CN110340870B - 一种肩关节保持外骨骼及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种肩关节保持外骨骼及其应用，属于上肢外骨骼机器人领域，肩关节保持外骨骼包括：右臂外骨骼、左臂外骨骼和承力腰带，右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，右臂外骨骼和左臂外骨骼的结构相同；右臂外骨骼包括：支撑机构和锁定机构，支撑机构中的支撑杆中部设置卡齿和滑槽，锁定机构包括：第一固定板、上挡块、下挡块、第二固定板和卡爪，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动，上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，卡爪与卡齿分离或者啮合。本发明将肩关节的旋转运动转换为往复运动，采用卡爪、卡齿结构，实现肩关节任意角度保持，结构简洁轻便，不受控制算法和续航时间限制，可以实现完全卸载。

Description

一种肩关节保持外骨骼及其应用
技术领域
本发明属于上肢外骨骼机器人领域，更具体地，涉及一种肩关节保持外骨骼及其应用。
背景技术
在建筑、机场、组装线、仓储、物流等应用环境中，工人需要对货物进行抬举、搬运、下蹲等重复性劳动，或是长时间的持械操作。重复且繁重的工作对人体背部及肩关节损伤极大，易造成肌肉疲劳甚至骨骼损伤。外骨骼机器人可通过主、被动元件及优化设计算法，实现人体作业过程中的有效助力，预防劳动损伤，延长工人职业生涯。
目前肩关节外骨骼根据是否配备外部动力源可分为主动式和被动式外骨骼。其中主动式外骨骼常用于医疗康复、人体增强等应用环境，但其为满足人体运动自由度往往结构复杂、感知与控制难度较大且不够便携。被动式外骨骼采用弹性元件，优化人体运动过程中的能量流动，结构更为简洁轻便，自由度更高，不存在能耗续航等问题，更适合于工人对象的应用。
专利CN107984461A提出了一种气动上肢助力外骨骼机器人，针对物流行业的搬运工作，通过气动肌肉来实现大臂与小臂的助力，但其结构笨重，需要额外的供气系统，且对控制算法要求较高。专利CN108789382A提出了一种上肢助力无源外骨骼机器人，其通过关节角度变化，实现助力与非助力两种状态的自由切换，但其非助力状态虽助力力臂较小，但储能元件仍出力较大，不能实现完全的卸载。
由此可见，现有技术存在对控制算法要求较高、不能完全卸载的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种肩关节保持外骨骼及其应用，由此解决现有技术存在对控制算法要求较高、不能完全卸载的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种肩关节保持外骨骼，包括：右臂外骨骼、左臂外骨骼和承力腰带，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼的结构相同；
所述右臂外骨骼包括：支撑机构和锁定机构，所述支撑机构包括：手臂绑带、大臂杆和支撑杆，大臂杆的一端与支撑杆连接，另一端固定手臂绑带，支撑杆与承力腰带连接；所述支撑杆中部设置卡齿和滑槽，所述锁定机构包括：第一固定板、上挡块、下挡块、第二固定板和卡爪，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动，上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，卡爪与卡齿分离或者啮合。
进一步地，支撑机构还包括：导向绳和平衡弹性元件，所述导向绳一端固定于大臂杆，另一端固定于锁定机构；所述平衡弹性元件一端固定于锁定机构，另一端固定于承力腰带。
进一步地，锁定机构还包括：限位弹性元件和摆杆，所述限位弹性元件与卡爪及第二固定板的固定轴连接，所述摆杆与卡爪同轴固定。
