一种含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构的制作方法

本发明涉及一种上肢康复外骨骼机构，具体说，涉及含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构。

背景技术：

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。

目前，华盛顿大学的perry开发了7-dof外骨骼式上肢康复机器人caden-7，从机构学角度看，两者自由度数量相，caden-7与人体上肢形成恰约束人机闭链；除上臂、前臂旋内/旋外，其余转动关节采用绳驱动方式，具有一定的柔性，但动力传递路线长、结构较为复杂。加拿大女王大学的ball将肩胛带对上肢运动的影响考虑在内，开发了一种绳驱动的6-dof上肢康复机器人medarm，在肩锁关节处、肩胛骨设置了两转动副，其余分布在肩、肘部位，以使外骨骼机构中心运动轨迹逼近肩部盂肱关节的自然运动轨迹。加州大学欧文分校的norman基于患者的主动训练与运动参数研制了5-dof机器人外骨骼t-wrex，不设置驱动装置，在各关节处增加运动参数测量系统；随后wolbrecht开发了用于上肢的肩、肘被动训练的5-dofpneu-wrex，采用具有一定柔弹性的气动驱动，帮助患者进行被动康复训练。美国亚利桑那大学的hejp(何际平)与华中科技大学的huangj(黄剑)研发了基于人工气动息肉(pm)的4-dof、5-dof的上肢往复训练装置rupert，其中，5-dof的rupert能够针对患者的肩、肘和腕屈/伸进行训练，其系统运动特征与人体上肢相似，具较好的柔顺性。瑞典皇家理工学院的neft与balgrist大学附属医院合作开发了电机驱动的上肢康复机器人系统—armin(6-dof)、arminii、arminiii，采用运动解剖学和人机工程学分析上肢肩关节的运动规律和特性，拟合出肩部盂肱关节中心的位置函数，并将cgh位置映射到机器人系统。国内一些高校和研究单位同样开发和研制了人体上肢康复机器人系统，如哈尔滨工业大学的hit系统、华中科技大学的aerr系统、浙江大学的zjuarm系统、广州一康的a6系统。

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，固连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，能够获得构型简约的外骨骼机构。

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构，以解决上述问题。

1、一种含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构，其特征在于，该上肢康复外骨骼机构包括5个主动关节、4个被动滑动副及3个调整单元，主动关节包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节及第五关节，被动滑动副包括第一被动滑动副、第二被动滑动副、第三被动滑动副及第四被动滑动副，调整单元包括可调转盘、丝杠调整单元及导杆调整单元；

该上肢康复外骨骼机构通过可调转盘安装在升降柱的顶端，升降柱的下部连接装置底板，调整升降柱的高度以适应不同患者的身高尺寸；

可调转盘分别连接悬臂梁与主动关节及被动滑动副，主动关节及被动滑动副安装在悬臂梁的末端，通过转动可调转盘，调整悬臂梁及主动关节偏离中心面的距离；

第一被动滑动副及第二被动滑动副水平垂直安装在悬臂梁末端下部，且各滑动副中设置了两个拉伸弹簧，以提高滑动副的弹性和对主动关节的支撑作用；

第一关节竖直地安装在两被动滑动副的下部，第一关节的轴线竖直指向人体盂肱关节的中心；

第二关节通过侧立板连接第一关节，第二关节垂直地安装在侧立板上，第二关节的轴线水平地指向人体盂肱关节的中心；

第三关节安装在第二关节的旋转臂上，第三关节的轴线沿人体上臂指向人体盂肱关节的中心；

丝杠调整单元安装在旋转臂与第三关节之间，通过调整第三关节沿自身轴线方向的位置，以适应不同患者的上臂尺寸；

第三被动滑动副设置在第三关节的外半环内，第三被动滑动副的内半环与人体上臂绑缚连接，采用直线轴承的方式，使得内半环能够沿外半环相对滑动，且两者之间设置了四个压簧，该滑动副用于补偿及适应人体上肢在抬升过程中上臂与第三关节的位移偏离；

第四关节与人体肘关节相对应，第四关节连接第三关节与第五关节；

第五关节的五级箱体上安装了第四被动滑动副，在第四滑动副内设置了四个压簧，半滑环能够沿固定环滑动，半滑环与人体前臂绑缚连接，以补偿及适应人体前臂相对于第五关节的位移变化；

