一种多自由度腕部外骨骼康复设备

1.本发明涉及康复器具技术领域，尤其是涉及一种多自由度腕部外骨骼康复设备。


背景技术：

2.我国有着庞大的卒中群体，卒中后造成的患者运动功能的缺失或障碍会困扰患者的日常生活。依据赫布理论，患者在自己的主观意识下不断地重复相对应的运动可以重塑大脑运动功能区的连接或重塑，从而使患者的运动功能康复。人体上肢的不可或缺的部分，上肢的运动功能往往对应了大多数生活中的高频任务，比如喝水等。上肢运动功能的康复至关重要。目前医院主要应用的康复方法是康复训练师进行一对一的康复训练，这种方式成本高，可重复性差，且不能保证患者的主观意图进行控制。现有的康复设备局限于腕部的小尺寸，往往仅能提供单个自由度的被动康复训练，而腕部的自由度较多，有三个自由度。如何设计一种能够促使患者进行主观意图控制，具有良好的人机交互并且可以提供对应的三个自由度运动能够替代传统康复师进行卒中康复的康复设备，成为此领域的一个问题。


技术实现要素：

3.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多自由度腕部外骨骼康复设备，从而解决人工康复成本高，康复自由度过少、康复设备人机交互性较差等技术问题。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种多自由度腕部外骨骼康复设备，包括沿水平面依次布置的小臂支撑组件、支架回转组件和执行组件；
6.所述的执行组件末端设有用于手握持的把手，所述的小臂支撑组件用于支撑小臂，所述的支架回转组件用于手从其中穿入并到达所述的把手处；
7.所述的执行组件包括用于主动控制手臂对应进行roll轴运动、pitch轴运动和yaw轴运动的roll轴运动部分、pitch轴运动部分、yaw轴运动部分，手臂平行于地面时，roll轴运动为手以手臂为轴线的旋转，pitch轴运动为手部绕腕部在垂直面内的旋转，yaw轴运动为手部绕腕部在水平面内的旋转；
8.所述的支架回转组件包括与所述的roll轴运动部分同步进行roll轴运动的内圈回转部件。
9.优选地，所述的小臂支撑组件包括从下至上依次布置的滑轨、滑块、小臂支撑基座和小臂支撑套，滑轨和滑块组成移动副，小臂支撑基座安装在所述的滑块上，小臂支撑套可升降式安装在小臂支撑基座上。
10.优选地，所述的内圈回转部件包括轴承。
11.优选地，所述的支架回转组件还包括与所述的轴承同心配合的回转外部安装板一、轴承内圈夹板一、轴承外圈夹板、轴承内圈夹板二、回转外部安装板二和回转组件底座，所述的轴承内圈夹板一与轴承内圈夹板二通过螺栓配合连接夹紧所述的轴承内圈，所述的
轴承外圈夹板套设在轴承外圈上并夹紧所述的轴承外圈，所述的回转外部安装板一与回转外部安装板二分布在轴承两侧并分别与轴承外圈夹板固定连接。
12.优选地，所述的roll轴运动部分包括roll轴连接件、roll轴从动齿轮、roll轴主动齿轮、roll轴行程开关a、roll轴驱动电机和roll轴行程开关b，所述的roll轴从动齿轮沿垂直方向贴合安装在支架回转组件前端并与所述的内圈回转部件连接，所述的roll轴连接件与所述的roll轴从动齿轮连接，所述的roll轴驱动电机安装在所述的支架回转组件上，所述的roll轴驱动电机输出端所述的roll轴主动齿轮，所述的roll轴主动齿轮与roll轴从动齿轮啮合传动，所述的roll轴行程开关a和roll轴行程开关b与所述的roll轴从动齿轮同平面安装，所述的roll轴行程开关a和roll轴行程开关b用于roll轴从动齿轮旋转限位。
13.优选地，所述的roll轴从动齿轮设有两个限位凸齿，当所述的roll轴行程开关a或roll轴行程开关b与对应的限位凸齿抵触时进行限位保护。