进一步地，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动时，当上移触动上挡块时，卡爪与卡齿啮合；当下移触动下挡块时，卡爪与卡齿分离。
进一步地，上挡块和下挡块组成可调节挡块，所述可调节挡块为无源式或者有源式。
进一步地，可调节挡块为无源式时，可调节挡块通过螺钉锁定在支撑杆的滑槽。
进一步地，肩关节保持外骨骼还包括：第一电机、第一减速器、丝杆、第二电机、第二减速器，第一电机和第二电机分别位于丝杆的上端和下端，第一减速器位于第一电机与上挡块之间，第二减速器位于第二电机与下挡块之间，通过第一电机、第一减速器、第二电机与第二减速器驱动丝杆，带动可调节挡块直线运动并自锁。
按照本发明的另一个方面，提供了一种肩关节保持外骨骼的应用，所述肩关节保持外骨骼应用于肩关节保持任务和肩关节自由运动。
进一步地，肩关节保持外骨骼应用于肩关节保持任务时，包括：
大臂杆下移至最低角度，此时第一固定板和第二固定板位于支撑杆的最上方，且触动上挡块，带动卡爪旋转，卡爪与卡齿啮合；此状态下第一固定板和第二固定板只能向下运动，大臂杆只能向上运动。
进一步地，肩关节保持外骨骼应用于肩关节自由运动时，包括：
大臂杆向上移动到最大角度，此时第一固定板和第二固定板位于支撑杆的最下方，且触动下挡块，带动卡爪旋转，卡爪与卡齿分离；此状态下第一固定板和第二固定板沿支撑杆上下运动，大臂杆自由旋转。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种肩关节保持外骨骼，右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，将肩关节的旋转运动转换为往复运动，采用卡爪、卡齿结构，实现肩关节任意角度保持，将手臂负载载荷有效传递至腰部；结构简洁轻便，不受控制算法和续航时间限制，可以实现完全卸载。
(2)本发明中上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动时，当上移触动上挡块时，卡爪与卡齿啮合；当下移触动下挡块时，卡爪与卡齿分离。通过卡爪与卡齿分离或者啮合实现卡爪解锁与锁定两种工作状态的切换。进而可实现肩关节工作状态任意角度保持与非工作状态自由活动的功能，不会对人体造成额外负担。
(3)本发明中支撑机构具有平衡弹性元件，在应用时可以平衡手臂重力，本发明中上挡块和下挡块组成可调节挡块，可调节挡块为无源式或者有源式，当调节挡块为无源式时，无需其他的控制算法、电机和电源即可使用，当可调节挡块为有源式时，可以通过电机和减速器带动可调节挡块直线运动并自锁，以简化人工调节方式，提高外骨骼的使用灵活度。这说明本发明的适应性强。
(4)本发明在应用时，通过控制卡爪与卡齿啮合；此状态下第一固定板和第二固定板只能向下运动，大臂杆只能向上运动，实现肩关节保持功能。通过控制卡爪与卡齿分离；此状态下第一固定板和第二固定板沿支撑杆上下运动，大臂杆自由旋转，实现肩关节自由运动。这说明本发明既可以执行肩关节保持任务，也可以进行肩关节自由运动。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种肩关节保持外骨骼的穿戴示意图；
图2是本发明实施例提供的外骨骼装配图；
图3是本发明实施例提供的右臂外骨骼结构的示意图，其中，(a)是右臂外骨骼结构的后侧示意图，(b)是右臂外骨骼结构的前侧示意图；
图4是本发明实施例提供的锁定机构的示意图，其中，(a)是锁定机构的后侧示意图，(b)是锁定机构的前侧示意图；
图5是本发明实施例提供的锁定机构装配图；
图6是本发明实施例提供的锁定机构的卡爪啮合前后的示意图，其中，(a)是锁定机构的卡爪啮合前示意图，(b)是锁定机构的卡爪啮合状态示意图；
图7是本发明实施例提供的锁定机构的卡爪分离前后示意图，其中，(a)是锁定机构的卡爪分离前示意图，(b)是锁定机构的卡爪分离状态示意图；
图8是本发明实施例提供的有源式外骨骼调节机构的示意图；
图9是本发明实施例提供的有源式外骨骼整体布置的示意图，其中，(a)是有源式外骨骼整体布置的后侧示意图，(b)是有源式外骨骼整体布置的前侧示意图；