导杆调整单元安装在五级箱体上，手柄及夹持架安装在两根光杆上，能够沿光杆移动，以适应不同患者的前臂尺寸。

2、进一步，可调转盘包括支撑轴、转盘底座、锁紧手轮及一级深沟球轴承；

支撑轴由两一级深沟球轴承支撑，支撑轴采用空心结构且上部设置了定位止口，锁紧手轮用于将转盘锁紧在工作位置。

3、进一步，第一被动滑动副通过固定底板悬挂在悬臂梁末端的下部，第一被动滑动副采用双平行导轨和滑块的方式，一级面板安装在四个滑块上，在固定底板与一级面板之间设置了两根拉伸弹簧，同时在固定底板上沿一级面板滑动方向设置了两个限位块。

4、进一步，第二被动滑动副垂直安装在一级面板上，第二被动滑动副同样采用双平行导轨和滑块的方式，二级面板安装在四个滑块上，在一级面板与二级面板之间设置了两根拉伸弹簧，同时在一级面板上沿二级面板滑动方向设置了两个限位块。

5、进一步，丝杠调整单元采用丝杠和双导杆结构，该单元安装在第二关节的旋转臂上，第三关节的三级箱体上设置了两个通孔，且在三级箱体的内部安装有一个螺母副，螺母副与丝杠配合；

丝杠的两端由二级深沟球轴承和三级深沟球轴承支撑，丝杠一端安装了旋转手轮，手动调整第三关节在丝杠调整单元上的位置。

6、进一步，第三被动滑动副安装在第三关节的外半环内，外半环带动第三被动滑动副转动；

第三被动滑动副的内半环的上下两侧各设计了一个凸台，在两凸台内采用过盈的配合方式各安装一个一级直线轴承，一级直线轴承与安装在外半环内的一级光杆滑动配合；

在一级直线轴承的两侧各设置一根一级压簧，共安装了四根一级压簧。

7、根据权利要求1所述的一种含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构，其特征在于，第四被动滑动副安装在第五关节的五级箱体上，第四被动滑动副包括固定半环、滑动半环、二级直线轴承、二级光杆及二级压簧；

固定半环与五级箱体通过螺钉连接，滑动半环的上下两侧各设计了凸台，在两凸台内采用过盈的方式各安装一个二级直线轴承，二级直线轴承与安装在固定半环内的二级光杆配合；

在二级直线轴承的两侧各设置一根二级压簧，共安装了四根二级压簧。

8、进一步，导杆调整单元安装在第五关节的五级箱体上，两根二级导杆插接箱体上，手柄及夹持架通过两个开口座安装在二级光杆上，开口座上设计了两个通孔，且通孔侧边切开具有一定宽度的缝隙。

与现有技术相比本发明的有益效果是：通过在人机连接环节引入被动关节使人机闭链转化为运动学恰约束系统，在康复训练过程中不需要保持人机对应关节轴线(转心)对齐，便可实现人体上肢与外骨骼机构之间的运动相容性。同时，由于外骨骼主机构直接与悬臂梁相连，外骨骼重力与被动滑动副中的摩擦力/矩主要由悬臂梁和驱动器承受，可有效降低患肢的负载和附加约束力/矩。

附图说明

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是可调转盘的剖视图；

图4是第一被动滑动副和第二被动滑动副的爆炸视图；

图5是丝杠调整单元的剖视图；

图6是第三关节和第三被动滑动副的轴测视图；

图7是第三被动滑动副的剖视图；

图8是第五关节和第四被动滑动副的轴侧视图；

图9是第四被动滑动副的剖视图。

具体实施方式

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。

参图1至图9所示，图1是该上肢康复外骨骼机构的轴测视图，图2是该上肢康复外骨骼机构的局部视图，图3是可调转盘的剖视图，图4是第一被动滑动副和第二被动滑动副的爆炸视图，图5是丝杠调整单元的剖视图，图6是第三关节和第三被动滑动副的轴测视图，图7是第三被动滑动副的剖视图，图8是第五关节和第四被动滑动副的轴侧视图，图9是第四被动滑动副的剖视图。

