一种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于康复医疗器械领域，涉及一种穿戴上肢外骨骼机构，可用于检测人体上肢运动过程中肩部盂肱关节运动信息。
【背景技术】
[0002]近二十年来，国内外的一些研究机构相继开展了上肢康复训练技术的研究，研制出多种功能各异的上肢康复机器人和康复训练设备，研制的部分康复训练外骨骼系统已开始进入临床应用阶段。人体上肢的关节运动信息是规划康复训练外骨骼系统导引运动的基础性数据，对患肢进行康复训练时，需要参照相关信息设计外骨骼系统的导引运动规律。因此，获得相对准确的上肢关节运动信息对于保证患肢的康复训练效果具有实际意义。
[0003]根据人体解剖学可知，人体肩部关节图1、图2所示错综复杂，它由肱骨、肩胛骨、锁骨、胸骨及其间的盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节和肩胛胸壁关节连接而成，其中胸锁关节和肩胛胸壁关节运动学尚且不清楚，根据人体骨骼模型运动学分析，肩部关节中的盂肱关节(传统意义上的肩关节)在完成外展/内收，前屈/后伸的运动过程中，转动中心在人体肩部关节相对于人体胸骨的运动过程中，是漂移的，并且漂移轨迹并不是线性的，而是有多段低曲率弧线构成，并且肩部中心的漂移也不仅限于矢状面内，这使研究肩部盂肱关节的运动更加复杂，为了获得盂肱关节运动信息，本发明设计了一种穿戴外骨骼机构。在人体上肢带动外骨骼运动过程中，通过安置于外骨骼机构导轨移动副的位移传感器和安置于外骨骼机构盂肱关节转动处的光电编码器直接测得人体上肢盂肱关节出的运动信息。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，提供一种能检测盂肱关节运动信息，且结构简单、使用方便，占用体积小，制造成本低的一种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构。其设计理念是:在人体肩部结构的研究中，模型化处理是一切工作的开始，根据人体解剖学知识，并在参考人体骨骼学、人体骨骼运动学的基础上从人体中抽出胸骨(等价于刚体)，上肢带骨(根据人体骨骼学，上肢带骨包括锁骨和肩胛骨，可视为与锁骨和肩胛骨综合运动等效的虚拟骨骼，其长度对应于胸锁关节和盂肱关节中心点间的距离)，肱骨(等价于刚体)做相应的运动学分析，如图3所示。该运动学性质等价于理论力学中一般刚体的运动学模型，根据理论力学中刚体的一般运动学知识得知，上肢肩部胸骨的胸锁关节处相当于基础件，肱骨相当于运动的刚体，在肱骨的转动中心中取一个基点，再以基点为原点设立一个平移参考系和固定连接与刚体的随体参考系，如图4所示。这样，确定刚体在空间的位置就归结为确定随体参考系在空间的位置。在胸骨上建立定坐标系，设为ο xyz，平移参考系或基点的位置可以用它在固定坐标系一组坐标数值来确定;随动参考系相对于平移参考系的姿态就可以用三个独立的角度值来确定，这样用六个独立的参数就可以确定肩部盂肱关节的位置和姿态，即准确获得肩部盂肱关节的运动信息，基于该运动学模型，设计出了一种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构，该外骨骼机构实现的功能是:在人体上肢上臂紧致穿戴该外骨骼，并做运动的情况下，外骨骼机构做随动运动，实现的功能是准确检测到上肢上臂运动盂肱关节旋转中心的位置和盂肱关节对于该位置时的姿态，即获得准确的人体上肢肩部盂肱关节运动信息。
[0005]本发明解决技术问题所采用的方案是:
[0006]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构，由三移动检测机构、T型连接板和三转动检测机构构成，三移动检测机构包括的支撑支架、第一导轨移动副装置、第二导轨移动副装置和第三导轨移动副装置，三转动检测机构包括盂肱关节收展关节装置、连接弯板、盂肱关节屈伸关节装置和盂肱关节旋转转动关节装置。
