本發(fā)明提供一種氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，尤指一種供穿戴者之上、下臂分別穿戴于上臂機(jī)構(gòu)及下臂機(jī)構(gòu)，進(jìn)而模擬日常生活中上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)上、下臂及各關(guān)節(jié)與神經(jīng)功能之恢復(fù)訓(xùn)練者。

背景技術(shù)：

人體上肢運(yùn)動(dòng)功能系影響一般社會(huì)大眾日常生活能力中最重要之運(yùn)動(dòng)肢體之一，亦系最易受到傷害之肢體部位。在科技進(jìn)步與發(fā)展下，臺(tái)灣交通工具數(shù)量迅速增長，因交通事故造成上肢損傷人數(shù)也不斷地增長，同時(shí)，中國臺(tái)灣與世界多數(shù)國家正步入老齡化社會(huì)。中國臺(tái)灣目前人口老化速率全球第2，僅次于日本。其中，2010年中國臺(tái)灣逾65歲人口比率為10.7％，行政院經(jīng)濟(jì)建設(shè)委員會(huì)(簡稱經(jīng)建會(huì)，于2014年1月22日與行政院研究發(fā)展委員會(huì)合并，改制為國家發(fā)展委員會(huì))推估于2025年時(shí)將倍數(shù)成長至20％。在這群老齡人群中有多數(shù)人存在不同程度之上肢功能退化或弱化，且隨著生活水平提升，由心與腦血管疾病所引起之上肢偏癱人數(shù)越來越多。腦中風(fēng)系國人常見之疾病之一，根據(jù)衛(wèi)生福利部(簡稱衛(wèi)福部)統(tǒng)計(jì)，每年因腦中風(fēng)而死亡之人數(shù)約有1萬3千人，系中國臺(tái)灣十大死因第二位，每年約有一萬七千人因腦中風(fēng)而導(dǎo)致日常生活失能，系目前臺(tái)灣成年人發(fā)生肢體殘障之最重要原因，更系健保資源使用前三名，故對于家庭與社會(huì)都造成沉重之負(fù)擔(dān)，也帶給患者極大精神與身體之折磨。

隨者機(jī)器人技術(shù)的日益成熟，機(jī)器人在提供長期穩(wěn)定的重復(fù)性與定量運(yùn)動(dòng)方面具有明顯之優(yōu)勢，此外，機(jī)器人技術(shù)已深入日常生活中許多領(lǐng)域，復(fù)健訓(xùn)練系統(tǒng)系機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的新應(yīng)用，也系目前國內(nèi)外機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。相較于傳統(tǒng)復(fù)健訓(xùn)練方式，顯見以復(fù)健訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)健有一定之優(yōu)越性，其可長時(shí)間不斷工作，并可根據(jù)不同患者制定不同訓(xùn)練強(qiáng)度，不僅可減輕復(fù)健師的工作負(fù)擔(dān)，也可透過定量運(yùn)動(dòng)刺激、檢測和評價(jià)累積大量臨床復(fù)健數(shù)據(jù)，幫助研究人員或復(fù)健師更進(jìn)一步了解各種訓(xùn)練數(shù)據(jù)與復(fù)健效果之關(guān)聯(lián)性，為患者提供更科學(xué)之復(fù)健訓(xùn)練模式。

