一种基于仿生结构的肩关节工作方法与流程

本发明涉及一种用于假肢的肩关节的工作方法，属于仿生机械技术领域。

背景技术：

每年，世界上因为自然灾害、战伤、先天等原因，会造成人员的肢体残疾，肢体残疾给残疾人士带来了生活上的不方便，为残疾人提供好的服务，是一个积德行善的崇高事业。

目前机械手臂领域，机械手臂普遍体积大、质量重，结构不够轻巧，使用不够灵活，工作空间不够大，严重地影响了残疾人士的使用。

公开号为cn104908060a的中国专利文件提出了一种五自由度并串联仿生肩关节，实现了肩关节三维平面的运动，但是该机构过于复杂，难免体积过大，外形上与人的肩关节外形上相差甚远，无法用在假肢上；公开号为cn101301755a的中国专利文件提出一种具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，该技术虽然体积较小，但并联机构控制复杂，如果用在假肢上，对于残疾人来说要想实现精确控制不易操作。

技术实现要素：

针对现有仿生肩关节难以用在假肢上的技术缺陷，本发明提供一种基于仿生结构的肩关节工作方法，该方法使用电机作为动力源，可以模仿人的关节，实现屈/伸、展/伸两个自由度的运动，具有结构精巧、体积小、运动灵活、控制简单的优点，可以更加有效的帮助肢体残疾人士的日常生活。

本发明的技术方案如下：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，该方法所用的仿生肩关节机构包括屈伸装置和展伸装置；屈伸装置包括两个对称设置的t型板，两个t型板之间设有端板，端板上设有上齿轮组，上齿轮组包括至少两个依次啮合的齿轮，端板上设有第一电机，第一电机与上齿轮组顶端的齿轮相连；展伸装置包括u型连接板，u型连接板内设有连接块、第二电机和下齿轮组，下齿轮组包括两个啮合的齿轮，连接块包括四个侧面，其中两个相对侧面通过转轴与上齿轮组的末端齿轮相连，另外两个相对侧面通过转轴与下齿轮组顶端的齿轮相连，下齿轮组底端的齿轮通过转轴与第二电机相连；

运行方法包括步骤如下：

第一电机驱动，带动与之相连的上齿轮组顶端的齿轮转动，上齿轮组依次啮合转动，通过转轴带动连接块转动，从而使得展伸装置转动，实现模仿人关节的屈伸运动，第一电机停止驱动，屈伸运动停止；

第二电机驱动，带动与之相连的下齿轮组底端的齿轮转动，下齿轮组依次啮合转动，通过转轴带动u型连接板转动，进而实现模仿人关节的伸展运动，第二电机停止驱动，伸展运动停止。

优选的，所述仿生肩关节机构的上齿轮组包括三个依次啮合的齿轮，上齿轮组顶端的齿轮转动，带动依次啮合的三个齿轮转动。设置了三个齿轮，增大了球关节机构的运动角度，可以防止球关节屈伸运动时发生运动干涉，设置过多齿轮将降低传动效率，增大机构的质量与体积。

进一步优选的，所述仿生肩关节机构的端板上的上齿轮组的数量为两列，一列上齿轮组竖向设置第一齿轮、第三齿轮、第五齿轮，另一列上齿轮组竖向设置第二齿轮、第四齿轮、第六齿轮；第一电机包括第一电机第一输出轴和第一电机第二输出轴，第一电机第一输出轴与第一齿轮相连，第一电机第二输出轴与第二齿轮相连；

第一电机驱动时，第一电机的两个输出轴同时转动，带动第一齿轮和第二齿轮转动，第一齿轮依次带动第三齿轮、第五齿轮转动，第二齿轮依次带动第四齿轮、第六齿轮转动。

进一步优选的，所述仿生肩关节机构的下齿轮组的数量为两列，一列下齿轮组竖向设置第七齿轮、第九齿轮，另一列下齿轮组竖向设置第八齿轮、第十齿轮，第二电机包括第二电机第一输出轴、第二电机第二输出轴，第二电机第一输出轴与第九齿轮相连，第二电机第二输出轴与第十齿轮相连，第七齿轮、第八齿轮之间设有第三传动轴，第三传动轴通过轴承与连接块连接，第三传动轴两端与u型连接板固定连接；

第二电机驱动时，第二电机的两个输出轴同时转动，带动第九齿轮和第十齿轮转动，第九齿轮带动第七齿轮转动，第十齿轮带动第八齿轮转动，带动第三传动轴转动，使u型连接板发生转动。第三传动轴相对于连接块灵活运动，第三传动轴与u型连接板共同运动。

