肩頭連接桿3與上臂連接桿4還通過限位弧形導(dǎo)軌18配合連接。肘關(guān)節(jié)處的自由度采用簡單鉸接形成的第四軸14來實(shí)現(xiàn)。真實(shí)的腕關(guān)節(jié)具有三個自由度，但權(quán)衡康復(fù)治療的需求及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的便攜性，方案最終只選取其中的兩個自由度，可實(shí)現(xiàn)手腕的自轉(zhuǎn)和手掌的前后擺動。如圖3所示，手腕的自轉(zhuǎn)是通過手腕環(huán)形外軌道支座6和手腕環(huán)形滑塊9配合形成的第五軸15實(shí)現(xiàn)的。前后擺動是通過手腕擺動連桿7與延伸塊10鉸接形成的第六軸16來實(shí)現(xiàn)的。各轉(zhuǎn)動軸間具有運(yùn)動從屬關(guān)系，由主到次依次為第七軸、第一軸、第二軸、第三軸、 第四軸、第五軸、第六軸。在實(shí)際使用中每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動處都可設(shè)計(jì)一組機(jī)械限位裝置來實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)在活動范圍內(nèi)安全運(yùn)動。且前臂連接桿、上臂連接桿和第七軸所處位置均可設(shè)計(jì)為尺寸可調(diào)的組合件，肩頭連接桿與軌道滑塊間也可通過填充構(gòu)件來調(diào)整兩者之間距離來實(shí)現(xiàn)肩部高度可調(diào)的功能，手柄與手部擺動連桿間是通過腰子孔配合連接的，這樣就實(shí)現(xiàn)了一款設(shè)計(jì)精巧、尺寸可調(diào)的可穿戴式外骨骼機(jī)械臂了。不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明涉及了手臂康復(fù)訓(xùn)練需要的主要六個自由度及肩胛骨的一個附屬調(diào)節(jié)自由度。通過共點(diǎn)的3根轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的三個自由度，在滿足構(gòu)件和身體不干涉的前提下實(shí)現(xiàn)了真實(shí)肩關(guān)節(jié)處的球副功能，這樣的設(shè)計(jì)為手臂的安裝提供了足夠的可靠空間，能很好的實(shí)現(xiàn)穿戴式的外骨骼結(jié)構(gòu)。其中通過肩部C形軌道構(gòu)成的虛擬軸實(shí)現(xiàn)肩部前擺和后擺動作，通過與C形軌道配合的滑塊上的縱向軸實(shí)現(xiàn)肩部連接上臂的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過肩部后側(cè)垂直于以上兩軸的軸實(shí)現(xiàn)肩部的外展運(yùn)動。3軸間具有一定的父子關(guān)系，為C形軌道構(gòu)成的虛軸帶動實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)的軸，實(shí)現(xiàn)上臂自轉(zhuǎn)的軸帶動實(shí)現(xiàn)外展功能的軸。在該關(guān)系分布下的3軸的共同配合中能有效避免構(gòu)件與身體的干涉實(shí)現(xiàn)真實(shí)肩關(guān)節(jié)的所有運(yùn)動。肘關(guān)節(jié)處采用簡單的鉸鏈連接。人體真實(shí)的腕關(guān)節(jié)原本具有三個自由度，但權(quán)衡到康復(fù)治療中的需求及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所提供的效益，方案最終只選取其中的兩個自由度，既可實(shí)現(xiàn)手腕的自轉(zhuǎn)和手掌的前后擺動。本發(fā)明可以通過氣動驅(qū)動或電機(jī)驅(qū)動，即可將驅(qū)動裝置直接安裝在要驅(qū)動的部位，也可以通過帶外管道的鋼絲繩作為傳動裝置配合上滑輪來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)方式相當(dāng)靈活。由此可見，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、輕巧，調(diào)節(jié)方便、靈活，適應(yīng)不同體型的患者及不同階段的康復(fù)訓(xùn)練要求，同時造價(jià)低廉，實(shí)用性好，完全能實(shí)現(xiàn)康復(fù)中所需的所有動作來實(shí)現(xiàn)對病人的康復(fù)治療。另外運(yùn)動的可逆向輸入特點(diǎn)不僅為該領(lǐng)域新一代的產(chǎn)品開發(fā)提供了基礎(chǔ)裝置，也可以擴(kuò)展用作健康人體關(guān)節(jié)鍛煉和運(yùn)動員肢體運(yùn)動訓(xùn)練的裝置。
權(quán)利要求
1.一種上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，包括肩部C型外軌道支座(1)、軌道滑塊O)、肩頭連接桿( 、上臂連接桿(4)、前臂連接桿( 、手腕環(huán)形外軌道支座(6)、手腕擺動連桿(7)和手柄(8)，其特征在于，所述的軌道滑塊O)的一端設(shè)置在所述的肩部C型外軌道支座(1) 內(nèi)，另一端與所述的肩頭連接桿C3)的上部鉸接連接；所述的肩頭連接桿C3)與所述的上臂連接桿(4)鉸接連接；所述的上臂連接桿(4)的下端與前臂連接桿(5)的后端鉸接連接；所述的前臂連接桿(5)的前端安裝有所述的手腕環(huán)形外軌道支座(6)；所述的手腕環(huán)形外軌道支座(6)內(nèi)設(shè)有手腕環(huán)形滑塊(9)；所述的手腕擺動連桿(7)的后端與所述的手腕環(huán)形滑塊(9)相連，前端設(shè)置有所述的手柄(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，其特征在于，所述的肩頭連接桿 (3)與所述的上臂連接桿(4)還通過限位弧形導(dǎo)軌(18)配合連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，其特征在于，所述的手腕環(huán)形滑塊(9)上設(shè)有對稱的兩個延伸塊(10)；所述的手腕擺動連桿(7)的后端與所述的延伸塊 (10)鉸接連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，其特征在于，所述的肩頭連接桿(3)與軌道滑塊)間通過填充構(gòu)件來調(diào)整兩者之間的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，其特征在于，所述的手柄(8)與手部擺動連桿(7)之間通過腰子孔配合連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，其特征在于，所述的上臂連接桿(4)和前臂連接桿(5)采用尺寸可調(diào)的組合件制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種上肢外骨骼式康復(fù)機(jī)械臂，包括肩部C型外軌道支座、軌道滑塊、肩頭連接桿、上臂連接桿、前臂連接桿、手腕環(huán)形外軌道支座、手腕擺動連桿和手柄。軌道滑塊的一端設(shè)置在肩部C型外軌道支座內(nèi)，另一端與肩頭連接桿的上部鉸接連接；肩頭連接桿與上臂連接桿鉸接連接；上臂連接桿的下端與前臂連接桿的后端鉸接連接；前臂連接桿的前端安裝有手腕環(huán)形外軌道支座；手腕環(huán)形外軌道支座內(nèi)設(shè)有手腕環(huán)形滑塊；手腕擺動連桿的后端與手腕環(huán)形滑塊相連，前端設(shè)置有手柄。本發(fā)明能方便實(shí)現(xiàn)患者手臂康復(fù)訓(xùn)練所需的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動及它們的組合運(yùn)動。
文檔編號A63B23/12GK102151215SQ20111008697
公開日2011年8月17日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者叢國棟, 張輝, 易瑋帆, 王超新, 董懷寶 申請人:東華大學(xué)