現(xiàn)有上肢外骨骼助力與復(fù)健訓(xùn)練系統(tǒng)，其系統(tǒng)能提供的訓(xùn)練動(dòng)作較為簡易，一般受限于水平面之直線運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng)，無法提供大范圍之空間運(yùn)動(dòng)，因此，在復(fù)健初期無法給予患者更多正確之運(yùn)動(dòng)感覺刺激；此外，一般機(jī)械手與患者肢體系以一點(diǎn)相連進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，無法提供足夠強(qiáng)度與靈活性的支撐，且柔順性與安全性較差，容易使患者肢體在訓(xùn)練過程受到外力損傷；同時(shí)因馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之結(jié)構(gòu)復(fù)雜，于增加外骨骼系統(tǒng)自由度時(shí)機(jī)構(gòu)將不易實(shí)現(xiàn)輕量化；再者，驅(qū)動(dòng)方式主要以馬達(dá)完成，但其存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜、剛性大且缺乏柔順性等缺點(diǎn)。且訓(xùn)練種類少，復(fù)健訓(xùn)練最基本要求系使患者恢復(fù)簡單之日常生活能力，而這一些動(dòng)作與日常功能性動(dòng)作差異較大，對患者恢復(fù)日常生活能力幫助不大，因此這類助力輔具與復(fù)健訓(xùn)練系統(tǒng)難以取得良好的復(fù)健效果。

有鑒于此，吾等發(fā)明人乃潛心進(jìn)一步研究上肢復(fù)健裝置，并著手進(jìn)行研發(fā)及改良，期以一較佳設(shè)作以解決上述問題，且在經(jīng)過不斷試驗(yàn)及修改后而有本發(fā)明之問世。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明之目的系為解決現(xiàn)有上肢外骨骼助力與復(fù)健訓(xùn)練系統(tǒng)，其提供之訓(xùn)練動(dòng)作較為簡易，且受限于水平面之直線運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng)，無法提供大范圍之空間運(yùn)動(dòng)，因此，在復(fù)健初期無法給予患者更多正確之運(yùn)動(dòng)感覺刺激，此外，一般機(jī)械手與患者肢體系以一點(diǎn)相連進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，無法提供足夠強(qiáng)度與靈活性的支撐，且具有較差之柔順性與安全性，易使患者肢體在訓(xùn)練過程受到外力損傷之缺失。

為達(dá)到以上目的，吾等發(fā)明人提供一種氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其包含：一本體，其設(shè)有一上肢架體，該上肢架體設(shè)有一肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)系耦接一第一角度感測單元，該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)有一上臂機(jī)構(gòu)，該上臂機(jī)構(gòu)相對該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)一側(cè)設(shè)有一肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，該肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)系耦接一第二角度感測單元，該肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)相對該上臂機(jī)構(gòu)一側(cè)設(shè)有一下臂機(jī)構(gòu)，該下臂機(jī)構(gòu)相對該肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)一側(cè)設(shè)有一壓力感測單元，又該上肢架體對應(yīng)該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)之間設(shè)有一氣壓肌肉裝置，該氣壓肌肉裝置系耦接一處理單元及一第一比例壓力閥，該處理單元系耦接該第一角度感測單元、該第二角度感測單元及該第一比例壓力閥，且所述肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)系利用一傳動(dòng)裝置連接該氣壓肌肉裝置。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該上臂機(jī)構(gòu)更設(shè)有一壓力量測單元，該壓力量測單元系耦接該處理單元。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該處理單元更設(shè)有一設(shè)定值，當(dāng)施力大于該設(shè)定值時(shí)，該處理單元即令該氣壓肌肉裝置施力。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該本體相對該氣壓肌肉裝置更設(shè)有一固定裝置。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該上肢架體之內(nèi)側(cè)更設(shè)有一調(diào)整裝置。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該本體相對該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)一側(cè)更包含一腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，該腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)系耦接一第三角度感測單元，且該第三角度感測單元系耦接該處理單元者。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該本體之底端更設(shè)有一底座，該底座包含一氣壓驅(qū)動(dòng)裝置，且該氣壓驅(qū)動(dòng)裝置耦接一第二比例壓力閥，又該第二比例壓力閥系耦接該處理單元者。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該本體之外部更包覆一殼體。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該上肢架體系以鋁合金制成者。

據(jù)上所述之氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其中，該傳動(dòng)裝置系鋼絲者。

是由上述說明及設(shè)置，顯見本發(fā)明主要具有下列數(shù)項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)及功效，茲逐一詳述如下：

