一种全自由度上肢外骨骼装置的制作方法

1.本发明涉及外骨骼技术领域，具体涉及一种全自由度上肢外骨骼装置。


背景技术：

2.可穿戴式外骨骼或称动力外骨骼，是一种由硬性或软性材料构成框架并且可让人穿上的机器装置，这个装备可以提供额外能量来增强人体搬运重物的能力。机械外骨骼的用途多样，主要用途是用来帮助重体力劳动者，以减轻他们的负担，如物流，建筑行业；也可用于残障者的康复训练，或作为义肢帮助截瘫患者的自主生活。动力外骨骼也可用于军用，增强士兵的体能和防护性。
3.现有的外骨骼主要存在着重量大，不够灵活，特别是自由度不够的问题。在穿戴者穿上外骨骼机器人后，外骨骼机器人的机械结构阻碍穿戴者的运动，限制了穿戴者的活动范围。
4.为此，我们提出一种全自由度上肢外骨骼装置，使其不妨碍穿戴者的运动，特别是能跟随人的肩关节的运动，符合人体手臂活动时肩膀回转中心的抬升，在提供助力的同时保证了穿戴者的舒适性，提高装置活动的自由度和使用者人体的舒适度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种全自由度上肢外骨骼装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种全自由度上肢外骨骼装置，包括支撑机构，上臂机构和前臂机构。
7.支撑机构包括主立柱，肩颈主板，腰后板，u型板和斜立柱。u型板安装在腰后板的背面，主立柱上端固定安装在肩颈主板中部，主立柱下端固定安装在u型板的背面，斜立柱左右设置有两个，两个斜立柱的下端与u型板均为转动连接。
8.上臂机构包括肩部连接板，肩部活动片，肩撑，肩关节驱动单元，和凸轮。肩部连接板，肩部活动片，肩撑和凸轮均对称设置在主立柱和肩颈主板的两侧；肩部连接板的一侧和肩颈主板转动连接，同时肩部连接板的底部和斜立柱转动连接，肩部连接板的另一侧转动连接有肩部活动片；肩部活动片与肩撑转动连接，凸轮与肩撑转动连接，肩撑侧部设置有凸轮接触面，凸轮的边缘与凸轮接触面相贴，肩关节驱动单元设置在凸轮底侧。
9.前臂机构包括肘关节驱动单元，肘关节驱动单元和上臂长度调节单元转动连接，肘关节驱动单元的一侧固定连接有支撑板。
10.在本发明的一种实施例中，凸轮外侧设置有辅助旋转组件，辅助旋转组件底侧与肩关节驱动单元连接，支撑板的一侧和肩关节驱动单元转动连接。
11.在本发明的一种实施例中，肩撑一侧固定连接有滑座，滑座上滑动连接有滑动板，滑动板一侧固定连接有连接座，连接座与凸轮一体化设置，肩关节驱动单元固定连接在连接座上。
12.在本发明的一种实施例中，凸轮与肩撑侧部的凸轮接触面，滑座，滑动板等构成滑动副，在肩关节驱动电机驱动外骨骼手臂作屈曲/伸展的同时，抬升整个手臂(上臂和前臂)，以跟随穿戴者的肩关节的骨骼运动。但这种抬升机构不仅仅限于滑动副，其他方式，如凸轮与凸轮对滚，带齿凸轮与带齿凸轮，齿轮与齿轮，齿轮与齿条，等方式都包含在内。在本发明的一种实施例中，肩关节驱动单元包括肩部连接部，肩部连接部和连接座转动连接，肩部连接部下端设置有伸缩杆，伸缩杆下端固定连接有前臂连接部。
13.在本发明的一种实施例中，肩关节驱动单元包括第一减速器，第一减速器固定连接在连接座上，第一减速器的输入端固定连接有肩关节同步带轮；
14.肩部连接部上固定连接有肩关节驱动电机，肩关节驱动电机的输出端固定连接有肩关节同步带轮，肩关节同步带轮通过同步皮带和肩关节同步带轮传动连接。
15.在本发明的一种实施例中，肘关节驱动单元包括肘关节驱动电机，肘关节驱动电机的输出端固定连接有肘关节同步带轮；
16.前臂连接部上固定连接有肘关节减速器，肘关节减速器的输出端固定连接有肘关节同步带轮，肘关节同步带轮和肘关节同步带轮传动连接。
17.在本发明的一种实施例中，支撑板设置为l型板，支撑板上固定连接有缓冲层，肩颈主板和腰后板侧壁也设置有缓冲层。
18.在本发明的一种实施例中，斜立柱设置为有弧度的立柱，两个斜立柱呈v型设置，两个斜立柱相对主立柱对称设置。
19.综上所述，由于采用了上述技术，本发明的有益效果是：
20.本发明中，通过主立柱和斜立柱的设置，用于支撑整个装置，和穿戴者的背部贴合；设置腰后板，可用于放置腰带，设置肩颈主板用于和肩部连接板转动连接，可使肩部可上下活动；肩部连接板和肩部活动片转动连接，可进一步提高肩部上下活动的空间，肩部活动片和肩撑转动连接，可使肩部可前后活动，使肩部可全自由度活动；
