一种用于康复外骨骼机构的旋内旋外关节

摘要

本发明涉及一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，该旋内旋外关节包含上臂旋内旋外关节和前臂旋内旋外关节，两者采用相似的传动原理和组成，两关节采用紧致连接的方式分别与人体上肢的上臂和前臂连接，在人机连接界面处各增加一个被动滑动副。上臂旋内旋外关节采用同步带传动的方式绕自身轴线做旋内旋外运动，上臂外环带动上臂内环和上臂一同运动。上臂外环由支撑轴承固定和支撑，上臂外环与相关零件滚动接触；用于张紧同步带的张紧轮采用深沟球轴承组合的方式，使得同步带与张紧轮之间为滚动接触；带轮轴安装在上臂箱体和上臂盖板上，两端由滚动轴承支撑；通过采用滚动接触的方式，大幅降低上臂外环在转动过程中的运动阻力。

权利要求

1.一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，其特征在于，该旋内旋外关节包含上臂旋内旋外关节和前臂旋内旋外关节，两关节采用紧致连接的方式分别与人体上肢的上臂和前臂连接，在人机连接界面处各增加一个被动滑动副；

上臂旋内旋外关节通过上臂内环与上臂绑缚连接，上臂外环在同步带的驱动下绕自身轴线做旋内旋外运动，上臂外环带动上臂内环和上臂一同运动；

前臂旋内旋外关节通过前臂内环与前臂绑缚连接，前臂外环与上臂外环保持同步运动，前臂内环通过转接环与前臂箱体连接，前臂内环与前臂箱体一起绕前臂外环轴线转动，前臂内环带动前臂做旋内旋外运动；

前臂外环与前臂内环均为带有缺口的半环；

上臂旋内旋外关节包含上臂箱体、同步带、同步带轮、上臂外环和支撑轴承；

上臂旋内旋外关节采用同步带的传动方式，上臂电机将动力传递至同步带轮，同步带轮与同步带啮合，同步带两端分别固定在上臂外环的两端，同步带驱动上臂外环绕自身轴线转动；

上臂外环的内侧沿自身轴线方向对称设置了两个沟槽；

上臂外环的沟槽内安装了上臂被动滑动副，上臂被动滑动副包括导轨、滑块、上臂内环、导杆、压簧；

两个导轨安装在上臂外环内侧的两个沟槽内，滑块与导轨滑动配合；

上臂内环上下两侧设计了两个凸台，上下两个凸台与相应的两个滑块通过螺钉连接在一起，上臂内环能够沿导轨滑动，两个凸台中部各含有一个通孔；

凸台两侧各安装一个压簧，导杆依次穿过压簧和通孔，固定在上臂外环上；

为了提高机构本体在水平面内的位置适应性，在机构本体与悬臂梁之间增加了含有两个被动滑动副的位置追踪机构。

2.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，其特征在于，支撑轴承安装在上臂箱体和上臂盖板的内侧，两内侧各安装四个支撑轴承，上臂外环的两侧由支撑轴承支撑，上臂外环沿轴承绕自身轴线旋转；

上臂外环的内侧与外侧均含有轴肩，轴肩两侧与支撑轴承的外圈接触。

3.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，其特征在于，在同步带轮与上臂外环之间，安装了两组张紧轮，张紧轮与同步带紧密接触，张紧轮由两个并排放置的轴承组成；

一组张紧轮安装在固定的销轴上，另一组张紧轮安装在位置可调的销轴上，以调整同步带的松紧度。

4.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，其特征在于，同步带轮安装在带轮轴上，带轮轴安装在上臂箱体和上臂盖板上，两端由深沟球轴承支撑；

上臂电机由谐波减速器减速，在谐波减速器与带轮轴之间串联一个扭矩传感器，在上臂电机的尾部安装了一级编码器。

说明书

一种用于康复外骨骼机构的旋内旋外关节

技术领域

[0001] 本发明涉及一种旋内旋外关节，具体说，涉及用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节。

背景技术

[0002] 为弥补传统人工康复训练的不足，降低医师繁重的工作强度并为患者提供准确、有效的康复医疗服务，国内外一些院校的实验室和康复医疗机构相继开展了穿戴型上肢康复外骨骼机构的相关研究。从运动解剖学、生物力学和人因工程学的角度出发，根据人体上肢的形态构造和功能，对人体上肢的自由度进行分析，得出上肢(不含手掌)具有5个自由度(5-DOF)：肩关节前屈/后伸、内收/外展、旋内/旋外，肘关节屈/伸，前臂旋内/旋外。针对人体上肢各关节的活动范围和自由度要求，设计和综合上肢康复机器人的本体构型和驱动方式，实现对患者上肢的精确康复训练、柔性训练，并且实时准确地调整施加在患肢上的运动参数和力/矩参数。