1.本發(fā)明利用氣壓肌肉裝置具柔順性、成本低之特性，且可獨(dú)立作為上肢外骨骼助力輔具或組合為上肢外骨骼復(fù)健訓(xùn)練系統(tǒng)，可供肌肉無力者或正常人之上肢外骨骼助力輔具，擴(kuò)展上肢運(yùn)動(dòng)與負(fù)荷能力，此外，亦可根據(jù)第一角度感測單元、第二角度感測單元、第三角度感測單元、壓力量測單元及壓力感測單元之信息進(jìn)行自主控制，幫助老人及肢體弱化者提高自主生活能力；亦可供偏癱患者可于家中室內(nèi)使用，透過上肢架體帶動(dòng)穿戴者之上肢運(yùn)動(dòng)，模擬日常生活中上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)上、下臂各關(guān)節(jié)與神經(jīng)功能恢復(fù)訓(xùn)練。

2.本發(fā)明可適用于穿戴者之不同身高、不同患側(cè)、不同損傷程度，且上臂機(jī)構(gòu)、下臂機(jī)構(gòu)與位姿可調(diào)之上肢架體包括：肩之外展-內(nèi)收與屈-伸、肘之屈-伸以及腕之屈-伸與內(nèi)外旋，故供穿戴者訓(xùn)練日常生活之動(dòng)作，藉此供穿戴者實(shí)現(xiàn)左、右臂穿戴進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練之需求，或可由健側(cè)帶動(dòng)進(jìn)行患側(cè)之自主復(fù)健訓(xùn)練，藉此實(shí)現(xiàn)患者上肢復(fù)健訓(xùn)練之目的者。

附圖說明

圖1系本發(fā)明之立體示意圖。

圖2系本發(fā)明另一角度之立體示意圖。

圖3系本發(fā)明外部包覆殼體之立體示意圖。

圖4系本發(fā)明之架構(gòu)示意圖。

圖5系本發(fā)明裝設(shè)于底座之立體示意圖。

1、本體，11、上肢架體，12、肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，121、第一角度感測單元，13、上臂機(jī)構(gòu)，14、肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，141、第二角度感測單元，15、下臂機(jī)構(gòu)，151、壓力感測單元，16、固定裝置，17、調(diào)整裝置，18、殼體，19、腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，2、氣壓肌肉裝置，21、處理單元，22、第一比例壓力閥，23、傳動(dòng)裝置，3、底座，31、氣壓驅(qū)動(dòng)裝置。

具體實(shí)施方式

關(guān)于吾等發(fā)明人之技術(shù)手段，茲舉數(shù)種較佳實(shí)施例配合圖式于下文進(jìn)行詳細(xì)說明，以供深入了解并認(rèn)同本發(fā)明。

請參閱圖1至圖4所示，本發(fā)明系一種氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)兼具上肢助力與復(fù)健訓(xùn)練功能之外骨骼裝置，其包含：

一本體1，其設(shè)有一上肢架體11，在一實(shí)施例中，該上肢架體11之材質(zhì)系鋁合金，以減輕本發(fā)明之重量；該上肢架體11設(shè)有一肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12，該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12系耦接一第一角度感測單元121，該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12設(shè)有一上臂機(jī)構(gòu)13，在一實(shí)施例中，該上臂機(jī)構(gòu)13更設(shè)有一壓力量測單元(圖未繪示)，在一實(shí)施例中，該壓力量測單元系薄膜壓力量測單元；在另一實(shí)施例中，該上肢架體11與上臂機(jī)構(gòu)13可依穿戴者之肩寬與上臂進(jìn)行調(diào)整長度；該上臂機(jī)構(gòu)13相對該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12一側(cè)設(shè)有一肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)14，該肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)14系耦接一第二角度感測單元141，該肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)14相對該上臂機(jī)構(gòu)13一側(cè)設(shè)有一下臂機(jī)構(gòu)15，該下臂機(jī)構(gòu)15相對該肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)14一側(cè)設(shè)有一壓力感測單元151；

