一种多自由度的假肢手臂关节的制作方法

本发明涉及医疗康复器械技术领域，尤其是涉及一种多自由度的假肢手臂关节。

背景技术：

随着各类自然灾害和工伤、车祸、外伤等事故的不断发生以及一些疾病的影响，现在不得不截肢的患者正在逐年上升。对于截肢的患者来说，他们最常见的恢复措施就是安装假肢。通过佩戴假肢，来完成相应的一些动作以获得基本的生活自理能力。随着现在科技的不断发展，越来越多的残疾人可以通过佩戴假肢等辅助器械的帮助来提高自身的生活质量甚至是恢复一些基本的工作能力。但是，现有目前市面上所能够提供的假肢要么是纯机械传动类的结构，无法实现自动化的操作过程。要么是由微电机或者气缸驱动做一些单自由度的简单动作而无法实现关节处的旋转和屈伸的过程。即使现在市面上存在一些可以同时实现多自由度的假肢关节的操作，其也仅仅是通过单个电机驱动单个自由度，即需要解决屈伸的问题就需要单独的屈伸电机用于驱动屈伸，需要解决旋转的问题就需要单独的旋转电机用于驱动旋转，而屈伸电机与旋转电机之间互不关联。而当需要带动大负载运动时，就需要选用驱动力高的电机来实现。所以这种假肢不仅是需要多个电机驱动假肢的多个自由度，而且单个电机也需选用加大重量的高驱动力电机才能实现驱动操作，由此将会导致整个假肢的重量大和而导致截肢者在佩戴这种假肢时所佩戴的舒适性差以及佩戴使所需要操作使用时的实用性也不理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有假肢关节结构通常采用单个电机驱动单个自由度而导致运动能力受限以及电机重量大而导致的假肢整体的重量大和佩戴的舒适性和实用性都不足的缺点，提供一种多自由度的假肢手臂关节。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种多自由度的假肢手臂关节，包括驱动部件以及由所述驱动部件同时驱动实现旋转、屈伸或摆动的输出部件；所述驱动部件包括并列设置的第一驱动组件和第二驱动组件，所述输出部件包括输出端、与输出端固定连接的从动锥齿轮以及两个相对设置的第一驱动锥齿轮和第二驱动锥齿轮，所述从动锥齿轮与所述第一驱动锥齿轮和所述第二驱动锥齿轮均正交啮合，所述第一驱动组件用于驱动所述第一驱动锥齿轮转动，所述第二驱动组件用于驱动第二驱动锥齿轮转动，所述从动锥齿轮由所述第一驱动锥齿轮和所述第二驱动锥齿轮啮合传动实现所述输出端的旋转、屈伸或摆动过程。

进一步地，所述第一驱动组件包括第一驱动马达和设于所述第一驱动马达上的第一减速器，所述第一减速器上设有第一输出轴；所述第二驱动组件包括第二驱动马达和设于所述第二驱动马达上的第二减速器，所述第二减速器上设有第二输出轴。

进一步地，还包括设于所述第一驱动组件与所述第一驱动锥齿轮之间的第一传动组件和设于所述第二驱动组件与所述第二驱动锥齿轮之间的第二传动组件；所述第一传动组件和所述第二传动组件相对设置。

进一步地，所述第一传动组件包括相互平行设置的第一传动轴和第二传动轴，所述第一传动轴与所述第二传动轴通过第一传送组件传动连接，所述第一传动轴与所述第一驱动组件传动连接，所述第二传动轴与第一驱动锥齿轮固定连接；所述第二传动组件包括相互平行设置的第三传动轴和第四传动轴，所述第三传动轴和第四传动轴通过第二传送组件传动连接，所述第三传动轴与所述第二驱动组件传动连接，所述第四传动轴与所述第二驱动锥齿轮固定连接；所述第一传送组件与所述第二传送组件相对设置。

具体地，所述第一传动组件还包括将所述第一传动轴与所述第一驱动组件传动连接的第一连接组件，所述第一连接组件包括与所述第一驱动组件固定连接的第一蜗杆和设于所述第一传动轴上的第一涡轮，所述第一蜗杆和所述第一涡轮相互啮合传动；所述第二传动组件还包括将所述第三传动轴与所述第二驱动组件传动连接的第二连接组件，所述第二连接组件包括与所述第二驱动组件120固定连接的第二蜗杆和设于所述第三传动轴上的第二涡轮，所述第二蜗杆和所述第二涡轮啮合传动；所述第一连接组件与所述第二连接组件相对设置。

