CN109730891A - 一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，包括上肢外骨骼横梁（3），所述上肢外骨骼横梁（3）的一端设置有安装腔，安装腔内设置有电机（2），电机（2）输出端连接肩关块横梁（8），所述的上肢外骨骼横梁（3）的底部设置有轴承外环（5），轴承外环（5）内安装有轴承（6），所述肩关块横梁（8）的顶部设置有圆柱台（16），轴承（6）的内圈与圆柱台（16）配合安装，所述的肩关节模块横梁（8）上设置有左限位开关（10）和右限位开关（9）。本发明的优点是具备左手限位模式、右手限位模式和限位均关闭模式，使成本节省一半，整机更加紧凑。

Description

一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构

技术领域

本发明涉及康复医疗设备领域，特别是一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构。

背景技术

上肢外骨骼机器人是一种集人机工程学、仿生学于一体的机械装置，集成了传感、控制、信息耦合、移动计算等机器人技术,可以为人类肢体提供支撑、保护、助力、康复训练等作用，主要用于康复医疗等领域。无论是对于脑卒中造成的偏瘫还是骨科损伤的术后康复，上肢外骨骼机器人都能便利有效的进行病患上肢的康复训练。

肩关节是人体上肢最复杂的一个关节，具备很高的自由度。肩关节能够让上臂在空间中实现内收、外展运动，内旋、外旋运动以及前后屈伸运动。当今的上肢外骨骼机器人一般将肩关节内外旋自由度做在上臂，内收外展及前后屈伸自由度要求肩关节能让上臂实现整个三维空间的运动，一般由一个水平面自由度联合一个竖直面自由度实现。以冠状面为基准，单边手臂的肩关节能向身前方向水平运动到40°左右，向身后方向水平运动到120°左右。在上肢的康复训练中，必须保证关节运动范围限制在这个极限运动角度内，保证病人的安全，避免二次伤害。上肢偏瘫或者上肢骨折患者，往往只有一侧为患侧，但不同病人的病患侧可能不同，上肢外骨骼机器人需要同时具备左手及右手康复训练功能，如果机器人做成左手和右手同时存在的两个机械臂，将大大增加器械本身硬件成本，病人的康复训练费用也会随之提升。比较好的办法是做成单边机械臂，能够切换左右手模式，同时因为左右手肩关节具备各自的水平运动自由度，这就要求上肢外骨骼机械臂在换手时能去除限位，换手后又能改变为另一侧手部的限位角度。

目前，已有的上肢外骨骼大部分只能实现单侧康复训练功能，不能适应数量众多的上肢病患针对不同患侧的康复训练。也有少数通过做出左右两个外骨骼机械臂的方式实现双侧康复，大大增加了康复训练的成本。有的单臂上肢外骨骼虽然能够实现左右手互换，但是因为换手过程中对肩关节水平转动限位角度的调整不易实现，甚至不设限位，增加训练安全隐患，可能造成二次伤害。现在已有的上肢外骨骼机器人几乎未见具有可换手且可调限位的肩水平运动关节。公开号为CN 107374907 A的专利介绍了一种穿戴式上肢外骨骼康复装置，它具有肩关节模块，包含肩水平运动关节，在此关节上具有机械限位，能够保证病人在康复训练中的安全，但它只能实现单侧的康复训练，不具有普适性。公开号为CN105662782 A的专利介绍了一种外骨骼式上肢康复训练机器人，它具有左右手两个外骨骼机械臂，单边机械臂的肩水平关节具备限位，但是整机成本相对单边机械臂提升了一倍，增加了康复训练成本。公开号CN 105520819 A的专利介绍了一种外骨骼式肩胛带与上肢协同康复机器人，它是一个单边式的上肢外骨骼机器人，机械臂对称设计，能够通过肩水平关节转动180°后实现左右手模式转换，但是该关节上未设机械限位，无法保证康复训练过程的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构。