[0003] 当前外骨骼机构的肩关节主要由二或三个轴线彼此正交于定转心的转动副复合而成，肘关节为定轴线单自由度转动副，肩、肘关节拟人体上肢对应关节的分布特征布置，构件尺度则参照人体上肢的体征参数来确定。在人机连接方式上，固联于外骨骼的穿戴具以紧致穿戴的方式与上臂、前臂的中下部连接。这类外骨骼机构设计的优点是借鉴了人体上肢的运动解剖结构特征，人机关节之间对应性好，获得构型简约的外骨骼机构。

[0004] 该类型康复外骨骼机构的不足之处是要求人机对应关节的轴线(或转心)在康复训练过程中始终保持对齐(或重合)，否则人机闭链将转化为人机运动不相容的“超定”系统。在刚体模型假设下，“超定”的人机闭链不能够运动，而事实上由于人机连接界面处肢体组织的弹性变形，当外骨骼关节驱动力/矩足够大时人机闭链可以运动，但会在人机连接界面产生与康复训练任务无关的附加约束力/矩。在机构学意义上，这种属性的约束力/矩属于人机闭链欠自由度(或冗余驱动)导致的内部作用力/矩，与人机闭链的组成如外骨骼机构构型、人机连接位置等因素有关，并随人机闭链运动位形的变化而改变。当这种内部约束力/矩与完成康复训练任务需要的有效约束力/矩相叠加时，会显著增大人机之间的约束强度，并导致舒适性变差、康复训练难以进行或出现安全性问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，以解决上述问题。

[0006] 本发明的实施例提供了一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，其特征在于，该旋内旋外关节包含上臂旋内旋外关节和前臂旋内旋外关节，两关节采用紧致连接的方式分别与人体上肢的上臂和前臂连接，在人机连接界面处各增加一个被动滑动副。上臂旋内旋外关节通过上臂内环与上臂绑缚连接，上臂外环在同步带的驱动下绕自身轴线做旋内旋外运动，上臂外环带动上臂内环和上臂一同运动。前臂旋内旋外关节通过前臂内环与前臂绑缚连接，前臂外环与上臂外环保持同步运动，前臂内环通过转接环与前臂箱体连接，前臂内环与前臂箱体一起绕前臂外环轴线转动，前臂内环带动前臂做旋内旋外运动。

[0007] 进一步，上臂旋内旋外关节与前臂旋内旋外关节具有相同的传动原理和组成。

[0008] 进一步，上臂旋内旋外关节主要包含上臂箱体、同步带、同步带轮、上臂外环、支撑轴承。

[0009] 进一步，上臂旋内旋外关节采用同步带的传动方式，上臂电机将动力传递至同步带轮，同步带轮与同步带啮合，同步带两端分别固定在上臂外环的两端，同步带驱动上臂外环绕自身轴线转动。上臂外环的内侧沿自身轴线方向对称设置了两个沟槽。

[0010] 进一步，支撑轴承安装在上臂箱体和上臂盖板的内侧，两内侧各安装四个支撑轴承，上臂外环的两侧由支撑轴承支撑，上臂外环沿轴承绕自身轴线旋转；上臂外环的内侧与外侧均含有轴肩，轴肩两侧与支撑轴承的侧面接触。

[0011] 进一步，在同步带轮与上臂外环之间，安装了两组张紧轮，张紧轮与同步带紧密接触，张紧轮由两个并排放置的轴承组成。一组张紧轮安装在固定的销轴上，另一组张紧轮安装在位置可调的销轴上，以调整同步带的松紧度。

[0012] 进一步，同步带轮安装在带轮轴上，带轮轴安装在上臂箱体上，两端由深沟球轴承支撑。上臂电机由谐波减速器减速，在谐波减速器与带轮轴之间串联一个扭矩传感器，在上臂电机的尾部安装了一级编码器。

[0013] 进一步，上臂内环的沟槽内侧安装了上臂被动滑动副，上臂被动滑动副包括导轨、滑块、上臂内环、导杆、压簧，两个导轨安装在上臂内环内侧的两个沟槽内，滑块与导轨滑动配合。上臂内环上下两侧设计了两个凸台，上下两个凸台与相应的两个滑块通过螺钉连接在一起，上臂内环能够沿导轨滑动，两个凸台中部各含有一个通孔。凸台两侧各安装一个压簧，导杆依次穿过压簧和通孔，固定在上臂外环上。

[0014] 与现有技术相比本发明的有益效果是：上臂旋内旋外关节的运动部分构件均采用了轴承支撑，上臂外环的运动阻力极小，扭矩传感器可实时测量到上臂与谐波减速器之间的转动扭矩。同时，在人机连接环节引入被动滑动副，改善了人机闭链的运动相容性。