14.优选地，所述的pitch轴运动部分包括pitch轴行程开关a、pitch轴连接件一a，pitch行程开关b、pitch轴连接件二a、pitch轴驱动电机、pitch轴主动齿轮、电机支架一、pitch轴从动齿轮、pitch轴连接件二b，pitch轴连接件一b，所述的pitch轴连接件一a和pitch轴连接件一b安装于roll轴连接件上，所述的pitch轴连接件二a和pitch轴连接件二b分别对应的通过旋转副与pitch轴连接件一a和pitch轴连接件一b连接，所述的pitch轴连接件二a和pitch轴连接件二b通过所述的yaw轴运动部分与所述的把手连接，所述的pitch轴驱动电机通过电机支架一安装于所述的roll轴连接件的水平面上，所述的pitch轴驱动电机的输出端安装所述的pitch轴主动齿轮，所述的pitch轴主动齿轮与所述的pitch轴从动齿轮啮合传动，所述的pitch轴从动齿轮与所述的pitch轴连接件二a安装固定，所述的pitch轴从动齿轮带动所述的pitch轴连接件二a进行pitch轴运动，所述的pitch轴行程开关a和pitch轴行程开关b与所述的pitch轴连接件二a同平面安装，所述的pitch轴行程开关a和pitch轴行程开关b用于进行pitch轴运动的限位保护。
15.优选地，所述的所述yaw轴运动部分由yaw轴行程开关a、yaw轴u型板一、滑轨安装板、yaw轴行程开关b、微型滑轨a、yaw轴u型板二、运动连杆一、运动连杆二、微型滑轨b、yaw轴驱动电机、电机支架二、yaw轴主动齿轮、yaw轴从动齿轮和运动连杆三，所述的yaw轴u型板一与yaw轴u型板二沿水平方向平行布置，两端并分别与所述的pitch轴连接件二a和pitch轴连接件二b连接，所述的yaw轴u型板一与所述的滑轨安装板通过旋转副连接，微型滑轨a安装在所述的滑轨安装板上，yaw轴u型板二与运动连杆一通过旋转副连接，且所述的运动连杆一、运动连杆二、运动连杆三之间也通过旋转副连接，组成平面四连杆机构，所述的微型滑轨b安装在所述的平面四连杆机构上，所述的把手上下端分别滑动安装在所述的微型滑轨b和微型滑轨a中；
16.所述的yaw轴从动齿轮连接于所述的运动连杆三，所述的yaw轴主动齿轮固定在yaw轴驱动电机输出轴上，yaw轴驱动电机通过电机支架二固定于所述的pitch轴连接件一b上，所述的yaw轴主动齿轮与yaw轴从动齿轮啮合转动，所述的yaw轴行程开关a和yaw轴行程开关b固定于yaw轴u型板一上作为yaw轴运动的限位保护。
17.优选地，所述的roll轴从动齿轮、pitch轴从动齿轮、yaw轴从动齿轮均采用具有部分齿的畸形齿轮，在超过极限位置时脱开啮合。
18.优选地，该设备的使用方法包括：
19.步骤一：用户将手穿过支架回转组件，用手握住执行组件中的把手；
20.步骤二：将小臂放置在小臂支撑组件上；
21.步骤三：roll轴运动部分动作，主动控制手以手臂为轴线的旋转运动；
22.步骤四：pitch轴运动部分动作，主动控制手部绕腕部在垂直面内的旋转运动；
23.步骤五：yaw轴运动部分动作，主动控制手部绕腕部在水平面内的旋转运动；
24.在上述运动过程中，把手实现自适应滑动，解决yaw轴、pitch轴运动与患者手部不对准的情况。
25.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
26.(1)本发明多自由度腕部外骨骼康复设备采用巧妙的机械结构实现了设备三个轴线上的转动，以对应带动用户进行三个自由的腕部康复运动，适用于左右手的康复任务，具有普适性。
27.(2)本发明小臂支撑组件可以进行两个维度的尺寸调整(水平位置和高度)，具有良好的人机交互性。
28.(3)本发明三个轴线上的转动的限位设置除行程开关限位外，采用具有部分齿的畸形齿轮，在超过极限位置时脱开啮合，可靠地保护人体安全，具有较高的安全性。
29.(4)本发明roll轴运动部分、pitch轴运动部分、yaw轴运动部分通过使用齿轮传动巧妙解决小空间多运动轴的设计问题。
30.(5)本发明把手位于一对滑轨上，滑轨为把手提供了一个被动自由度，用户可以在运动过程中通过该被动自由度自动调节运动半径，以对其设备的运动轴线与人体的腕部运动轴线(pitch轴和yaw轴)，具有良好的人机交互性。
31.(6)本发明yaw轴运动与pitch轴运动之间设有5mm轴距，符合人体腕部运动时的两轴轴线偏差，具体实施时可以最大限度的与人手腕运动轴线重合，具有良好的人机交互性。
