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一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢康復(fù)外骨骼機構(gòu)的制作方法

文檔序號:11119802閱讀:990來源:國知局
一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢康復(fù)外骨骼機構(gòu)的制造方法與工藝

本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域中的康復(fù)工程技術(shù),具體是一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢康復(fù)外骨骼機構(gòu),用于對上肢偏癱或上肢運動功能損傷患者進行康復(fù)訓(xùn)練。



背景技術(shù):

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,我國已開始進入老齡化社會,腦卒中已成為老齡化群體的常見多發(fā)病。由于我國人口基數(shù)巨大,伴隨老齡化進程的發(fā)展,腦卒中患者數(shù)目急劇增加,據(jù)統(tǒng)計,目前我國每年新增腦卒中患者多達150~200萬人,是60歲以上老齡群體致死和致殘的首因。同時,因各種交通事故、自然災(zāi)害頻發(fā),造成脊髓損傷、腦外傷患者數(shù)目也逐年增加。前述三種疾病和損傷極易造成肢體癱瘓,給患者的日常生活帶來極大不便。由于人體上肢從事各種復(fù)雜、精細活動,其功能障礙直接影響患者工作和日常的生活能力,值得特別關(guān)注。上肢功能障礙的本質(zhì)是中樞神經(jīng)存在損傷,相應(yīng)地,康復(fù)訓(xùn)練的根本目標(biāo)是激發(fā)中樞神經(jīng)的重組和代償,促進神經(jīng)系統(tǒng)運動感知功能恢復(fù),進而使患肢恢復(fù)運動能力。將先進的機器人技術(shù)應(yīng)用于上肢臨床康復(fù)訓(xùn)練,能夠發(fā)揮機器人自動化、精確化和執(zhí)行重復(fù)性高強度體力勞動的優(yōu)勢,彌補康復(fù)醫(yī)療資源短缺的不足,降低醫(yī)護人員的勞動強度,提高康復(fù)訓(xùn)練效果。

根據(jù)人體解剖學(xué)可知,人體肩部關(guān)節(jié)圖1、圖2所示錯綜復(fù)雜,它由肱骨、肩胛骨、鎖骨、胸骨及其間的盂肱關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)、胸鎖關(guān)節(jié)和肩胛胸壁關(guān)節(jié)連接而成,其中胸鎖關(guān)節(jié)和肩胛胸壁關(guān)節(jié)運動學(xué)尚且不清楚,根據(jù)人體骨骼模型運動學(xué)分析,肩部關(guān)節(jié)中的盂肱關(guān)節(jié)(傳統(tǒng)意義上的肩關(guān)節(jié))在不同抬升面,抬升不同抬升角的運動過程中,轉(zhuǎn)動中心在人體肩部關(guān)節(jié)相對于人體胸骨的運動過程中,是漂移的,并且漂移軌跡并不是線性的,而是有多段低曲率弧線構(gòu)成,并且肩部盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的漂移(肩關(guān)節(jié)運動耦合)也不僅限于矢狀面內(nèi),這使研究肩部盂肱關(guān)節(jié)的運動更加復(fù)雜;人體肘部骨骼如圖3所示,它有肱骨、橈骨、尺骨及其間的關(guān)節(jié)連接而成,肘關(guān)節(jié)是肱骨下端和橈骨、尺骨上端構(gòu)成的復(fù)合關(guān)節(jié),包括肱尺關(guān)節(jié)、肱橈關(guān)節(jié)和橈尺近側(cè)關(guān)節(jié),圖中A點、B點和C點分別為肱骨小頭、肱骨滑車和尺骨環(huán)狀關(guān)節(jié)面的中心。肱尺關(guān)節(jié)由肱骨滑車與尺骨半月切跡構(gòu)成,屬于蝸狀關(guān)節(jié),是肘關(guān)節(jié)的主體部分,可沿軸線AB做前臂屈伸運動。橈尺近側(cè)關(guān)節(jié)由橈骨頭環(huán)狀關(guān)節(jié)面與尺骨的橈骨切跡構(gòu)成,屬于車軸關(guān)節(jié),橈尺遠側(cè)關(guān)節(jié)由橈骨頭與橈腕關(guān)節(jié)盤的近側(cè)面構(gòu)成,屬于車軸關(guān)節(jié),這兩個關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成繞軸線AC的前臂旋轉(zhuǎn)運動,經(jīng)查閱相關(guān)文獻,肘關(guān)節(jié)在前屈后伸的運動過程中,軸線不是固定的,而是漂移的(肘關(guān)節(jié)運動耦合),具體運動規(guī)律尚不清晰。通過現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索與分析可以看出,現(xiàn)有上肢康復(fù)機器人平臺包括麻雀理工學(xué)院研制的MIT-MANUS、瑞士Honcoma公司的Armin、美國華盛頓大學(xué)研制的CADEN-7、美國亞利桑那州立大學(xué)PUPERT-IV等,其中MIT-MANUS、Armin已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化和臨床應(yīng)用。國內(nèi)哈工大、上海交大、清華、安陽神方、廣州一康、北京工業(yè)大學(xué)等研究機構(gòu)也從事相關(guān)研究。上述上肢康復(fù)機器人平臺及樣機從機構(gòu)學(xué)考慮,主要可分為兩類,一類如申請?zhí)枮?01110237805.4的發(fā)明專利公開了一種上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人,該機器人機構(gòu)的優(yōu)點是:借鑒人體上肢骨骼的運動生理結(jié)構(gòu)特征,獲得形式簡約的機構(gòu)構(gòu)型,不足之處在于:只考慮到肩部關(guān)節(jié)三個自由度,肘部兩個自由度,沒有考慮到人體肩肘部關(guān)節(jié)在運動過程中,肩部盂肱關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心隨上肢的運動而改變,肘部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線的漂移。當(dāng)人-機對應(yīng)關(guān)節(jié)軸線出現(xiàn)穿戴偏差時,人-機閉鏈機構(gòu)中存在與康復(fù)訓(xùn)練無關(guān)的內(nèi)部作用力與力矩,易導(dǎo)致舒適性變差或出現(xiàn)安全問題;一類如申請?zhí)枮?01310003656.4的發(fā)明專利公開了一種具有人-機運動相容性的上肢康復(fù)外骨骼機構(gòu),該機構(gòu)同樣借鑒了人體上肢骨骼的運動生理結(jié)構(gòu)特征,并充分考慮了人-機閉鏈機構(gòu)中存在的與康復(fù)訓(xùn)練無關(guān)的內(nèi)部作用力和力矩,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,連接機構(gòu)支鏈過長、力傳輸效果不好,并且支鏈重量大部分有人體上肢承擔(dān),不能有效傳輸?shù)街渭稀?/p>

