专利名称：可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼的制作方法
技术领域：
本发明涉及可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼，既可用于机械手的遥操作，也可用于偏瘫患者的上肢运动康复训练。
背景技术：
外骨骼控制机械手相比普通的Joystick控制方式有着很大的优势，是机械手遥操作的一种理想方式。但目前国内外所用于遥操作的上肢外骨骼普遍比较笨重，并且精度不高，用于控制精度要求很高的机械手的遥操作有一定的局限性。随着现代社会老龄化进程加快，由脑卒中等心脑血管疾病引起的偏瘫患者群体也越来越引起社会的关注，这类患者需要科学的运动康复训练来提高患侧手臂的运动功能。传统的康复训练是通过理疗师手动引导患侧手臂来进行的，这种康复训练工作强度大，训练效果与理疗师的技术熟练程度密切相关，并且很难满足日益增加的患者要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种既适合于机械手遥操作，也适合于偏瘫患者上肢运动康复训练的可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼。本发明的可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼，其特征是包括依次串联的可调节基座、肩部旋转副机构、肩部滑环机构、上臂连杆长度滑动调节机构、肘部平行旋转副机构、 肘部滑环机构、下臂连杆长度滑动调节机构、腕部旋转副机构、末端操作手柄和工具夹持装置；
可调节基座包括立柱、第一姿态调节件、第二姿态调节件、水平方向调节件和关节连接件，第一姿态调节件由两个夹角为150°的平面构成，第二姿态调节件由两个夹角为140° 的平面构成，关节连接件是由上下两块带有滑槽的平行板构成，第一姿态调节件的平面一与立柱通过螺钉相连构成移动副，平面二与第二姿态调节件的平面一固定，第二姿态调节件的平面二与水平方向调节件的一端固定，水平方向调节件的另一端插在关节连接件的两块平行板之间通过螺钉和平行板的滑槽连接构成移动副；
肩部旋转副机构包括第一 L型连杆和滑环机构连杆，第一 L型连杆的一端通过轴承与可调节基座中的关节连接件的端部相连构成内收/外展旋转副，第一 L型连杆另一端通过轴承与滑环机构连杆的一端相连构成屈/伸旋转副，这两个旋转副的轴线在同一平面相互垂直，在两个旋转副上分别安装测量旋转角度的第一光电编码器；
肩部滑环机构包括从内向外同轴线装置的第一轴承内基座、第一薄壁轴承、第一轴承外基座和第一大齿轮以及三根与轴线平行的连杆、第一半圆型支架、第一小齿轮和第一多圈绝对式编码器，第一半圆型支架通过三根与轴线平行的连杆与第一轴承外基座相连，第一半圆型支架的上部与肩部旋转副机构中的滑环机构连杆的另一端相连，第一多圈绝对式编码器与第一轴承外基座的外壁相连，第一小齿轮固定在第一多圈绝对式编码器的输出轴上，与第一大齿轮相啮合；上臂连杆长度滑动调节机构包括两个相互平行的调节机构，每个调节机构是由第一上调节杆和第一下调节杆滑槽配合连接构成的移动副，两个调节机构的第一上调节杆的上端对称固定在肩部滑环机构中的第一轴承内基座上；
肘部平行旋转副机构包括两根相互平行的连杆，两根连杆的上端分别通过轴承与上臂连杆长度滑动调节机构中的两根第一下调节杆的下端相连构成旋转副，所构成的两个旋转副的轴线相互重合，在其中一个旋转副上安装测量旋转角度的第二光电编码器；
肘部滑环机构包括从内向外同轴线装置的第二轴承内基座、第二薄壁轴承、第二轴承外基座和第二大齿轮以及三根与轴线平行的连杆、第二半圆形支架、第二小齿轮和第二多圈绝对式编码器，第二半圆型支架通过三根与轴线平行的连杆与第二轴承内基座相连，肘部平行旋转副机构中的两根相互平行的连杆的下端对称固定在第二轴承外基座上，第二多圈绝对式编码器与第二轴承外基座的外壁相连，第二小齿轮固定在第二多圈绝对式编码器的输出轴上，与第二大齿轮相啮合；
下臂连杆长度滑动调节机构包括第二上调节杆和第二下调节杆，两者通过螺钉和滑槽相连构成移动副；
腕部旋转副机构包括第二 L型连杆和手柄安装连杆，第二 L型杆的一端通过轴承与下臂连杆长度滑动调节机构中的第二下调节杆的下端相连构成旋转副，另一端通过轴承与手柄安装连杆的上端相连构成旋转副，这两个旋转副的轴线在同一平面相互垂直，在两个旋转副上分别安装测量旋转角度的第三光电编码器；