本实施例提供了一种含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构，参图1～图9所示，该上肢康复外骨骼机构包括5个主动关节、4个被动滑动副及3个调整单元，主动关节包括第一关节3、第二关节4、第三关节6、第四关节7及第五关节8，被动滑动副包括第一被动滑动副、第二被动滑动副、第三被动滑动副10及第四被动滑动副11，调整单元包括可调转盘1、丝杠调整单元5及导杆调整单元9。上肢康复外骨骼的主机构通过可调转盘1安装在升降柱102的顶端，所述升降柱102的下部连接装置底板101，患者104坐靠在专用座椅103上，调整所述升降柱102的高度以适应不同患者104的身高尺寸。该上肢康复外骨骼机构的五个主动关节呈串联排列，由直流电机经谐波减速器驱动。

可调转盘1分别连接悬臂梁21与主动关节、被动滑动副，主动关节及被动滑动副安装在所述悬臂梁21的末端，通过转动所述可调转盘1，调整所述悬臂梁21及主动关节偏离中心面的距离。第一被动滑动副及第二被动滑动副水平垂直安装在所述悬臂梁21末端下部，两滑动副被外罩2包裹，且在各滑动副中设置了两个拉伸弹簧，以提高滑动副的弹性和对主动关节的支撑作用。第一关节3竖直地安装在第二被动滑动副的下部，所述第一关节3的轴线指向所述患者104的盂肱关节中心。第二关节4通过侧立板22连接所述第一关节3，所述第二关节4垂直地安装在所述侧立板22上，所述第二关节4的轴线水平地指向所述患者104的盂肱关节中心。第三关节6安装在所述第二关节4的旋转臂39上，所述第三关节6的轴线沿所述患者104的上臂指向其盂肱关节中心。丝杠调整单元5安装在所述旋转臂39与所述第三关节6之间，调整所述第三关节6沿自身轴线方向的位置，以适应不同患者的上臂尺寸。第三被动滑动副10设置在所述第三关节6的外半环47内，所述第三被动滑动副10的内半环48与所述患者104的上臂绑缚连接，采用直线轴承的方式，使得所述内半环48能够沿所述外半环47相对滑动，且两者之间设置了四个压簧54，所述第三被动滑动副10用于补偿及适应人体上肢在抬升过程中上臂与所述第三关节6的位移偏离。第四关节7与所述患者104的肘关节相对应，所述第四关节7连接所述第三关节6与第五关节8。所述第五关节8的五级箱体上安装了第四被动滑动副11，在所述第四被动滑动副11内设置了四个压簧63，半滑环61能够沿固定环56滑动，所述半滑环61与所述患者104的前臂绑缚连接，以补偿及适应前臂相对于所述第五关节8的位移变化。导杆调整单元9安装在所述第五关节8的五级箱体上，手柄68及夹持架67安装在两根二级导杆64上，能够沿所述二级导杆64移动，以适应不同所述患者104的前臂尺寸。

所述可调转盘1包括支撑轴23、转盘底座24、锁紧手轮26及一级深沟球轴承25，所述支撑轴23由两个一级深沟球轴承25支撑，所述支撑轴23采用空心结构且上部设置了定位止口，所述锁紧手轮26用于将所述支撑轴23锁紧。所述悬臂梁21安装在所述支撑轴23上，两者通过螺钉连接，所述悬臂梁21随所述支撑轴23一同转动。

第一被动滑动副通过固定底板28悬挂在所述悬臂梁21末端的下部，第一被动滑动副采用双平行导轨和滑块的方式，两条一级导轨31安装在所述固定底板28上，所述一级导轨31上各安装两个一级滑块32，一级面板29安装在四个一级滑块32上，在所述固定底板28与所述一级面板29之间设置了两根一级拉伸弹簧33，所述一级拉伸弹簧33两端分别固定在所述固定底板28和所述一级面板29，两根所述一级拉伸弹簧33从两个方向上拉紧所述一级面板29，使得所述一级面板29沿所述一级导轨31滑动时具有一定的弹性。同时，在所述固定底板28上设计了两个一级限位块34，以限制所述一级面板29的最大行程。

第二被动滑动副垂直安装在所述一级面板29上，第二被动滑动副同样采用双平行导轨和滑块的方式，两条二级导轨35安装在所述一级面板29上，所述二级导轨35上各安装两个二级滑块36，二级面板30安装在四个二级滑块36上，在所述一级面板29与所述二级面板30之间设置了两根二级拉伸弹簧37，所述二级拉伸弹簧37两端分别固定在所述一级面板29与所述二级面板30上，两根所述二级拉伸弹簧37从两个方向上拉紧所述二级面板30，使得所述二级面板30沿所述二级导轨35滑动时具有一定的弹性。同时，在所述一级面板29上设计了两个二级限位块38，以限制所述二级面板30的最大行程。

