一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置

摘要

本发明公开了一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置，包括肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节和手掌。本发明机器人装置有8个自由度，用来模拟人的上肢关节自由度，康复训练中能够提供较多的活动度，使人体上肢的主要关节都能得到辅助训练；采用可穿戴式结构，结构简单，重量轻，能穿着于患者身上，舒适性好，并且直接作用于患肢，因此训练的针对性强，效果好。多自由度的结构设计，可以满足多种控制方式，可以辅助患肢进行单关节运动和多关节复合运动的康复训练，达到辅助完成患者的日常生活需要的目的。

权利要求

1.一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置，包括肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节和手掌；其特征在于：

所述肩关节包括肩顶架(11)、肩侧架(12)和肩部角度传感器(13)，肩顶架(11)和肩侧架(12)呈半环形，在直径端通过第一、第二转轴连接；肩部角度传感器(13)与第一或第二转轴固定连接；

所述上臂包括上臂角度传感器(21)、上臂杆(22)、上臂支撑架(23)和第一、第二臂肘连接杆(24、25)；上臂杆(22)的一端与肩侧架(12)通过第三转轴相连，上臂角度传感器(21)安装在第三转轴上，上臂杆(22)的另一端开有调节孔；上臂支撑架(23)为U字形，其U字形底端与上臂杆(22)上的调节孔连接，两侧端的一端与第一臂肘连接杆(24)固连，另一端与第二臂肘连接杆(25)固连；

所述肘关节包括肘环架(31)、肘关节角度传感器(32)和前臂杆(33)；肘环架(31)为U字型支架，U字型支架的一侧端通过第四转轴与第一臂肘连接杆(24)连接，另一侧端通过第五转轴与第二臂肘连接杆(25)连接；前臂杆(33)呈大字型，前臂杆(33)的主干端与肘环架(31)的U字形底端通过第六转轴相连，第六转轴的轴线位于肘环架(31)的对称轴上，前臂杆(33)的分枝端与前臂(4)固定连接；肘关节角度传感器(32)安装在第六转轴上；

所述腕关节包括腕前杆(51)、腕环架(52)、腕关节角度传感器(53)和第一、第二腕掌连接杆(54、55)；腕前杆(51)的一端与前臂(4)固定连接，腕环架(52)呈U字型，其底端与腕前杆(51)另一端固定连接，腕环架(52)的一侧端与第一腕掌连接杆(54)通过第七转轴相连，另一侧端与第二腕掌连接杆(55)通过第八转轴相连，腕关节角度传感器(53)固定在第七或第八转轴上；

所述手掌包括第一手指(62)、、第二手指(66)、第一指头紧固件(63)、第二指头紧固件(65)、握杆(64)和回伸拉杆(61)；第一、第二手指(62、66)呈类指针型，中间圆形部分装有滚动轴承，第一手指(62)通过第九转轴与第一腕掌连接杆(54)相连，第二手指(66)通过第第十转轴与第二腕掌连接杆(55)相连；回伸拉杆(61)的两端分别固定在第一、第二手指(62、66)的短针部分，第一、第二手指(62、66)的长针部分分别与第一、第二指头紧固件(63、65)滑动配合，并设有止动螺钉；握杆(64)的一端固定在第一指头紧固件(63)上，另一端固定在第二指头紧固件(65)上；

前臂(4)包括外圈、滚珠轴(44)、滚珠(45)和内圈；内外圈均为半圆形组合式结构，上外半圈由第一上外半圈(41)和第二上外半圈(40)连接而成，二者之间沿圆周方向安装有若干滚珠轴，滚珠轴上穿有滚珠；下外半圈由第一下外半圈(43)和第二下外半圈(42)连接而成，二者之间沿圆周方向亦安装有若干滚珠轴，滚珠轴上也穿有滚珠；所述上外半圈和下外半圈在垂直于环形面的直径剖面上通过第九转轴相连；

上内半圈由第一上内半圈(48)和第二上内半圈(49)连接而成，下内半圈由第一内下半圈(47)和第二下内半圈(46)连接而成，内圈在外径方向开有环槽形滚道，第一上内半圈(48)和第二上内半圈(49)在垂直于环形面的直径剖面上通过第十转轴相连。

说明书

一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置

技术领域

[0001] 本发明属于辅助医疗康复训练设备技术领域，涉及一种康复训练机器人，具体为一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置，该装置能够直接作用于患肢关节，可以进行局部关节及多关节复合运动的康复训练。