又該上肢架體11對應(yīng)該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12之間設(shè)有一氣壓肌肉裝置2，該氣壓肌肉裝置2系耦接一處理單元21及一第一比例壓力閥22，該處理單元21系耦接該第一角度感測單元121、該第二角度感測單元141、該壓力量測單元及該第一比例壓力閥22，又該處理單元21更設(shè)有一設(shè)定值f，當(dāng)穿戴者施力大于該設(shè)定值f時(shí)，該處理單元21即令該氣壓肌肉裝置2運(yùn)作；且所述肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12系利用一傳動(dòng)裝置23連接該氣壓肌肉裝置2，在一實(shí)施例中，該傳動(dòng)裝置23系鋼絲，且該傳動(dòng)裝置23一端固定于對應(yīng)之該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12，另一端經(jīng)一吊環(huán)(圖未繪示)與對應(yīng)之該氣壓肌肉裝置2相互連接；

該本體1相對該氣壓肌肉裝置2一側(cè)更設(shè)有一固定裝置16，其系利于穿戴者穿戴且穩(wěn)固于背部；

該上肢架體11之內(nèi)側(cè)更設(shè)有一調(diào)整裝置17，以供穿戴者將上、下臂分別穩(wěn)固于該上臂機(jī)構(gòu)13及下臂機(jī)構(gòu)15；以及

該本體1之外部更包覆一殼體18，藉此將該上肢架體11、該氣壓肌肉裝置2及該傳動(dòng)裝置23收納于該殼體18內(nèi)者。

藉之，由于搬舉重物之過程中，上肢主要系肩與肘關(guān)節(jié)受到力矩作用，因此本發(fā)明主要針對肩與肘關(guān)節(jié)屈-伸之二自由度，另二自由度(例如：肩關(guān)節(jié)之內(nèi)收外展、內(nèi)外旋)則由穿戴者運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明系以提高穿戴者上肢之機(jī)能為目的，故采用薄膜壓力量測單元來回授上、下臂與上肢架體11間之壓力。在抬起重物時(shí)，上肢架體11可自主協(xié)同穿戴者動(dòng)作提供助力輔助，使穿戴者抬起重物感到不費(fèi)力。

因此，當(dāng)穿戴者穿戴本發(fā)明時(shí)，于不影響上肢正常運(yùn)動(dòng)之前提下，在不需氣壓肌肉裝置2助力時(shí)，上肢架體11主要運(yùn)動(dòng)自由度的范圍需與穿戴者上、下臂匹配。意即當(dāng)作用力小于設(shè)定值f，則判定穿戴者準(zhǔn)備放下重物，氣壓肌肉裝置2維持保壓狀態(tài)，亦即不充氣也不放氣之狀態(tài)。

而當(dāng)需氣壓肌肉裝置2助力時(shí)，其運(yùn)作方式系利用處理單元21不斷地偵測穿戴者上臂與上臂機(jī)構(gòu)13間之作用力，當(dāng)抬起重物時(shí)，依據(jù)作用力之變化，處理單元21即驅(qū)動(dòng)氣壓肌肉裝置2充氣收縮輸出一反向力矩，并藉由傳動(dòng)裝置23將拉力傳遞到肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12，進(jìn)而產(chǎn)生輔助力矩，保持人機(jī)間之作用力在一預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穿戴者施加相對較小之作用力，藉此減輕穿戴者利用上肢搬舉重物之負(fù)擔(dān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抬起較重物之助力效果；其中，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡由穿戴者控制，上肢架體11輸出助力之大小則由處理單元21決定。