21.通过凸轮和凸轮接触面的设置，以及斜立柱和肩部活动片的配合，穿戴者在肩关节活动(包括屈曲/伸展，内收/外展)时，凸轮和凸轮接触面互相产生力作用，抬升整个肩部连接板，以追随穿戴者肩关节的抬升运动，提高了装置活动的自由度和人体的舒适度。
22.肩关节及上臂可通过肩关节驱动单元驱动而转动，前臂机构可通过肘关节驱动单元而转动，从而节省使用者的体力；通过伸缩杆的设置，可手动调节伸缩杆的长度，从而适用于不同臂长的使用者；
23.由于肩关节同步带轮和安装架之间设置有第一减速器，使肩部连接部相对安装架转动。
24.本发明用电机驱动来对肘关节和肩关节的弯曲伸展动作进行助力，并利用关节联动来实现其他方向上的运动，不仅不妨碍穿戴者的运动，还可以跟随人的肩关节的运动，保证了穿戴者的舒适性。
附图说明
25.图1为本发明的后视结构示意图；
26.图2为本发明的斜视结构示意图；
27.图3为本发明的斜视左臂抬起结构示意图；
28.图4为本发明的侧视左臂抬起结构示意图；
29.图5为本发明的两臂下垂部分结构示意图；
30.图6为本发明的凸轮示意图(上臂下垂状态)；
31.图7为本发明的凸轮示意图(上臂抬起状态)；
32.图8为本发明的左臂外展抬升状态示意图(正视图)；
33.图9为本发明的左臂外展抬升状态示意图(立体图)。
34.图中：1，支撑机构；11，主立柱；12，肩颈主板；13，腰后板；14，u型板；15，斜立柱；2，上臂机构；21，肩部连接板；22，肩部活动片；23，肩撑；231，凸轮接触面；24，肩关节驱动单元；25，上臂长度调节单元；3，前臂机构；31，肘关节驱动单元；32，支撑板；261，滑座；262，滑动板；27，连接座；28，凸轮；251，肩部连接部；252，伸缩杆；253，前臂连接部；241，第一减速器；242，肩关节同步带轮；243，肩关节驱动电机；244，肩关节同步带轮；311，肘关节驱动电机；312，肘关节同步带轮；313，肘关节减速器；314，肘关节同步带轮。
具体实施方式
35.为使本发明实施方式的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚，完整地描述。当然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”，“相连”，“连接”，“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据说明书具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.实施例1
39.请参阅图1-图6，本发明提供了一种全自由度上肢外骨骼装置，包括支撑机构1，上臂机构2和前臂机构3。上臂机构2安装在支撑机构1的两侧，前臂机构3连接在上臂机构2底侧。支撑机构1用于支撑整个装置，上臂机构2用于对肩部助力及跟随肩部活动，前臂机构3用于对肘关节助力并跟随前臂活动。
40.支撑机构1包括主立柱11，肩颈主板12，腰后板13，u型板14和斜立柱15。u型板14安装在腰后板13的背面，主立柱11上端固定安装在肩颈主板12中部，主立柱11下端固定安装在u型板14的背面；斜立柱15左右设置有两个，斜立柱15设置为有弧度的立柱，用于符合人体背部弧度，两个斜立柱15呈v型设置，两个斜立柱15相对主立柱11对称设置，两个斜立柱15的下端均通过销轴转动连接在u型板14内部。
41.上臂机构2包括肩部连接板21，肩部活动片22，肩撑23，肩关节驱动单元24和凸轮
28。肩部连接板21，肩部活动片22，肩撑23和凸轮28均对称设置在肩颈主板12的两侧；肩部连接板21的一侧和肩颈主板12转动连接，同时肩部连接板21的底部和斜立柱15转动连接，肩部连接板21的另一侧转动连接有肩部活动片22；肩部活动片22的一侧与肩撑23转动连接，凸轮28与肩撑23转动连接，肩撑23侧部设置有凸轮接触面231，凸轮28的轮廓与凸轮接触面231相贴，肩关节驱动单元25设置在凸轮28底侧。
42.前臂机构3包括肘关节驱动单元31，肘关节驱动单元31和上臂长度调节单元25转动连接，肘关节驱动单元31的一侧固定连接有支撑板32。
43.在具体使用时，结合图1，图4和图5，主立柱11和斜立柱15，用于支撑整个装置，和使用者的背部贴合；设置腰后板13，可用于放置腰带，设置肩颈主板12，肩颈主板12和肩部连接板21转动连接，可使肩部可上下活动；肩部连接板21和肩部活动片22转动连接，可进一步提高肩部上下活动的空间，肩部活动片22和肩撑23转动连接，可使肩部可前后活动，使肩部可全自由度活动；