[0007]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构支撑支架，由蹄脚、蹄脚支撑件、支架第一型材、角件、支架第二型材、支架第三型材、端盖、支架第四型材和支架第五型材构成，其中四根蹄脚支撑件连接四个蹄脚支撑于地面，四根蹄脚支撑件、三根支架第一型材、四根支架第二型材、两根支架第三型材、支架第四型材和支架第五型材通过22套角件互相拼接成一体，并把两根支架第三型材、支架第四型材和支架第五型材两端端面用8个端盖盖上，构成支撑支架，该支撑支架用于支撑肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构，是肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构运动的基础。
[0008]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构第一导轨移动副装置，由导轨右一、滑块右一、滑块右二、第一位移传感器、位移传感器压板、位移传感器压板固定板、位移传感器安全限位装置、滑块锁死装置、导轨左一、滑块左一和滑块左二构成；导轨右一、滑块右一和滑块右二构成右导轨移动副，导轨左一、滑块左一和滑块左二构成左导轨移动副，右导轨移动副和左导轨移动副底面在一个平面内，两端端面互相对齐，间隔距离以安置的支撑支架距离而定，在第一位移传感器导杆伸出长度为标准长度时，第一位移传感器导杆一端端面和导轨右一端面平齐，第一位移传感器导杆另一端端面和滑块右二接触，第一位移传感器通过位移传感器压板连接在位移传感器压板固定板上，其中位移传感器压板固定板和导轨右一上部移动面贴合，位移传感器安全限位装置在和导轨右一上部移动面贴合并紧贴位移传感器侧面，滑块锁死装置在保持位移传感器导杆伸出长度为标准长度的情况下，可锁死滑块右二，从而构成第一导轨移动副装置。
[0009]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构第二导轨移动副装置，由第二导轨支撑件一、第二导轨固定板一、第二导轨一、第二滑块一、位移传感器压板、第二位移传感器压板固定板、位移传感器安全限位装置、滑块锁死装置一、滑块锁死装置二、第二位移传感器、第二导轨支撑件二、第二导轨二、第二滑块二、第二导轨固定板二、第二导轨固定板三和第二导轨固定板四构成，第二导轨支撑件一和第二导轨支撑件二通过螺栓组连接第二导轨固定板一、第二导轨固定板二、第二导轨固定板三、第二导轨固定板四，第二导轨一和第二导轨二通过螺栓组连接于第二导轨固定板一、第二导轨固定板二、第二导轨固定板三和第二导轨固定板四上，第二导轨一和第二滑块一组成移动副，第二导轨二、第二滑块二也组成移动副，在第二位移传感器导杆伸出长度为标准长度时，第二位移传感器导杆一端端面和滑块二接触，第二位移传感器导杆另一端端面和导轨端面对齐，在满足上述条件下通过位移传感器压板把第二位移传感器固定在第二位移传感器压板固定板上，其中第二位移传感器压板固定板通过螺钉安装于第二导轨固定板一上，位移传感器安全限位装置在一面紧贴第二位移传感器侧面的情况下，通过螺钉连接于第二导轨固定板一上，滑块锁死装置一通过螺栓组连接与第二导轨一上，滑块锁死装置二在卡住第二滑块一的情况下，可通过螺钉固连在滑块锁死装置一上，从而构成了第二导轨移动副装置。
[0010]一种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构第三导轨移动副装置，由第三导轨型材固定板、第三导轨型材、第三导轨、第三导轨滑块一、第三导轨滑块二、第三位移传感器、第三位移传感器固定板、第三滑块锁死装置一、第三滑块锁死装置二、第一转动关节固定板一支撑板、平衡装置一、平衡钢丝绳、平衡装置二、平衡装置三、平衡块和第三位移传感压板构成，第三导轨型材通过螺栓组固定在第三导轨型材固定板上，长度可以在松开第三导轨型材连接螺栓的情况下进行调节，以适应不同身高和臂长人体进行右端上肢肩部盂肱关节运动信息的测量，第三导轨通过螺栓组固定在第三导轨型材上，第三导轨滑块一和第三导轨滑块二通过