一种气动肌肉驱动的穿戴式肘关节康复训练装置

摘要

本发明公开了一种气动肌肉驱动的穿戴式肘关节康复训练装置，包括人工气动肌肉组件、上臂支撑组件、前臂支撑组件、肘部连接组件和摇杆滑块组件，其中气动肌肉组件用于提供驱动力；上臂支撑组件包括肩部护板、主支撑板、肘部护板和转盘，由此用于将驱动力继续传递；前臂支撑组件包括底板、小臂挡板和前臂板，并构成容纳前臂的接收腔；肘部连接组件包括第一滑板和第二滑板，共同构成肘部转动关节；摇杆滑块组件包括曲柄套、曲柄杆和滑块，由此完成驱动力由上臂支撑组件向前臂支撑组件的传输。通过本发明，可以提供便于穿戴、安全性高、具有人体工程学特点的肘关节康复训练装置，并尤其适用于复杂训练模式下对肘关节进行主被动协调训练。

说明书

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，更具体地，涉及一种气动肌肉驱动的 穿戴式肘关节康复训练装置。

背景技术

随着生活水平的逐渐提高,人们对生活质量的要求也越来越高，采用 康复机器人对残疾人及神经损伤患者进行康复训练，被公认为是提高他们 生活质量的重要途径之一。肘关节是人体上肢中非常重要的一个关节，上 肢绝大部分动作均需要肘关节的参与才能完成，目前出现了许多帮助患者 上肢各个关节进行康复训练的装置，但现有的上肢康复训练装置均需要固 定在地面或者支架上，不能穿戴，不适于家庭使用，而且普遍使用电机驱 动或者气缸驱动，这两种类型的驱动方式均存在安全性差、低速爬行和高 速冲击等缺点，不符合康复科学理念。

由于康复训练装置需要与人体直接作用，在设计可穿戴式的上肢康复 训练装置时，必须在结构上保证康复训练的安全性与舒适性，为此在设计 上肢肘关节康复训练装置的结构以及相应的驱动系统时必须考虑肘关节的 生理结构特点及其运动方式。一方面，肘关节康复训练装置的工作空间应 与人的肢体自然活动空间一致，以保证在对患肢各个关节和肌肉组织进行 有效训练的同时不致拉伤人体组织；另一方面，肘关节康复训练装置的结 构应保证它能适应不同患者的患肢尺寸，自动顺应运动中产生的配合误 差，使装置在引导患肢运动时其本体结构不与患肢产生干涉；再者肘关节 康复训练装置对应的驱动系统也必须具有足够的柔韧性，其驱动方式不仅 要求安全，而且要求结构轻巧、行程与上肢肌肉收缩量一致，另外为了强 化康复训练效果，驱动系统还必须具备对患肢肘关节进行主被动协调康复 训练的能力。

CN1961848A中公开了一种基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节，其由两 条气动肌肉及一个单自由度旋转运动副构成，由此通过采用气动肌肉作为 关节的执行元件，具有仿生学的特点。然而，进一步的研究表明，上述现 有装置并未充分考虑到装置运动与人体肘关节运动之间的匹配问题，缺乏 良好的顺应性，而且不能较好地符合康复科学对训练安全性的要求。事实 上，由于该装置的转动轴线与人体肘关节的轴线存在较大的偏差，并且没 有相应的补偿机构来弥补这一偏差，因而在实际康复训练过程中该外骨骼 装置会在患肢表面相对滑动，若外骨骼装置与患肢表面严格固定，则该装 置在使用时将存在运动困难的问题，并可能会对脆弱的患肢产生伤害。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气动肌肉驱 动的穿戴式肘关节康复训练装置，其中通过对其关键组件的结构及其相互 联接方式进行设计，可以提供便于穿戴、安全性高、可实现主被动协调运 动、具有人体工程学特点的肘关节康复训练装置。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种气动肌肉驱动的穿戴式肘 关节康复训练装置，该训练装置包括人工气动肌肉组件、上臂支撑组件、 前臂支撑组件、肘部连接组件和摇杆滑块组件，其特征在于：

所述人工气动肌肉组件包括肌肉盒、和由肘屈气动肌肉和肘伸气动肌 肉共同组成的一对人工气动肌肉，所述人工气动肌肉的一端分别固定在肌 肉盒上，另外一端采用绳索分别经由导向元件连接于上臂支撑组件的转盘；