44.肩关节驱动单元24驱动肩关节，肘关节驱动单元31驱动肘关节及前臂，从而节省穿戴者的体力，增强穿戴者的能力。
45.进一步的，凸轮28外侧设置有肩关节驱动单元24，肩关节驱动单元24底侧与上臂长度调节单元25连接，支撑板32的一侧和上臂长度调节单元25转动连接，便于人体肘关节活动。
46.结合图4，图6和图7，肩撑23一侧固定连接有滑座261，滑座261上滑动连接有滑动板262，滑动板262一侧固定连接有连接座27，便于肩关节活动。连接座27与凸轮28一体化设置，肩关节驱动单元24固定连接在连接座27上。
47.见图2和图3。上臂长度调节单元25包括肩部连接部251，肩部连接部251和连接座27转动连接，肩部连接部251下端设置有伸缩杆252，伸缩杆252下端固定连接有前臂连接部253，通过调节伸缩杆252的长度，可配合使用者上臂长度，提高适用性和灵活性。
48.肩关节驱动单元24包括第一减速器241，第一减速器241固定连接在连接座27上，第一减速器241的输入端固定连接有肩关节同步带轮242。
49.见图2和图3。肩部连接部251上固定连接有肩关节驱动电机243，肩关节驱动电机243的输出端固定连接有肩关节同步带轮244，肩关节同步带轮244通过同步皮带和肩关节同步带轮242传动连接。肘关节驱动单元31包括肘关节驱动电机311，肘关节驱动电机311的输出端固定连接有肘关节同步带轮312；前臂连接部253上固定连接有肘关节减速器313，肘关节减速器313的输出端固定连接有肘关节同步带轮314，肘关节同步带轮314和肘关节同步带轮312通过同步带连接驱动肘关节及前臂机构3。
50.在具体使用时，肩关节驱动电机243可带动肩关节同步带轮244和肩关节同步带轮242同步转动，肩关节同步带轮242和连接座27之间设置有第一减速器241，使肩部连接部251相对连接座27转动，从而驱动肩关节和上臂运动。
51.支撑板32为l形板，支撑板32上固定连接有缓冲层，肩颈主板12和腰后板13侧壁也设置有缓冲层，缓冲层可设置为橡胶层或海绵层，便于提高接触的柔软触感，增加舒适度。
52.在抬起手臂的过程中，肩关节驱动电机243驱动肩部连接部251相对连接座27转动，从而使凸轮28转动，凸轮28轮廓与凸轮接触面231配合，抬升肩部连接板21；同时由于肩部连接部251通过滑动板262和滑座261连接，肩部连接部251沿着滑座261的方向向上移动，
从而升高肩部连接部251使得外骨骼机器人的肩关节跟随人体关节的运动，增加手臂活动的自由度和人体使用的舒适度。
53.工作原理：使用时穿戴者穿戴外骨骼机器人时，主立柱11和斜立柱15与背部贴合，当穿戴者抬起手臂时，传感器(肌电或力/力矩传感器)检测到穿戴者的运动，计算机通过算法辨识和判断穿戴者的运动意图，发运动指令给电机。肩关节驱动电机243驱动肩部连接部251相对连接座27转动，从而带动凸轮28转动，凸轮28与凸轮接触面231配合，抬升肩部连接板21；同时由于肩部连接部251通过滑动板262和滑座261连接，使得肩部连接部251沿着滑座261的方向向上移动，从而肩部连接部251升高；并且，当穿戴者做外展动作时，斜立柱15随之向主立柱11方向朝内转动，使肩部连接板21回转，进而提升肩部活动片(22)高度(如图8和图9所示)；穿戴者做内收动作时，外骨骼的运动与上述运动相反。这样使得外骨骼在运动过程中能追随人体肩关节回转中心的运动轨迹，使得外骨骼在跟随人体运动时不产生偏移，更贴合人体，增加舒适度和使得运动范围不受限制，增加手臂活动的自由度和人体使用的舒适度；当使用者进行屈曲/伸展动作时，肩关节驱动电机243驱动肩关节驱动单元24带动肩关节，上臂机构2，及前臂机构3转动；与此同时，肘关节驱动电机311通过驱动前臂机构3来肘关节驱动单元31，从而节省使用者的体力。
54.需要说明的是：肩关节驱动电机243，肘关节驱动电机311，第一减速器241和肘关节减速器313的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。
55.外骨骼穿戴者的运动检测，运动意图的识别和判断，及肩关节驱动电机243和肘关节驱动电机311的控制原理和方式，不在本发明的申请范围内，在此不予详细说明。
56.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。