本發(fā)明的目的是提出了一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢康復(fù)外骨骼機構(gòu)。該外骨骼機構(gòu)充分借鑒人體上肢骨骼的運動生理結(jié)構(gòu)特征,獲得形式簡約的外骨骼機構(gòu)構(gòu)型,并充分考慮了人-機閉鏈機構(gòu)中存在的與康復(fù)訓(xùn)練無關(guān)的內(nèi)部作用力和力矩,合理布置連接支鏈,把部分人機連接支鏈移植到與支撐件固連的位置,使人機連接支鏈短,力傳輸效果好,支鏈重量可有效傳輸?shù)降街渭?/p>



技術(shù)實現(xiàn)要素:

一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢外骨骼機構(gòu),包括肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A、外骨骼機構(gòu)、連接機構(gòu)和支撐件。其特征在于肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)B和肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)E構(gòu)成外骨骼機構(gòu),上臂連接機構(gòu)D和前臂連接機構(gòu)G構(gòu)成連接機構(gòu),肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A與支撐件固連,且通過外骨骼機構(gòu)、上臂連接機構(gòu)D、前臂連接機構(gòu)G與人體上臂C和前臂F緊致連接。

所述的肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A,由第一導(dǎo)軌、第一滑塊、第二導(dǎo)軌、第二滑塊和滑塊固定板組成、其中第一導(dǎo)軌和第一滑塊,第二導(dǎo)軌和第二滑塊分別組成兩個移動副,兩移動副移動方向都在水平面內(nèi),且互相垂直。

所述的肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)B,由上臂第一轉(zhuǎn)動副、第一轉(zhuǎn)動副連接件、上臂第二轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副連接件、上臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副和上臂第三運動副依次串聯(lián)組成,其中上臂第一轉(zhuǎn)動副與滑塊固定板相連,上臂第二轉(zhuǎn)動副與上臂第一運動副通過第一運動副連接件相連,上臂第三運動副通過上臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副、第二運動副連接件和上臂第二運動副相連,其中上臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副沿第二運動副連接件直線運動,根據(jù)不同人體上臂長度調(diào)節(jié)外骨骼上臂桿長,上臂第一轉(zhuǎn)動副、上臂第二轉(zhuǎn)動副和上臂第三轉(zhuǎn)動副呈轉(zhuǎn)動副軸線互相垂直布置,交于一點。

