CN111557768B - 一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，涉及假肢手腕领域，包括腕部近体组件和腕部远体组件；所述腕部近体组件连接在残肢接受腔中，包括驱动电机、电路板、定子、行星齿轮传动系统、耦合器、套筒和近端底盖；所述腕部远体组件通过法兰连接末端执行器，包括旋转体、支撑座、滚动体、锁定件和远端顶盖；所述腕部近体组件在所述套筒内沿轴向可移动地设置，通过手动旋转所述末端执行器可实现与所述腕部远体组件的连接与分离。本发明方便患者拆卸及更换末端装置，并从根本上解决了手腕旋转的绕线问题，更加稳定可靠。

Description

一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕

技术领域

本发明涉及假肢手腕领域，尤其涉及一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕。

背景技术

肢残患者是社会上具有特殊困难的弱势群体。由于工伤事故、交通事故、自然灾害、疾病病变和先天性缺陷等各种因素，不可避免产生数量不少的上肢缺失者。如何提高这些肢残患者的生活质量和工作质量，尤其是提高那些截肢者的生活质量，是全社会的责任。是发展康复事业、服务残障者是社会进步的体现，也是我国民生科技的一个重要组成部分。

假肢腕部组件部分位于残肢接受腔之内，腕部近体组件用于连接残肢接收腔，腕部远体组件用于连接假肢末端执行器。假肢技术经过长期的发展，已有大量各类的假肢末端执行器可以供肢残患者选择。根据需要实现的功能不同，需要更换不同的末端执行器，就会经常涉及末端执行器与残肢接受腔之间的拆卸。如果切换不同假肢末端执行器的过程非常繁琐，则会使患者在切换操作时产生严重的困难和不便。现有的被动腕关节一般通过螺钉等紧固件锁定连接残肢接受腔及末端执行器，只能实现手腕的旋转而难以快速拆卸。另外，现有的有线连接的单自由度手腕，多存在因手腕旋转导致的绕线、断线问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，结构简单，易于控制，能够在电机驱动下带动末端执行器旋转，并可以通过施加扭矩旋转假肢末端执行器连接或移除假肢末端执行器，更加便捷地实现末端装置的拆卸及更换；通过导电环与弹片对接的线路导通方式从根本上解决末端执行器旋转时的绕线问题，更加稳定可靠。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何合理的设计，使得假肢快旋式能够轻易拆卸且方便更换末端装置的腕部结构，并通过插头对接解决绕线问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，包括腕部近体组件和腕部远体组件；所述腕部近体组件连接在残肢接受腔中，包括驱动电机、电路板、定子、行星齿轮传动系统、耦合器、套筒和近端底盖；所述腕部远体组件通过法兰连接末端执行器，包括旋转体、支撑座、滚动体、锁定件和远端顶盖；所述腕部近体组件在所述套筒内沿轴向可移动地设置，通过手动旋转所述末端执行器可实现与所述腕部远体组件的连接与分离。

进一步地，所述末端执行器位于手腕的远端。

进一步地，所述驱动电机有两个，对称布置；所述驱动电机放置在电机固定板的弧形槽中，所述驱动电机通过螺钉固定在所述电机固定板上。

进一步地，所述驱动电机的引线可通过所述电机固定板上的电机穿线孔及所述套筒内壁上的电机穿线槽穿出，连接至所述电路板，所述电路板的引线通过所述定子的电路板出线孔进入所述定子的中心通道。

进一步地，所述定子位于所述腕部近体组件中部，所述定子近端通过螺钉和所述近端底盖固结，所述定子远端通过定子轴承定位固定；所述腕部近体组件活动部件相对于所述定子旋转。

进一步地，所述定子的中心通道可设置多条电缆，所述电路板的引线通过所述电路板出线孔进入所述定子的中心通道连接至插头的接线柱，所述残肢接受腔内电源线和电极线可通过所述近端底盖的穿线孔经过所述定子的中心通道连接至所述插头的接线柱进行电气连接。

进一步地，所述行星齿轮传动系统包括一级行星齿轮传动和二级行星齿轮传动；所述一级行星齿轮传动包括一级行星齿轮、一级太阳轮、一级齿轮座、双联齿轮和齿圈；所述二级行星齿轮传动包括二级行星齿轮、二级太阳轮、二级齿轮座和齿圈；所述一级行星齿轮安装在一级齿轮座上，所述一级齿轮座上还安装有所述二级太阳轮；所述二级行星齿轮安装在二级齿轮座上，所述二级齿轮座与所述耦合器耦合；所述齿圈固定在所述套筒上，与所述套筒相对静止。

