[發明專利]一種用于康復外骨骼機構的旋內旋外關節

有效

• 申請號: 201711444348.X
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN108186279B
• 公開（公告）日: 2020-02-07
• 發明（設計）人: 張雷雨;李劍鋒;張子康;紀姝婷;劉瑞豐
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02
• 代理公司: 11203 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉萍

本發明涉及一種用于上肢康復外骨骼機構的旋內旋外關節，該旋內旋外關節包含上臂旋內旋外關節和前臂旋內旋外關節，兩者采用相似的傳動原理和組成，兩關節采用緊致連接的方式分別與人體上肢的上臂和前臂連接，在人機連接界面處各增加一個被動滑動副。上臂旋內旋外關節采用同步帶傳動的方式繞自身軸線做旋內旋外運動，上臂外環帶動上臂內環和上臂一同運動。上臂外環由支撐軸承固定和支撐，上臂外環與相關零件滾動接觸；用于張緊同步帶的張緊輪采用深溝球軸承組合的方式，使得同步帶與張緊輪之間為滾動接觸；帶輪軸安裝在上臂箱體和上臂蓋板上，兩端由滾動軸承支撐；通過采用滾動接觸的方式，大幅降低上臂外環在轉動過程中的運動阻力。

技術領域

本發明涉及一種旋內旋外關節，具體說，涉及用于上肢康復外骨骼機構的旋內旋外關節。

背景技術

為彌補傳統人工康復訓練的不足，降低醫師繁重的工作強度并為患者提供準確、有效的康復醫療服務，國內外一些院校的實驗室和康復醫療機構相繼開展了穿戴型上肢康復外骨骼機構的相關研究。從運動解剖學、生物力學和人因工程學的角度出發，根據人體上肢的形態構造和功能，對人體上肢的自由度進行分析，得出上肢(不含手掌)具有5個自由度(5-DOF)：肩關節前屈/后伸、內收/外展、旋內/旋外，肘關節屈/伸，前臂旋內/旋外。針對人體上肢各關節的活動范圍和自由度要求，設計和綜合上肢康復機器人的本體構型和驅動方式，實現對患者上肢的精確康復訓練、柔性訓練，并且實時準確地調整施加在患肢上的運動參數和力/矩參數。

當前外骨骼機構的肩關節主要由二或三個軸線彼此正交于定轉心的轉動副復合而成，肘關節為定軸線單自由度轉動副，肩、肘關節擬人體上肢對應關節的分布特征布置，構件尺度則參照人體上肢的體征參數來確定。在人機連接方式上，固聯于外骨骼的穿戴具以緊致穿戴的方式與上臂、前臂的中下部連接。這類外骨骼機構設計的優點是借鑒了人體上肢的運動解剖結構特征，人機關節之間對應性好，獲得構型簡約的外骨骼機構。

該類型康復外骨骼機構的不足之處是要求人機對應關節的軸線(或轉心)在康復訓練過程中始終保持對齊(或重合)，否則人機閉鏈將轉化為人機運動不相容的“超定”系統。在剛體模型假設下，“超定”的人機閉鏈不能夠運動，而事實上由于人機連接界面處肢體組織的彈性變形，當外骨骼關節驅動力/矩足夠大時人機閉鏈可以運動，但會在人機連接界面產生與康復訓練任務無關的附加約束力/矩。在機構學意義上，這種屬性的約束力/矩屬于人機閉鏈欠自由度(或冗余驅動)導致的內部作用力/矩，與人機閉鏈的組成如外骨骼機構構型、人機連接位置等因素有關，并隨人機閉鏈運動位形的變化而改變。當這種內部約束力/矩與完成康復訓練任務需要的有效約束力/矩相疊加時，會顯著增大人機之間的約束強度，并導致舒適性變差、康復訓練難以進行或出現安全性問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于上肢康復外骨骼機構的旋內旋外關節，以解決上述問題。

本發明的實施例提供了一種用于上肢康復外骨骼機構的旋內旋外關節，其特征在于，該旋內旋外關節包含上臂旋內旋外關節和前臂旋內旋外關節，兩關節采用緊致連接的方式分別與人體上肢的上臂和前臂連接，在人機連接界面處各增加一個被動滑動副。上臂旋內旋外關節通過上臂內環與上臂綁縛連接，上臂外環在同步帶的驅動下繞自身軸線做旋內旋外運動，上臂外環帶動上臂內環和上臂一同運動。前臂旋內旋外關節通過前臂內環與前臂綁縛連接，前臂外環與上臂外環保持同步運動，前臂內環通過轉接環與前臂箱體連接，前臂內環與前臂箱體一起繞前臂外環軸線轉動，前臂內環帶動前臂做旋內旋外運動。

進一步，上臂旋內旋外關節與前臂旋內旋外關節具有相同的傳動原理和組成。

進一步，上臂旋內旋外關節主要包含上臂箱體、同步帶、同步帶輪、上臂外環、支撐軸承。

進一步，上臂旋內旋外關節采用同步帶的傳動方式，上臂電機將動力傳遞至同步帶輪，同步帶輪與同步帶嚙合，同步帶兩端分別固定在上臂外環的兩端，同步帶驅動上臂外環繞自身軸線轉動。上臂外環的內側沿自身軸線方向對稱設置了兩個溝槽。