基于复合Bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼

基于复合bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼
技术领域
1.本发明涉及软体康复外骨骼技术领域，具体地，涉及一种基于复合bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼。


背景技术：

2.由脑卒中、运动伤害、脊柱损伤、帕金森综合征等引起的肘关节功能障碍会显著地降低患者的日常活动能力，日常行为例如进食、写字、抬举物品等都将受到严重阻碍，从而降低患者的生活质量。穿戴式康复外骨骼的发展为患者肘部功能辅助以及康复训练提供了重要的工具。
3.传统的刚性肘部康复外骨骼具有质量大、机构复杂、关节错位等缺点；近期发展的软体康复外骨骼提高了装置的安全性，简化了机构的设计，但普遍存在输出力不足、辅助过程中机械阻抗过大、辅助运动范围受限的问题，限制了肘部软体外骨骼在康复训练和日常生活中的应用。
4.经过检索，专利文献cn113304016a公开了一种基于3-prr平面并联机构肘部外骨骼结构，该外骨骼由平面并联机构连杆机构、齿轮组、支撑装置以及驱动电机等组成，能够带动肘部进行运动，能够协助进行康复训练；但构成外骨骼的零件质量大，种类多且复杂，需要固定支撑架，不具备便携性。
5.专利文献cn113288731a公开了一种基于可折叠织布软体驱动器的穿戴式柔性上肢助力外骨骼，具有较好的安全性；该发明中所述肘部驱动模块折叠形成简单方形气囊阵列，充气膨胀后相互接触挤压，输出力较小，且该设计没有考虑到由于肘关节人体运动学引起的肘部外廓线伸长，外骨骼与人体贴合性差，辅助弯曲时存在较大的机械阻抗，穿戴舒适性不足，限制了其在助力以及康复训练中的应用。
6.因此，有必要设计一种肘部康复外骨骼，使得在保持安全性和舒适性的同时具有足够大的输出力，还要基于人体运动学的角度考虑，减少肘部外廓线伸长引入的机械阻抗，增大辅助运动范围，提升舒适性，从而拓宽肘部外骨骼在实际康复训练和辅助任务中的应用。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于复合bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼，通过复合bellow阵列提高康复外骨骼的输出力，通过适应机构增强外骨骼的贴合性，减小辅助运动时的机械阻抗，增大辅助运动范围，提升穿戴舒适性。
8.根据本发明提供的一种基于复合bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼，包括：软体护肘和复合bellow阵列驱动器，所述复合bellow阵列驱动器与所述软体护肘的外侧紧固连接，且所述复合bellow阵列驱动器与所述软体护肘的连接处形成有适应机构；所述复合bellow阵列驱动器包括上层复合布、下层复合布、通气隔层以及充放气装置，所述上层复合布与所述下层复合布连接形成具有气密性的气腔，所述充放气装置用于所述气腔的充气或
放气，所述通气隔层设置在所述上层复合布和所述下层复合布之间，所述通气隔层用于所述气腔内的气体流通；所述上层复合布与所述下层复合布配合形成多个带有分叉结构的阵列单元，且任一所述分叉结构均位于远离所述下层复合布的一侧，多个所述阵列单元构成复合bellow阵列构型。
9.优选地，所述软体护肘包括护肘穿戴魔术贴和弹性布料基底，所述护肘穿戴魔术贴设置在所述弹性布料基底上。
10.优选地，所述下层复合布通过缝纫连接在所述弹性布料基底的外侧。
11.优选地，所述适应机构包括所述复合bellow阵列驱动器与所述软体护肘配合形成的三角形结构，且所述适应机构具有延展性能，能够打开或合拢。
12.优选地，所述复合bellow阵列驱动器包括刚性约束框，所述刚性约束框在每个阵列单元的分叉处均设置有一个。
13.优选地，所述软体护肘的两端分别设置有一个止动传力块，所述止动传力块用于对所述复合bellow阵列驱动器进行限位。
14.优选地，所述止动传力块采用镂空结构，用于减轻重量。