进一步地，所述套筒构成整个腕部的外壳，所述套筒近部内壁上设有沿周向均布的四个定位槽，所述套筒远部内壁上设有沿轴向的两个环槽和一个滚动体卡槽。

进一步地，所述旋转体通过所述法兰与所述末端执行器相连，所述旋转体可以绕所述支撑座的远端旋转。

进一步地，所述滚动体设置在所述支撑座上的滚动体定位槽内。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明结构简单，易于控制，特别适合用于肌电仿人假肢手臂及末端执行器；

(2)本发明假肢快旋式手腕，能够在电机驱动下带动末端执行器旋转，并可以通过施加扭矩旋转假肢末端执行器连接或移除假肢末端执行器，更加便捷地实现末端装置的拆卸及更换；通过导电环与弹片对接的线路导通方式解决末端执行器旋转时的绕线问题，更加稳定可靠。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕总装半剖结构示意图；

图2是本发明的旋转体示意图；

图3是本发明的远端顶盖示意图；

图4是本发明的锁定元件示意图；

图5是本发明的锁定件示意图；

图6是本发明的支撑座示意图；

图7是本发明的耦合器示意图；

图8是本发明的二级齿轮座示意图；

图9是本发明的一级齿轮座示意图；

图10是本发明的双联齿轮示意图；

图11是本发明的驱动电机示意图；

图12是本发明的一级行星齿轮传动系统示意图；

图13是本发明的二级行星齿轮传动系统示意图；

图14是本发明的近端底盖示意图；

图15是本发明的定子示意图；

图16是本发明的电机固定板示意图；

图17是本发明的插头示意图；

图18是本发明的套筒示意图；

图19是本发明的远体总装示意图；

图20是本发明的近体内部总装示意图；

其中，100-旋转体，101-定位柱，102-锁定元件定位孔，103-法兰定位孔，104-远端轴承安装孔，200-远端顶盖，201-顶盖安装孔，202-出线孔，300-远端轴承，400-锁定元件，401-弹簧，402-半圆柱卡凸，500-锁定件，501-锁定件安装孔，502-半圆柱卡槽，600-滚动体，700-支撑座，701-滚动体定位槽，702-远部耦合，703-锁定件定位块，704-连接孔，705-接线柱，706-弹片，800-耦合器，801-定子轴承安装孔，802-内部耦合一，803-近部耦合，900-二级齿轮座，901-二级行星轮定位孔，902-内部耦合二，1000-一级齿轮座，1001-一级行星轮定位孔，1002-二级太阳轮，1100-齿圈，1101-齿圈定位凸起，1200-双联齿轮，1201-锥齿轮，1202-一级太阳轮，1300-驱动电机，1301-机锥齿轮，1302-电机安装孔，1303-电机圆周面，1400-近端底盖，1401-底盖定位凸起，1402-定子固定孔，1403-底盖安装孔，1404-穿线孔，1500-定子，1501-定子安装孔，1502-电路板出线孔，1503-中心通道，1600-电路板，1700-电机固定板，1701-电机定位孔，1702-电机固定板定位凸起，1703-弧形槽，1704-电机穿线孔，1800-一级行星轮，1900-二级行星轮，2000-定子轴承挡圈，2100-耦合轴承，2200-耦合轴承挡圈，2300-卡簧，2400-定子轴承，2500-插头，2501-接线柱，2502-导电环，2600-套筒，2601-滚动体卡槽，2602-底盖固定孔，2603-腕部安装孔，2604-耦合轴承挡圈固定槽，2605-卡簧固定槽，2606-耦合轴承安装孔，2607-齿圈支撑座，2608-定位槽，2609-电机穿线槽。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1和图20所示，本发明提供了一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，包括腕部近体组件和腕部远体组件；腕部近体组件连接在残肢接受腔中，包括驱动电机1300、电路板1600、定子1500、行星齿轮传动系统、耦合器800、套筒2600和近端底盖1400；腕部远体组件通过法兰连接末端执行器，包括旋转体100、支撑座700、滚动体600、锁定件500和远端顶盖200。

