[发明专利]一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人

说明书

本发明涉及一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人，腕部掌屈/背屈运动组件、前臂内旋/外旋运动组件、肘部屈伸运动组件连接依次连接，肘部屈伸运动组件和上臂固定组件均与盂肱关节运动组件连接，盂肱关节运动组件与肩胛带运动组件连接，肩胛带运动组件与升降组件连接，套索驱动单元分别与上述各运动组件连接，轮椅基座组件用于支撑整个上肢助力机器人。本发明可有效避免人机肩部运动奇异位形与干扰，提升肩部运动范围，复现人体肩部复合体运动功能，减少肩部并发症；本发明主要用于中风、偏瘫等上肢运动功能障碍患者上肢的日常动作助力与康复训练，提高训练过程中患者认知能力参与性，利于脑功能重塑。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术人体生物力学和医疗康复领域，具体地说是一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人。

背景技术

我国中风发病率世界第一，随着生活节奏和人口老龄化加快、生活压力增大，心脑血管及神经系统疾病造成的中风偏瘫患者逐年增加，其中约3/4患者有不同程度的神经损伤和功能运动障碍，严重影响生活质量。研究表明，人体中枢神经系统具有高度可塑性，对于中风偏瘫等上肢运动功能障碍患者，除早期手术治疗和必要的药物治疗外，尽早介入科学有效的康复训练，有助于促进神经系统的功能重组、代偿和再生，恢复中枢神经对肢体运动的支配与控制，增强肌肉力量，提高患者上肢运动能力，并有效预防肌肉萎缩，关节挛缩等并发症。然而，人体上肢动作精细，上肢功能在大脑中占有较大区域，功能恢复较慢。传统的上肢康复训练多依赖治疗师通过人力协调患者完成被动康复训练，存在诸多局限，如患者认知能力参与性差，训练方法单一枯燥，不利于脑功能重塑；康复效率低，劳动强度大；治疗效果受医生经验和水平影响较大，无法精确控制训练参数；无法对康复训练进行客观评价等，影响整体功能的恢复。

因此，将外骨骼机器人及相关技术引入临床康复医学领域辅助或替代医生完成患者康复训练尤为重要。外骨骼式上肢康复机器人可穿戴于患肢外侧，对对患肢多关节进行准确、持续、有效的康复训练治疗，将上肢训练和认知训练相结合，增强患者认知能力参与性，提高功能运动意识，利于脑功能重塑，同时可延缓上肢肌肉萎缩和关节挛缩，提高患者运动能力，改善患者生活质量；另一方面，通过感知系统可对人机交互力信息、人体运动学和生理学数据实时记录，实时定量评估康复训练效果，为改进和优化康复方案提供客观依据。

外骨骼式康复机器人是典型的人机一体化系统，人-机关节运动轴线不匹配会造成关节疼痛、运动空间受限等影响康复训练效果，甚至造成患肢二次伤害，因此，康复外骨骼设计时要求尽可能实现人-机关节运动轴线相匹配。然而，目前的上肢康复外骨骼在该方面仍存在较大缺陷。

以人体肩部运动为例，人体肩部是由盂肱关节和肩胛带组成的肩部复合体，具有灵活性、高稳定性差的特点。盂肱关节为球窝关节，肩胛带是由肩锁关节、胸锁关节和肩胛胸壁关节组成的运动链，任意单个关节无法独立运动。当肱骨上抬时，锁骨相对胸骨绕胸锁关节转动，肩胛骨相对锁骨绕肩锁关节转动，同时也会在胸骨表面侧滑，从而带动盂肱关节窝向上倾斜，这个复杂协调运动过程使得盂肱关节转动中心出现漂移，实现肱骨大范围内运动。因此，肩部复合体运动中，肩胛带可为盂肱关节转动中心提供冠状面的前伸/后缩和水平面的上提/下落两个运动。然而，现有上肢康复外骨骼通常采用三个轴线垂直相交的旋转关节等效人体肩部运动，该方案仅考虑盂肱关节运动，忽略肩胛带运动，导致在肱骨大范围运动时会造成人-机肩部运动奇异位形与干扰，同时，中风患者由于神经受损，无法自主产生肩胛带运动，只有依靠移动躯干来补偿肩胛带运动，大大降低康复训练效果，并极易产生其他并发症；个别上肢康复外骨骼考虑了肩胛带运动，并由胸锁关节升降运动带动盂肱关节升降运动，该方案导致外骨骼与人体肩胛带运动轴线不匹配，影响康复训练效果，存在安全隐患。

同时，现有上肢康复外骨骼普遍要求患者手握手柄进行上肢康复训练，需要患者手部具备一定抓握能力，因此无法对手部肌力较低患者及截瘫患者进行助力及康复训练；同时，手掌手背部无固定装置，严重影响腕部关节康复效果。