CN111374863B - 一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合驱动型肩‑肘‑腕关节康复训练器，包括手臂固定机构以及与手臂固定机构连接的上肢固定单元，上肢固定单元包括依次连接的上臂机构、前臂机构和手腕机构，手臂固定机构上设有用于驱动上肢固定单元整体转动的电机，上臂机构和前臂机构之间设有相互匹配的转轴，且上臂机构上设有用于驱动前臂机构绕着该转轴转动的上臂驱动单元，手腕机构设有用于驱动患者手腕转动的腕部驱动单元。与现有技术相比，本发明采用电机驱动肩关节，满足大功率实时运动的要求，肘‑腕关节采用气动肌腱驱动，气动肌腱具有良好的柔顺性，结构简单，质量轻便，提高了安全性，大大减轻了装置的重量。

Description

一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，具体涉及一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器。

背景技术

近十年来，我国老年人口逐年增加，老年人的健康问题加剧。心脑血管疾病是一种威胁人类健康的疾病，尤其对五十岁以上的中老年人威胁更大，老年患病人群多半是心脑血管疾病，而心血管疾病引发的脑卒中对患者有无法挽回的影响，脑卒中常见的后遗症是偏瘫，造成患者生活障碍，给患者带来极大的不便。

针对偏瘫患者肢体康复治疗，传统上是请专业的康复医生，但是这种方式花费大，人员少。如今康复医疗器械的不断发展，康复训练机器人辅助或代替医生对患者进行康复训练，大大提高治疗的效率，减少治疗的成本。针对上肢肩-肘关节康复的医疗器械也在不断的发展，目前国内外主要有：Ability One研制的手部康复仪、华盛大学Perry等人设计的一种七自由度的电机驱动机械手、北京航空航天大学王启申等人设计的电机驱动钢丝绳传动的康复机器人系统、上海交通大学张定国等人设计的形状记忆合金驱动的手外骨骼康复系统等能实现上肢肩-肘-腕关节的运动训练。

上述大部分的康复装置是用纯电机驱动或纯气动控制，结构复杂，装置较重，占用空间大；用气动肌腱驱动的康复装置较少，而且对需要大功率的肩关节的控制极为不便利。因此设计一款轻便，符合更多患者要求的混合驱动型上肢肩-肘关节运动康复训练器意义重大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用人群广、轻便的混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器，该康复训练器包括手臂固定机构以及与手臂固定机构连接的上肢固定单元，所述上肢固定单元包括依次连接的上臂机构、前臂机构和手腕机构，所述手臂固定机构上设有用于驱动上肢固定单元整体转动的电机，所述上臂机构和前臂机构之间设有相互匹配的转轴，且所述上臂机构上设有用于驱动前臂机构绕着该转轴转动的上臂驱动单元，所述手腕机构设有用于驱动患者手腕转动的腕部驱动单元。本发明通过上臂机构、前臂机构和手腕机构分别与患者的上臂、前臂与腕部固定，然后通过电机带动上肢固定单元旋转，从而实现肩关节的康复训练，通过上臂驱动单元驱动前臂机构旋转，来实现肘关节的康复训练，通过腕部驱动单元来实现腕部的康复训练，康复效果多样化，适用人群更广。

所述的手臂固定机构包括底座、固定设置在底座上且竖直设置的底座支撑杆以及与底座支撑杆顶部转动连接的上臂连接杆，所述底座支撑杆的顶部设有用于驱动上臂连接杆转动的电机。底座可以连接在轮椅上或座位等地方，根据患者需要可自行选择。

所述的上臂机构包括上臂外骨骼、设置在上臂外骨骼上的至少两条上臂绑带、分别设置在上臂外骨骼两侧的两对上臂驱动单元以及设置在上臂外骨骼一端与前臂机构连接的肘关节转轴，所述肘关节转轴与上臂驱动单元连接。

所述上臂外骨骼包括两根平行的上臂支撑板、以及固定在两块上臂支撑板底部用于托住患者上臂的圆弧形的上臂托板，所述上臂绑带的两端分别与两根上臂支撑板固定，并可通过调节上臂绑带的长度来使上臂外骨骼与患者上臂固定，每块上臂支撑板的外侧固定有一对上臂驱动单元，两块上臂支撑板的下端均设有肘关节转轴，其中一块上臂支撑板的内壁与上臂连接杆固定连接。

所述上臂驱动单元包括两根上臂气动肌腱以及两个固定在上臂支撑板的外侧的气动肌腱安装架，两根所述上臂气动肌腱的上端与一个气动肌腱安装架固定，另一个气动肌腱安装架上设有两个气动肌腱导轨，每根所述上臂气动肌腱的下端设有气动肌腱运动滑块，两个所述气动肌腱运动滑块滑动设置在两个气动肌腱导轨上，且两个气动肌腱运动滑块之间连有钢丝绳，所述钢丝绳绕在肘关节转轴上。每一对上臂驱动单元中的两根上臂气动肌腱，一根处于收缩状态，一根处于自然状态，当需要训练肘关节时，处于收缩状态的上臂气动肌腱伸长，处于自然状态的上臂气动肌腱收缩，从而使得两个气动肌腱运动滑块发生错动，即钢丝绳与肘关节转轴发生位移，促使肘关节转轴发生转动，并带动前臂机构和手腕机构整体发生转动，由于前臂机构和手腕机构分别与患者的前臂和手腕固定，所以使得患者的前臂及腕部转动，即肘关节得到训练。

