CN109044726B - 一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机构学领域，特别涉及一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼的设计。它的构件包括三大部分：大臂并联机构组件，肘部四杆机构组件，腕部柔性组件。本发明通过采用串并混联机构构型，满足了人体上肢所有的7自由度需求，且相比于目前已有的单一串联式康复外骨骼，具有了更好的刚度与控制精度。相比于固定式的康复外骨骼，它具有轻便性、易穿戴性和可移动性，同时引入了柔性杆件，使得手腕部分的运动舒适自如，增强了穿戴的舒适度。

Description

一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼
技术领域
本发明涉及机构学领域，特别涉及一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼 的设计。
背景技术
我国的老龄化呈现出基数大，增速快等特点，而老年群体面临着生理机能 衰退和四肢灵活性下降等诸多问题，并且存在患心脑血管、神经系统等疾病的 极大风险。与此同时，在国家经济高速发展的进程中，高强度的工作导致我国 劳动力人口的身体状况不容乐观，颈椎、肩肘等关节疾病的发病人群呈现出低 龄化、密集化的趋势。传统的治疗采用医护人员手把手一对一的康复训练方式， 其训练效率低，训练强度不足，训练效果难以保证。而目前已有的上肢康复外 骨骼大多体型巨大移动不便，无法穿戴行走，病患长期处于固定地点，训练过 程冗长乏味，这会使得患者参与积极性受影响。因此有必要结合机构学设计一种满足上肢所有 7 个自由度，并且易于穿戴的轻巧型上肢康复外骨骼。
发明内容
本发明要解决的问题是研制一种满足上肢所有 7 个自由度，并且易于穿戴 的轻巧型上肢康复外骨骼。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是： 一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼，它的构件包括三大部分：大臂并
联机构组件，肘部四杆机构组件，腕部柔性组件。
大臂并联机构组件采用 2UPS-UP 并联机构作为机构本体，它包括三条支链， 其中第一、第二支链组件的结构和组成完全一样。大臂并联机构组件包括肩部 固定支架，第一、第二支链组件，第二底座，第二十字连接轴，第二液压缸上 缸体、第二液压缸下缸体、连接件、大臂上滑环。
肩部固定支架安装在人体肩部区域，手从中部穿出。第一、第二支链组件的一边分别安装在 U 型槽的两侧壁上，另一边通过第一、第二球铰与大臂上滑 环连接；对于第三条支链，第二底座安装在肩部固定支架 U 型槽的槽底部，第 二十字连接轴的一条轴穿过第二底座的贯通孔，另一轴穿过第二液压缸上缸体 一端的贯通孔，形成虎克铰连接；第二液压缸上缸体与第二液压缸下缸体组成 液压系统，第二液压缸下缸体一端在第二液压缸上缸体内作活塞直线运动，另 一端通过连接件固定在大臂上滑环上。第一支链组件包括如下构件：第一底座， 第一十字连接轴，第一液压缸上缸体，第一液压缸下缸体，第一球铰；第一底 座安装在肩部固定支架 U 型槽的一侧侧壁上，第一十字连接轴的一条轴穿过第 一底座的贯通孔，另一轴穿过第一液压缸上缸体一端的贯通孔，形成虎克铰连 接；第一液压缸上缸体与第一液压缸下缸体组成液压系统，第一液压缸下缸体 一端在第一液压缸上缸体内作活塞直线运动，另一端与第一球铰固连，第一球 铰同时固定在大臂上滑环上。
第二支链组件与第一支链组件完全相同，连接方式也一致，关于 U 型槽呈 对称分布。
肘部四杆机构组件为中部过渡机构，它与大臂并联机构组件通过大臂下滑 环与大臂上滑环之间的滑道连接，相互之间允许同轴转动。
它包括如下构件：第一、第二长杆，第一、第二短杆，肘部底座，肘部液 压缸上缸，肘部液压缸下缸，连缸底座，滑环连架杆，肘部上滑环。