附图说明

[0015] 图1是本发明一种上肢康复外骨骼机构的轴测视图；

[0016] 图2是本发明一种上肢康复外骨骼机构的局部视图；

[0017] 图3是上臂旋内旋外关节的轴侧视图；

[0018] 图4是前臂旋内旋外关节的轴侧视图；

[0019] 图5是前臂旋内旋外关节的剖视图；

[0020] 图6是上臂外环支撑位置的局部剖视图；

[0021] 图7是上臂被动滑动副的剖视图；

[0022] 图8是张紧轮的剖视图；

[0023] 图9是上臂驱动单元的剖视图；

具体实施方式

[0024] 下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

[0025] 参图1至图9所示，图1是本发明一种上肢康复外骨骼机构的轴测视图，图2是本发明一种上肢康复外骨骼机构的局部视图，图3是上臂旋内旋外关节的轴侧视图，图4是前臂旋内旋外关节的轴侧视图，图5是前臂旋内旋外关节的剖视图，图6是上臂外环支撑位置的局部剖视图，图7是上臂被动滑动副的剖视图，图8是张紧轮的剖视图，图9是上臂驱动单元的剖视图。

[0026] 本实施例提供了一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，参图1～图2所示，该上肢康复外骨骼机构的机构本体包括5个主动关节，分别为第一关节106、第二关节107、上臂旋内旋外关节108、肘关节109及前臂旋内旋外关节110。为了提高机构本体在水平面内的位置适应性，在机构本体与悬臂梁104之间增加了含有两个被动滑动副的位置追踪机构105。机构本体与所述位置追踪机构105安装在所述悬臂梁104的前部下侧，所述悬臂梁
104的后部安装在可调转盘103上，所述可调转盘103安装在升降柱102的顶部，控制箱101放置于所述升降柱102的后部。脑卒中患者111坐在专用椅112上，患者111的上肢穿戴在所述上臂旋内旋外关节108和所述前臂旋内旋外关节110上，采用绑带的方式将上肢固定在相应的半环内，患者111的手掌抓握在机构本体的手柄113上。

[0027] 参图3和图5所示，所述上臂旋内旋外关节108主要由上臂箱体1、上臂盖板2、上臂外环3及上臂内环5组成，上臂电机6安装在所述上臂箱体1上，采用同步带传动的方式，将能量传递至同步带轮15，所述同步带轮15与同步带4啮合，驱动所述上臂外环3沿自身轴线转动；上臂内环5与所述上臂外环3通过被动滑动副连接，所述上臂内环5随所述上臂外环3一同转动，同时，所述上臂内环5可相对所述外环3沿自身轴线滑动。因此，所述上臂内环5具有转动和滑动的运动特性。人体上肢的上臂与所述内环5绑缚连接，所述上臂旋内旋外关节108可带动上臂进行旋内旋外运动，同时，上臂可相对于旋内旋外关节沿自身轴线运动。为了便于上臂的绑缚和松解，所述上臂外环3和所述上臂内环5均采用带有缺口的半环。所述上臂外环3的两端缺口位置对称设计里两个沟槽。

[0028] 参图3和图4所示，所述前臂旋内旋外关节110与所述上臂旋内旋外关节108具有相同的传动原理和组成。所述前臂旋内旋外关节110主要有前臂箱体8、前臂盖板9、前臂外环10、转接环44及前臂内环12组成，前臂电机13通过转接法兰42固定在所述前臂箱体8上，在所述前臂电机13的尾部设置并安装了二级编码器14，采用同步带传动的方式，前臂同步带
11带动所述前臂箱体8和所述前臂内环12相对所述前臂外环10转动，所述前臂内环12通过所述转接环44固定在所述前臂箱体8和所述前臂盖板9上，在所述转接环44与所述前臂内环
12之间设置了一个被动滑动副，因此，相对于前臂外环10，所述前臂内环12亦具有旋转和滑动的运动特性。