具体地，所述第一传送组件包括设于所述第一传动轴上的第一连接件、设于所述第二传动轴上的第二连接件以及设于所述第一连接件和所述第二连接件上的第三连接件；所述第二传送组件包括设于所述第三传动轴上的第四连接件、设于第四传动轴上的第五连接件以及设于所述第四连接件和所述第五连接件上的第六连接件。

具体地，所述第一连接件、第二连接件、第四连接件、第五连接件为同步带轮，所述第三连接件和第六连接件为同步带。

具体地，所述第一传送组件还包括设于所述第一传动轴上的第一套筒和设于所述第二传动轴上的第二套筒；所述第二传送组件还包括设于所述第三传动轴上的第三套筒和设于所述第四传动轴上的第四套筒。

具体地，还包括用于固定所述第一传动轴和第二传动轴一端的第一支撑架，用于固定所述第三传动轴和第四传动轴一端的第二支撑架，用于固定所述第一传动轴和所述第三传动轴另一端的第三支撑架，用于固定所述第二传动轴和所述第四传动轴另一端的第四支撑架，所述第三支撑架分别与所述第一支撑架和所述第二支撑架固定连接，所述第四支撑架分别与所述第一支撑架和所述第二支撑架固定连接。

具体地，所述第一支撑架和所述第二支撑架上均设有用于外部连接的连接部件。

本发明所提供的一种多自由度的假肢手臂关节的有益效果在于：具有第一驱动组件和第二驱动组件的两个驱动电机同时作用于输出部件的两个驱动锥齿轮上，并最终在从动锥齿轮的输出端上实现内旋转、外旋转、屈曲和伸展以及摆动五个不同的动作轨迹，即可用于模拟人体关节处的旋转屈伸和摆动使用，由于是两个驱动组件共同驱动，减小了电机的功率需求，并且其内部结构更为紧凑，径向尺寸小巧，便于放置在仿人手臂腔体内部实现假肢的关节结构，其整体的重量轻、成本低、通用性好，实用性强，更为适合截肢者佩戴使用。

附图说明

图1是本发明提供的一种多自由度的假肢手臂关节的原理图；

图2是本发明提供的一种多自由度的假肢手臂关节的输出部件的原理图；

图3是本发明提供的一种多自由度的假肢手臂关节的第一传动组件的原理图。

图中：1-多自由度的假肢手臂关节

100-驱动部件110-第一驱动组件120-第二驱动组件

111-第一驱动马达112-第一减速器113(123)-编码器

114-第一输出轴121-第一驱动马达122-第二减速器

124-第二输出轴

300-第一传动组件310-第一传动轴320-第二传动轴

330-第一传送组件340-第一连接组件

311-第一轴承312-第二轴承321-第三轴承

322-第四轴承331-第三连接件第一连接件332-第六连接件第二连接件

333-第三连接件334-第一套筒335-第二套筒

341-第一蜗杆342-第一涡轮

400-第二传动组件410-第三传动轴420-第四传动轴

430-第二传送组件440-第二连接组件

510-第一支撑架520-第二支撑架530-第三支撑架

540-第四支撑架550-第五支撑架

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图3，为本发明所提供的一种多自由度的假肢手臂关节1,该关节1可以用于模拟人体的腕关节、肘关节或者肩关节使用。该假肢手臂关节1可以实现旋转、屈伸和摆动三个主动自由度，即可以完成内旋、外旋、屈曲和伸展以及摆动五个动作。具体地，如图1所示，本发明所提供的一种多自由度的假肢手臂关节1包括驱动部件100以及由驱动部件100同时驱动实现旋转、屈伸或摆动的输出部件200，驱动部件100包括并列设置的第一驱动组件110和第二驱动组件120。该驱动部件100在整个关节中并列设置且对称设置。本发明所提供假肢手臂关节1可以通过驱动部件100来实现自动化操作，即通过驱动部件100的驱动，带动输出部件200实现关节部位的五种不同动作的输出。而本发明所提供的假肢手臂关节1是由第一驱动组件110和第二驱动组件120两个驱动件实现的共同驱动。由两个驱动件，不仅可以在同等力量输出的时候，降低驱动电机的功率，还可以通过两个驱动电机同时作用在输出部件200上实现旋转和屈伸和摆动三种自由度的操作。