所述前臂机构包括前臂外骨骼以及设置在前臂外骨骼上的至少两条前臂绑带，所述前臂外骨骼的后端设有前臂转轴，所述前臂转轴与肘关节转轴配合并与肘关节转轴共同转动。

所述前臂外骨骼包括两块前臂支撑板、以及固定在两块前臂支撑板底部用于托住患者前臂的圆弧形的前臂托板，所述前臂绑带的两端分别与两根前臂支撑板固定，并可通过调节前臂绑带的长度来使前臂外骨骼与患者前臂固定，位于前臂支撑板前端的前臂托板内设有用于固定手腕机构的凹槽。

所述手腕机构包括两个平行设置且呈环状的后腕部固定件和前腕部固定件、连接在后腕部固定件和前腕部固定件之间的腕部驱动单元以及通过连接杆与后腕部连接件固定的倒U型的腕扣，所述腕部驱动单元包括多根腕部气动肌腱，所述腕扣设置在后腕部固定件和前腕部固定件之间，用于固定患者手腕，且所述腕扣的后侧面设有与凹槽相匹配的凸起。

所述腕部气动肌腱的数量为4，均匀固定在后腕部固定件和前腕部固定件之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

（1）采用肩关节采用电机，腕关节采用气动肌腱驱动，每个关节的运动都有独立的气动肌腱驱动，控制精准；

（2）同时刚性结构和柔性结构结合，综合了两者的优点；气动肌腱结构提高了安全性，减轻了机构重量，也降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明手臂固定机构的结构示意图；

图3为本发明上臂机构的结构示意图；

图4为本发明前臂机构的结构示意图；

图5为本发明手腕机构的结构示意图。

其中，1为手臂固定机构，101为底座，102为底座支撑杆，103为电机，104为上臂连接杆，2为上臂机构，201为肘关节转轴，202为上臂绑带，203为气动肌腱导轨，204为气动肌腱安装架，205为上臂气动肌腱，206为气动肌腱运动滑块，207为上臂外骨骼，208为上臂支撑板，209为上臂托板，3为前臂机构，301为前臂绑带，302为前臂外骨骼，303为前臂转轴，304为前臂支撑板，305为前臂托板，306为凹槽，4为手腕机构，401为前腕部固定件，402为腕部气动肌腱，403为后腕部固定件，404为连接杆，405为腕扣，406为凸起。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种混合驱动型上肢肩-肘-腕关节运动康复训练器，如图1所示，包括手臂固定机构1、上臂机构2、前臂机构3、手腕机构4，并可以将其安装在轮椅上或座位等地方，在空间上十分方便患者进行康复训练。

手臂固定机构的结构参见图2，底座101在手臂固定机构的最下方，用于支撑和固定整个训练器；底座支撑杆102在底座101的上方，底座支撑杆102上端连接的电机103和上臂连接杆104，底座支撑杆102在电机103和上臂连接杆104之间；由于上臂连接杆104与上臂机构固定，电机103的转动可以带动上臂连接杆104上下转动，进而控制整个上臂机构的运动。

上臂机构的结构参见图3，包括两根上臂绑带202，且上臂绑带202安装在上臂外骨骼207上部，上臂外骨骼207包括两块上臂支撑板208和两个上臂托板209，通过上臂支撑板208、上臂托板209和上臂绑带202固定患者上臂；上臂外骨骼207的两块上臂支撑板208固定安装结构相同的两个上臂驱动单元，具体如下：两个气动肌腱安装架204安装在上臂支撑板208上，两个气动肌腱安装架204中间安装上臂气动肌腱205，两个气动肌腱运动滑块206分别和两个设置在气动肌腱安装架204上的气动肌腱导轨203活动相连，初始状态为一根上臂气动肌腱205处于收缩状态，另外一根上臂气动肌腱205处于自然状态（不收缩），钢丝绳连接两个气动肌腱滑块206绕在肘关节转轴201上；由于两块上臂支撑板208上设置的上臂驱动单元是同步运动，上臂气动肌腱205同时工作，这样设计可以减小上臂气动肌腱205的负荷；当上臂气动肌腱205工作时将通过钢丝绳带动肘关节转轴201运动，由于肘关节转轴201连接前臂机构，这将带动前臂机构运动。

前臂机构的结构参见图4，包括两个前臂绑带301和前臂外骨骼302，前臂绑带301安装在前臂外骨骼302的两块前臂支撑板304的上方，前臂支撑板304的下方设有前臂托板305，通过前臂支撑板304、前臂托板305和前臂绑带301固定患者前臂；前臂转轴303与肘关节转轴相连，当气动肌腱工作时将会带动整个前臂运动。另外，在位于前臂支撑板304前方（即图4中的左端）的前臂托板305上设有凹槽306。