第一长杆的一端固定在大臂下滑环一侧凸出的有孔耳，另一侧与第一短杆 的一端通过销活动连接，第一短杆的另一端与滑环连架杆的内壁一侧固定连接； 第二长杆的一端固定在大臂下滑环另一侧凸出的有孔耳，另一侧与第二短杆的 一端通过销活动连接，第二短杆的另一端与滑环连架杆的内壁另一侧固定连接； 肘部底座安装在大臂下滑环顶部，与肘部液压缸上缸一端通过销连接，肘部液 压缸上缸与肘部液压缸下缸构成肘部液压系统，相互之间可作活塞直线运动。 肘部液压缸下缸的另一端与连缸底座通过销连接，再一块固定在滑环连架杆上；肘部上滑环也与滑环连架杆固定连接。 腕部柔性组件作为外骨骼最末端，它与肘部四杆机构组件通过肘部上滑环与肘部下滑环之间的滑道连接，相互之间允许同轴转动。 它包括如下构件：肘部下滑环，线性驱动器，第一、第二推拉杆，第一、第二柔性杆，握把； 线性驱动器固定安装在肘部下滑环上，第一、第二推拉杆受线性驱动器驱动，与线性驱动器形成滑动副连接；第一推拉杆的一端与第一柔性杆的一端通 过销形成活动连接，第一柔性杆的另一端与握把通过销形成活动连接；第二推 拉杆的一端与第二柔性杆的一端通过销形成活动连接，第二柔性杆的另一端与 握把通过销形成活动连接。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过采用串并混联机构 构型，满足了人体上肢所有的 7 自由度需求，且相比于目前已有的单一串联式 康复外骨骼，具有了更好的刚度与控制精度。相比于固定式的康复外骨骼，它 具有轻便性、易穿戴性和可移动性，同时引入了柔性杆件，使得手腕部分的运 动舒适自如，增强了穿戴的舒适度。
附图说明
图1串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼示意图；
图2串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼测面示意图；
图3大臂并联机构组件结构示意图；
图4第一支链组件结构示意图；
图5肘部四杆机构组件结构示意图；
图6腕部柔性组件结构示意图；图中：大臂并联机构组件（1），肘部四杆机构组件（2），腕部柔性组件（3），
肩部固定支架（4），第一、第二支链组件（5-1、5-2），第一、第二底座（6-1、6-2），第一、第二十字连接轴（7-1、7-2），第一、第二液压缸下缸体（8-1、8-2），第一、第二液压缸上缸体（9-1、9-2），第一球铰（10-1），连接件（11）， 大臂上滑环（12），大臂下滑环（13），第一、第二长杆（14-1、14-2），第一、 第二短杆（15-1、15-2），肘部底座（16），肘部液压缸上缸（17），肘部液压缸 下缸（18），连缸底座（19），滑环连架杆（20），肘部上滑环（21），肘部下滑 环（22）,线性驱动器（23），第一、第二推拉杆（24-1、24-2），第一、第二柔 性杆（25-1、25-2），握把（26）。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的方案做进一步说明。 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是： 一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼，该外骨骼包括三大部分：大臂并联机构组件（1），肘部四杆机构组件（2），腕部柔性组件（3），如图 2所示； 如图 3 所示，大臂并联机构组件（1）采用 2UPS-UP 并联机构作为机构本体，它包括三条支链，其中第一、第二支链组件（5-1、5-2）的结构和组成完全 一样；大臂并联机构组件（1）包括肩部固定支架（4），第一、第二支链组件（5-1、 5-2），第二底座（6-2），第二十字连接轴（7-2），第二液压缸上缸体（9-2）、第 二液压缸下缸体（8-2）、连接件（11）、大臂上滑环（12）。
肩部固定支架（4）安装在人体肩部区域，手从中部穿出；第一、第二支链 组件（5-1、5-2）的一边分别安装在 U 型槽的两侧壁上，另一边通过第一、第二 球铰（10-1、10-2）与大臂上滑环连接；对于第三条支链，第二底座（6-2）安 装在肩部固定支架（4）U 型槽的槽底部，第二十字连接轴（7-2）的一条轴穿过 第二底座（6-2）的贯通孔，另一轴穿过第二液压缸上缸体（9-2）一端的贯通孔， 形成虎克铰连接；第二液压缸上缸体（9-2）与第二液压缸下缸体（8-2）组成液 压系统，第二液压缸下缸体（8-2）一端在第二液压缸上缸体（9-2）内作活塞直 线运动，另一端通过连接件（11）固定在大臂上滑环（12）上。
