CN104306088B - 具有主动型肩关节的上臂假肢模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其中：肩甲胸廓固定腔上设有肩关节环转结构接口，上臂残肢由肩关节环转结构接口伸出；环转支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节环转运动，上臂残肢穿越环转支撑部件的中间通孔后进入上臂外骨架的残肢接受腔；环转驱动部件驱动环转支撑部件与肩甲胸廓固定腔之间相对环转；收展支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节的外展和内收运动；收展驱动部件驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动。本发明用于辅助上臂残肢负荷整个假肢的重量，填补了现有技术中作为联接结构件的空缺；是一种可穿戴外骨骼；具有主动型肩关节，外骨骼能够跟随患者的动作，提供假肢操纵动力。
Description
技术领域
本发明涉及机械电子机构设计领域的机器人及人机接口技术，具体是一种适用于上臂截肢患者的且有两个自由度的具有主动型肩关节的上臂假肢模块。
背景技术
目前市场上的肌电假肢大多为两自由度或者三自由度前臂假肢。对于上臂截肢患者，尤其是上臂近端截肢患者，由于上臂骨骼和肌肉系统受到严重损伤，其上臂残肢很难有效负荷假肢操纵时的重量。即便采用了三自由度(包含肘关节)肌电假肢，由于肩关节运动功能受限，不能有效拖动假肢，其康复和使用效果并不理想。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对上述需求以及现有技术中存在的不足，提供了一种具有主动型肩关节的上臂假肢模块，以辅助上臂残肢负荷整个假肢的重量。该上臂假肢模块设有残肢接受腔，是一种可穿戴外骨骼；具有主动型肩关节，外骨骼能够跟随患者的动作，提供假肢操纵动力。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种具有主动型肩关节的上臂假肢模块，包括肩甲胸廓固定腔、环转支撑部件、环转驱动部件、收展支撑部件、收展驱动部件以及上臂外骨架，其中：
所述肩甲胸廓固定腔用于上臂假肢模块牢靠固定在患者身上，所述肩甲胸廓固定腔上设有肩关节环转结构接口，患者的上臂残肢由所述肩关节环转结构接口伸出；
所述环转支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节环转运动，所述环转支撑部件设有中间通孔，所述上臂外骨架设有残肢接受腔，患者的上臂残肢穿越环转支撑部件的中间通孔后进入上臂外骨架的残肢接受腔；
所述环转驱动部件驱动环转支撑部件与肩甲胸廓固定腔之间相对环转；
所述收展支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节的外展和内收运动，所述收展支撑部件的回转中心与患者肩关节的外展和内收回转中心处于同一位置，患者的上臂残肢在使用过程中相对自由运动；
所述收展驱动部件驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动。
优选地，所述上臂外骨架包括刚性支架，所述刚性支架的中心处为通透的残肢接受腔，所述残肢接受腔的内腔壁上设有压力传感器，所述压力传感器获取残肢的压力信号用于判断患者运动意图，压力信号与其他生物信号进行融合，进而控制上臂假肢模块跟随残肢做环转及外展和内收运动。
优选地，所述其他生物信号包括肌电信号。
优选地，所述肩甲胸廓固定腔根据患者肩甲、胸廓形状定制；肩甲胸廓固定腔上的肩关节环转结构接口为环状通孔。
优选地，所述环转支撑部件包括环转支撑轴承、环转套筒、环转轴承锁紧螺母以及环转支撑轴承压盖，所述肩甲胸廓固定腔的肩关节环转结构接口外端设有带台阶的轴承座孔，所述环转支撑轴承通过环转支撑轴承压盖将环转支撑轴承的外圈压紧在轴承座孔的台阶上；所述环转套筒的外径设有台阶结构，且外壁的两侧设有联接柄，患者上臂残肢穿越环转套筒后进入上臂外骨架的残肢接受腔；所述环转套筒通过外径的台阶结构和环转轴承锁紧螺母对环转支撑轴承进行轴向固定。