15.优选地，所述复合bellow阵列驱动器包括气管，所述气管的一端与气腔连接。
16.优选地，所述上层复合布和所述下层复合布均包括针织tpu覆膜复合布，所述通气隔层包括方格状塑料垫。
17.优选地，所述气腔能够膨胀或收缩，所述阵列单元的分叉结构用于引导所述阵列单元侧向膨胀；当所述气腔充气膨胀时，所述阵列单元膨胀扩张，任一相邻两个阵列单元相互接触挤压，为所述外骨骼提供输出力。
18.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
19.1、本发明通过上层复合布与下层复合布配合形成多个带有分叉结构的阵列单元，分叉结构引导阵列单元侧向膨胀，使得相邻阵列单元的挤压面积增大，有助于提高外骨骼输出力，从而有助于拓宽肘部外骨骼在实际康复训练和辅助任务中的应用。
20.2、本发明通过刚性约束框，在驱动时，阵列单元上下侧膨胀被刚性约束框限制，侧向膨胀效应得到增强，相邻阵列单元表面相互接触作用进一步增强，进而有助于提高外骨骼输出力，同时，刚柔耦合的设计增强了结构的整体刚度，有助于保证驱动过程的稳定性。
21.3、本发明通过在复合bellow阵列驱动器两侧放置止动传力块，改变挤压力方向与手臂垂直，有助于最大化传力效应，进而有助于增大外骨骼输出力。
22.4、本发明通过复合bellow构型设计、刚性约束框以及传力止动块配合的增强作用，有助于提高外骨骼辅助肘部弯曲的输出力。
23.5、本发明通过复合bellow阵列驱动器底部与软体护肘连接形成的三角形适应机构，使得驱动部器具备伸展性能，在肘部弯曲时能够展开并贴合伸长的肘部廓线，有助于降低机械阻抗，从而有助于扩大辅助运动范围，进而有助于提升穿戴舒适性。
24.6、本发明具有输出力大，机械阻抗低，辅助运动范围广泛,穿戴舒适性高的特点，拓宽了应用场景，且具有安全、轻便、结构简单的特点以及良好的实用能力。
附图说明
25.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、
目的和优点将会变得更明显：
26.图1为本发明主要体现基于复合bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼整体穿戴示意图；
27.图2为本发明主要体现基于复合bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼整体结构示意图；
28.图3为本发明主要体现复合bellow阵列驱动器与软体护肘配合形成的适应机构的结构示意图；
29.图4为本发明主要体现复合bellow驱动器整体结构的爆炸示意图。
30.图中：
[0031][0032]
具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0034]
如图1所示，本发明提供了一种基于复合bellow阵列的肘部穿戴式外骨骼，包括软体护肘1和复合bellow阵列驱动器2，复合bellow阵列驱动器2与软体护肘1的外侧紧固连接，复合bellow阵列驱动器2提供外骨骼的辅助输出力，从而使软体护肘1带动人体肘部运动。
[0035]
如图2所示，软体护肘1包括护肘穿戴魔术贴11和弹性布料基底12，弹性布料基底12两端分别缝纫有一对护肘穿戴魔术贴11，护肘穿戴魔术贴11使软体护肘1能便捷地固定到使用者手上。
[0036]
如图3所示，复合bellow阵列驱动器2底部通过缝纫连接于软体护肘1的弹性布料基底12的外侧形成适应机构，适应机构包括多个相邻的三角形结构，该三角形结构由复合bellow阵列驱动器2的底部折叠形成三角形的两条边，由弹性布料基底12形成三角形另外一条边，且该三角形结构的拐角处具备伸展折叠性能，在肘部弯曲时由多个三角形结构配合形成的适应机构能够展开，并使由复合bellow阵列驱动器2的底部折叠形成的三角形的两条边贴合伸长的肘部廓线，降低机械阻抗，扩大辅助运动范围。
[0037]
在肘部伸直时，由复合bellow阵列驱动器2的底部折叠形成的三角形的两条边的夹角减小，由多个三角形结构构成的适应机构收拢。本技术通过适应机构来增强外骨骼的贴合性，减小辅助运动时的机械阻抗，增大辅助运动范围，提升穿戴舒适性。