所述上臂支撑组件包括肩部护板、主支撑板、肘部护板和转盘，其中 肩部护板和肘部护板之间通过上臂连接板彼此联接，在该上臂连接板上安 装主支撑板；所述转盘由两个同心扇形结构件共同构成，它们通过同一主 轴安装在所述主支撑板上，分别用于缠绕与人工气动肌肉相连的绳索，并 在其带动下绕其安装主轴转动；

所述前臂支撑组件包括底板、小臂挡板和前臂板，其中底板和小臂挡 板共同构成用于容纳使用者前臂的接收腔，前臂板与底板的上表面相固联， 并且在前臂板顶面上沿着前臂长度方向分别设置有主滑杆和辅助滑杆；

所述肘部连接组件包括第一滑板和第二滑板，它们各自的一端共同安 装在肘轴上并可发生枢轴转动，此外第一滑板的另外一端可来回移位地安 装在设置于所述肘部护板表面的丝杆上，第二滑板的另外一端可来回滑动 地套设在所述辅助滑杆上，由此共同构成肘部转动关节；

所述摇杆滑块组件包括曲柄套、曲柄杆和滑块，其中曲柄套的一端与 上臂支撑组件的所述转盘固定相联，另外一端可伸缩地安装曲柄杆，曲柄 杆伸出曲柄套的端部则与滑块可枢轴转动相连，并且所述滑块可来回滑动 地套设在所述主滑杆上，由此完成驱动力由上臂支撑组件向前臂支撑组件 的传输。

作为进一步优选地，所述转盘由两个同心扇形结构件共同构成，并且 这两个扇形结构件的半径不同，张角均为90度。

作为进一步优选地，所述转盘上沿着圆周方向分布有多排螺孔，所述 摇杆滑块组件的的曲柄套可固定在不同位置的螺孔上，由此实现摇杆滑块 组件相对于转盘的位置和角度可调。

作为进一步优选地，对于所述上臂支撑组件而言，其中的上臂连接板 表面上还开设有直线滑槽，所述主支撑板可通过螺栓螺母分别固定在该直 线滑槽的不同位置，由此便于调节上臂支撑组件以适用不同尺寸的上臂。

作为进一步优选地，对于所述前臂支撑组件而言，其中的底板的一侧 通过合页与前臂板的近肘关节端相联接，并使得两者之间仅能相对转动； 所述底板的另外一侧则与前臂板的近腕关节端可来回移动地相联接。

作为进一步优选地，所述前臂支撑组件中的小臂挡板优选呈现弯板的 形式，且其弯曲角度在120°～150°之间。

作为进一步优选地，所述底板的上表面上还设置有相互平行的第一侧 凸台、第二侧凸台，所述前臂板的底面上对应设置有第一吊耳和第二吊耳； 第一支撑杆和第二支撑杆以相同方式将其一端铰接在第一侧凸台上，另外 一端则分别安装在开设于第一侧凸台和第二侧凸台上的滑槽内，由此实现 所述底板的另外一侧与前臂板的近腕关节端可来回移动地相联接。

作为进一步优选地，对于所述肘部连接组件而言，其中的第一滑板通 过螺纹孔联接在所述肘部护板的丝杆上，第二滑板通过直线轴承联接在所 述辅助滑杆上，由此共同构成位置可调的肘部转动关节。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，可以 便利地实现多处调节以便适用不同场合，其中包括主支撑板相对于上臂连 接板的位置可调、曲柄套相对于转盘的位置、夹角及其自身的长度可调、 第一滑板相对于肘部护板的位置可调，以及前臂板与小臂前端的角度可调 等；此外，其结构紧凑、便于穿戴、运动柔顺性强、并能够实现主被动协 调运动，同时具备人体工程学特点和高训练安全性，因而尤其适用于在各 类复杂训练模式下对肘关节进行主被动协调训练。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的穿戴式肘关节康复训练装置的 整体结构示意图；

图2是图1中所示转盘的局部剖视图；

图3是按照本发明优选实施例的前臂支撑组件部分元件的相互联接关 系示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-肩部护板2-绑带3-主支撑板4-肘伸钢丝绳5-主轴6-转盘 8-曲柄套9-绑带10-螺钉11-曲柄杆12-辅轴13-滑块14-主滑 杆15-绑带16.1-第一支撑杆16.2-第二支撑杆17-底板17.1-第 一侧凸台17.2-第二侧凸台18-前臂板18.1-第一吊耳18.2-第二吊耳 19-绑带20-小臂挡板21-辅助滑杆22-第二滑板23-肘轴24-第 一滑板25-丝杆26-肘部护板27-上臂连接板27.1-竖直槽28-肘 屈钢丝绳29-肌肉盒30-第一弹性挠管31-第二弹性挠管32-肘伸 气动肌肉33-肘屈气动肌肉33-合页

