基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备及其刚度调节方法

1.本发明属于外骨骼穿戴设备领域，具体涉及一种基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备及其刚度调节方法。


背景技术：

2.在我国，每年新发脑卒患者中以上肢功能障碍最为严重。传统的康复方式是康复师与患者之间进行一对一的康复训练。这种康复效果过多依赖康复师的经验，劳动强度大，康复效率低，康复成本高。使用机器人进行康复训练则可以有效解决传统康复方式的诸多问题，并且很多研究也表明使用机器人进行康复训练可以达到良好的康复效果。其中，康复外骨骼机器人相比末端牵引式机器人，具有更好的治疗效果，是恢复中风患者上肢运动机能的关键医疗设备。
3.针对中风恢复期的患者，需进行抗阻力康复训练，对于传统的抗阻力康复训练，多采用阻抗、导纳等主动控制方式实现。近些年，随着具有根据外界环境特性调整运动参数的能力的柔顺结构的发展，可以进一步从硬件上提高康复训练的安全性，有效减少由于肌肉运动功能损伤导致肌力不足或者肌肉抽搐时的危险。但是现有的中风患者康复训练时，需要在特定的场所进行康复训练，不便于携带；另外，由于患者中风程度不同，以及患者康复的阶段不同，无法适用于病人肌力状况进行调节，给患者的康复带来了不便。
4.公开号为cn110711112a、名称为一种刚度可适应患者状况调节的便携式康复外骨骼设备的专利申请，公开了该发明的控制器和驱动器安装在背部支撑装置的后端面上，大臂的一端与小臂的一端转动连接，变刚度装置安装在小臂上，肘关节驱动装置通过鲍登线与变刚度装置连接；变刚度驱动电机通过鲍登线改变变刚度装置上的连接支点在小臂上的力臂长短实现肘关节的转动刚度调节。但该专利申请的肩关节活动范围局限性大。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种刚度可变、软硬可调、肩关节灵活的基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备及其刚度调节方法。
6.本发明基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备，包括穿戴体、变刚度机构、轮系式肩关节、上臂部和前臂部。所述的轮系式肩关节包括第一连接架、第二连接架、第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第一输出齿轮、第二输出齿轮、固定齿轮、第三中间齿轮和第三输出齿轮；第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第一输出齿轮、第二输出齿轮、固定齿轮、第三中间齿轮和第三输出齿轮均为锥齿轮；所述的第一连接架和第二连接架均呈圆弧形；所述第一连接架的一端与穿戴体以及第一主动齿轮铰接，第二主动齿轮与第一主动齿轮铰接，且第一连接架与穿戴体的铰接轴、第一连接架与第一主动齿轮的铰接轴、第二主动齿轮与第一主动齿轮的铰接轴同轴设置；第一连接架另一端与第二连接架一端铰接；所述的第三输出齿轮与第二连接架另一端铰接；第二中间齿轮铰接在第一连接架中部；第二中间齿轮两侧分别与第二主动齿轮和固定齿轮啮合；
所述的固定齿轮与第二连接架相对第一连接架的转动中心线同轴设置，并固定在第二连接架上；所述的第一输出齿轮和第二输出齿轮通过固定轴固定，组成双联齿轮；所述的固定轴与第一连接架铰接，且与第二连接架相对第一连接架的转动中心线同轴设置；固定轴有一部分穿出第一连接架外；第二输出齿轮设置在第一连接架外；所述的第一中间齿轮铰接在第一连接架中部，且两侧分别与第一输出齿轮和第一主动齿轮啮合；所述的第三中间齿轮铰接在第二连接架中部，且两侧分别与第三输出齿轮和第二输出齿轮啮合。第一连接架相对穿戴体的转动中心线、第二连接架相对第一连接架的转动中心线以及第三输出齿轮相对第二连接架的转动中心线相交于空间中的一点；所述的上臂部包括摆杆、升缩杆、第一设置框和谐波电机；所述的摆杆固定在第三输出齿轮上；所述的第一设置框固定在摆杆上；所述的升缩杆与摆杆的滑槽构成滑动副，且升缩杆的螺纹孔与穿过摆杆的调节槽的螺栓连接；谐波电机的底座固定在升缩杆上；所述的谐波电机由控制器控制，驱动前臂部旋转。