[0002] 技术背景

[0003] 中风是中老年的常见病、多发病，是当今世界对人类危害最大的3种疾病之一。我国每年约有660万中风病患者，随着世界各国相继进入老龄化国家，中风患者势必越来越多。由中风产生的众多患者后遗症中尤以偏瘫居首位。中风所导致的偏瘫，常常对患者本人、家庭造成心理及其它方面的冲击。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，造成社会资源的极大浪费。偏瘫上肢康复训练的传统治疗方法是治疗师手把手辅助患者进行训练，这种方法存在诸多问题，如：训练效率和训练强度难以保证、训练效果受到治疗师水平的影响、训练过程不具吸引力、患者参与治疗的主动性不够等。因此，寻求有效的康复手段，使患者能够在一定程度上恢复失去的功能，不仅有利于提高患者本身的生活质量，也可以减轻社会的总体负担。在偏瘫上肢康复训练中引入机器人技术，其优点在于，机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求，从而把治疗师从繁重的训练任务中解放出来；机器人可以客观记录训练过程中患者患肢各种运动参数，供治疗师分析，以评价治疗的效果；还有，使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，使患者能够积极参与治疗。

[0004] “偏瘫患者上肢复合运动的康复训练机器人”(中国专利文献公开号为CN1480118A，公开日为2004年03月10日)采用一个机械臂来带动患者患肢运动，机械臂安装在立柱上，机械臂可作水平面的运动以及沿着立柱的垂直方向的升降运动，由一个悬吊支撑架对患者肘关节进行悬吊支撑，通过控制机械臂末端的运动轨迹就能使患者患肢按照一定的方式运动，在一定程度上能满足的康复训练要求。

[0005] 但是，该已知偏瘫上肢康复训练机器人的缺点在于：1.其本质是工业机器人，结构复杂，界面不友好，给人以生冷、畏惧感，从康复心理学角度来讲，不利于患者的康复.2.自由度有限，最多拥有三个自由度，仅能给患肢提供三个活动度，不能做到对患肢的主要运动关节进行同时训练，而且对单关节的训练的控制也比较复杂3.训练模式单一，只能执行单一的被动训练，在可由患者参与的主动训练及主被动混合训练时，控制起来比较困难.3.灵活性差，不可穿戴，只能位于固定的坐椅上在相对固定的地方进行训练，患者使用不够灵活。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置，该装置能对患者上肢关节进行局部或整体的全方位训练，使用安全，穿戴舒适，便于患肢长时间进行复合运动功能的康复训练。

[0007] 本发明提供的一种可穿戴式上肢康复训练机器人装置，包括肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节和手掌；其特征在于：

[0008] 所述肩关节包括肩顶架、肩侧架和肩部角度传感器，肩顶架和肩侧架呈半环形，在直径端通过第一、第二转轴连接；肩部角度传感器与第一或第二转轴固定连接；

[0009] 所述上臂包括上臂角度传感器、上臂杆、上臂支撑架和第一、第二臂肘连接杆；上臂杆的一端与肩侧架通过第三转轴相连，上臂角度传感器安装在第三转轴上，上臂杆的另一端开有调节孔；上臂支撑架为U字形，其U字形底端与上臂杆上的调节孔连接，两侧端分别与第一、第二臂肘连接杆固连；

[0010] 所述肘关节包括肘环架、肘关节角度传感器和前臂杆；肘环架为U字型支架，U字型支架的两侧端分别通过第四、第五转轴与第一、第二臂肘连接杆连接，前臂杆呈大字型，前臂杆的主干端与肘环架的U字形底端通过第六转轴相连，第六转轴的轴线位于肘环架的对称轴上，前臂杆的分枝端与前臂固定连接；肘关节角度传感器安装在第六转轴上；

[0011] 所述腕关节包括腕前杆、腕环架、腕关节角度传感器和第一、第二腕掌连接杆；腕前杆的一端与前臂固定连接，腕环架呈U字型，其底端与腕前杆另一端固定连接，腕环架的两侧端分别与第一、第二腕掌连接杆通过第七、第八转轴相连，腕关节角度传感器固定在第七或第八转轴上；

[0012] 所述手掌包括第一、第二手指、第一、第二指头紧固件、握杆和回伸拉杆；第一、第二手指呈类指针型，中间圆形部分装有滚动轴承，分别通过第九、第十转轴与第一、第二腕掌连接杆相连；回伸拉杆的两端分别固定在第一、第二手指的短针部分，第一、第二手指的长针部分分别与第一、第二指头紧固件滑动配合，并设有止动螺钉；握杆的两端分别固定在第一、第二指头紧固件上；