进一步优选的，所述仿生肩关节机构的t型板上设有连接孔，连接块两个相对的侧面设有通孔，第三齿轮与第四齿轮之间设有第一传动轴，第五齿轮与第六齿轮之间设有第二传动轴，第一传动轴通过轴承与t型板的连接孔相连，第二传动轴贯穿连接块的通孔后通过轴承与t型板的连接孔相连。第一传动轴与第二传动轴均通过轴承连接在t型板之间，从而使第一传动轴、第二传动轴相对于t型板能灵活运动。

优选的，所述仿生肩关节机构还包括控制器，控制器与第一电机、第二电机相连，由控制器控制第一电机和第二电机的运动启停和运动时长，控制器为stm32控制器；

使用控制器控制第一电机开始工作，第一电机第一输出轴带动第一齿轮转动，第一电机第二输出轴带动第二齿轮转动，进而第一齿轮带动第三齿轮转动，第三齿轮带动第五齿轮转动，第二齿轮带动第四齿轮转动，第四齿轮带动第六齿轮转动；第五齿轮、第六齿轮带动第二传动轴转动，第二传动轴带动连接块转动，连接块带动整个球关节机构下部分展伸装置转动，进而实现了模仿人关节的屈伸运动，通过控制器控制第一电机停止工作，则整个球关节机构下部分展伸装置停止转动；

通过控制器控制第二电机开始工作，第二电机第一输出轴带动第九齿轮转动，第二电机第二输出轴带动第十齿轮转动，第九齿轮带动第七齿轮转动，第十齿轮带动第八齿轮转动，第七齿轮、第八齿轮带动第三传动轴转动，第三传动轴带动u型连接板转动，进而实现了模仿人关节的伸/展运动，通过控制器控制第二电机停止工作，则整个球关节机构下部分停止转动。

优选的，所述仿生肩关节机构的第一电机通过第一电机连接板与端板相连。

优选的，所属仿生肩关节机构的第二电机通过第二电机连接板与连接块相连。

本发明的有益效果在于：

本发明通过设置全新的屈/伸装置和展/伸装置，并通过控制器控制步进电机，实现了模仿人的关节实现运动复现，实现了屈伸、展收运动。通过多级传动齿轮的应用，实现了动力的远距离传送，减小了机构的体积，增大的关节转动的角度。本发明可以帮助残疾人士的日常生活。结构简单新颖，质量小，体积小，操作简单，运行方便，实用性强。

附图说明

图1是仿生肩关节机构整体结构前视图；

图2是仿生肩关节机构整体结构左视图；

图3是拆去上部分仿生肩关节机构整体结构前视图；

图4是仿生肩关节机构整体结构俯视图；

图5是仿生肩关节机构整体结构立体图；

图6是拆去上部分仿生肩关节机构整体结构左视图；

图7是拆去上部分仿生肩关节机构整体结构俯视图；

其中：1、第七齿轮，2、t型板，3、第三传动轴，4、第八齿轮，5、第十齿轮，6、第二电机第二输出轴，7、第二电机连接板，8、u型连接板，9、第二电机，10、第二电机第一输出轴，11、第九齿轮，12、第五齿轮，13、第三齿轮，14、第一齿轮，15、第一电机第一输出轴，16、第一电机，17、第一电机连接板，18、第一电机第二输出轴，19、第二齿轮，20、第一传动轴，21、第四齿轮，22、第六齿轮，23、第二传动轴，24、连接块。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

如图1-7所示。

实施例1：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，基于仿生肩关节机构，所述仿生肩关节机构包括屈伸装置和展伸装置；屈伸装置包括两个对称设置的t型板2，两个t型板2之间设有端板，端板上设有上齿轮组，上齿轮组包括两个依次啮合的齿轮，端板上设有第一电机16，第一电机16与上齿轮组顶端的齿轮相连；展伸装置包括u型连接板8，u型连接板8内设有连接块24、第二电机9和下齿轮组，下齿轮组包括两个啮合的齿轮，连接块包括四个侧面，其中两个相对侧面通过转轴与上齿轮组的末端齿轮相连，另外两个相对侧面通过转轴与下齿轮组顶端的齿轮相连，下齿轮组底端的齿轮通过转轴与第二电机9相连。

运行方法包括步骤如下：

第一电机驱动，带动与之相连的上齿轮组顶端的齿轮转动，上齿轮组依次啮合转动，通过转轴带动连接块转动，从而使得展伸装置转动，实现模仿人关节的屈伸运动，第一电机停止驱动，屈伸运动停止。