本发明的目的是提供一种用于单臂式上肢外骨骼机器人的肩水平运动关节结构，它可以通过转动180°实现左右手模式互换，并且在左手模式时具备左手肩关节水平转动自由度上的角度限位，右手模式下具备右手肩水平关节的机械限位，换手过程中关节限位能够暂时关闭以实现180°的转动。可换手并限位的肩水平运动关节使上肢外骨骼做成单臂就能适应双侧康复，大大节省成本，且在不同患侧康复训练时具备各自的角度限位，提升了机械本身安全性，避免造成二次伤害；本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，包括上肢外骨骼横梁，所述上肢外骨骼横梁的一端设置有安装腔，安装腔内设置有电机，电机输出端连接肩关块横梁，所述的上肢外骨骼横梁的底部设置有轴承外环，轴承外环内安装有轴承，所述肩关块横梁的顶部设置有圆柱台，轴承的内圈与圆柱台配合安装，所述的肩关节模块横梁上设置有左限位开关和右限位开关。

具体地，所述的轴承外环的底部设置有圆弧沟槽，左限位开关和右限位开关均为旋钮柱塞，且旋钮柱塞可伸入圆弧沟槽内进行限位。

具体地，所述的圆弧沟槽包括左沟槽和右沟槽，所述的左限位开关对应伸入左沟槽开启左手限位模式，此时右限位开关处于伸出状态，所述的右限位开关对应伸入右沟槽开启右手限位模式，此时左限位开关处于伸出状态。

具体地，所述的圆柱台上设置有角度传感器用于测量关节水平旋转角度。

具体地，所述电机的电机轴连接谐波减速器，谐波减速器的输出轴通过输出法兰与肩关块横梁的圆柱台连接。

具体地，所述上肢外骨骼横梁固定在升降柱上，用于悬吊上肢外骨骼横梁。

具体地，所述的肩关块横梁连接肩关节竖直转动模块。

本发明具有以下优点：该上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节给单机械臂型的上肢外骨骼机器人提供了可实现左右手互换的肩水平运动关节，且依然具有单侧工作时左手或右手各自不同的的角度机械限位，相比于传统的上肢外骨骼机器人做成两个具有肩水平运动关节限位限位机械臂，成本节省一半，整机更加紧凑。

该上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节具备左手限位模式、右手限位模式和限位均关闭模式，相比与市面上单臂可换手但没有限位的上肢外骨骼肩水平运动关节，它具备可自由开关的限位，极大的增加了安全性，且使用简便，换手过程简单易操作。

附图说明

图1 为上肢外骨骼机器人肩水平运动关节爆炸图；

图2 为右手模式限位示意图；

图3 为肩水平运动关节角度限位示意图；

图4 为上肢外骨骼机器人肩水平运动关节图；

图中：1-横梁盖板，2-电机，3-上肢外骨骼横梁，4-谐波减速器，5-轴承外环，6-轴承，7-角度传感器，8-肩关节模块横梁，9-右限位开关，10-左限位开关，11-肩关节模块横梁盖板，12-肩关节竖直转动模块，13-限位点A，14-限位点B，15-肩水平运动关节，16-圆柱台，17-圆弧沟槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～4所示，一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，包括上肢外骨骼横梁3，上肢外骨骼横梁3上设置有横梁盖板1，所述上肢外骨骼横梁3的一端设置有安装腔，安装腔内设置有电机2，电机2为盘式电机，便于将电机2固定在安装腔内，电机2输出端连接肩关块横梁8，驱动肩关节模块横梁8相对于上肢外骨骼横梁3水平运动，所述的上肢外骨骼横梁3的底部设置有轴承外环5，轴承外环5内安装有轴承6，所述肩关块横梁8的顶部设置有圆柱台16，轴承6的内圈与圆柱台16配合安装，所述的肩关节模块横梁8上设置有左限位开关10和右限位开关9，所述的轴承外环5的底部设置有圆弧沟槽17，用于进行角度限位，左限位开关10和右限位开关9均为带螺纹的旋钮柱塞，肩关节模块横梁8上设置有螺纹孔，旋钮柱塞与螺纹孔螺纹连接，旋钮柱塞的前端设置有插销头，旋转旋钮柱塞可使旋钮柱塞得插销头伸入或伸出圆弧沟槽17，由此来进行限位，所述的圆弧沟槽17包括左沟槽和右沟槽，所述的左限位开关10对应伸入左沟槽开启左手限位模式，此时右限位开关9处于伸出状态，所述的右限位开关9对应伸入右沟槽开启右手限位模式，此时左限位开关10处于伸出状态。