如图 4 所示，第一支链组件（5-1）包括如下构件：第一底座（6-1），第一十字连接轴（7-1），第一液压缸上缸体（9-1），第一液压缸下缸体（8-1），第一 球铰（10-1）；第一底座（6-1）安装在肩部固定支架（4）U 型槽的一侧侧壁上， 第一十字连接轴（7-1）的一条轴穿过第一底座（6-1）的贯通孔，另一轴穿过第 一液压缸上缸体（9-1）一端的贯通孔，形成虎克铰连接；第一液压缸上缸体（9-1） 与第一液压缸下缸体（8-1）组成液压系统，第一液压缸下缸体（8-1）一端在第 一液压缸上缸体（9-1）内作活塞直线运动，另一端与第一球铰（10-1）固连， 第一球铰（10-1）同时固定在大臂上滑环（12）上。
第二支链组件（5-2）与第一支链组件（5-1）完全相同，连接方式也一致， 关于 U型槽呈对称分布。
肘部四杆机构组件（2）为中部过渡机构，其结构如图 5 所示，它与大臂并 联机构组件（1）通过大臂下滑环（13）与大臂上滑环（12）之间的滑道连接， 相互之间允许同轴转动；肘部四杆机构组件（2）包括如下构件：第一、第二长 杆（14-1、14-2），第一、第二短杆（15-1、15-2），肘部底座（16），肘部液压缸 上缸（17），肘部液压缸下缸（18），连缸底座（19），滑环连架杆（20），肘部 上滑环（21）。
第一长杆（14-1）的一端固定在大臂下滑环（13）一侧凸出的有孔耳，另一 侧与第一短杆（15-1）的一端通过销活动连接，第一短杆（15-1）的另一端与滑 环连架杆（20）的内壁一侧固定连接；第二长杆（14-2）的一端固定在大臂下滑 环（13）另一侧凸出的有孔耳，另一侧与第二短杆（15-2）的一端通过销活动连 接，第二短杆（15-2）的另一端与滑环连架杆（20）的内壁另一侧固定连接；肘 部底座（16）安装在大臂下滑环（13）顶部，与肘部液压缸上缸（17）一端通 过销连接，肘部液压缸上缸（17）与肘部液压缸下缸（18）构成肘部液压系统，相互之间可作活塞直线运动；肘部液压缸下缸（18）的另一端与连缸底座（19） 通过销连接，再一块固定在滑环连架杆（20）上；肘部上滑环（21）也与滑环 连架杆（20）固定连接。
腕部柔性组件（3）作为外骨骼最末端，其构成如图 6 所示。它与肘部四杆 机构组件（2）通过肘部上滑环（21）与肘部下滑环（22）之间的滑道连接，相 互之间允许同轴转动。
它包括如下构件：肘部下滑环（22），线性驱动器（23），第一、第二推拉 杆（24-1、24-2），第一、第二柔性杆（25-1、25-2），握把（26）。
线性驱动器固定安装在肘部下滑环（22）上，第一、第二推拉杆（24-1、24-2） 受线性驱动器（23）驱动，与线性驱动器（23）形成滑动副连接；第一推拉杆
（24-1）的一端与第一柔性杆（25-1）的一端通过销形成活动连接，第一柔性杆
（25-1）的另一端与握把（26）通过销形成活动连接；第二推拉杆（24-2）的一 端与第二柔性杆（25-2）的一端通过销形成活动连接，第二柔性杆（25-2）的另 一端与握把（26）通过销形成活动连接。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过采用串并混联机构 构型，总共具有 7 个自由度，满足了人体上肢所有的自由度需求，且相比于目 前已有的单一串联式康复外骨骼，由于肩肘部运用了并联机构，因此具有了更 好的刚度与控制精度。相比于庞大的固定式的康复外骨骼，它具有轻便性、易 穿戴性和可移动性，使得患者不用在固定地点接受康复治疗，同时引入了柔性 杆件，使得手腕部分的运动舒适自如，增强了穿戴的舒适度。

Claims (2)

1.一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼，其特征在于，该外骨骼具有7个自由度，包括三大部分：大臂并联机构组件(1)，肘部四杆机构组件(2)，腕部柔性组件(3)；