所述丝杠调整单元5采用丝杠和双导杆结构，该单元安装在所述旋转臂39上，所述第三关节6的三级箱体上设置了两个通孔，两根一级导杆40穿过通孔，所述一级导杆40一端插接在所述旋转臂39中，所述一级导杆40的另一端安装在方形座44内。在三级箱体的内部安装有螺母副42，所述螺母副42与丝杠41配合。所述丝杠41的两端由二级深沟球轴承43和三级深沟球轴承45支撑，所述丝杠41一端安装了旋转手轮46，手动转动所述旋转手轮46，调整所述第三关节6在所述丝杠调整单元5上的位置。

所述第三被动滑动副10安装在所述第三关节6的所述外半环47内，所述第三关节6采用一级同步带49带动所述外半环47绕自身轴线转动，所述一级同步带49两端固定在所述外半环47的开口端面，由一级压板50压紧；同时，所述外半环47带动所述第三被动滑动副10转动。在所述外半环47内安装了两根一级光杆52，所述一级光杆52的两端由两个一级端盖51固定，两个一级光杆52呈对称平行布置。所述第三被动滑动副10的内半环48上下两侧各设计了一个凸台，在两凸台内采用过盈的方式各安装一个一级直线轴承53，所述一级直线轴承53与所述一级光杆52滑动配合，所述内半环48与人体上臂绑缚连接，因此，所述内半环48能够沿所述一级光杆52滑动，以适应在上肢抬升过程中上臂相对于所述第三关节6的位移变化。为了使得所述第三被动滑动副10具有一定的弹性，在所述一级直线轴承53的两侧各设置一根一级压簧54，因此，共安装了四根所述一级压簧54。

所述第四关节7与开口环座55连接，所述第五关节8安装在所述开口环座55上且两者通过二级同步带57连接，所述二级同步带57的两端通过二级压板58固定在所述开口环座55，所述第五关节8能够沿所述开口环座55转动，同时，带动所述第四被动滑动副11同步旋转。

所述第四被动滑动副11安装在所述第五关节8的五级箱体上，所述第四被动滑动副11包括固定半环56、滑动半环61、二级直线轴承62、二级光杆60及二级压簧63。所述固定半环56与五级箱体通过螺钉连接，在固定半环56内安装了两根二级光杆60，所述二级光杆60的两端由两个二级端盖59固定，两所述二级光杆60呈对称平行布置。所述滑动半环61的上下两侧各设计了凸台，在两凸台内采用过盈的方式各安装一个二级直线轴承62，所述二级直线轴承62与所述二级光杆60配合。所述滑动半环61与人体前臂绑缚连接，因此，所述滑动半环61能够沿所述二级光杆60滑动，以适应在上肢抬升过程中前臂相对于所述第五关节8的位移变化。为了使得所述第四被动滑动副11具有一定的弹性，在所述二级直线轴承62的两侧各设置一根二级压簧63，因此，共安装了四根所述二级压簧63。

导杆调整单元9安装在所述第五关节8的五级箱体上，两根二级导杆64的一端插接箱体上，另一端由矩形座固定65，两所述二级导杆64平行排列。手柄68及夹持架67通过两个开口座66安装在所述二级导杆64上，所述开口座66上设计了两个通孔，且通孔侧边切开具有一定宽度的缝隙。在所述开口座66的开缝位置设计有螺纹孔，通过连接螺钉控制缝隙的宽度，以使得所述开口座固定在所述二级导杆64上。本发明提供一种含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构，具有如下有益效果：

1)通过增加四个被动滑动副，该上肢康复外骨骼机构能够跟踪及补偿患者盂肱关节中心的位移变化，使得外骨骼机构转化为恰约束系统。

2)在被动滑动副中增设拉伸弹簧和压簧，使得被动滑动副具有一定的柔弹性，能够对外骨骼主动关节及人体上肢提供一定的支撑作用。

3)本发明中引入三个调整单元，能够适应不同患者的身体尺寸，增加该上肢康复外骨骼机构的通用性。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

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。