[0013] 前臂包括外圈、滚珠轴、滚珠和内圈；内外圈均为半圆形组合式结构，上外半圈由第一上外半圈和第二上外半圈连接而成，二者之间沿圆周方向安装有若干滚珠轴，滚珠轴上穿有滚珠；下外半圈由第一下外半圈和第二下外半圈连接而成，二者之间沿圆周方向亦安装有若干滚珠轴，滚珠轴上也穿有滚珠；所述上外半圈和下外半圈在垂直于环形面的直径剖面上通过第九转轴相连；

[0014] 上内半圈由第一上内半圈和第二上内半圈连接而成，下内半圈由第一内下半圈和第二下内半圈连接而成，内圈在外径方向开有环槽形滚道，第一上内半圈和第二上内半圈在垂直于环形面的直径剖面上通过第十转轴相连。

[0015] 本发明机器人装置根据康复医学理论和人机工程学数据来设计，能对患者上肢关节进行局部或整体的全方位训练。本发明机器人装置为一个典型的串联机器人装置，它包络人体上肢骨骼的结构为半圆形或U字型，结构简单，重量轻，具有很好的可穿戴性。该可穿戴式的上肢康复训练机器人装置有8个自由度，用来模拟人的上肢关节自由度。本发明机器人装置能穿着于患者身上，直接对患肢进行作用，因此训练的针对性强，效果好，能够提供较多的活动度，使人体上肢的主要关节都能得到辅助训练。机器人装置的关节与人体关节重合，柔顺性好，使用安全，穿戴舒适，可以辅助患肢进行单关节运动和多关节复合运动的康复训练，可以采用多种方式达到辅助完成患者的日常生活需要的目的。

附图说明

[0016] 图1为本发明可穿戴式上肢康复训练机器人装置的结构示意图。

[0017] 图2为图1中手掌的结构示意图，其中图2(a)为正视图，图2(b)为左视图。

[0018] 图3为图1中前臂的结构示意图。

具体实施方式

[0019] 参照图1，本发明所述的一种可穿戴式的上肢康复训练机器人装置的总体结构将得到详细说明。该可穿戴式的上肢康复训练机器人装置为一个典型的串联机器人，包含8个自由度，用来模拟人的上肢关节自由度，能够满足人的日常生活需要。该上肢康复训练机器人装置包络人体上肢骨骼的结构为半圆形或U字型，具有很好的可穿戴性。

[0020] 本发明机器人装置的总体结构包括肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节和手掌。

[0021] 如图1所示，肩关节由肩顶架11、肩侧架12和肩部角度传感器13组成，肩顶架11和肩侧架12呈半环形，在直径端通过第一、第二转轴相连，肩顶架11和肩侧架12可以相对转动，构成一个转动自由度。当肩侧架12绕肩顶架11旋转时，可以辅助病人进行肩关节的外展/内收功能训练。肩部角度传感器13的内孔与第一或第二转轴固连，在肩顶架11和肩侧架12发生相对转动时，肩部角度传感器13就能测量出两者的相对转角值。通过辅助病人的肩关节外展/内收，可以恢复肩关节部分运动神经功能，增强病人的肩关节肌肉力量。

[0022] 上臂包括上臂角度传感器21、上臂杆22、上臂支撑架23和第一、第二臂肘连接杆24和25。上臂杆22的一端与肩侧架12通过第三转轴相连，上臂杆22可以绕转轴旋转，构成一个转动自由度。当上臂杆22绕第三转轴旋转时，可以实现人体肩关节的前屈/后伸功能。上臂角度传感器21安装在第三转轴上，当上臂杆22与肩侧架12发生相对转动时，上臂角度传感器21就能测量出两者的相对转角值，即前臂向前和向后抬起的角度。上臂杆
22的另一端与上臂支撑架23相连，上臂支撑架23为一U字形零件，可以在外侧包络人的上肢，其底端与上臂杆22上的调节孔通过螺钉连接，两侧端分别与第一、第二臂肘连接杆24和25通过螺钉固连。

[0023] 肘关节包括肘环架31、肘关节角度传感器32和前臂杆33。肘环架31为U字型支架，用来包络人体上肢肘关节，两侧端通过第四、第五转轴分别与第一、第二臂肘连接杆24、25相连，肘环架31可以绕直径端的第四、第五转轴相对转动，构成一个转动自由度。该转动自由度可以保证康复运动过程中，病人关节具有足够的柔顺性。前臂杆33呈大字型，主干端与肘环架31通过第六转轴相连，构成一个转动自由度。其中转轴的轴线位于肘环架31的对称轴上，驱动该转动自由度可以实现病人肘关节的屈/伸功能，锻炼肘关节运动肌群。
肘关节角度传感器32安装在第六转轴上，用来测量肘关节的屈/伸角度。