优选地，所述环转驱动部件包括第一步进电机、第一减速器以及第一内啮合齿轮组，所述第一步进电机和第一减速器固定在肩甲胸廓固定腔上，通过第一内啮合齿轮组驱动环转套筒与肩甲胸廓固定腔做相对环转。
优选地，所述第一内啮合齿轮组的内啮合齿轮与环转套筒相对固定或一体成型。
优选地，所述收展支撑部件包括两个收展支撑轴承和两个收展支撑轴承压盖，所述两个收展支撑轴承嵌入环转套筒两侧联接柄的轴承座孔内，并通过联接柄的轴承座孔上设置的台阶进行单侧轴向固定；所述两个收展支撑轴承压盖是带台阶轴的端盖，所述带台阶轴的端盖与设置在上臂外骨架上的联接柄固定配合，并通过收展支撑轴承压盖的台阶轴与收展支撑轴承内圈进行轴向固定；所述收展支撑轴承压盖为齿轮结构。
优选地，所述收展驱动部件包括第二步进电机、第二减速器以及第二内啮合齿轮组，所述第二步进电机和第二减速器固定在环转套筒上，所述第二内啮合齿轮组的内啮合齿轮与收展支撑轴承压盖的齿轮啮合，通过第二内啮合齿轮组驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动。
优选地，所述上臂外骨架作为联接结构件用于联接其他假肢模块。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明用于辅助上臂残肢负荷整个假肢的重量，填补了现有技术中作为联接结构件的空缺；
2、本发明结构简单，具有两个运动自由度，包括：肩关节环转运动自由度和外展内收自由度，能够有效拖动假肢；
3、本发明提供的上臂假肢模块设有残肢接受腔，是一种可穿戴外骨骼；具有主动型肩关节，外骨骼能够跟随患者的动作，提供假肢操纵动力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施案例结构外观图；
图2是本发明实施案例结构分解图；
图3是上臂外骨架压力传感器分布；
图中：1为环转驱动部件，2为收展驱动部件，3为环转支撑轴承，4为环转支撑轴承压盖，5为环转套筒，6为收展支撑轴承，7为环转轴承锁紧螺母，8为肩甲胸廓固定腔，9为收展支撑轴承压盖，10为上肩外骨架，11为压力传感器，12为刚性支架。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
请同时参阅图1至图3。
本实施例提供了一种具有主动型肩关节的上臂假肢模块，包括肩甲胸廓固定腔、环转支撑部件、环转驱动部件、收展支撑部件、收展驱动部件以及上臂外骨架，其中：
所述肩甲胸廓固定腔用于上臂假肢模块牢靠固定在患者身上，所述肩甲胸廓固定腔上设有肩关节环转结构接口，患者的上臂残肢由所述肩关节环转结构接口伸出；
所述环转支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节环转运动，所述环转支撑部件设有中间通孔，所述上臂外骨架设有残肢接受腔，患者的上臂残肢穿越环转支撑部件的中间通孔后进入上臂外骨架的残肢接受腔；
所述环转驱动部件驱动环转支撑部件与肩甲胸廓固定腔之间相对环转；
所述收展支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节的外展和内收运动，所述收展支撑部件的回转中心与患者肩关节的外展和内收回转中心处于同一位置，患者的上臂残肢在使用过程中相对自由运动；
所述收展驱动部件驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动。
进一步地，所述上臂外骨架包括刚性支架，所述刚性支架的中心处为通透的残肢接受腔，所述残肢接受腔的内腔壁上设有压力传感器，所述压力传感器获取残肢的压力信号用于判断患者运动意图，压力信号与其他生物信号进行融合，进而控制上臂假肢模块跟随残肢做环转及外展和内收运动。
进一步地，所述其他生物信号包括肌电信号。
进一步地，所述肩甲胸廓固定腔根据患者肩甲、胸廓形状定制；肩甲胸廓固定腔上的肩关节环转结构接口为环状通孔。
进一步地，所述环转支撑部件包括环转支撑轴承、环转套筒、环转轴承锁紧螺母以及环转支撑轴承压盖，所述肩甲胸廓固定腔的肩关节环转结构接口外侧设有带台阶的轴承座孔，所述环转支撑轴承通过环转支撑轴承压盖将环转支撑轴承的外圈压紧在轴承座孔的台阶上；所述环转套筒的外径设有台阶结构，且外壁的两侧设有联接柄，患者上臂残肢穿越环转套筒后进入上臂外骨架的残肢接受腔；所述环转套筒通过外径的台阶结构和环转轴承锁紧螺母对环转支撑轴承进行轴向固定。