7.所述的变刚度机构包括连接板、固定外环组、第一内环、第二内环、第三内环、卷绕驱动组件和弹性绳；所述的固定外环组由等距且同轴设置的三个外环组成，连接板以及三个外环通过连接件固定；每个外环设有沿圆周均布的三个外滑轮组；所述的外滑轮组由间距铰接在外环上的两个外滑轮组成；第一内环、第二内环和第三内环同轴设置在固定外环组内，且与三个外环分别构成转动副；第一内环、第二内环和第三内环均固定有沿周向均布的三个内滑轮；第一连接架铰接有第一主动齿轮的那端与第三内环固定，第一主动齿轮与第二内环固定，第二主动齿轮与第一内环固定；所述的卷绕驱动组件包括钣金件、减速电机和蜗轮蜗杆机构；所述的减速电机由控制器控制；所述的钣金件与三个外环均固定；减速电机的底座固定在钣金件上，减速电机输出轴与蜗轮蜗杆机构的蜗杆固定；蜗轮蜗杆机构的蜗轮铰接在钣金件上；卷绕驱动组件设有三个，每个卷绕驱动组件的蜗轮与一个缠绕卷线轮固定；所述的弹性绳设有三根；每根弹性绳连接一个缠绕卷线轮、一个外环上的三个外滑轮组以及与该三个外滑轮组轴向位置对应的三个内滑轮，具体连接方式为：弹性绳先依次绕过第一个外滑轮组的一个外滑轮、第一个内滑轮和第一个外滑轮组的另一个外滑轮，再依次绕过第二个外滑轮组的一个外滑轮、第二个内滑轮和第二个外滑轮组的另一个外滑轮，然后依次绕过第三个外滑轮组的一个外滑轮、第三个内滑轮和第三个外滑轮组的另一个外滑轮，最后绕过缠绕卷线轮，且弹性绳一端固定在外环上，另一端固定在缠绕卷线轮上。
8.进一步，所述的穿戴体包括背板、肩带和腰带；所述的背板为金属材质；肩带和腰带均采用布料；所述肩带的中部与背板固定；肩带两端分别粘贴魔术贴的子、母面；所述腰带的中部与肩带固定；腰带两端分别粘贴魔术贴的子、母面；
9.进一步，所述的前臂部包括滑槽杆、移动板和第二设置框；所述的滑槽杆与谐波电机的输出轴固定；所述的移动板与滑槽杆的滑槽构成滑动副，且移动板的螺纹孔与穿过滑槽杆的调节槽的螺栓连接；所述的第二设置框固定在移动板上。
10.该基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备的刚度调节方法，是通过变刚度机构调节轮系式肩关节的刚度，具体如下：
11.三个驱动组件同步驱动三根弹性绳，改变弹性绳的长度，从而改变弹性绳的弹力大小，使得三根弹性绳同步拉紧或放松第一内环、第二内环以及第三内环上的各内滑轮，改变对第一内环、第二内环和第三内环的力；由于第一连接架与第三内环固定，第一连接架的
转动刚度被第三内环所受的力改变；由于固定齿轮与第二连接架固定，第二中间齿轮与固定齿轮啮合传动，第二主动齿轮与第二中间齿轮啮合传动，且第二主动齿轮与第一内环固定，第二连接架相对第一连接架的转动刚度被第一内环所受的力改变；由于第三输出齿轮与上臂部的摆杆固定，第三中间齿轮与第三输出齿轮啮合传动，第二输出齿轮与第三中间齿轮啮合传动，第一中间齿轮与第一输出齿轮啮合传动，第一主动齿轮与第一中间齿轮啮合传动，且第一主动齿轮与第二内环固定，上臂部的转动刚度被第二内环所受的力改变。
12.进一步，所述的驱动组件驱动弹性绳是由减速电机经蜗轮蜗杆机构驱动缠绕卷线轮，再由缠绕卷线轮驱动弹性绳。
13.本发明具有的有益效果是：
14.1、本发明在人体肩关节运动过程中、大臂带动上臂部运动过程中以及谐波电机带动前臂部运动过程中，无论第一连接架、第二连接架、上臂部和前臂部旋转到什么位置，人体肩关节中心与第一连接架相对穿戴体的转动中心线、第二连接架相对第一连接架的转动中心线以及第三输出齿轮相对第二连接架的转动中心线交点(即远心点)始终对齐，能够达到广泛的运动空间，形成丰富的动作以供使用者进行康复训练，同时避免身体被拉扯，康复训练过程体验好，效果更佳明显。
15.2、本发明通过控制变刚度机构中弹性绳长度来改变弹性绳弹力大小，从而调节轮系式肩关节的刚度，能调节人体肩关节运动和人体大臂运动的强度，从而适应不同患者以及患者在不同康复阶段的训练强度需求；其中，弹性绳弹力较小时，轮系式肩关节处于一种“软”的状态，便于移动和操控；弹性绳弹力较大时，轮系式肩关节变“硬”，需要更大的力去操控。另外，卷绕驱动组件通过蜗轮蜗杆机构进行传动，具有自锁性，防止轮系式肩关节或上臂部突然掉落，发生意外。
16.3、本发明采用多级锥齿轮进行传动，传动路线更紧凑，结构更小巧。