[0029] 参图3、图5和图6所示，所述同步带4为开口带，两端分别固定在所述上臂外环13的缺口截面上，且由压板18压紧，以此驱动所述上臂外环3绕自身轴线转动。为了减小所述上臂外环3的转动阻力，采用两侧滚动支撑的方式，在所述上臂箱体1和所述上臂盖板2的内侧各安装四个支撑轴承，所述上臂外环3卡装在两侧的支撑轴承上。参图6所示，一级销轴21和二级销轴25安装在所述上臂箱体1的内侧，所述上臂箱体1内侧含有定位止口和螺纹，一级轴承22和二级轴承26分别安装在所述一级销轴21和所述二级销轴25上，所述上臂外环3卡装在所述一级轴承22和所述二级轴承26之间，同理，三级轴承24安装在三级销轴23上，所述三级销轴23采用相似的原理固定在所述上臂盖板2的内侧，四级销轴45和四级轴承46安装在所述上臂箱体1上，以此实现所述上臂外环3在回转方向上与其他零件的滚动接触。所述上臂外环3的内侧和外侧均含有轴肩，轴肩的两侧均与支撑轴承的外圈接触，以此实现所述上臂外环3在自身轴向上与相邻零件的滚动接触。通过上述设计方案，实现上臂外环在轴向和周向上与其他零部件的滚动接触，进而减少上臂外环的运动阻力。

[0030] 参图3和图8所示，所述同步带轮15与所述同步带4啮合，为了张紧所述同步带4，在所述同步带轮15和所述上臂外环3之间安装了一级张紧轮16和二级张紧轮17。所述二级张紧轮17安装在二级圆柱30上，所述二级圆柱30通过螺纹连接的方式固定在所述上臂箱体1和所述上臂盖板2之间，所述二级张紧轮17位置固定。所述一级张紧轮16的位置可调，以调整对所述同步带4的压紧松紧度，所述一级张紧轮16安装在一级圆柱31上，所述一级圆柱31可沿所述上臂箱体1的宽度方向上下移动，所述一级圆柱31的位置由两端的左顶丝32和右顶丝43控制，两顶丝分别安装在所述上臂箱体1和所述上臂盖板2的一侧。所述一级张紧轮16和所述二级张紧轮17均采用两个深沟球轴承组合的方式，因此，所述同步带4与张紧轮均为滚动接触，降低同步带张紧的摩擦阻力。

[0031] 参图5和图9所示，所述上臂旋内旋外关节108的驱动单元主要包括上臂电机6、谐波减速器34、扭矩传感器36及带轮轴38组成，所述上臂电机6通过转接法兰42固定在所述上臂箱体1上，所述上臂电机6与所述谐波减速器34连接在一起，所述扭矩传感器36通过转接附件35安装在所述谐波减速器34的输出端面上，扁平轴37与所述扭矩传感器36通过螺钉锁紧在一起，所述扁平轴37与所述带轮轴38通过平键连接，进一步，实现所述上臂电机6的扭矩输出和检测。所述带轮轴38安装在所述上臂箱体1和所述上臂盖板2的内侧，由左轴承40和右轴承39支撑，端盖41用于右轴承39的轴向定位。所述同步带轮15安装在所述带轮轴38上，因此，所述同步带轮15和所述带轮轴38与所述上臂箱体1和所述上臂盖板2滚动接触。为了测量所述上臂电机6的转速，在电机尾部增加了一级编码器7。

[0032] 参图5和图7所示，为了提高所述上臂内环5沿自身轴线方向的位置适应性，在所述上臂外环3和所述上臂内环5之间增加了一个被动滑动副，该被动副主要由滑块19、导轨20、导杆28、压簧29及固定侧板27组成，所述滑块19与所述导轨20滑动配合，两者采用市场标准型号，所述滑块19安装在所述上臂内环5的上下两侧的凸台上，滑块与凸台采用螺钉连接的方式，所述导轨安装在所述导轨20两端缺口位置的沟槽里。该被动滑动副采用了两套平行放置的导轨滑块单元，以保证该被动滑动副能够可靠、稳定地滑动。为了约束所述上臂内环5的位置稳定性，沿所述导轨20的长度方向增加所述导杆28和所述压簧29，所述压簧29位于所述滑块19的左侧，在所述滑块19的右侧设置了一个相同的压簧。两个凸台中部各设置一个通孔，所述导杆28穿过所述压簧29和所述上臂内环5的凸台，对所述压簧29起到导向的作用，所述导杆28的一端安装在所述固定侧板27上，另一端安装在结构相同的固定侧板上。通过上述可知，该被动滑动副共安装了四个压簧，对所述上臂内环的双向滑动进行了约束。

[0033] 参图3和图4所示，所述前臂旋内旋外关节110与所述上臂旋内旋外关节108具有相似的结构和传动原理，差异之处在于，所述前臂外环10与所述上臂外环3通过所述肘关节109连接，所述前臂旋内旋外关节110整体随所述上臂外环3一同转动，将所述前臂旋内旋外关节100的箱体与所述前臂内环12通过所述转接环44连接，箱体与前臂内环一同相对前臂外环转动，以实现前臂的旋内旋外转动。在所述转接环44与所述上臂内环12之间设置了一个被动滑动副，与上臂旋内旋外关节的被动滑动副结构组成相同，这里就不再赘述。

[0034] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。