32.(7)本发明设备美观，易于用户接受，且该设备尺寸小，质量轻，大部分零件基于3d打印制作，成本低廉，便于携带与安装，适用于多场所，具有很好的移植性。
附图说明
33.图1是本发明提供的一种的多自由度腕部外骨骼康复设备示意图；
34.图2是本发明提供的小臂支撑组件的结构示意图；
35.图3是本发明提供的支架回转组件的结构爆炸示意图；
36.图4是本发明提供的执行组件的结构示意图一；
37.图5是本发明提供的执行组件的结构示意图二；
38.图6是本发明提供的roll轴从动齿轮的结构示意图；
39.图7是本发明提供的pitch轴从动齿轮的结构示意图；
40.图8是本发明提供的yaw轴从动齿轮的结构示意图。
41.图中，1为设备安装面，2为小臂支撑组件，3为支架回转组件，4为执行组件，5为滑轨，6为滑块，7为小臂支撑基座，8为小臂支撑套，9为回转外部安装板一，10为轴承内圈夹板一，11为轴承外圈夹板，12为轴承，13为轴承内圈夹板二，14为回转外部安装板二，15为回转组件底座，16为roll轴连接件，17为pitch行程开关a，18为pitch轴连接件一a，19为roll轴从动齿轮，20为pitch行程开关b，21为pitch轴连接件二a，22为roll轴主动齿轮，23为roll
轴行程开关a，24为roll轴驱动电机，25为roll轴行程开关b，26为yaw轴行程开关a，27为yaw轴u型板一，28为滑轨安装板，29为yaw轴行程开关b，30为微型滑轨a，31为把手，32为pitch轴驱动电机，33为pitch轴主动齿轮，34为电机支架一，35为pitch轴从动齿轮，36为yaw轴u型板二，37为运动连杆一，38为运动连杆二，39为微型滑轨b，40为pitch轴连接件二b，41为pitch轴连接件一b，42为yaw轴驱动电机，43为电机支架二，44为yaw轴主动齿轮，45为yaw轴从动齿轮，46为运动连杆三。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
43.在如下描述中，特别说明术语“上”、“下”、“内”、“外”、“一侧”、“另一侧”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”、“四”、“五”、“六”、“七”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。描述零件命名时，“一”、“二”描述零件功能相似但形状不同，“a”、“b”描述零件相同但安装位置不同，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.如图1所示，本实施例提供了一种多自由度腕部外骨骼康复设备，包括依次布置的小臂支撑组件2，支架回转组件3及执行组件4，三者均安装固定于设备安装面1上。其中，设备安装面1为设备需要布置的平面，不属于本专利的保护范围内。
45.如图2所示，小臂支撑组件2包括由从下至上依次布置的滑轨5，滑块6，小臂支撑基座7和小臂支撑套8。其中，滑轨5和滑块6组成移动副，滑块6上布置小臂支撑基座7，从而移动滑块6可调整小臂支撑基座7在滑轨5上的位置，调整小臂支撑组件2与支架回转组件3及执行组件4的距离。小臂支撑基座7与小臂支撑套8通过小臂支撑基座7上的两个d型柱配合连接，使得小臂支撑套8可以在小臂支撑基座7上进行垂直方向的位置调整。
46.本实施例中，如图2所示，可在滑轨上移动小臂支撑套8，通过螺钉将小臂支撑基座7与设备安装面1固定，进而固定小臂支撑套8水平位置；然后通过小臂支撑套8在小臂支撑基座7的两个d型柱中的滑动，可以改变其高度，通过螺钉穿过小臂支撑套8中的固定安装孔锁紧d型面固定小臂支撑套垂直高度。小臂支撑组件2可以进行两个维度的尺寸调整，具有良好的人机交互性。
47.如图3所示，支架回转组件3包括依次连接的回转外部安装板一9、轴承外圈夹板一10、轴承外圈夹板11、轴承12、轴承内圈夹板一13、回转外部安装板二14及回转组件底座15。回转外部安装板一9、轴承内圈夹板一10、轴承外圈夹板11、轴承12、轴承内圈夹板二13和回转外部安装板二14相互同心，其中轴承12与轴承内圈夹板一10，轴承内圈夹板二13同心配合，同时轴承内圈夹板一10与轴承内圈夹板二13通过螺栓配合连接，夹紧轴承12内圈，轴承