如图2所示，为本发明所提供的多自由度的假肢手臂关节1的输出部件200的原理图。该输出部件200包括输出端210、与输出端210固定连接的从动锥齿轮220以及两个相对设置的第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240，从动锥齿轮220与第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240均正交啮合，从动锥齿轮220由第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240啮合传动实现输出端210的旋转、屈伸或摆动过程。该输出端210设置在第五支撑架250上，由该输出端210实现整个关节1的旋转、屈伸或摆动的动作输出。而两个驱动部件100分别用于驱动输出部件200中的第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240。由第一驱动组件110用于驱动第一驱动锥齿轮230转动，由第二驱动组件120用于驱动第二锥齿轮240转动。该第一驱动锥齿轮230与第二驱动锥齿轮240两者相对且相向设置。同时与输出端210固定连接的从动锥齿轮220相互正交啮合，无论是第一驱动锥齿轮230转动，还是第二驱动锥齿轮240转动都可以带动从动锥齿轮220转动或者沿着第一驱动锥齿轮230的圆周方向移动。因此，本发明所提供的多自由度的假肢手臂关节1通过了两个驱动部件100同时作用在输出部件200中的锥齿轮上，通过与从动锥齿轮220相互啮合传动的过程实现不同的运动轨迹，完成关节的动作。该第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240两者尺寸一致，齿数一致且相对设置。

具体地，如图1所示，本发明所提供的多自由度的假肢手臂关节1的驱动部件100包括第一驱动组件110和第二驱动组件120。而该第一驱动组件110包括第一驱动马达111和设于第一驱动马达111上的第一减速器112，第一减速器112上设有第一输出轴114；第二驱动组件120包括第二驱动马达121和设于第二驱动马达121上的第二减速器122，第二减速器122上设有第二输出轴124。该第一驱动组件110中的第一驱动马达111和第二驱动组件120中的第二驱动马达121为两个主要的动力输出能源，通过分别控制第一驱动马达111和第二驱动马达121可以实现两者电机的正向转动或反向转动。该第一驱动马达111上的第一减速器112与第一驱动马达111传动连接，因此第一驱动马达111驱动第一减速器112转动，而该第一输出轴114设置在第一减速器112上。在本实施例中，该第一驱动马达111上还有第一编码器113，通过该第一编码器113可以实现检测整个关节1的运动速度并通过控制第一驱动马达111的驱动电源调节第一减速器112上的第一输出轴114的转速。对应的，第二驱动马达121上也设有第二编码器123，并通过第二编码器123控制第二输出轴124的转速。该第一驱动组件11和第二驱动组件120两者并排对称设置。

进一步地，本发明所提供的多自由度的假肢手臂关节1，为了实现驱动部件100与输出部件200之间机械传动，关节1还包括设于第一驱动组件110与第一驱动锥齿轮230之间的第一传动组件300和设于第二驱动组件120与第二驱动锥齿轮240之间的第二传动组件400；第一传动组件300和第二传动组件400相对设置。在本实施例中，该第一传动组件300和第二传动组件400设置于驱动部件100和输出部件200之间，并且为了整体结构的紧凑性，分别设于左右两侧，两者对称设置。通过该第一传动组件300和第二传动组件400之间的传动连接，实现第一驱动马达111到第一驱动锥齿轮230和第二驱动马达121到第二驱动锥齿轮240之间的传动连接。

具体地，如图3所示，为本发明所提供的多自由度的假肢手臂关节1的第一传动组件300的原理图。该第一传动组件300包括相互平行设置的第一传动轴310和第二传动轴320，第一传动轴310与第二传动轴320通过第一传送组件330传动连接，第一传动轴310与第一驱动组件110传动连接，第二传动轴320与第一驱动锥齿轮230固定连接。该第一传动组件300中具有第一传动轴310与驱动部件100传动连接，具有第二传动轴320与输出部件200传动连接。而该第一传动轴310与第二传动轴320之间通过第一传送组件330传动连接。该第一传动轴310和第二传动轴320之间还可以通过齿轮轴、钢丝绳等传动方式代替同样带到第一传动轴310和第二传动轴320之间的传动连接。

同样的，如图1所示，在整个多自由度的假肢手臂关节1中，该第一传动组件300的对称的设置了第二传动组件400。该第二传动组件400包括相互平行设置的第三传动轴410和第四传动轴420，第三传动轴410和第四传动轴420通过第二传送组件430传动连接，第三传动轴410与第二驱动组件120传动连接，第四传动轴420与第二驱动锥齿轮240固定连接；第一传送组件330与第二传送组件430相对设置。通过第二传动组件400将第二驱动组件120与输出部件200中的第二驱动锥齿轮240传动连接。