末端操作手柄固定在腕部旋转副机构中的手柄安装连杆的中部，末端操作手柄的端部安装有两个用于控制上位机程序的按钮，在手柄安装连杆的下端固定工具夹持装置。本发明的可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼包含7个自由度，为了提高外骨骼的运动灵活性，通过对模型的运动学分析，可对上肢外骨骼肩部关节的初始角度进行优化， 使肩部旋转副机构中的内收/外展旋转副的轴线与肩部滑环机构的轴线的夹角为50°，肩部旋转副机构中的屈/伸旋转副的轴线与肘部平行旋转副机构的轴线的夹角为30°。本发明的可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼在每个关节安装有高精度光电编码器，通过运动学正解能够精确采集末端位置和姿态，可实现对机械手的精确控制；该外骨骼结构紧凑，重量轻，刚度高，能适应不同操作的身高和臂长，并在手柄设有两个控制按钮来控制上位机程序；该外骨骼还可作为引导手，用于偏瘫患者上肢运动康复训练。
图1是可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼的结构示意图； 图2是可调节基座的示意图3是肩部旋转副机构的示意图； 图4是肩部滑环机构的示意图； 图5是上臂连杆长度滑动调节机构的示意图； 图6是肘部平行旋转副机构的示意图； 图7是肘部滑环机构的示意图8是下臂连杆长度滑动调节机构、腕部旋转副机构、末端操作手柄和工具夹持装置的结构示意图。
上述图中标号名称1、可调节基座；2、肩部旋转副机构；3、肩部滑环机构；4、上臂连杆长度滑动调节机构；5、肘部平行旋转副机构；6、肘部滑环机构；7、下臂连杆长度滑动调节机构；8、腕部旋转副机构；9、末端操作手柄；10、工具夹持装置；11、立柱；12、第一姿态调节件；13、第二姿态调节件；14、水平方向调节件；15、关节连接件；16、第一姿态调节件的平面一 ；17、第一姿态调节件的平面二 ；18、第二姿态调节件的平面一 ；19、第二姿态调节件的平面二 ；20、第一 L型连杆；21、肩部内收/外展旋转副；22、肩部屈/伸旋转副；24、第一轴承内基座；25、第一薄壁轴承；26、第一轴承外基座；27、第一大齿轮；28、三根与轴线平行的连杆；29、第一半圆型支架；30、第一小齿轮；31、第一多圈绝对式编码器；32、第一上调节杆；33、第一下调节杆；34，35、两根相互平行的连杆；36、第二轴承内基座；37、第二薄壁轴承；38、第二轴承外基座；39、第二大齿轮；40、三根与轴线平行的连杆；41、第二半圆形支架；42、第二小齿轮；43、第二多圈绝对式编码器；44、第二上调节杆；45、第二下调节杆；46、 第二 L型连杆；47、手柄安装连杆；48、按钮；2-1、第一光电编码器；5-1、第二光电编码器； 8-1、第三光电编码器。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明。参照图1，可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼包括依次串联的可调节基座1、肩部旋转副机构2、肩部滑环机构3、上臂连杆长度滑动调节机构4、肘部平行旋转副机构5、肘部滑环机构6、下臂连杆长度滑动调节机构7、腕部旋转副机构8、末端操作手柄9和工具夹持装置10 ；该外骨骼共包含7个自由度，分别与人体上肢的肩部内收/外展、屈/伸、旋内/ 旋外，肘部屈/伸、旋内/旋外以及腕部屈/伸、内收/外展相对应；
参照图2，可调节基座1包括立柱11、第一姿态调节件12、第二姿态调节件13、水平方向调节件14和关节连接件15，第一姿态调节件12由两个夹角为150°的平面16、17构成， 第二姿态调节件13由两个夹角为140°的平面18、19构成，关节连接件15是由上下两块带有滑槽的平行板构成，第一姿态调节件12的平面一 16与立柱11通过螺钉相连构成移动副，平面二 17与第二姿态调节件15的平面一 18固定，第二姿态调节件13的平面二 19与水平方向调节件14的一端固定，水平方向调节件14的另一端插在关节连接件15的两块平行板之间通过螺钉和平行板的滑槽连接构成移动副，可实现对应操作者的不同身高和肩宽进行调节。参照图3，肩部旋转副机构2包括第一 L型连杆20和滑环机构连杆23，第一 L型连杆20的一端通过轴承与可调节基座1中的关节连接件15的端部相连构成内收/外展旋转副21，第一 L型连杆20另一端通过轴承与滑环机构连杆23的一端相连构成屈/伸旋转副22，这两个旋转副的轴线在同一平面相互垂直，在两个旋转副上分别安装测量旋转角度的第一光电编码器2-1 ；可实现肩部内收/外展、屈/伸两个旋转运动。