外圈夹板11安装固定原理同内圈，其自身可以通过螺栓夹紧轴承外圈，再将上述固定好的组件通过轴承外圈夹板11与回转外部安装板一9与回转外部安装板二14连接，最后整体连接固定在回转组件底座15上，回转组件底座15再与设备安装面1固定。
48.执行组件4由三个自由度部分组成，按照手腕运动可分为roll轴，pitch轴，yaw轴运动部分。手臂平行于地面时，roll轴运动为手按照手臂为轴线的旋转，pitch轴运动为手部绕腕部的垂直面内的旋转，yaw轴运动为手部绕腕部的水平面内的旋转。
49.本实施例中，如图4、5所示，roll轴运动部分包括roll轴连接件16，roll轴从动齿轮19，roll轴主动齿轮22，roll轴行程开关a23，roll轴驱动电机24及roll轴行程开关b25。roll轴连接件16与roll轴从动齿轮19连接，进一步的，roll轴从动齿轮19贴合固定在支架回转组件2的回转外部安装板二14并与轴承内圈夹板一10固定连接，roll轴驱动电机24固定于回转外部安装板一9上，roll轴驱动电机24的轴穿过回转外部安装板一9和回转外部安装板二14，roll轴驱动电机24输出端安装有roll轴主动齿轮22，roll轴主动齿轮22与roll轴从动齿轮19啮合传动，提供旋转动力，进一步带动roll轴连接件16上安装的零件转动。roll轴行程开关a23与roll轴行程开关b25安装于回转外部安装板二14上，roll轴从动齿轮19上设有突出齿，roll轴从动齿轮19与roll轴行程开关a23和roll轴行程开关b25同面，roll轴从动齿轮19其在极限位置通过突出齿触发roll轴行程开关a23和roll轴行程开关b25，进行roll轴运动的限位保护。
50.本实施例中，如图4、5所示，pitch轴运动部分包括pitch行程开关a17，pitch轴连接件一a18，pitch行程开关b20，pitch轴连接件二a21，pitch轴驱动电机32，pitch轴主动齿轮33，电机支架一34，pitch轴从动齿轮35，pitch轴连接件二b40，pitch轴连接件一b41。平行布置的pitch轴连接件一a18和pitch轴连接件一b41安装于roll轴连接件16上，进一步的pitch轴连接件二a21和pitch轴连接件二b40分别对应的通过旋转副与pitch轴连接件一a18和pitch轴连接件一b41连接，pitch轴驱动电机32通过电机支架一34安装于roll轴连接件16水平面上，pitch轴驱动电机32的输出端安装有pitch轴主动齿轮33，pitch轴主动齿轮33与pitch轴从动齿轮35啮合传动，pitch轴从动齿轮35与pitch轴连接件二a21安装固定，带动其旋转，pitch轴连接件二a21同pitch轴行程开关a17和pitch轴行程开关b20在同一平面上，其运动至极限位置可以触发行程开关进行pitch轴运动的限位保护。
51.本实施例中，如图4、5所示，yaw轴运动部分包括yaw轴行程开关a26、yaw轴u型板一27、滑轨安装板28、yaw轴行程开关b29、微型滑轨a30、把手31、yaw轴u型板二36、运动连杆一37、运动连杆二38、微型滑轨b39、yaw轴驱动电机42、电机支架二43、yaw轴主动齿轮44、yaw轴从动齿轮45和运动连杆三46。yaw轴u型板一27与yaw轴u型板二36平行布置，与pitch轴连接件二a21和pitch轴连接件二b40连接；yaw轴u型板一27与滑轨安装板28通过旋转副连接，微型滑轨a30安装与滑轨安装板28上；yaw轴u型板二36与运动连杆一37通过旋转副连接，且运动连杆一37，运动连杆二38，运动连杆三46之间也通过旋转副连接，组成平面四连杆机构，微型滑轨b39安装在所述的平面四连杆机构上，所述的把手31上下端分别滑动安装在所述的微型滑轨b39和微型滑轨a30中；yaw轴从动齿轮45连接于运动连杆三46，yaw轴主动齿轮44与yaw轴从动齿轮45啮合转动，yaw轴主动齿轮44固定在yaw轴驱动电机42输出轴上，yaw轴驱动电机42通过电机支架二43固定于pitch轴连接件二b40上；yaw轴行程开关a26和yaw轴行程开关b29固定于yaw轴u型板一27上作为yaw轴运动的限位保护。