接着如图1所示，该第一传动组件300的第一传动轴310与第一驱动组件110的第一输出轴114垂直设置。因此，第一传动组件300还包括将第一传动轴310与第一驱动组件110传动连接的第一连接组件340，第一连接组件340包括与第一驱动组件110固定连接的第一蜗杆341和设于第一传动轴310上的第一涡轮342，第一蜗杆341和第一涡轮342相互啮合传动。在本实施例中个，该第一连接组件340是第一蜗杆341与第一涡轮342的方式啮合传动，当然该第一连接组件340还可以是锥齿轮组合的形式，同样可以达到转向且传动的作用。对应的，如图1中所示，在传动部件中，在第二传动组件400中也具有第二连接组件440。第二传动组件400还包括将第三传动轴410与第二驱动组件120传动连接的第二连接组件440，第二连接组件440包括与第二驱动组件120固定连接的第二蜗杆和设于第三传动轴410上的第二涡轮，第二蜗杆和第二涡轮啮合传动；第一连接组件340与第二连接组件440相对设置。

具体地，如图3所示，在第一传动组件300中的第一传送组件330包括设于第一传动轴310上的第一连接件331、设于第二传动轴320上的第二连接件332以及设于第三连接件第一连接件331和第六连接件第二连接件332上的第三连接件333。在本实施例中，如图3中所示，该第一连接件331、第二连接件332为同步带轮，第三连接件333为同步带。通过第三连接件333的同步带与设置在第一传动轴310和第二传动轴320上的同步带轮实现到了第一传动轴310和第二传动轴320的同步传动。并且第一传送组件330还包括设于第一传动轴310上的第一套筒334和设于第二传动轴320上的第二套筒335；该套筒的设置可以用来调整设于轴上的同步带轮的轴向位置，使得两个轴上的同步带轮之间可以对齐。

如图1所示，对应的，在第二传动组件400中，该第二传送组件430包括设于第三传动轴410上的第四连接件、设于第四传动轴420上的第五连接件以及设于第四连接件和第五连接件上的第六连接件，在本实施例中，该第四连接件、第五连接件为同步带轮，该第六连接件为同步带。并且第二传送组件430还包括设于第三传动轴410上的第三套筒和设于第四传动轴420上的第四套筒。

在本实施例中，该第一传送组件330和第二传送组件340可以为本实施例中使用的同步带轮和同步带的方式传动，还可以使用类似钢丝绳、带传动、链条传动或者齿条传动的方式代替。

进一步地，如图1所示，该第一传动组件300还包括设于第一传动轴310两端的第一轴承311和第二轴承312，设于第二传动轴320两端的第三轴承321和第四轴承322；通过轴承的设置，可以将第一传动轴310固定在支撑架上，从而限制轴的设置位置。对应的，该第二传动组件400还包括设于第三传动轴410两端的第五轴承和第六轴承，设于第四传动轴420两端的第七轴承和第八轴承。

进步一地，如图1-图3所示，本发明所提供的多自由度的假肢手臂关节1还包括用于固定第一传动轴310和第二传动轴320一端的第一支撑架510，用于固定第三传动轴410和第四传动轴420一端的第二支撑架520，用于固定第一传动轴310和第三传动轴410另一端的第三支撑架530，用于固定第二传动轴320和第四传动轴420另一端的第四支撑架540，第三支撑架530分别与第一支撑架510和第二支撑架520固定连接，第四支撑架540分别与第一支撑架510和第二支撑架520固定连接。该第一支撑架510和第二支撑架520设置在整个关节1的径向的两侧端，因此在第一支撑架510和第二支撑架520上均设有用于外部连接的连接部件。通过该连接部件，可以实现整个关节1与假肢的其他部件的固定连接，例如与手臂的接收腔，手臂的臂腔的固定连接。而且该连接结构可以是螺纹、螺丝连接，也可以是通过尺寸之间的过盈配合，铆钉连接，磁力固定等不同的方式实现与关节1与外部连接。

本发明所提供的一种多自由度的假肢手臂关节1的工作过程：

一、输出端内旋过程

为第一驱动马达111提供正电压，使得电机正向转动，第一驱动马达111经过第一减速器112减速后，带动第一蜗杆341转动，通过第一蜗杆341和第一涡轮342啮合，带到第一传动轴310正向转动，从而使得第一传动轴310上的第一连接件331正向转动，通过第三连接件333带动第二连接件332正向转动，带动第二传动轴320正向转动，使得第一驱动锥齿轮230正向转动。

同理，给第二驱动马达121提供负电压，使得电机反向转动，第二驱动马达121进过第二减速器122减速后，带动第二蜗杆转动，通过第二蜗杆和第二涡轮你和，带动第三传动轴410反向转动，使得第三传动轴410上的第四连接件反向转动，通过第六连接件带动第五连接件反向转动，带动第四传动轴420反向转动，从而使得第二驱动锥齿轮240反向转动。