图10是本发明实施例提供的外骨骼工作流程图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100为右臂外骨骼，110为支撑机构，111为手臂绑带，112为大臂杆，113为支撑杆，114为导向绳，115为平衡弹性元件，120为锁定机构，121为第一固定板，122为上挡块，123为限位弹性元件，124为下挡块，125为第二固定板，126为摆杆，127为限位杆，128为卡爪，200为左臂外骨骼，300为承力腰带，400为主动调节机构，401为电机，402为减速器，403为丝杆，500为电源及控制模块，600为控制旋钮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明基于现有技术存在对控制算法要求较高、不能完全卸载的技术问题，设计了一款能够实现肩关节任意角度保持，且可随时释放的肩关节保持外骨骼，图1展示了肩关节保持外骨骼的穿戴方式。
如图2所示，肩关节保持外骨骼包括：右臂外骨骼100、左臂外骨骼200和承力腰带300。其中右臂外骨骼100和左臂外骨骼200结构对称，并都与承力腰带300球铰连接。
图3中的(a)是右臂外骨骼结构的后侧示意图，图3中的(b)是右臂外骨骼结构的前侧示意图；右臂外骨骼100包括：支撑机构110和锁定机构120。所述支撑机构110包括：手臂绑带111、大臂杆112、支撑杆113、导向绳114和平衡弹性元件115。手臂绑带111固定于大臂杆112的末端，大臂杆单轴铰接于支撑杆113上，支撑杆113与承力腰带300通过球铰连接；导向绳114一端固定于大臂杆112，经支撑杆滑轮导向，另一端固定于锁定机构120；平衡弹性元件115一端固定于锁定机构120，另一端固定于承力腰带300。
图4中的(a)是锁定机构的后侧示意图，图4中的(b)是本发明实施例提供的锁定机构的前侧示意图；锁定机构120包括：第一固定板121、上挡块122、限位弹性元件123、下挡块124、第二固定板125、摆杆126、限位杆127和卡爪128。第一固定板121和第二固定板125搭配导向滚轮可沿支撑杆113滑动。支撑杆113中部设有卡齿，卡齿可与卡爪128相啮合，卡齿的上下两端分别设置上挡块122和下挡块124。上挡块122和下挡块124可限制摆杆126的旋转运动。
如图5所示，卡爪128可沿轴转动，摆杆126与卡爪128同轴固定，可同时转动。卡爪128与卡齿啮合时，仅可单向移动。限位弹性元件123连接卡爪128及第二固定板125的固定轴，经第一固定板121上环形轨道限制，卡爪128仅可位于与卡齿啮合与分离两种状态。在限位杆127及支撑杆113的轨道作用下，第一固定板121和第二固定板125可上下移动，图6中的(a)是锁定机构的卡爪啮合前示意图，图6中的(b)是锁定机构的卡爪啮合状态示意图；当上移触动上挡块122时，卡爪128与卡齿啮合，第一固定板121和第二固定板125仅可向下运动；图7中的(a)是锁定机构的卡爪分离前示意图，图7中的(b)是锁定机构的卡爪分离状态示意图；当下移触动下挡块124时，卡爪128与卡齿分离，第一固定板121和第二固定板125可自由运动。
所述可调节挡块即上挡块122和下挡块124分为无源式和有源式。无源式挡块通过螺钉锁定在支撑杆轨道。有源式则通过电机与减速器驱动丝杆，带动挡块直线运动并自锁。
如图8所示，有源式外骨骼调节机构包括：电机401、减速器402及丝杆403，电机401、减速器402及丝杆403构成直线运动机构，上挡块122和下挡块124可在丝杆上滑动，通过电机进行位置调节。
图9中的(a)是有源式外骨骼整体布置的后侧示意图，图9中的(b)是有源式外骨骼整体布置的前侧示意图；在上述外骨骼基础之上，添加主动调节机构(即有源式外骨骼调节机构)400、电源及控制模块500及控制旋钮600。通过位于腰部的控制旋钮600，可分别控制上挡块122和下挡块124的准确位置，以简化人工调节方式，提高外骨骼的使用灵活度。
下面对该装置的使用过程进行具体的说明