所述的上臂連接機構(gòu)D,由上臂移動副和上臂繃帶組成、其中上臂移動副與上臂第三運動副固定相連,上臂綁帶和上臂移動副固定連接,上臂綁帶緊致穿戴于上臂C的末端。

所述的肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)E,由前臂屈伸運動副連接件、前臂屈伸轉(zhuǎn)動副、前臂屈伸運動連接桿、前臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副和前臂旋內(nèi)旋外轉(zhuǎn)動副組成,其中前臂屈伸轉(zhuǎn)動副通過前臂屈伸運動副連接件與上臂第三運動副相連,前臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動與前臂屈伸運動連接桿相連,調(diào)節(jié)前臂軸向力解除機構(gòu)G和人體前臂F的固定位置,前臂旋內(nèi)旋外運動副固連在前臂桿長調(diào)節(jié)螺旋副上,前臂屈伸轉(zhuǎn)動副和前臂旋內(nèi)旋外轉(zhuǎn)動副呈轉(zhuǎn)動副軸線垂直布置。

所述的前臂連接機構(gòu)G,由前臂移動副和前臂繃帶組成,其中前臂移動副固連在前臂旋內(nèi)旋外運動副內(nèi),前臂移動副和前臂綁帶固連,前臂綁帶緊致穿戴于前臂F的末端。

為了增強上肢康復(fù)訓(xùn)練的功能,在本上肢康復(fù)外骨骼機構(gòu)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,在外骨骼機構(gòu)的末端添加腕部屈/伸和收/展運動,或其中任何一種運動,也屬于本上肢康復(fù)外骨骼機構(gòu)技術(shù)方案所涵蓋的范圍。

本發(fā)明的有益效果:在人體上肢穿戴上該外骨骼機構(gòu)后,外骨骼機構(gòu)通過上臂連接機構(gòu)D、前臂連接機構(gòu)G與人體上肢上臂C、前臂F緊致連接,構(gòu)成人-機閉鏈機構(gòu),肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A、外骨骼機構(gòu)、上臂連接機構(gòu)D、前臂連接機構(gòu)G通過順次連接,重力傳輸?shù)街渭?,且肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)布置在該上肢外骨骼機構(gòu)前端,與支撐件固連,使連接支鏈變短,人體上肢穿戴輕便,具體穿戴時允許肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心和人體肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心不對心、人體肘關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸線和肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)軸線之間存在偏差,如圖4、10所示,在外骨骼機構(gòu)帶動人體上肢的運動過程中,肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)驅(qū)動上臂實現(xiàn)基于ISB描述的抬升面、抬升角和內(nèi)外旋角的運動,肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)肩關(guān)節(jié)由于和外骨骼不對心在水平面內(nèi)的運動,解除了肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)與肩關(guān)節(jié)在水平面內(nèi)的產(chǎn)生的人機作用力和力矩,上臂連接機構(gòu)解除肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)與人體肩關(guān)節(jié)在人體上臂軸向產(chǎn)生的力和力矩;肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)實現(xiàn)前臂屈/伸和旋內(nèi)/旋外運動,前臂連接機構(gòu)解除由于人體肘關(guān)節(jié)軸線和肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)軸線不對齊引起的前臂軸向作用力和力矩。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單;肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)布置在該上肢外骨骼機構(gòu)前端,與支撐件固連,使連接支鏈變短,機構(gòu)重力傳輸?shù)街渭┐鬏p便;適應(yīng)肩、肘關(guān)節(jié)運動耦合影響,解除人機閉鏈產(chǎn)生與訓(xùn)練無關(guān)的人機作用力和力矩;有助于提高上肢康復(fù)訓(xùn)練的安全性及康復(fù)訓(xùn)練的效果。

附圖說明

圖1為人體右側(cè)上肢肩部骨骼示意圖

圖2為人體右側(cè)上肢肩部骨骼結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為人體肘部骨骼結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢外骨骼機構(gòu)

圖5為肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A

圖6為肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)B

圖7為上臂連接機構(gòu)D

圖8為肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)E

圖9為前臂連接機構(gòu)G

圖10為一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢外骨骼機構(gòu)穿戴偏差示意圖

附圖標(biāo)記說明:

附圖標(biāo)號說明:A.肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu),B.肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu),C.人體上臂,D.上臂連接機構(gòu),E.肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu),F(xiàn).人體前臂,G.前臂連接機構(gòu),1.支撐件,2.第一導(dǎo)軌,3.第一滑塊,4.第二導(dǎo)軌,5.第二滑塊,6.滑塊固定板,7.上臂第一轉(zhuǎn)動副,8.第一轉(zhuǎn)動副連接件,9.上臂第二轉(zhuǎn)動副,10.第二轉(zhuǎn)動副連接件,11.上臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副,12.上臂第三運動副,13.前臂屈伸運動副連接件,14.前臂屈伸轉(zhuǎn)動副,15.前臂屈伸運動連接桿,16.前臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副,17.前臂旋內(nèi)旋外轉(zhuǎn)動副,18.上臂移動副,19.上臂繃帶,20.前臂移動副,21.前臂繃帶