如图2所示，旋转体100包括定位柱101，锁定元件定位孔102，法兰定位孔103和远端轴承安装孔104。

如图3所示，远端顶盖200包括顶盖安装孔201和出线孔202。

如图4所示，锁定元件400包括弹簧401和半圆柱卡凸402。

如图5所示，锁定件500包括锁定件安装孔501和半圆柱卡槽502。

如图6所示，支撑座700包括滚动体定位槽701、远部耦合702、锁定件定位块703、连接孔704、接线柱705和弹片706。

如图7所示，耦合器800包括定子轴承安装孔801、内部耦合一802和近部耦合803。

如图8所示，二级齿轮座900包括二级行星轮定位孔901和内部耦合二902。

如图9所示，一级齿轮座1000包括一级行星轮定位孔1001和二级太阳轮1002。

如图10所示，双联齿轮1200包括锥齿轮1201和一级太阳轮1202。

如图11所示，驱动电机1300包括机锥齿轮1301、电机安装孔1302和电机圆周面1303。

如图14所示，近端底盖1400包括底盖定位凸起1401、定子固定孔1402、底盖安装孔1403和穿线孔1404。

如图15所示，定子1500包括定子安装孔1501、电路板出线孔1502和中心通道1503。

如图16所示，电机固定板1700包括电机定位孔1701、电机固定板定位凸起1702、弧形槽1703和电机穿线孔1704。

如图18所示，套筒2600包括滚动体卡槽2601、底盖固定孔2602、腕部安装孔2603、耦合轴承挡圈固定槽2604、卡簧固定槽2605、耦合轴承安装孔2606、齿圈支撑座2607、定位槽2608和电机穿线槽2609。

实施方式一

如图18所示，套筒2600上沿周向均布的四个腕部安装孔2603通过螺钉与残臂接受腔连接，使快旋式手腕近体与残臂接受腔固结。如图9、图10、图11和图12所示，肌电腕关节接收到肌电信号时，驱动电机1300的锥齿轮1301转动，带动与之啮合的双联齿轮1200的锥齿轮1201绕定子1500转动。从而，双联齿轮1200的一级太阳轮1202带动一级行星轮1800绕一级齿轮座1000上的行星轮定位孔1001自转。一级行星轮1800与齿圈1100内啮合，齿圈1100通过齿圈定位凸起1101与套筒2600的定位槽2608配合及齿圈支撑座2607固定在套筒2600上。一级行星轮1800自传的同时还可绕定子1500公转，从而带动一级齿轮座1000绕定子1500转动。一级齿轮座1000上设有二级太阳轮1002，如图9和图13所示，二级太阳轮1002绕定子1500的转动带动二级行星轮1900绕二级齿轮座900上的行星轮定位孔901自转。二级行星轮1900与齿圈1100内啮合，二级行星轮1800自传的同时还可绕定子1500公转，从而带动二级齿轮座900绕定子1500转动。二级齿轮座900的远端设有内部耦合二902，与耦合器800近端的内部耦合一802配合，实现耦合器800与二级齿轮座900绕定子1500同步旋转。其中，耦合器800由卡簧2300阻止其轴向运动，卡簧2300放置于套筒2600的卡簧固定槽2605内。耦合轴承2100允许耦合器800与二级齿轮座900相对套筒2600旋转，耦合轴承2100位于套筒2600的耦合轴承安装孔2606中并由二级齿轮座900和耦合轴承挡圈2200固定其内外圈，耦合轴承挡圈2200放置于套筒2600的耦合轴承挡圈固定槽2604内；定子轴承2400允许耦合器800相对定子1500旋转，定子轴承2400位于耦合器800的定子轴承安装孔801中并由定子轴承挡圈2000和耦合器800固定其内外圈。

如图14和图15所示，定子1500近端通过定子安装孔1501与近端底盖1400固结。定子1500远端通过定子轴承2400实现轴向定位。定子1500内部的中心通道1503可设置多条电缆，其中电路板1600的引线通过定子1500的电路板出线孔1502进入中心通道1503连接至插头2500的接线柱2501，接受腔内电源线、电极线等通过近端底盖1400的穿线孔1404经中心通道1503连接至插头2500的接线柱2501，如图17，使电缆与插头2500进行电气连接。

当远体与近体组装在一起时，支撑座700近端孔中的弹片706与插头2500的导电环2502对接，如图19。支撑座700远端的接线柱705连接末端执行器线路，通过导电环2502与弹片706的对接，实现末端执行器线路与手腕线路的对接。在手腕带动末端执行器旋转时，弹片706相对导电环2502旋转接触，可使电路保持导通状态。插头2500、定子1500及其内的电缆相对静止，防止了腕部绕线问题的发生。