使用外骨骼之前，对上挡块122及下挡块124进行人工调节，使之位于锁定模块(即第一固定板121和第二固定板125)在大臂运动过程中所能达到的最高位置和最低位置。若为无源式外骨骼，则需通过螺钉对挡块进行锁死；若为有源式外骨骼，则可通过腰带旋钮对其进行调节。在穿戴外骨骼之前，将锁定模块拨至分离状态，固定好大臂绑带及腰带。
图10为外骨骼使用流程图，初始状态为关节自由活动状态，当执行需要关节保持的任务时，大臂下移至最低角度，此时对应锁定模块位于支撑杆的最上方，且触动上挡块，摆杆带动卡爪旋转，卡爪与卡齿相啮合；此状态下锁定模块仅可向下运动，向上则锁死，对应于大臂即可向上运动，不可向下，实现肩关节保持功能。当需要关节自由运动时，大臂向上移动到最大角度，此时对应锁定模块位于支撑杆的最下方，且触动下挡块，摆杆带动卡爪旋转，卡爪与卡齿分离；此状态下锁定模块可沿支撑杆上下运动，大臂即可自由旋转。有源式外骨骼可在作业任务时，自行调节舒适的锁定与解锁角度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，包括：右臂外骨骼、左臂外骨骼和承力腰带，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带通过球铰连接，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼的结构相同；
所述右臂外骨骼包括：支撑机构和锁定机构，所述支撑机构包括：手臂绑带、大臂杆和支撑杆，大臂杆的一端与支撑杆连接，另一端固定手臂绑带，支撑杆与承力腰带通过球铰连接；所述支撑杆中部设置卡齿和滑槽，所述锁定机构包括：第一固定板、上挡块、下挡块、第二固定板和卡爪，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动，上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，卡爪与卡齿分离或者啮合，由此实现卡爪解锁与锁定两种工作状态的切换；
所述锁定机构还包括：限位弹性元件和摆杆，所述限位弹性元件与卡爪及第二固定板的固定轴连接，所述摆杆与卡爪同轴固定；所述第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动时，当上移触动上挡块时，卡爪与卡齿啮合；当下移触动下挡块时，卡爪与卡齿分离；所述上挡块和下挡块组成可调节挡块，所述可调节挡块为无源式，所述可调节挡块通过螺钉锁定在支撑杆的滑槽，所述上挡块和下挡块用于限制摆杆的旋转运动；
使用外骨骼之前，对上挡块及下挡块进行调节，使之位于锁定模块在大臂运动过程中所能达到的最高位置和最低位置，所述锁定模块包括第一固定板和第二固定板。
2.如权利要求1所述的一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，所述支撑机构还包括：导向绳和平衡弹性元件，所述导向绳一端固定于大臂杆，另一端固定于锁定机构；所述平衡弹性元件一端固定于锁定机构，另一端固定于承力腰带。
3.如权利要求1或2所述的一种肩关节保持外骨骼的应用，其特征在于，所述肩关节保持外骨骼应用于肩关节保持任务和肩关节自由运动。
4.如权利要求3所述的一种肩关节保持外骨骼的应用，其特征在于，所述肩关节保持外骨骼应用于肩关节保持任务时，包括：
大臂杆下移至最低位置，此时第一固定板和第二固定板位于支撑杆的最上方，且触动上挡块，带动卡爪旋转，卡爪与卡齿啮合；此状态下第一固定板和第二固定板只能向下运动，大臂杆只能向上运动。
5.如权利要求4所述的一种肩关节保持外骨骼的应用，其特征在于，所述肩关节保持外骨骼应用于肩关节自由运动时，包括：
大臂杆向上移动到最高位置，此时第一固定板和第二固定板位于支撑杆的最下方，且触动下挡块，带动卡爪旋转，卡爪与卡齿分离；此状态下第一固定板和第二固定板沿支撑杆上下运动，大臂杆自由旋转。
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