参照图4，包括从内向外同轴线装置的第一轴承内基座M、第一薄壁轴承25、第一轴承外基座沈和第一大齿轮27以及三根与轴线平行的连杆观、第一半圆型支架四、第一小齿轮30和第一多圈绝对式编码器31，第一半圆型支架四通过三根与轴线平行的连杆观与第一轴承外基座26相连，第一半圆型支架四的上部与肩部旋转副机构2中的滑环机构连杆23的另一端相连，第一多圈绝对式编码器31与第一轴承外基座沈的外壁相连，第一小齿轮30固定在第一多圈绝对式编码器31的输出轴上，与第一大齿轮27相啮合；可实现肩部的旋内/旋外运动。参照图5，包括两个相互平行的调节机构，每个调节机构是由第一上调节杆32和第一下调节杆33滑槽配合连接构成的移动副，两个调节机构的第一上调节杆32的上端对称固定在肩部滑环机构3中的第一轴承内基座M上；可实现对应操作者不同的上臂长度进行调节；
参照图6，肘部平行旋转副机构5包括两根相互平行的连杆34、35，两根连杆34、35的上端分别通过轴承与上臂连杆长度滑动调节机构4中的两根第一下调节杆33的下端相连构成旋转副，所构成的两个旋转副的轴线相互重合，在其中一个旋转副上安装测量旋转角度的第二光电编码器5-1 ；可实现人体上肢肘部屈/伸运动。参照图7，肘部滑环机构6包括从内向外同轴线装置的第二轴承内基座36、第二薄壁轴承37、第二轴承外基座38和第二大齿轮39以及三根与轴线平行的连杆40、第二半圆形支架41、第二小齿轮42和第二多圈绝对式编码器43，第二半圆型支架41通过三根与轴线平行的连杆40与第二轴承内基座36相连，肘部平行旋转副机构5中的两根相互平行的连杆34、35的下端对称固定在第二轴承外基座38上，第二多圈绝对式编码器43与第二轴承外基座38的外壁相连，第二小齿轮42固定在第二多圈绝对式编码器43的输出轴上，与第二大齿轮39相啮合；可实现肘部的旋内/旋外运动。参照图8，下臂连杆长度滑动调节机构7包括第二上调节杆44和第二下调节杆 45，两者通过螺钉和滑槽相连构成移动副；可实现对应操作者不同的下臂长度进行调节。腕部旋转副机构8包括第二 L型连杆46和手柄安装连杆47，第二 L型杆46的一端通过轴承与下臂连杆长度滑动调节机构7中的第二下调节杆45的下端相连构成旋转副， 另一端通过轴承与手柄安装连杆47的上端相连构成旋转副，这两个旋转副的轴线在同一平面相互垂直，在两个旋转副上分别安装测量旋转角度的第三光电编码器8-1 ；可实现腕部的屈/伸、内收/外展运动。末端操作手柄9固定在腕部旋转副机构8中的手柄安装连杆47的中部，末端操作手柄9的端部安装有两个用于控制上位机程序的按钮48，在手柄安装连杆47的下端固定工具夹持装置10。人手臂可伸入外骨骼内部，握住最前端的操作手柄9，带动外骨骼运动。外骨骼模型的优化，提高了人手在正常工作空间内的运动灵活性。通过安装在各关节的光电编码器， 可以得到各个关节的转动角度，这些角度经过运动学正解可精确算出人体上肢的姿态和位置，通过末端位置匹配或者关节角度匹配等方式可实现对机械手或者带驱动医疗康复外骨骼的控制。手柄上的两个按钮可作为控制上位机程序开始和停止的开关或者不同控制方式之间的切换开关。工具夹持装置可以用来夹持不同的工具来与所控制机械手的末端工具相匹配，更好的实现对机械手的控制。
权利要求
1.可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼，其特征是包括依次串联的可调节基座(1)、 肩部旋转副机构(2)、肩部滑环机构(3)、上臂连杆长度滑动调节机构(4)、肘部平行旋转副机构(5)、肘部滑环机构(6)、下臂连杆长度滑动调节机构(7)、腕部旋转副机构(8)、末端操作手柄(9)和工具夹持装置(10)；可调节基座(1)包括立柱(11)、第一姿态调节件(12)、第二姿态调节件(13)、水平方向调节件(14)和关节连接件(15)，第一姿态调节件(12)由两个夹角为150°的平面(16、17) 构成，第二姿态调节件(13)由两个夹角为140°的平面(18、19)构成，关节连接件(15)是由上下两块带有滑槽的平行板构成，第一姿态调节件(12)的平面一(16)与立柱(11)通过螺钉相连构成移动副，平面二( 17)与第二姿态调节件(15)的平面一(18)固定，第二姿态调节件(13)的平面二( 19)与水平方向调节件(14)的一端固定，水平方向调节件(14)的另一端插在关节连接件(15)的两块平行板之间通过螺钉和平行板的滑槽连接构成移动副；肩部旋转副机构(2)包括第一 