进一步地，所述环转驱动部件包括第一步进电机、第一减速器以及第一内啮合齿轮组，所述第一步进电机和第一减速器固定在肩甲胸廓固定腔上，通过第一内啮合齿轮组驱动环转套筒与肩甲胸廓固定腔做相对环转。
进一步地，所述第一内啮合齿轮组的内啮合齿轮与环转套筒相对固定或一体成型。
进一步地，所述收展支撑部件包括两个收展支撑轴承和两个收展支撑轴承压盖，所述两个收展支撑轴承嵌入环转套筒两侧联接柄的轴承座孔内，并通过联接柄的轴承座孔上设置的台阶进行单侧轴向固定；所述两个收展支撑轴承压盖是带台阶轴的端盖，所述带台阶轴的端盖与设置在上臂外骨架上的联接柄固定配合，并通过收展支撑轴承压盖的台阶轴与收展支撑轴承内圈进行轴向固定；所述收展支撑轴承压盖为齿轮结构。
进一步地，所述收展驱动部件包括第二步进电机、第二减速器以及第二内啮合齿轮组，所述第二步进电机和第二减速器固定在环转套筒上，所述第二内啮合齿轮组的内啮合齿轮与收展支撑轴承压盖的齿轮啮合，通过第二内啮合齿轮组驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动。
进一步地，所述上臂外骨架作为联接结构件用于联接其他假肢模块。
下面结合附图对本实施例作详细说明：本实施例在以上述技术方案为前提下进行实施，给出了详细结构原理和方案，参见图1和图2。
本实施例中，肩甲胸廓固定腔通过带台阶的轴承座孔固定环转支撑轴承外圈，并通过环转支撑轴承压盖将轴承外圈压紧在轴承座孔的台阶上。
本实施例中，环转支撑部件由环转支撑轴承、环转套筒、环转轴承锁紧螺母以及上述环转支撑轴承压盖组成。
进一步的，上述环转支撑轴承可以承受一定双向轴向力，且应当根据患者残肢的尺寸进行选用或者定制。
进一步的，上述环转套筒是一个内径光滑、外径带台阶的短套筒，允许患者残肢穿越上述环转套筒进入残肢接受腔。
进一步的，上述环转套筒通过外径台阶和环转轴承锁紧螺母对环转支撑轴承进行轴向固定。
本实施例中，环转驱动部件由步进电机、减速器以及内啮合齿轮组构成。
进一步的，上述减速电机和减速器固定在肩甲胸廓固定腔，通过内啮合齿轮组驱动环转套筒与肩甲胸廓固定腔做相对环转。
进一步的，上述内啮合齿轮组的内啮合齿轮与上述环转套筒相对固定或制作为一体。
本实施例中，收展支撑部件由两个收展支撑轴承、两个收展支撑轴承压盖组成。
进一步的，上述两个收展支撑轴承嵌入环转套筒两侧联接柄的轴承座孔内，并通过轴承座孔的台阶进行单侧轴向固定。
进一步的，上述两个收展支撑轴承压盖是带台阶轴的端盖，与上臂外骨架的联接柄固定，配合，并通过台阶轴与收展轴承内圈进行轴向固定。
本实施例中，上臂外骨架由刚性支架、压力传感器和残肢接受腔构成。
进一步的，所述压力传感器固定在残肢接受腔或者刚性支架的内侧，用来感受残肢摆动形成的压力信号，并与其他生物信号(如，肌电信号)等进行融合，以更精确、更可靠地解码患者肩关节运动意图，驱动上臂假肢模块做出相应动作。
在本实施例中，
所述上臂假肢模块具有两个运动自由度，包括：肩关节环转运动自由度和外展内收自由度。
所述肩甲胸廓固定腔是使上臂假肢模块牢靠固定在患者身上的、根据使用者肩甲、胸廓形状定制的接受腔，其特点在于所述肩甲胸廓固定腔具有肩关节环转结构接口，且该接口是一个环状通孔，上臂残肢可以从通孔伸出。
所述环转支撑部件的作用是支撑上臂外骨架做肩关节环转运动，其特点在于所述环转支撑部件中间留有通孔，允许上臂残肢穿越环转支撑部件进入上臂外骨架的残肢接受腔。
所述环转驱动部件驱动环转套筒与肩甲胸廓固定腔相对环转。
所述收展支撑部件的作用是支撑上臂外骨架做肩关节的外展和内收运动，其特点是其回转中心与人体肩关节的外展内收回转中心基本处于同一位置，能够使患者在使用过程中残肢相对自由运动。
所述收展驱动部件驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动。
所述上臂外骨架的作用是作为结构件联接假肢其他模块，如肘关节模块、腕关节和仿生手等，其特点在于其具有残肢接受腔和压力传感器，允许残肢在接受腔内和外骨架一起运动，且能够获取残肢的压力信号判断患者运动意图，并控制上臂假肢模块跟随残肢做环转和外展内收运动，即，通过压力传感器能够获取残肢的压力信号判断患者运动意图，并与其他生物信号(如，肌电信号)等进行融合，控制上臂假肢模块跟随残肢做环转和外展内收运动。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，包括肩甲胸廓固定腔、环转支撑部件、环转驱动部件、收展支撑部件、收展驱动部件以及上臂外骨架，其中：