[0038]
如图4所示，复合bellow阵列驱动器2包括上层复合布21、下层复合布22、通气隔层23、外部约束框24以及充放气装置。上层复合布21与下层复合布22通过热压连接，形成具有
气密性的气腔。上层复合布21经过多次折叠和热压，与下层复合布配合形成多个带有分叉结构的阵列单元，且任一分叉结构均位于远离所述下层复合布的一侧，任一阵列单元内均包括气腔，多个阵列单元构成复合bellow阵列构型。分叉结构能够引导阵列单元侧向膨胀，使相邻两个阵列单元的挤压面积增大，从而提高了外骨骼输出力，且复合bellow阵列构型提高了输出的抓握力。
[0039]
进一步的，通气隔层23安装在上层复合布21与下层复合布22之间，上层复合布21与下层复合布22热压连接时需在中间插入通气隔层23，通气隔层23用于任一相邻阵列单元内的气腔的空气流通。
[0040]
更进一步的，充放气装置用于气腔的充气或放气，充放气装置包括气管26，气管26安装在复合bellow阵列构型的一端，且气管26与气腔连通，充放气装置通过气管26对气腔充气，在驱动气压作用下，阵列单元膨胀扩张，相邻阵列单元表面相互接触产生挤压力，气腔产生弯曲运动，同时产生弯曲力，在应用中形成外骨骼的辅助输出力。
[0041]
如图2所示，刚性约束框24由3d打印工艺制造，刚性约束框24通过m2螺栓和螺母在每个阵列单元的分叉处均安装有一个，刚性约束框24对阵列单元的上下侧形成限制。在驱动气压作用下，充气的阵列单元膨胀扩张，相邻阵列单元表面相互接触产生挤压力，受刚性约束框24影响，侧向膨胀效应得到增强，相邻阵列单元表面相互接触作用增强，起到了增加外骨骼输出力的作用。同时，刚柔耦合的设计增强了结构的整体刚度，保证了驱动过程的稳定性。
[0042]
软体护肘1的两端分别安装有一个止动传力块25，止力传动快25通过慢浓胶胶接到复合bellow阵列构型两侧，对复合bellow阵列驱动器2进行限位。止力传动快25经由3d打印工艺制造，止力传动块25采用2mm壁厚镂空结构，用于减轻重量。在驱动气压作用下，阵列单元互相挤压，复合bellow阵列构型两侧与止动传力块25相互抵压，止动传力块25因其直角三角形几何外形，且复合bellow阵列驱动器2膨胀与止动传力块25的直角面接触、挤压，从而改变挤压力方使之向与手臂垂直，最大化传力效应，增大外骨骼输出力。
[0043]
优选例1
[0044]
基于上述基础实施例，软体护肘1的弹性布料基底12选用弹力螺纹袖口布料并进行手工裁剪制成，其尺寸由使用者手臂具体尺寸订制得到。
[0045]
软体护肘1的护肘穿戴魔术贴11采用婴儿魔术贴能够提高人机兼容性。
[0046]
上层复合布21、下层复合布22均采用针织tpu覆膜复合布，具有热塑性的tpu膜层能够保证进行热压工艺并保证气腔气密性，通气隔层23采用方格状塑胶垫。
[0047]
变化例2
[0048]
基于上述基础实施例，复合bellow阵列驱动器2的阵列单元数量可以根据具体需求做调整。
[0049]
工作原理：
[0050]
压缩空气通过气管26进入由上层复合布21、下层复合布22以及通气隔层23形成的阵列单元的密闭气腔中，使得每一阵列单元膨胀扩张；相邻阵列单元表面相互接触产生挤压力，气腔会产生弯曲运动，同时产生弯曲力，在应用中则形成外骨骼的辅助输出力。在驱动时，刚性约束框24限制阵列单元上下侧膨胀，使得单元侧向膨胀效应得到增强，相邻单元表面相互接触作用进一步增强，进而提高了外骨骼输出力。在阵列单元两侧的止动传力块
25，因其直角三角形几何外形，改变挤压力方向与手臂垂直，最大化传力效应，增大外骨骼输出力，实现外骨骼在实际康复训练和辅助任务中的应用。
[0051]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“两侧”、“相邻”、“侧向”、“垂直”、“内”、“外”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0052]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。