[0024] 腕关节由腕前杆51、腕环架52、腕关节角度传感器53和第一、第二腕掌连接杆54、55组成。腕环架52呈U字型，用来在从外部包络腕关节，其底端与腕前杆51一端通过螺钉固连，两侧端分别与第一、第二腕掌连接杆54、55通过第七、第八转轴相连，构成一个转动自由度。当第一、第二腕掌连接杆54、55绕第七、第八转轴旋转时，可以实现腕关节的屈/伸功能。腕关节角度传感器53固定在第七或第八转轴上，用来测量腕关节的屈/伸角度，为控制和康复训练提供参考数据。

[0025] 如图2(a)和2(b)所示，手掌由第一、第二手指62和66、第一、第二指头紧固件63和65、握杆64和回伸拉杆61组成。第一、第二手指62和66呈类指针型，中间圆形部分装有滚动轴承，通过第九、第十转轴分别与第一、第二腕掌连接杆54、55相连，构成一个转动自由度，当第一、第二手指62和66绕第九、第十转轴旋转时，可以实现手指的屈/伸功能。第一、第二手指62和66位于短针部分的一端上开有一个小孔，用来固定回伸拉杆61。回伸拉杆61是用来固定人工肌肉的，当回伸拉杆61受到拉伸力时，使手指处于伸直状态。第一、第二手指62和66的长针部分分别与第一、第二指头紧固件63和65滑动配合，并通过止动螺钉将手指和指头紧固件锁紧。握杆64的两端分别通过螺钉与第一、第二指头紧固件
63和65固连，由于人体手指尺寸的差异性，通过调节第一、第二指头紧固件63和65与第一、第二手指62和66的长针部分的相对位置，就能对握杆进行调节，从而适应不同的患者的使用要求。

[0026] 前臂4为剖分转动结构，能实现患者前臂的前/后旋功能。如图3所示，前臂4包括外圈、滚珠轴44、滚珠45和内圈。外圈与前臂杆33的分枝端通过螺钉相连。内圈与腕前杆51的一端通过螺钉固连。内外圈均为半圆形组合式结构，其中外圈由上下半圈组成：下外半圈包括第一下外半圈43和第二下外半圈42，二者也通过螺钉连接。第一下外半圈43和第二下外半圈42之间沿圆周方向安装有若干滚珠轴44，滚珠轴44上穿有滚珠45。上外半圈包括第一上外半圈41和第二上外半圈40，二者通过螺钉连接；同样，第一上外半圈41和第二上外半圈40之间沿圆周方向安装有若干滚珠轴，滚珠轴44上穿有滚珠。滚珠45用来为内圈提供转动支撑，可以沿滚珠轴44的轴向滑动，也可以绕滚珠轴44的轴线转动。外圈的上下半圈在垂直于环形面的直径剖面上通过第十转轴相连，可以相对转动，在初始时打开，当患者的前臂放置好后，外圈合拢并在相对转动的一端锁紧。内圈也由上下半圈组成：上内半圈包括第一上内半圈48和第二上内半圈49，通过螺钉连接；下内半圈包括第一下内半圈47和第二下内半圈46，通过螺钉连接。内圈的上下半圈在垂直于环形面的直径剖面上通过第十一转轴相连，可以相对转动。上、下内半圈在外径方向均开有环槽形滚道，当滚珠45在槽形滚道里滚动时，内、外圈即发生相对的转动，构成一个转动自由度。当患者前臂端转动时，通过腕前杆51带动前臂4的内圈转动，即可实现患者前臂的前/后旋功能。内圈带动滚珠45沿滚珠轴44轴向滑动，构成一个滑动自由度。内外圈的相对滑动，可以补偿肘关节屈/伸时的转动中心偏移。

[0027] 本发明的具体实施过程如下：该可穿戴式的上肢康复训练机器人装置包含8个关节自由度，通过这8个关节自由度，可以实现各种简单和复杂的上肢关节运动。在康复训练的早期，为了单独训练某一个特定的关节，可以单独驱动，做单一的往返运动，促进运动功能的恢复，同时锻炼肌肉力量，避免肌肉萎缩，比如单独驱动腕关节往返运动，实现屈/伸的功能，锻炼腕部肌肉群。随着单个关节的训练，上肢肌肉的力量逐渐增强，当恢复到一定阶段，通过多个关节自由度的组合运动，实现复杂的运动，完成日常的简单动作，比如通过8个自由度的组合，可以完成喝水、梳头等简单的日常动作。通过这样的训练过程，逐步实现患肢的康复。

[0028] 本发明不仅局限于这一个实施例，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。