大臂并联机构组件(1)采用2UPS-U并联机构作为机构本体，它包括第一(5-1)、第二（5-2）和第三支链组件共三条支链组件，其中第一、第二支链组件(5-1、5-2)的结构和组成完全一样；大臂并联机构组件(1)包括U型肩部固定支架(4)和大臂上滑环(12)；
U型肩部固定支架(4)安装在人体肩部区域，手从中部穿出；第一和第二支链组件(5-1、5-2)的一端分别对称安装在U型肩部固定支架(4)的两侧壁上，另一端分别通过第一、第二球铰(10-1、10-2)与大臂上滑环连接；第三支链组件由第二底座(6-2)、第二十字连接轴(7-2)、第二液压缸上缸体(9-2)和第二液压缸下缸体(8-2)构成，其中，第二底座(6-2)安装在U型肩部固定支架(4)的顶部，第二十字连接轴(7-2)的一条轴穿过第二底座(6-2)的贯通孔，另一轴穿过第二液压缸上缸体(9-2)一端的贯通孔，形成虎克铰连接，第二液压缸上缸体(9-2)与第二液压缸下缸体(8-2)组成液压系统，第二液压缸下缸体(8-2)一端在第二液压缸上缸体(9-2)内作活塞直线运动，另一端通过连接件(11)固定在大臂上滑环(12)上；
第一支链组件(5-1)包括如下构件：第一底座(6-1)、第一十字连接轴(7-1)、第一液压缸上缸体(9-1)和第一液压缸下缸体(8-1)；第一底座(6-1)安装在U型肩部固定支架(4)一侧侧壁上，第一十字连接轴(7-1)的一条轴穿过第一底座(6-1)的贯通孔，另一轴穿过第一液压缸上缸体(9-1)一端的贯通孔，形成虎克铰连接；第一液压缸上缸体(9-1)与第一液压缸下缸体(8-1)组成液压系统，第一液压缸下缸体(8-1)一端在第一液压缸上缸体(9-1)内作活塞直线运动，另一端与第一球铰(10-1)固连，第一球铰(10-1)同时固定在大臂上滑环(12)上；
肘部四杆机构组件(2)为中部过渡机构，它与大臂并联机构组件(1)通过大臂下滑环(13)与大臂上滑环(12)之间的滑道连接，相互之间允许同轴转动；
腕部柔性组件(3)作为外骨骼最末端，它与肘部四杆机构组件(2)通过肘部上滑环(21)与肘部下滑环(22)之间的滑道连接，相互之间允许同轴转动；它包括如下构件：肘部下滑环(22)，线性驱动器(23)，第一和第二推拉杆(24-1、24-2)，第一和第二柔性杆(25-1、25-2)，以及握把(26)；
线性驱动器固定安装在肘部下滑环(22)上，第一、第二推拉杆(24-1、24-2)受线性驱动器(23)驱动，与线性驱动器(23)形成滑动副连接；第一推拉杆(24-1)的一端与第一柔性杆(25-1)的一端通过销形成活动连接，第一柔性杆(25-1)的另一端与握把(26)通过销形成活动连接；第二推拉杆(24-2)的一端与第二柔性杆(25-2)的一端通过销形成活动连接，第二柔性杆(25-2)的另一端与握把(26)通过销形成活动连接。
2.根据权利要求1所述的一种串并混联的可穿戴上肢康复外骨骼，其特征在于：
肘部四杆机构组件(2)包括如下构件：第一和第二长杆(14-1、14-2)，第一和第二短杆(15-1、15-2)，肘部底座(16)，肘部液压缸上缸(17)，肘部液压缸下缸(18)，连缸底座(19)，滑环连架杆(20)，以及肘部上滑环(21)；
第一长杆(14-1)的一端固定在大臂下滑环(13)一侧凸出的有孔耳，另一端与第一短杆(15-1)的一端通过销活动连接，第一短杆(15-1)的另一端与滑环连架杆(20)的内壁一侧固定连接；第二长杆(14-2)的一端固定在大臂下滑环(13)另一侧凸出的有孔耳，另一端与第二短杆(15-2)的一端通过销活动连接，第二短杆(15-2)的另一端与滑环连架杆(20)的内壁另一侧固定连接；肘部底座(16)安装在大臂下滑环(13)顶部，与肘部液压缸上缸(17)一端通过销连接，肘部液压缸上缸(17)与肘部液压缸下缸(18)构成肘部液压系统，相互之间可作活塞直线运动；肘部液压缸下缸(18)的另一端与连缸底座(19)通过销连接，连缸底座(19)固定在滑环连架杆(20)上；肘部上滑环(21)也与滑环连架杆(20)固定连接。
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