螺钉和第一转动关节固定板一支撑板固连，在第三位移传感器导杆伸出长度为标准长度且第三位移传感器导杆端面和第三导轨滑块一接触的情况下，第三位移传感器通过第三位移传感器压板以螺钉连接的形式固定在第三位移传感器固定板上，第三滑块锁死装置一卡住第三导轨滑块一和第三滑块锁死装置二通过螺栓组固连，第三滑块锁死装置二通过螺钉的形式固连在第三位移传感器固定板上，且第三滑块锁死装置一螺钉连接处是槽孔连接，以利于在第三位移传感器导杆伸出长度为标准长度时，第三滑块锁死装置一和第三滑块锁死装置二能通过螺栓组固定，平衡钢丝绳一端通过螺栓组连接的形式固连在第一转动关节固定板一支撑板上，另一端经过平衡装置一、平衡装置二和平衡装置三连接平衡块，其中平衡装置一、平衡装置二和平衡装置三分别通过螺栓组固定连接在第三导轨型材上，平衡块平衡转动系统等的重量，使其在整体外骨骼装配完成的情况下，能在自然状态下保持平衡，从而构成第三导轨移动副装置。
[0011]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构三移动检测机构，包括支撑支架、第一导轨移动副装置、第二导轨移动副装置和第三导轨移动副装置构成，导轨右一和导轨左一通过螺栓组连接于支架第四型材、支架第五型材上，并且导轨右一、导轨左一两端和支架第四型材、支架第五型材的两端对齐，其中位移传感器压板固定板通过螺栓组连接于支架第四型材上，位移传感器安全限位装置通过螺栓组连接于支架第四型材上，滑块锁死装置一面紧贴支架第四型材并通过螺栓组连接于支架第四型材上，第二导轨支撑件一和第二导轨支撑件二通过螺钉连接于第一导轨移动副装置的滑块右一、滑块右二和滑块左一、滑块左二上，第三导轨型材固定板通过连接螺钉固定在第二滑块一、第二滑块二上。其中，这三个导轨移动副装置在空间的位置确定后，移动方向两两垂直，从而构成了能在三维空间检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的三移动检测机构。
[0012]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构T型连接板和连接弯板，T型连接板的一端开有通孔，另一端开有通孔、槽孔，连接弯板一端开有通孔，另一端开有槽孔。
[0013]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构盂肱关节收展关节装置，包括肩收展关节固定板、肩收展关节第一侧板、肩收展关节锁死螺钉、肩收展关节端盖、第一编码器支撑板、第一光电编码器、第一联轴器、肩收展关节第二侧板、肩收展关节关节轴、关节轴支撑轴承一、关节轴支撑轴承二和关节卡簧构成，其中第一光电编码器通过螺钉固定在第一编码器支撑板上，第一编码器支撑板通过螺钉固定在肩收展关节第二侧板上，肩收展关节第一侧板、肩收展关节端盖、肩收展关节第二侧板、关节轴支撑轴承一、关节轴支撑轴承二、关节卡簧及通过螺钉固定连接的肩收展关节关节轴的肩收展关节固定板共同构成了肩收展关节，其中关节轴支撑轴承一、关节轴支撑轴承二分别和肩收展关节第一侧板、肩收展关节第二侧板相应轴承配合段的孔为过盈配合，关节轴支撑轴承一、关节轴支撑轴承二共同支撑肩收展关节关节轴，和肩收展关节关节轴相应轴段为过盈配合，支撑肩收展关节关节轴的旋转，肩收展关节端盖和关节卡簧分别对关节轴支撑轴承一、关节轴支撑轴承二予以轴向限位，其中第一联轴器通过螺钉连接肩收展关节关节轴伸出轴和光电编码器伸出轴，可以用肩收展关节锁死螺钉锁定肩关节收展运动在标准位置，当不锁定肩关节收展关节在标准位置时，在人体上肢运动过程中，人体上肢带动编码器旋转，以检测人体肩关节收展的运动学信息，从而构成盂肱关节收展关节装置。
[0014]—种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构盂肱关节收展关节装置，包括肩收展关节固定板、肩收展关节第一侧板、肩收展关节锁死螺钉、肩收展关节端盖、第一编码器支撑板、第一光电编码器、第一联轴器、肩收展关节第二侧板、肩收展关节关节