第二电机驱动，带动与之相连的下齿轮组底端的齿轮转动，下齿轮组依次啮合转动，通过转轴带动u型连接板转动，进而实现模仿人关节的伸展运动，第二电机停止驱动，伸展运动停止。

实施例2：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，所述仿生肩关节机构的上齿轮组包括三个依次啮合的齿轮，上齿轮组顶端的齿轮转动，带动依次啮合的三个齿轮转动。设置了三个齿轮，增大了球关节机构的运动角度，可以防止球关节屈伸运动时发生运动干涉，设置过多齿轮将降低传动效率，增大机构的质量与体积。

实施例3：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，其步骤如实施例2所述，所不同的是，所述仿生肩关节机构的端板上的上齿轮组的数量为两列，一列上齿轮组竖向设置第一齿轮14、第三齿轮13、第五齿轮12，另一列上齿轮组竖向设置第二齿轮19、第四齿轮21、第六齿轮22；第一电机包括第一电机第一输出轴15和第一电机第二输出轴18，第一电机第一输出轴15与第一齿轮14相连，第一电机第二输出轴18与第二齿轮19相连，如图2所示。

第一电机驱动时，第一电机的两个输出轴同时转动，带动第一齿轮和第二齿轮转动，第一齿轮依次带动第三齿轮、第五齿轮转动，第二齿轮依次带动第四齿轮、第六齿轮转动。

实施例4：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，其步骤如实施例3所述，所不同的是，所述仿生肩关节机构的下齿轮组的数量为两列，一列下齿轮组竖向设置第七齿轮1、第九齿轮11，另一列下齿轮组竖向设置第八齿轮4、第十齿轮5，第二电机包括第二电机第一输出轴10、第二电机第二输出轴6，第二电机第一输出轴10与第九齿轮11相连，第二电机第二输出轴6与第十齿轮5相连，第七齿轮1、第八齿轮4之间设有第三传动轴3，第三传动轴3通过轴承与连接块24连接，第三传动轴3两端与u型连接板8固定连接，如图1、图3所示。

第二电机驱动时，第二电机的两个输出轴同时转动，带动第九齿轮和第十齿轮转动，第九齿轮带动第七齿轮转动，第十齿轮带动第八齿轮转动，带动第三传动轴转动，使u型连接板发生转动。第三传动轴相对于连接块灵活运动，第三传动轴与u型连接板共同运动。

实施例5：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，其步骤如实施例4所述，所不同的是，所述仿生肩关节机构的t型板2上设有连接孔，连接块两个相对的侧面设有通孔，第三齿轮13与第四齿轮21之间设有第一传动轴20，第五齿轮12与第六齿轮22之间设有第二传动轴23，第一传动轴20通过轴承与t型板的连接孔相连，第二传动轴23贯穿连接块的通孔后通过轴承与t型板的连接孔相连。第一传动轴与第二传动轴均通过轴承连接在t型板之间，从而使第一传动轴、第二传动轴相对于t型板能灵活运动。

实施例6：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，其步骤如实施例5所述，所不同的是，所述仿生肩关节机构还包括控制器，控制器与第一电机、第二电机相连，由控制器控制第一电机和第二电机的运动启停和运动时长，控制器为stm32控制器。

使用控制器控制第一电机开始工作，第一电机第一输出轴带动第一齿轮转动，第一电机第二输出轴带动第二齿轮转动，进而第一齿轮带动第三齿轮转动，第三齿轮带动第五齿轮转动，第二齿轮带动第四齿轮转动，第四齿轮带动第六齿轮转动；第五齿轮、第六齿轮带动第二传动轴转动，第二传动轴带动连接块转动，连接块带动整个球关节机构下部分展伸装置转动，进而实现了模仿人关节的屈伸运动，通过控制器控制第一电机停止工作，则整个球关节机构下部分展伸装置停止转动。

通过控制器控制第二电机开始工作，第二电机第一输出轴带动第九齿轮转动，第二电机第二输出轴带动第十齿轮转动，第九齿轮带动第七齿轮转动，第十齿轮带动第八齿轮转动，第七齿轮、第八齿轮带动第三传动轴转动，第三传动轴带动u型连接板转动，进而实现了模仿人关节的伸/展运动，通过控制器控制第二电机停止工作，则整个球关节机构下部分停止转动。

实施例7：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，所述仿生肩关节机构的第一电机16通过第一电机连接板17与端板相连。

实施例8：

一种基于仿生结构的肩关节工作方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，所属仿生肩关节机构的第二电机9通过第二电机连接板7与连接块24相连。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。