通过第一驱动锥齿轮230的正向转动和第二驱动锥齿轮240的反向转动，带动与之啮合的从动锥齿轮220正向转动，从而完成输出端210的内旋动作。

二、输出端外旋过程

为第一驱动马达111提供负电压，使得第一驱动锥齿轮230反向转动。同理，给第二驱动马达121提供正电压，从而带动第二驱动锥齿轮240正向转动。通过第一驱动锥齿轮230的反向转动和第二驱动锥齿轮240的正向转动，带动与之啮合的从动锥齿轮220反向转动，从而完成输出端210的外旋动作。

三、输出端屈曲过程

为第一驱动马达111提供正电压，使得第一驱动锥齿轮230正向转动。同理，给第二驱动马达121提供正电压，从而带动第二驱动锥齿轮240正向转动。通过第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240均为正向转动，带动与之啮合的从动锥齿轮220绕着第一驱动锥齿轮230的圆周方向顺时针移动，从而完成输出端210的屈曲过程。

四、输出端伸展过程

为第一驱动马达111提供负电压，使得第一驱动锥齿轮230反向转动。同理，给第二驱动马达121提供负电压，从而带动第二驱动锥齿轮240反向转动。通过第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240均为反向转动，带动与之啮合的从动锥齿轮220绕着第一驱动锥齿轮230的圆周方向逆时针移动，从而完成输出端210的伸展过程。

五、输出端摆动过程

先为第一驱动马达111提供正电压，为第二驱动马达121提供负电压，使得第一驱动锥齿轮230正向转动和第二驱动锥齿轮240反向转动，从而带动输出端210发生旋转，当输出端210完成旋转后，再对第一驱动马达111和第二驱动马达121均提供负电压，使得第一驱动锥齿轮230和第二驱动锥齿轮240均反向转动，从而带动输出端210产生移动，从而产生输出端210的摆动过程。

六、单个假肢手臂关节单独使用

将本发明所提供的一种多自由度的多自由度的假肢手臂关节1仅由于夹持手臂关节中腕关节、肘关节或者肩关节其中一个关节使用，作为三个自由度的前臂假肢使用。其仅仅是作为一个关节使用，实现内旋、外旋、屈曲和伸展以及摆动的动作。

七、两个假肢手臂关节组合使用

将本发明所提供的一种多自由度的多自由度的假肢手臂关节1组合使用，两个假肢手臂关节1可以作为假肢手臂处的腕关节和肘关节，两个假肢手臂关节1的组合方式可以实现六个自由度的上臂假肢使用，即可以实现腕关节处的内旋、外旋、屈曲、伸展和摆动的动作，也可以实现肘关节处的内旋、外旋、屈曲、伸展和摆动的动作。

八、三个假肢手臂关节组合使用

将本发明所提供的一种多自由度的多自由度的假肢手臂关节1组合使用，三个假肢手臂关节1可以作为假肢手臂处的腕关节、肘关节和肩关节，三个假肢手臂关节1的组合方式可以实现九个自由度的上肢假肢使用，即可以实现腕关节处的内旋、外旋、屈曲、伸展和摆动的动作，也可以实现肘关节处的内旋、外旋、屈曲、伸展和摆动的动作，同时实现肩关节处的内旋、外旋、屈曲、伸展和摆动的动作。

本发明所提供的一种多自由度的假肢手臂关节1的有益效果在于：

第一，本发明提供的假肢手臂关节1可以实现内旋、外旋、屈曲和伸展和摆动五个的动作，因此可以作为假肢手臂的腕关节、肘关节或者肩关节中某一个关节处单独使用，也可以通过组合的形式叠加使用，实现三个关节处的同时作用达到三个不同自由度的动作，该假肢手臂关节1具有两个驱动电机同时作用于输出部件200的两个驱动锥齿轮上，并最终在从动锥齿轮220的输出端210上实现五种不同的动作。

第二，本发明提供的假肢手臂关节1由于驱动部件100具有两个电机同时驱动，因此可以减小了电机的功率需求，从而可以选择尺寸和重量都更小的电机使用，进而可以减小整个关节1的尺寸和重量。

第三，本发明提供的假肢手臂关节1其输出端210和驱动部件100均是沿着轴向方向设置，通过传动部件实现了驱动部件100带动输出端210发生旋转、屈伸和摆动的工作过程，通过本发明的关节的传动组件和输出部件以及驱动部件的合理布局，可以使得整个手臂关节1其内部结构更为紧凑，径向尺寸可以根据人体构造设计的更为小巧，便于放置在仿人手臂腔体内部实现假肢的关节结构，也不会影响夹持的仿人尺寸设计，因此，整个假肢手臂关节其整体的重量轻、成本低、通用性好，实用性强，更为适合截肢者佩戴使用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。