图3为轴承外环5下端平面的正视图，端面上分布有左右对称的左沟槽和右沟槽，单边圆弧沟槽17分布的角度即是单侧肩水平关节的限位角度，在右手模式下，肩水平运动关节处于零位时，肩关节模块横梁8方向垂直于上肢外骨骼横梁3，此时右手限位开关处于伸出状态，插销头插入圆弧沟槽17内，左手限位开关的旋钮柱塞处于收入状态，插销头未插入圆弧沟槽17内，肩水平运动关节可以向如图示顺时针方向转动40°到限位点A13，以及可以向图示逆时针方向转动120°到限位点B14，由此满足肩关节水平转动+40°到-120°的角度范围。

右手模式的肩水平运动到关节零位时，右限位开关9打开，左右限位开关10关闭，此时为右手限位模式，当需要换手时，拔起右限位开关9的旋钮柱塞，并旋转锁死，控制肩关节模块横梁8逆时针转动，直到转动到左手模式的零位时，旋转左限位开关10的旋钮柱塞，使其伸出，插入圆弧沟槽17，此时左限位开关10打开，右限位开关9关闭，为左手限位模式，实现了上肢外骨骼机器人换手且更换了限位模式。

进一步地，所述的圆柱台16上设置有角度传感器7用于测量关节水平旋转角度。

进一步地，所述电机2的电机轴连接谐波减速器4，谐波减速器4的输出轴通过输出法兰与肩关块横梁8的圆柱台16连接。

进一步地，所述上肢外骨骼横梁3固定在升降柱上，用于悬吊上肢外骨骼横梁3,机械臂肩关节模块16整体相对于上肢外骨骼横梁3做水平运动，形成肩水平运动关节15。由两个旋钮柱塞作为左右手模式各自的限位开关，通过弹性插拔实现各自限位的打开和关闭。

进一步地，所述的肩关块横梁8连接肩关节竖直转动模块12。

进一步地，肩关节模块横梁8固接有肩关节模块横梁盖板11，形成箱型截面的悬臂梁，增强抗弯扭力学性能。

本发明的工作过程：安装于上肢外骨骼机器人上作为肩水平运动关节使用，在康复患者右侧上肢时，使右限位开关9旋钮柱塞的插销头伸出，打开右手限位，拔起左限位开关10旋钮柱塞，并旋转锁死，关闭左手限位，此时肩水平运动关节只能在右手运动范围内转动。当需要换成左手使用时，拔起右限位开关9旋钮柱塞并锁死，使左右限位开关均关闭，驱动电机让肩水平运动关节转动180°到左手的运动范围内，再旋转左限位开关10的旋钮柱塞，使其插销头插入圆弧沟槽17内，此时左手限位开关打开，右手限位关闭，肩水平运动关节只能在左手关节运动范围内转动。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，其特征在于：包括上肢外骨骼横梁（3），所述上肢外骨骼横梁（3）的一端设置有安装腔，安装腔内设置有电机（2），电机（2）输出端连接肩关块横梁（8），所述的上肢外骨骼横梁（3）的底部设置有轴承外环（5），轴承外环（5）内安装有轴承（6），所述肩关块横梁（8）的顶部设置有圆柱台（16），轴承（6）的内圈与圆柱台（16）配合安装，所述的肩关节模块横梁（8）上设置有左限位开关（10）和右限位开关（9）。

2.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，其特征在于：所述的轴承外环（5）的底部设置有圆弧沟槽（17），左限位开关（10）和右限位开关（9）均为旋钮柱塞，且旋钮柱塞可伸入圆弧沟槽（17）内进行限位。

3.根据权利要求2所述的一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，其特征在于：所述的圆弧沟槽（17）包括左沟槽和右沟槽，所述的左限位开关（10）对应伸入左沟槽开启左手限位模式，此时右限位开关（9）处于伸出状态，所述的右限位开关（9）对应伸入右沟槽开启右手限位模式，此时左限位开关（10）处于伸出状态。

4.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，其特征在于：所述的圆柱台（16）上设置有用于测量关节水平旋转角度的角度传感器（7）。

5.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，其特征在于：所述电机（2）的电机轴连接谐波减速器（4），谐波减速器（4）的输出轴通过输出法兰与肩关块横梁（8）的圆柱台（16）连接。

6.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，其特征在于：所述上肢外骨骼横梁（3）固定在升降柱上，用于悬吊上肢外骨骼横梁（3）。

7.根据权利要求1所述的一种上肢外骨骼可换手并限位的肩水平运动关节结构，其特征在于：所述的肩关块横梁（8）连接肩关节竖直转动模块（12）。