附图说明
17.图1为本发明的整体结构立体图。
18.图2为本发明中变刚度机构的结构立体图。
19.图3为本发明中变刚度机构的爆炸结构图。
20.图4为本发明中轮系式肩关节的爆炸结构图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步说明。
22.如图1所示，基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备，包括穿戴体1、变刚度机构2、轮系式肩关节3、上臂部4和前臂部5。穿戴体1包括背板11、肩带12和腰带13；背板11为金属材质；肩带12中部与背板11固定；肩带12两端分别粘贴魔术贴的子、母面；腰带13中部与肩带12固定；腰带13两端分别粘贴魔术贴的子、母面；肩带12和腰带13均采用布料。如图4所示，轮系式肩关节3包括第一连接架31、第二连接架32、第一主动齿轮33、第二主动齿轮34、第一中间齿轮351、第二中间齿轮352、第一输出齿轮361、第二输出齿轮362、固定齿轮37、第三中间齿轮38和第三输出齿轮39；第一主动齿轮33、第二主动齿轮34、第一中间齿轮351、第二中间齿轮352、第一输出齿轮361、第二输出齿轮362、固定齿轮37、第三中间齿轮38和第三
输出齿轮39均为锥齿轮；第一连接架31和第二连接架32均呈圆弧形；第一连接架31一端与穿戴体1以及第一主动齿轮33铰接，第二主动齿轮34与第一主动齿轮33铰接，且第一连接架31与穿戴体1的铰接轴、第一连接架31与第一主动齿轮33的铰接轴、第二主动齿轮34与第一主动齿轮33的铰接轴同轴设置；第一连接架31另一端与第二连接架32一端铰接；第三输出齿轮39与第二连接架32另一端铰接；第二中间齿轮352铰接在第一连接架31中部；第二中间齿轮352两侧分别与第二主动齿轮34和固定齿轮37啮合；固定齿轮37与第二连接架32相对第一连接架31的转动中心线同轴设置，并固定在第二连接架32上；第一输出齿轮361和第二输出齿轮362通过固定轴固定，组成双联齿轮；固定轴与第一连接架31铰接，且与第二连接架32相对第一连接架31的转动中心线同轴设置；固定轴有一部分穿出第一连接架31外；第二输出齿轮362设置在第一连接架31外；第一中间齿轮351铰接在第一连接架31中部，且两侧分别与第一输出齿轮361和第一主动齿轮33啮合；第三中间齿轮38铰接在第二连接架32中部，且两侧分别与第三输出齿轮39和第二输出齿轮362啮合。第一连接架31相对穿戴体1的转动中心线、第二连接架32相对第一连接架31的转动中心线以及第三输出齿轮39相对第二连接架32的转动中心线相交于空间中的一点，佩戴穿戴体1时，将人体肩关节中心与相交的这一点对齐。上臂部4包括摆杆、升缩杆、第一设置框和谐波电机6；摆杆固定在第三输出齿轮39上；第一设置框固定在摆杆上；升缩杆与摆杆的滑槽构成滑动副，且升缩杆的螺纹孔与穿过摆杆的调节槽的螺栓连接，升缩杆调好位置后拧紧螺栓便紧固在摆杆上；谐波电机6的底座固定在升缩杆上；谐波电机6由控制器控制，驱动前臂部5旋转。
23.如图2和3所示，变刚度机构2包括连接板21、固定外环组22、第一内环23、第二内环24、第三内环25、卷绕驱动组件26和弹性绳27；固定外环组22由等距且同轴设置的三个外环组成，连接板21以及三个外环通过连接件固定；每个外环设有沿圆周均布的三个外滑轮组；外滑轮组由间距铰接在外环上的两个外滑轮221组成；第一内环23、第二内环24和第三内环25同轴设置在固定外环组22内，且与三个外环分别构成转动副；第一内环23、第二内环24和第三内环25均固定有沿周向均布的三个内滑轮231；第一连接架31铰接有第一主动齿轮33的那端设有一体成型的牙嵌311，且第一连接架31的牙嵌311与第三内环25上一体成型的牙嵌固定；第一主动齿轮33与第二内环24固定，第二主动齿轮34与第一内环23固定；卷绕驱动组件26包括钣金件261、减速电机262和蜗轮蜗杆机构263(包括相互啮合的蜗轮和蜗杆)；减速电机262由控制器控制；钣金件261与三个外环均固定；减速电机262的底座固定在钣金件261上，减速电机262输出轴与蜗轮蜗杆机构263的蜗杆固定；蜗轮蜗杆机构263的蜗轮铰接在钣金件261上；卷绕驱动组件26设有三个，每个卷绕驱动组件26的蜗轮