具體實施方式

以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。

一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢外骨骼機構(gòu)如圖4、5所示,包括肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A、外骨骼機構(gòu)、連接機構(gòu)和支撐件1。其特征在于肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)B和肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)E構(gòu)成外骨骼機構(gòu),上臂連接機構(gòu)D和前臂連接機構(gòu)G構(gòu)成連接機構(gòu),肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A與支撐件1固連,且通過外骨骼機構(gòu)、上臂連接機構(gòu)D、前臂連接機構(gòu)G與人體上臂C和前臂F緊致連接。

所述的肩關(guān)節(jié)適應(yīng)機構(gòu)A如圖5所示,由第一導(dǎo)軌2、第一滑塊3、第二導(dǎo)軌4、第二滑塊5和滑塊固定板6組成、其中第一導(dǎo)軌2和第一滑塊3,第二導(dǎo)軌4和第二滑塊5分別組成兩個移動副,兩移動副移動方向都在水平面內(nèi),且互相垂直。

所述的肩關(guān)節(jié)等效機構(gòu)B如圖6所示,由上臂第一轉(zhuǎn)動副7、第一轉(zhuǎn)動副連接件8、上臂第二轉(zhuǎn)動副9、第二轉(zhuǎn)動副連接件10、上臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副11和上臂第三運動副12依次串聯(lián)組成,其中上臂第一轉(zhuǎn)動副7與滑塊固定板6相連,上臂第二轉(zhuǎn)動副9與上臂第一運動副7通過第一運動副連接件8相連,上臂第三運動副12通過上臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副11、第二運動副連接件10和上臂第二運動副9相連,其中上臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副11沿第二運動副連接件10直線運動,根據(jù)不同人體上臂長度調(diào)節(jié)外骨骼上臂桿長,上臂第一轉(zhuǎn)動副7、上臂第二轉(zhuǎn)動副9和上臂第三轉(zhuǎn)動副12呈轉(zhuǎn)動副軸線互相垂直布置,交于一點。

所述的上臂連接機構(gòu)D如圖7所示,由上臂移動副18和上臂繃帶19組成、其中上臂移動副18與上臂第三運動副12固定相連,上臂綁帶19和上臂移動副18固定連接,且上臂綁帶19緊致穿戴于上臂C的末端。

所述的肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)E如圖8所示,由前臂屈伸運動副連接件13、前臂屈伸轉(zhuǎn)動副14、前臂屈伸運動連接桿15、前臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動副16和前臂旋內(nèi)旋外轉(zhuǎn)動副17組成,其中前臂屈伸轉(zhuǎn)動副14通過前臂屈伸運動副連接件13與上臂第三運動副12相連,前臂桿長調(diào)節(jié)螺旋運動16與前臂屈伸運動連接桿15相連,調(diào)節(jié)前臂軸向力解除機構(gòu)G和人體前臂F的固定位置,前臂旋內(nèi)旋外運動副17固連在前臂桿長調(diào)節(jié)螺旋副16上,前臂屈伸轉(zhuǎn)動副14和前臂旋內(nèi)旋外轉(zhuǎn)動副17呈轉(zhuǎn)動副軸線垂直布置。

所述的前臂連接機構(gòu)G如圖9所示,由前臂移動副20和前臂繃帶21組成,其中前臂移動副20固連在前臂旋內(nèi)旋外運動副17上,前臂移動副20和前臂綁帶21固連,且前臂綁帶20緊致穿戴于前臂F的末端。

在所述的一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢外骨骼機構(gòu),是用于人體右側(cè)上肢功能康復(fù)的外骨骼機構(gòu),可以調(diào)整第一轉(zhuǎn)動副、第二轉(zhuǎn)動副、第三轉(zhuǎn)動副及肘關(guān)節(jié)等效機構(gòu)的相對安裝位置,用于人體左側(cè)上肢功能的康復(fù),不限于本實例。

上述實施方式對本發(fā)明的實質(zhì)進行了闡釋與說明,但不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制,任何基于本發(fā)明實質(zhì)所作的簡單改進,只要其運動學(xué)及機構(gòu)組成原理基于如圖4所示的一種9自由度穿戴自適應(yīng)上肢外骨骼機構(gòu),都應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。

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