所述肩甲胸廓固定腔用于上臂假肢模块牢靠固定在患者身上，所述肩甲胸廓固定腔上设有肩关节环转结构接口，患者的上臂残肢由所述肩关节环转结构接口伸出；
所述环转支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节环转运动，所述环转支撑部件设有中间通孔，所述上臂外骨架设有残肢接受腔，患者的上臂残肢穿越环转支撑部件的中间通孔后进入上臂外骨架的残肢接受腔；
所述环转驱动部件驱动环转支撑部件与肩甲胸廓固定腔之间相对环转；
所述收展支撑部件用于支撑上臂外骨架做肩关节的外展和内收运动，所述收展支撑部件的回转中心与患者肩关节的外展和内收回转中心处于同一位置，患者的上臂残肢在使用过程中相对自由运动；
所述收展驱动部件驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动；
所述环转支撑部件包括环转支撑轴承、环转套筒、环转轴承锁紧螺母以及环转支撑轴承压盖，所述肩甲胸廓固定腔的肩关节环转结构接口外端设有带台阶的轴承座孔，所述环转支撑轴承通过环转支撑轴承压盖将环转支撑轴承的外圈压紧在轴承座孔的台阶上；所述环转套筒的外径设有台阶结构，且外壁的两侧设有联接柄，患者上臂残肢穿越环转套筒后进入上臂外骨架的残肢接受腔；所述环转套筒通过外径的台阶结构和环转轴承锁紧螺母对环转支撑轴承进行轴向固定。
2.根据权利要求1所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述上臂外骨架包括刚性支架，所述刚性支架的中心处为通透的残肢接受腔，所述残肢接受腔的内腔壁上设有压力传感器，所述压力传感器获取残肢的压力信号用于判断患者运动意图，压力信号与其他生物信号进行融合，进而控制上臂假肢模块跟随残肢做环转及外展和内收运动。
3.根据权利要求2所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述其他生物信号包括肌电信号。
4.根据权利要求1所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述肩甲胸廓固定腔根据患者肩甲、胸廓形状定制；肩甲胸廓固定腔上的肩关节环转结构接口为环状通孔。
5.根据权利要求1所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述环转驱动部件包括第一步进电机、第一减速器以及第一内啮合齿轮组，所述第一步进电机和第一减速器固定在肩甲胸廓固定腔上，通过第一内啮合齿轮组驱动环转套筒与肩甲胸廓固定腔做相对环转。
6.根据权利要求5所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述第一内啮合齿轮组的内啮合齿轮与环转套筒相对固定或一体成型。
7.根据权利要求1所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述收展支撑部件包括两个收展支撑轴承和两个收展支撑轴承压盖，所述两个收展支撑轴承嵌入环转套筒两侧联接柄的轴承座孔内，并通过联接柄的轴承座孔上设置的台阶进行单侧轴向固定；所述两个收展支撑轴承压盖是带台阶轴的端盖，所述带台阶轴的端盖与设置在上臂外骨架上的联接柄固定配合，并通过收展支撑轴承压盖的台阶轴与收展支撑轴承内圈进行轴向固定；所述收展支撑轴承压盖为齿轮结构。
8.根据权利要求7所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述收展驱动部件包括第二步进电机、第二减速器以及第二内啮合齿轮组，所述第二步进电机和第二减速器固定在环转套筒上，所述第二内啮合齿轮组的内啮合齿轮与收展支撑轴承压盖的齿轮啮合，通过第二内啮合齿轮组驱动上臂外骨架与肩甲胸廓固定腔做收展运动。
9.根据权利要求1所述的具有主动型肩关节的上臂假肢模块，其特征在于，所述上臂外骨架作为联接结构件用于联接其他假肢模块。
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