与一个缠绕卷线轮222固定；弹性绳27设有三根；每根弹性绳27连接一个缠绕卷线轮222、一个外环上的三个外滑轮组以及与该三个外滑轮组轴向位置对应的三个内滑轮231，具体连接方式为：弹性绳27先依次绕过第一个外滑轮组的一个外滑轮221、第一个内滑轮231和第一个外滑轮组的另一个外滑轮221，再依次绕过第二个外滑轮组的一个外滑轮221、第二个内滑轮231和第二个外滑轮组的另一个外滑轮221，然后依次绕过第三个外滑轮组的一个外滑轮221、第三个内滑轮231和第三个外滑轮组的另一个外滑轮221，最后绕过缠绕卷线轮222，且弹性绳27一端固定在外环上，另一端固定在缠绕卷线轮222上。
24.前臂部5包括滑槽杆、移动板和第二设置框；滑槽杆与谐波电机6的输出轴固定；移动板与滑槽杆的滑槽构成滑动副，且移动板的螺纹孔与穿过滑槽杆的调节槽的螺栓连接，
移动板调好位置后拧紧螺栓便紧固在滑槽杆上；第二设置框固定在移动板上。
25.该基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备，工作原理如下：
26.佩戴穿戴体1，大臂穿过上臂部4的第一设置框，小臂套入前臂部5(穿过第二设置框)，且尽量将人体肩关节中心与第一连接架31相对穿戴体的转动中心线、第二连接架32相对第一连接架31的转动中心线以及第三输出齿轮39相对第二连接架32的转动中心线交点对齐；其中，通过调节升缩杆在摆杆上的位置，可以适应不同大臂长度；通过调节移动板在滑槽杆上的位置，可以适应不同小臂长度。人体肩关节运动时带动轮系式肩关节3运动，包括第一连接架31绕穿戴体1的转动和第二连接架32相对于第一连接架31的转动；其中，第二连接架32相对于第一连接架31的转动由第二主动齿轮34与第二中间齿轮352啮合传动以及第二中间齿轮352与固定齿轮37啮合传动带动；人体大臂带动上臂部4转动时，第一主动齿轮33与第一中间齿轮351啮合传动，第一中间齿轮351与第一输出齿轮361啮合传动，第二输出齿轮362与第三中间齿轮38啮合传动，第三中间齿轮38与第三输出齿轮39啮合传动；通过变刚度机构2调节轮系式肩关节3的刚度，能调节人体肩关节运动和人体大臂运动的强度，从而适应不同患者以及患者在不同康复阶段的训练强度需求；而上臂部4的谐波电机6驱动前臂部5旋转时，带动人体小臂转动。人体肩关节运动过程中、大臂带动上臂部4运动过程中以及谐波电机6带动前臂部5运动过程中，无论第一连接架31、第二连接架32、上臂部4和前臂部5旋转到什么位置，人体肩关节中心与第一连接架31相对穿戴体的转动中心线、第二连接架32相对第一连接架31的转动中心线以及第三输出齿轮39相对第二连接架32的转动中心线交点始终对齐，避免身体被拉扯，康复训练过程体验好。
27.该基于远心点的刚度可变外骨骼穿戴设备的刚度调节方法，是通过变刚度机构2调节轮系式肩关节3的刚度，具体如下：
28.三个驱动组件26同步驱动三根弹性绳27，改变弹性绳27的长度，从而改变弹性绳的弹力大小，使得三根弹性绳27同步拉紧或放松第一内环23、第二内环24以及第三内环25上的各内滑轮231，改变对第一内环23、第二内环24和第三内环25的力；其中，驱动组件26驱动弹性绳27是由减速电机262经蜗轮蜗杆机构263驱动缠绕卷线轮222，再由缠绕卷线轮222驱动弹性绳27的；由于第一连接架31与第三内环25固定，第一连接架31的转动刚度被第三内环25所受的力改变；由于固定齿轮37与第二连接架32固定，第二中间齿轮352与固定齿轮37啮合传动，第二主动齿轮34与第二中间齿轮352啮合传动，且第二主动齿轮34与第一内环23固定，第二连接架32相对第一连接架31的转动刚度被第一内环23所受的力改变；由于第三输出齿轮39与上臂部4的摆杆固定，第三中间齿轮38与第三输出齿轮39啮合传动，第二输出齿轮362与第三中间齿轮38啮合传动，第一中间齿轮351与第一输出齿轮361啮合传动，第一主动齿轮33与第一中间齿轮351啮合传动，且第一主动齿轮33与第二内环24固定，上臂部4的转动刚度被第二内环24所受的力改变。第一连接架31的转动刚度变化和第二连接架32相对第一连接架31的转动刚度变化能调节人体肩关节运动的强度，上臂部4的转动刚度变化能调节人体大臂运动的强度，从而适应不同患者以及患者在不同康复阶段的训练强度需求。