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例所构建的穿戴式肘关节康复训练装置的 整体结构示意图。如图1中所示，该穿戴式肘关节康复训练装置主要包括 人工气动肌肉组件、上臂支撑组件、前臂支撑组件、肘部连接组件和摇杆 滑块组件，其中就功能而言，上臂支撑组件、前臂支撑组件、肘部连接组 件和摇杆滑块组件组成一个曲柄滑块机构，人工气动肌肉组件依靠绳索类 柔性机构（譬如，钢丝绳）将动力传递至上臂支撑组件；上臂支撑组件和 前臂支撑组件通过肘部连接组件连接，形成肘部转动关节；摇杆滑块组件 连接上臂支撑组件中的曲柄和前臂支撑组件中的丝杆，驱动整个前臂支撑 组件围绕肘部关节转动。

下面将就各个组件的结构和功能分别给出具体说明。

所述人工气动肌肉组件包括肌肉盒29、和由肘屈气动肌肉32和肘伸气 动肌肉33共同组成的一对人工气动肌肉，这一对人工气动肌肉的一端分别 固定在肌肉盒上，另外一端采用譬如钢丝绳的绳索分别经由导向元件（譬 如，第一弹性套管30和第二弹性挠管31）连接于上臂支撑组件的转盘6。 两根弹性挠管的一端与肌肉盒29固定，另一端与主支撑板3固定。

所述上臂支撑组件包括肩部护板1、主支撑板3、肘部护板26和转盘6， 其中肩部护板1和肘部护板26之间通过上臂连接板27彼此联接，在该上 臂连接板27上安装主支撑板3；转盘6由两个同心扇形结构件共同构成， 它们通过同一主轴安装在所述主支撑板3上，分别用于缠绕与人工气动肌 肉30、31相连的钢丝绳，并在其带动下绕其安装主轴转动。换而言之，上 臂连接板27分别与肩部护板1和肘部护板26固联形成上臂支撑组件的基 础，转盘6通过主轴固定在主支撑板3上形成曲柄组件，整个曲柄组件通 过主支撑板3固联在上臂连接板27上，丝杠25通过两端的支撑凸台固定 于肘部护板26上。整个上臂支撑组件依靠固定在肩部护板1和肘部护板26 上的绑带实现与人体上臂的结合。

更具体地，肘屈气动人工肌肉33与肘伸气动肌肉32均安装在肌肉盒 29内，肘屈气动肌肉33和肘伸气动肌肉32的活动端分别与肘屈钢丝绳28 和肘伸钢丝绳4连接。肘屈钢丝绳28和肘伸钢丝绳4分别穿过第一弹性挠 管30和第二弹性挠管31与转盘6连接。这两根弹性挠管的一端与肌肉盒 29固定，另一端与主支撑板3固定。转盘6通过主轴5可枢轴转动地活动 连接在主支撑板3的外侧，转盘6可相对于主支撑板3自由转动；主支撑 板3安装在上臂连接板27的外侧，其相对位置可通过上臂连接板27中部 两个竖直槽27.1来调整。上臂连接板27的上端与肩部护板1固定连接，其 下端与肘部护板26固定连接。

按照本发明的一个优选实施方式，所述转盘6可以由两个同心扇形结 构件共同构成，并且这两个扇形结构件的半径不同，张角均为90度，由此 进一步便于对来自气动肌肉的驱动力执行传递，并在保证结构紧凑的前提 下实现驱动力的有效分配。按照本发明的另一优选实施方式，对于所述上 臂支撑组件而言，其中的上臂连接板27表面上还开设有直线滑槽，所述主 支撑板3可通过螺栓螺母分别固定在该直线滑槽的不同位置，由此便于调 节上臂支撑组件以适用不同尺寸的上臂。

此外，钢丝绳4、28在转盘6上的缠绕方式例如可采用图2中所示的 方式：两个扇形结构件沿外圆周方向均开有容纳软钢丝绳的弧形槽，主支 撑板3上端的两侧沿竖直方向各开有一个沉头孔，两个沉头孔的轴线分别 与转盘6的两个扇形盘面的外圆周相切。第一弹性挠管30和第二弹性挠管 31分别插在这两个沉头孔的沉头内，肘屈钢丝绳28和肘伸钢丝绳4分别穿 过沉头孔，与转盘6上的两个扇形盘面内的弧形槽相接触并与之缠绕，钢 丝绳末端的埋头与转盘6固定连接。肘屈气动肌肉33收缩并拉动肘屈钢丝 绳28绳时，转盘6可绕主轴5逆时针转动；转盘6逆时针转过一定角度后， 肘伸气动肌肉32收缩并拉动肘伸钢丝绳4，转盘6便绕主轴5顺时针转到 初始位置。