此外，本發(fā)明系采用一肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12及一肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)14分別藉由一氣壓肌肉裝置2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每一氣壓肌肉裝置2透過第一比例壓力閥22控制壓力輸出。故相較于對拉式關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，單根氣壓肌肉驅(qū)動(dòng)減少肌肉與第一比例壓力閥22之?dāng)?shù)量。再者，由于關(guān)節(jié)角度之回復(fù)需靠上肢帶動(dòng)，因此本發(fā)明之上肢架體11系供穿戴者抬起重物之過程中提供助力，成本相對較低，且控制相對簡單。助力傳遞系采用鋼絲牽引，將氣壓肌肉裝置2安裝于上肢架體11相對固定裝置16之一側(cè)，藉使上臂機(jī)構(gòu)13更加輕巧。因此，本發(fā)明根據(jù)上臂機(jī)構(gòu)13及下臂機(jī)構(gòu)15實(shí)際助力的動(dòng)作范圍、極限位置之舒適性、安全性與運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，依據(jù)助力與否將活動(dòng)范圍與速度進(jìn)行搜集數(shù)據(jù)。

再者，上肢架體11主要系由肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12、肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)14、上臂機(jī)構(gòu)13及下臂機(jī)構(gòu)15組成，在一實(shí)施例中，本發(fā)明系采d-h坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法對上肢架體11之末端空間位姿進(jìn)行分析，藉此得出位姿方程。而由于本發(fā)明系針對肩與肘關(guān)節(jié)屈伸之二自由度進(jìn)行助力，另二自由度僅跟隨使用者運(yùn)動(dòng)。因此在一實(shí)施例中，本發(fā)明采用lagrange法，其系透過系統(tǒng)動(dòng)能與位能所構(gòu)成之lagrange函數(shù)，建立與輸入輸出之廣義力方程。而本發(fā)明為求人機(jī)之協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性與安全性，以及對末端軌跡偏離具有一定之柔順性，對于肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12、肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)14之角度，在一定負(fù)載下需能平穩(wěn)柔順地到達(dá)指定位置與姿態(tài)。亦即，當(dāng)穿戴者搬運(yùn)重物感覺費(fèi)力時(shí)，處理單元21即令上肢架體11增加輔助力，使穿戴者在搬運(yùn)重物之施力過程中較為輕松與舒適。

續(xù)請參閱圖5所示，本發(fā)明在另一實(shí)施例中，該本體1之底端更設(shè)有一底座3，該底座3包含一氣壓驅(qū)動(dòng)裝置31，且該氣壓驅(qū)動(dòng)裝置31耦接一第二比例壓力閥(圖未繪示)，又該第二比例壓力閥系耦接該處理單元21者，在一實(shí)施例中，該底座3系可調(diào)整高度；且該本體1相對該肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)12一側(cè)更設(shè)有一腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)19，該腕關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)19系耦接一第三角度感測單元(圖未繪示)，且該第三角度感測單元系耦接該處理單元21；藉此適用于穿戴者之不同身高、不同患側(cè)、不同損傷程度，且上臂機(jī)構(gòu)13、下臂機(jī)構(gòu)15與位姿可調(diào)之上肢架體11包括肩之外展-內(nèi)收與屈-伸、肘之屈-伸以及腕之屈-伸與內(nèi)外旋，故供穿戴者訓(xùn)練日常生活之動(dòng)作，藉此供穿戴者實(shí)現(xiàn)左、右臂穿戴進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練之需求，或可由健側(cè)帶動(dòng)進(jìn)行患側(cè)之自主復(fù)健訓(xùn)練，藉此實(shí)現(xiàn)患者上肢復(fù)健訓(xùn)練之目的者。

綜上所述，本發(fā)明所揭露之技術(shù)手段確能有效解決習(xí)知等問題，并達(dá)致預(yù)期之目的與功效，且申請前未見諸于刊物、未曾公開使用且具長遠(yuǎn)進(jìn)步性，誠屬專利法所稱之發(fā)明無誤。

惟以上所述者，僅為本發(fā)明之?dāng)?shù)種較佳實(shí)施例，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實(shí)施之范圍，即大凡依本發(fā)明申請專利范圍及發(fā)明說明書內(nèi)容所作之等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利涵蓋之范圍內(nèi)。