手腕机构的结构参见图5，包括两个平行设置且呈环状的后腕部固定件403和前腕部固定件401、连接在后腕部固定件403和前腕部固定件401之间的腕部驱动单元以及通过连接杆404与后腕部连接件403固定的倒U型的腕扣405，腕部驱动单元包括4根均匀分布的腕部气动肌腱402，四根气动肌腱在空间均匀分布，不同的气动肌腱单独收缩可使得整个手部向收缩方向偏移运动，可实现手部多元化的康复训练。腕扣405设置在后腕部固定件403和前腕部401固定件之间，用于固定患者手腕，且腕扣405的后侧面设有与凹槽相匹配的凸起406。

Claims (4)

1.一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器，其特征在于，该康复训练器包括手臂固定机构（1）以及与手臂固定机构（1）连接的上肢固定单元，所述上肢固定单元包括依次连接的上臂机构（2）、前臂机构（3）和手腕机构（4），所述手臂固定机构（1）上设有用于驱动上肢固定单元整体转动的电机（103），所述上臂机构（2）和前臂机构（3）之间设有相互匹配的转轴，且所述上臂机构（2）上设有用于驱动前臂机构（3）绕着该转轴转动的上臂驱动单元，所述手腕机构（4）设有用于驱动患者手腕转动的腕部驱动单元；

所述的上臂机构（2）包括上臂外骨骼（207）、设置在上臂外骨骼（207）上的至少两条上臂绑带（202）、分别设置在上臂外骨骼（207）两侧的两对上臂驱动单元以及设置在上臂外骨骼（207）一端与前臂机构（3）连接的肘关节转轴（201），所述肘关节转轴（201）与上臂驱动单元连接；

所述上臂外骨骼（207）包括两根平行的上臂支撑板（208）、以及固定在两块上臂支撑板（208）底部用于托住患者上臂的圆弧形的上臂托板（209），所述上臂绑带（202）的两端分别与两根上臂支撑板（208）固定，并可通过调节上臂绑带（202）的长度来使上臂外骨骼（207）与患者上臂固定，每块上臂支撑板（208）的外侧固定有一对上臂驱动单元，两块上臂支撑板（208）的下端均设有肘关节转轴（201），其中一块上臂支撑板（208）的内壁与上臂连接杆（104）固定连接；

所述上臂驱动单元包括两根上臂气动肌腱（205）以及两个固定在上臂支撑板（208）的外侧的气动肌腱安装架（204），两根所述上臂气动肌腱（205）的上端与一个气动肌腱安装架（204）固定，另一个气动肌腱安装架（204）上设有两个气动肌腱导轨（203），每根所述上臂气动肌腱（205）的下端设有气动肌腱运动滑块（206），两个所述气动肌腱运动滑块（206）滑动设置在两个气动肌腱导轨（203）上，且两个气动肌腱运动滑块（206）之间连有钢丝绳，所述钢丝绳绕在肘关节转轴（201）上；

所述手腕机构（4）包括两个平行设置且呈环状的后腕部固定件（403）和前腕部固定件（401）、连接在后腕部固定件（403）和前腕部固定件（401）之间的腕部驱动单元以及通过连接杆（404）与后腕部连接件（403）固定的倒U型的腕扣（405），所述腕部驱动单元包括多根腕部气动肌腱（402），所述腕扣（405）设置在后腕部固定件（403）和前腕部固定件（401）之间，用于固定患者手腕，且所述腕扣（405）的后侧面设有与凹槽（306）相匹配的凸起（406）；

所述腕部气动肌腱（402）的数量为4，均匀固定在后腕部固定件（403）和前腕部固定件（401）之间。

2.根据权利要求1所述的一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器，其特征在于，所述的手臂固定机构（1）包括底座（101）、固定设置在底座（101）上且竖直设置的底座支撑杆（102）以及与底座支撑杆（102）顶部转动连接的上臂连接杆（104），所述底座支撑杆（102）的顶部设有用于驱动上臂连接杆（104）转动的电机（103）。

3.根据权利要求1所述的一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器，其特征在于，所述前臂机构（3）包括前臂外骨骼（302）以及设置在前臂外骨骼（302）上的至少两条前臂绑带（301），所述前臂外骨骼（302）的后端设有前臂转轴（303），所述前臂转轴（303）与肘关节转轴（201）配合并与肘关节转轴（201）共同转动。

4.根据权利要求3所述的一种混合驱动型肩-肘-腕关节康复训练器，其特征在于，所述前臂外骨骼（302）包括两块前臂支撑板（304）、以及固定在两块前臂支撑板（304）底部用于托住患者前臂的圆弧形的前臂托板（305），所述前臂绑带（301）的两端分别与两根前臂支撑板（304）固定，并可通过调节前臂绑带（301）的长度来使前臂外骨骼（302）与患者前臂固定，位于前臂支撑板（304）前端的前臂托板（305）内设有用于固定手腕机构（4）的凹槽（306）。

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