所述前臂支撑组件包括底板17、小臂挡板20和前臂板18，其中底板 17和小臂挡板20共同构成用于容纳使用者前臂的接收腔，并通过固定于其 上的绑带和人体前臂结合，为肘关节运动提供有效的均匀支撑。前臂板18 与底板17的上表面相固联，并且在其顶面上沿着前臂长度方向分别设置有 主滑杆14和辅助滑杆21。

更具体地，前臂支撑组件中的底板17的一侧优选通过合页与前臂板18 的近肘关节端相联接，并使得两者之间仅能相对转动；底板17的另外一侧 则适于采用各种形式来实现与前臂板18的近腕关节端可来回移动地相联 接。此外，小臂挡板20优选呈现弯板的形式，且其弯曲角度在120°～150° 之间。

按照本发明的一个优选实施方式，对于底部17另外一侧与前臂板18 的近腕关节端之间的联接方式，如图3中所示，可以通过平行分布的第一 侧凸台17.1、第二侧凸台17.2、第一支撑杆16.1、第二支撑杆16.2、第 一吊耳18.1、第二吊耳18.2固联于前臂板18的近腕关节端，具体连接方 式为：第一支撑杆16.1的一端和固定于前臂板18的第一吊耳18.1铰接， 另一端通过销轴在固定于地板上的第一侧边凸台17.1的滑槽内滑动，第二 支撑杆16.2、第二吊耳18.2、第二侧边凸台17.2亦采用同样的方式联接。 由此形成了整个前臂支撑组件的支撑基础。通过以上设置，哟与底板17和 前臂板18近肘关节端通过合页联接，只能相对转动；当第一、第二支撑杆 16.1、16.2分别在第一、第二侧边凸台17.1、17.2上的滑槽内滑动时，底 板17和前臂板18近腕关节端的距离会发生变化，随之两板之间的夹角发 生变化。

对于所述肘部连接组件而言，其包括第一滑板24和第二滑板22，它们 各自的一端共同安装在肘轴23上并可发生枢轴转动，此外第一滑板24的 另外一端可来回移位地安装在设置于肘部护板26表面的丝杆25上，第二 滑板22的另外一端可来回滑动地套设在所述辅助滑杆21上，由此共同构 成肘部转动关节。

更具体地，第一滑板24通过螺纹孔联接在所述肘部护板26的丝杆（25） 上，第二滑板22通过直线轴承联接在辅助滑杆21上，由此共同构成位置 可调的肘部转动关节。

对于所述摇杆滑块组件而言，其包括曲柄套8、曲柄杆11和滑块13， 其中曲柄套8的一端与上臂支撑组件的转盘6固定相联，另外一端可伸缩 地安装曲柄杆11，该曲柄杆11伸出曲柄套的端部则与滑块13可枢轴转动 相连，并且所述滑块13可来回滑动地套设在主滑杆14上，由此完成驱动 力由上臂支撑组件向前臂支撑组件的传输。

再次参见图1，曲柄套8与曲柄杆11组成一个长度可调的曲柄I，通过 紧定螺钉10可将曲柄I固定在合适的长度。在转盘6的盘面上沿径向分布 有一系列通孔，可根据实际需要从中选择2～3个通孔将曲柄I的一端固定 在转盘6上，另外一端可枢轴转动地设置在滑杆14上。曲柄I的另一端通 过辅轴12与滑块13活动连接，滑块13可绕辅轴12相对曲柄I的末端自由 转动，滑块13套在滑杆14上，滑块13可在主滑杆14上自由滑动。

下面将具体描述按照本发明的康复训练装置的使用原理。

按照本发明的肘关节康复训练装置使用绑带2、绑带9、绑带15，绑带 19以及小臂挡板20将其固定在人体上肢，如图1所示，其中绑带2和绑带 9，分别与肩部护板1和肘部护板26连接；绑带15和绑带19的一端与底 板18连接，它们的另一端与小臂挡板20连接，小臂挡板20通过铰链与底 板18的侧边活动连接，当绑带15和绑带19绕在人体上肢小臂上并被拉紧 时，小臂挡板20将与小臂均匀紧贴，为肘关节运动提供有效的均匀支撑。 此外，曲柄转动时将带动滑块在摇杆上滑动，进而带动摇杆摆动。由于摇 杆与上肢小臂固定，因而摇杆的摆动将造成小臂绕肘关节的运动。