L型连杆(20)和滑环机构连杆(23)，第一 L型连杆(20) 的一端通过轴承与可调节基座(1)中的关节连接件(15)的端部相连构成内收/外展旋转副 (21)，第一 L型连杆(20)另一端通过轴承与滑环机构连杆(23)的一端相连构成屈/伸旋转副(22)，这两个旋转副的轴线在同一平面相互垂直，在两个旋转副上分别安装测量旋转角度的第一光电编码器(2-1);肩部滑环机构(3)包括从内向外同轴线装置的第一轴承内基座(24)、第一薄壁轴承 (25)、第一轴承外基座(26)和第一大齿轮(27)以及三根与轴线平行的连杆(28)、第一半圆型支架(29)、第一小齿轮(30)和第一多圈绝对式编码器(31)，第一半圆型支架(29)通过三根与轴线平行的连杆(28)与第一轴承外基座(26)相连，第一半圆型支架(29)的上部与肩部旋转副机构(2)中的滑环机构连杆(23)的另一端相连，第一多圈绝对式编码器(31)与第一轴承外基座(26)的外壁相连，第一小齿轮(30)固定在第一多圈绝对式编码器(31)的输出轴上，与第一大齿轮(27)相啮合；上臂连杆长度滑动调节机构(4)包括两个相互平行的调节机构，每个调节机构是由第一上调节杆(32)和第一下调节杆(33)滑槽配合连接构成的移动副，两个调节机构的第一上调节杆(32)的上端对称固定在肩部滑环机构(3)中的第一轴承内基座(24)上；肘部平行旋转副机构(5)包括两根相互平行的连杆(34、35)，两根连杆(34、35)的上端分别通过轴承与上臂连杆长度滑动调节机构(4)中的两根第一下调节杆(33)的下端相连构成旋转副，所构成的两个旋转副的轴线相互重合，在其中一个旋转副上安装测量旋转角度的第二光电编码器(5-1);肘部滑环机构(6)包括从内向外同轴线装置的第二轴承内基座(36)、第二薄壁轴承 (37)、第二轴承外基座(38)和第二大齿轮(39)以及三根与轴线平行的连杆(40)、第二半圆形支架(41)、第二小齿轮(42)和第二多圈绝对式编码器(43)，第二半圆型支架(41)通过三根与轴线平行的连杆(40)与第二轴承内基座(36)相连，肘部平行旋转副机构(5)中的两根相互平行的连杆(34、35)的下端对称固定在第二轴承外基座(38)上，第二多圈绝对式编码器(43)与第二轴承外基座(38)的外壁相连，第二小齿轮(42)固定在第二多圈绝对式编码器(43)的输出轴上，与第二大齿轮(39)相啮合；下臂连杆长度滑动调节机构(7)包括第二上调节杆(44)和第二下调节杆(45)，两者通过螺钉和滑槽相连构成移动副；腕部旋转副机构(8 )包括第二 L型连杆(46 )和手柄安装连杆(47 )，第二 L型连杆(46 ) 的一端通过轴承与下臂连杆长度滑动调节机构(7)中的第二下调节杆(45)的下端相连构成旋转副，另一端通过轴承与手柄安装连杆(47)的上端相连构成旋转副，这两个旋转副的轴线在同一平面相互垂直，在两个旋转副上分别安装测量旋转角度的第三光电编码器 (8-1)；末端操作手柄(9)固定在腕部旋转副机构(8)中的手柄安装连杆(47)的中部，末端操作手柄(9)的端部安装有两个用于控制上位机程序的按钮(48)，在手柄安装连杆(47)的下端固定工具夹持装置(10)。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼，其特征是肩部旋转副机构(2)中的内收/外展旋转副(21)的轴线与肩部滑环机构(3)的轴线的夹角为50°，肩部旋转副机构(2)中的屈/伸旋转副(22)的轴线与肘部平行旋转副机构(5)的轴线的夹角为 30°。
全文摘要
本发明的可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼，包括7自由度依次串联的可调节基座、肩部旋转副机构、肩部滑环机构、上臂连杆长度滑动调节机构、肘部平行旋转副机构、肘部滑环机构、下臂连杆长度滑动调节机构、腕部旋转副机构、末端操作手柄和工具夹持装置。在每个关节安装有高精度光电编码器，通过运动学正解能够精确采集末端位置和姿态，可实现对机械手的精确控制；该外骨骼结构紧凑，重量轻，刚度高，能适应不同操作的身高和臂长，并在手柄设有两个控制按钮来控制上位机程序；该外骨骼还可作为引导手，用于偏瘫患者上肢运动康复训练。
文档编号A61F2/56GK102440853SQ20111027670
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者严华, 于航, 候寿德, 张丹丹, 杨灿军, 陈杰, 陈鹰 申请人:浙江大学