52.本实施例中，如图4、5所示，把手31安装于微型滑轨a30和微型滑轨b39上，以此获得了垂直于yaw轴线，以yaw轴为圆心的径向方向的自由度，该自由度为被动自由度，可以在运动过程中根据情况自适应调整合适尺寸。
53.本实施例中，如图6、7、8所示，roll轴从动齿轮19，pitch轴从动齿轮35，yaw轴从动齿轮45均为异形齿轮，正常工作时，通过行程开关触发限位，保护人体安全，而采用具有部分齿的畸形齿轮，在超过极限位置时脱开啮合，在行程开关失效时可靠地保护人体安全。
54.本实施例中，小臂支撑基座7，小臂支撑套8，回转外部安装板一9，轴承内圈夹板一10，轴承外圈夹板11，轴承内圈夹板二13，回转外部安装板二14，回转组件底座15，roll轴连接件16，pitch轴连接件一a18，roll轴从动齿轮19，pitch轴连接件二a21，roll轴主动齿轮22，roll轴行程开关a23，roll轴驱动电机24，yaw轴u型板一27，滑轨安装板28，把手31，pitch轴主动齿轮33，电机支架一34，pitch轴从动齿轮35，yaw轴u型板二36，运动连杆一37，运动连杆二38，pitch轴连接件二b40，pitch轴连接件一b41，电机支架二43，yaw轴主动齿轮44，yaw轴从动齿轮45，运动连杆三46均由3d打印制造，质量轻，成本低；且小臂支撑套8内部接触设有海绵，提供良好的人机交互。此外，yaw轴运动与pitch轴运动之间设有5mm轴距，符合人体腕部运动时的两轴轴线偏差，具体实施时可以最大限度的与人手腕运动轴线重合，具有良好的人机交互性。
55.上述一种多自由度腕部外骨骼康复设备的使用方法，包括如下步骤：
56.步骤一：首先用户将手穿过支架回转组件3，用手握住执行组件中的把手31
57.步骤二：将小臂放在小臂支撑套8上，在滑轨5上移动小臂支撑套8，选取舒适的距离通过螺钉将小臂支撑基座7与设备安装面1固定，进而固定小臂支撑套8水平位置；然后调整小臂支撑套8的高度，选取舒适的高度，通过螺钉锁紧固定小臂支撑套8垂直高度。确定roll轴运动能够与被试腕部旋转的实际roll轴对准。
58.步骤三：roll轴驱动电机转动24，带动roll轴主动齿轮22旋转，进一步带动与其啮合的roll轴从动齿轮19旋转，进一步驱动整个执行组件4进行roll轴的旋转。roll轴从动齿轮19上设有突出齿，如图6，与roll轴行程开关a23和roll轴行程开关b25同面，其在极限位置可以触发行程开关，进行roll轴运动的限位保护。
59.步骤四：pitch轴驱动电机32转动，带动pitch轴主动齿轮33旋转，进一步带动与其啮合的pitch轴从动齿轮35旋转，进一步驱动执行组件3除roll轴运动部分进行运动。pitch轴连接件二a21同pitch轴行程开关a17和pitch轴行程开关b20在同一平面上，其运动至极限位置可以触发行程开关进行pitch轴运动的限位保护。
60.步骤五：yaw轴驱动电机42转动，带动yaw轴主动齿轮44旋转，进一步带动与其啮合的yaw轴从动齿轮45旋转，进一步驱动运动连杆三46、运动连杆二38、运动连杆一37进行摆动，驱动把手31绕yaw轴做旋转运动。相对的，平行布置在下方的滑轨安装板28也同时做随动。yaw轴行程开关a26和yaw轴行程开关b29与滑轨安装板28位于同一平面，滑轨安装板运动至极限位置会触发行程开关进行yaw轴运动的限位保护。
61.步骤六：把手可以在微型滑轨a30和微型滑轨b39上进行滑动，以自适应不同患者的手部尺寸。同时也可以一定程度的解决yaw轴、pitch轴运动与患者手部不对准的情况。
62.上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。