从以上描述中不难看出，为了适应不同人群的肢体尺寸，本装置设置 了5处调节机构，具体包括：主支撑板3相对于上臂连接板27的位置可调； 曲柄I上端相对于转盘6的位置和夹角可调；曲柄I的长度可调；螺纹滑板 24在肘部护板26上相对的位置可调；以及前臂板18与上肢小臂前端的角 度可调等。

下面将对按照本发明的肘关节康复训练装置的具体改进之处及其所带 来的优点更为具体地加以解释说明。

通过将曲柄杆嵌在曲柄套内并可相对曲柄套伸出和缩进，曲柄套上没 有设置转动轴，而是将其与一个表面分布有多个定位孔的转盘相固定，选 择合理的定位孔可将曲柄套布置在需要的角度和位置。由转盘、曲柄套和 曲柄杆组成的曲柄可以看成是一个长度和转动中心可调的复合曲柄。

由于人体上肢小臂是一个类似于纺锤体的一端大一端小的不规则柱体 结构，为了保证摇杆与支座处于一个相对平行的空间位置以便于曲柄能正 常转动，本装置在摇杆与人体上肢小臂之间设置了一个支架，用于调整摇 杆与小臂之间的角度，以保证摇杆的运动平面与支座所在的平面平行。

由于摇杆的转动中心同肘关节的转动中心不可避免地存在偏离，本装 置在摇杆与支座连接的地方设置了一个可调丝杠和一个被动滑动副。可调 丝杠用来在穿戴时情况下粗调摇杆的转动中心，使摇杆的转动中心与肘关 节的转动中心近似同轴。被动滑动副在摇杆摆动时起到弥补摇杆的转动中 心与肘关节的转动中心之间偏差的作用，使摇杆能主动顺应肘关节的运动， 防止小臂与摇杆之间由于运动不匹配造成的运动困难以及由此带来的运动 伤害。

也就是说，为了适应不同人的上肢尺寸本发明装置在多个地方设置了 调节机构，其中主支撑板可沿上臂连接板的竖直槽滑动，选定合理的位置 后可用螺钉螺母将二者锁紧；曲柄上端相对转盘的位置亦可通过二者接合 面上的定位孔来调节；调节曲柄杆在曲柄套内的深入量便可获得不同的曲 柄长度。

此外，曲柄的转动通过两根气动肌肉的协调收缩与舒张来实现，由于 气动肌肉与人体骨骼肌运动方式类似，行程有限且无运动冲击，因而曲柄 的最大转动角度能够始终维持在人体肘关节所能运动的范围内，且曲柄的 运动始终是平滑的，这就在驱动方式上保证了训练的安全性。

经实验证明，气动肌肉在弯曲状态下工作时气管表面容易出现局部变 形，而且放气松弛后局部变形处难以恢复正常状态，严重影响了气动肌肉 的工作性能和使用寿命，为此本发明将气动肌肉笔直布置在单独的气动肌 肉盒内，避免了弯曲状态工作时气动肌肉收缩不均匀的问题，确保了气动 肌肉始终处于正常的工作状态。气动肌肉盒与装置本体之间通过弹性挠管 连接，其中弹性挠管内部穿有传递拉力的软钢丝绳，气动肌肉收缩时产生 的拉力通过两根软钢丝传递到转盘上。软钢丝外面所套的弹性挠管具有很 高挠性，该弹性挠管不可被拉伸和压缩，只能以较大的曲率被弯曲，可以 保证软钢丝在传递拉力时始终保证张紧状态。弹性挠管的使用使得驱动系 统与训练装置得到了分离，保证了训练装置在整体上是一个不带电路元件 的“无电装置”，使得患者在心里上易于接受康复训练，同时也使得驱动 系统可以摆放在环境中的任何地方，节约了空间的使用。

最后，为了满足复杂训练模式下机器人与患肢主被动协调运动的要求， 在患者主动能力不足时提供适度的辅助，而在患者有能力完成动作时适当 减小辅助甚至施加阻力，本发明配置了两根气动肌肉以实现对应的正反运 动，这样可依据相应的训练模式，例如结合力矩传感器和角位移传感器实 时采集的作用力信息与位置信息，通过控制各个气动肌肉的收缩来实现肘 关节康复训练装置与患肢肘部的主被动协调运动。

综上所述，按照本发明的穿戴式肘关节康复训练装置结构紧凑、便于 穿戴、运动柔顺性强、并能够实现主被动协调运动，同时具备人体工程学 特点和高训练安全性，因而尤其适用于在各类复杂训练模式下对肘关节进 行主被动协调训练。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。