当远体与近体组装在一起时，如图6和图7所示，支撑座700近端的远部耦合702与耦合器800远端的近部耦合803配合，实现支撑座700与耦合器800的同步旋转。其中，支撑座700绕插头2500旋转，耦合器800绕定子1500旋转。支撑座700远端设有滚动体定位槽701，滚动体600可垂直放入滚动体定位槽701中。其中，支撑座700上的滚动体定位槽701可限制滚动体600的径向运动。旋转体100上的定位柱101沿周向均匀分布，与滚动体定位槽701中的滚动体600一一对应。如图1所示，定位柱101顶住滚动体600，将滚动体600卡入套筒2600内壁上的滚动体卡槽2601中，当支撑座700绕插头2500旋转时，滚动体600可在滚动体卡槽2601内旋转，滚动体600可允许远体相对套筒2600旋转；支撑座700远端还设有锁定件定位块703，其沿周向均布六个，与锁定件500上的锁定件安装孔501配合，如图5，使锁定件500与支撑座700可同步旋转。锁定件500上的半圆柱卡槽502沿周向均布四个，旋转体100上的锁定元件定位孔102同样沿周向均布四个。如图2所示，锁定元件定位孔102为圆柱孔，每个孔中放入一个锁定元件400，锁定元件400的半圆柱卡凸402与弹簧401固结，如图4。锁定元件400的半圆柱卡凸402卡入锁定件500的半圆柱卡槽502中，并在锁定元件400的弹簧401的作用下，阻止旋转体100与锁定件500的相对转动，使旋转体100可与锁定件500同步旋转。如图3所示，远端顶盖200的顶盖安装孔201与支撑座700的连接孔704通过螺钉连接，使远端顶盖200可阻止远体组件轴向运动。末端执行器可通过法兰与旋转体100的法兰定位孔103连接，使旋转运动由旋转体100传至末端执行器，实现手腕驱动电机1300带动末端执行器旋转。电极接收的肌电信号可控制驱动电机1300正转或反转，从而实现末端执行器的正转或反转。

实施方式二

通过手动旋转末端执行器，快旋式手腕远体可与近体分离。驱动电机1300不工作时，远体组件中的支撑座700相对近体静止。首先手动旋转末端执行器90度。末端执行器通过法兰与远体组件旋转体100相连，从而带动旋转体100旋转90度。其中，远端轴承300允许旋转体100相对支撑座700旋转，远端轴承300位于旋转体100的远端轴承300安装孔104中并由支撑座700和远端顶盖200固定其内外圈。旋转体100上的定位柱101旋转90度后与滚动体600脱开对应。同时，旋转体100上的锁定元件定位孔102中的锁定元件400旋转90度，在锁定元件400的弹簧401的作用下，锁定元件400的半圆柱卡凸402从锁定件500的半圆柱卡槽502中压出，沿锁定件500的内壁滑移至下一个锁定件500的半圆柱卡槽502中，实现旋转体100旋转位置的锁定与滚动体600自由状态的锁定；进一步地，将末端执行器沿远离近体的方向从套筒2600中取出。施加在末端执行器上的轴向力可使自由状态下的滚动体600沿径向向支撑座700的滚动体定位槽701的内侧移动，从而脱离套筒2600内壁的滚动体卡槽2601，同时插头2500的导电环2502与支撑座700近端孔中的弹片706脱开，实现手腕远体与手腕近体的分离。

实施方式三

通过手动旋转末端执行器，快旋式手腕远体可与近体连接。驱动电机1300不工作时，首先将远体组件沿轴向插入套筒2600，使近端的支撑座700近端的远部耦合702与耦合器800远端的近部耦合803配合连接；进一步地，手动旋转末端执行器90度将远体与近体连接。末端执行器通过法兰与远体组件旋转体100相连，从而带动旋转体100旋转90度。旋转体100上的定位柱101旋转90度后与滚动体600由脱开位置到一一对应的位置，使滚动体600卡入套筒2600内壁的滚动体卡槽2601中，实现远体相对近体轴向与径向的定位。同时，旋转体100上的锁定元件定位孔102中的锁定元件400旋转90度：在锁定元件400的弹簧401的作用下，锁定元件400的半圆柱卡凸402从锁定件500的半圆柱卡槽502中压出，沿锁定件500的内壁滑移至下一个锁定件500的半圆柱卡槽502中，实现旋转体100旋转位置的锁定与滚动体600固定位置的锁定，同时插头2500的导电环2502与支撑座700近端孔中的弹片706对接，实现手腕远体与手腕近体的连接。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，包括腕部近体组件和腕部远体组件；所述腕部近体组件连接在残肢接受腔中，包括驱动电机、电路板、定子、行星齿轮传动系统、耦合器、套筒和近端底盖；所述腕部远体组件通过法兰连接末端执行器，包括旋转体、支撑座、滚动体、锁定件和远端顶盖；所述腕部远体组件在所述套筒内沿轴向可移动地设置，通过手动旋转所述末端执行器可实现所述旋转体旋转位置的锁定与所述滚动体固定位置或者自由状态的锁定，从而实现与所述腕部近体组件的连接与分离。

2.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述末端执行器位于手腕的远端。

3.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述驱动电机有两个，对称布置；所述驱动电机放置在电机固定板的弧形槽中，所述驱动电机通过螺钉固定在所述电机固定板上。

4.如权利要求3所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述驱动电机的引线可通过所述电机固定板上的电机穿线孔及所述套筒内壁上的电机穿线槽穿出，连接至所述电路板，所述电路板的引线通过所述定子的电路板出线孔进入所述定子的中心通道。

5.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述定子位于所述腕部近体组件中部，所述定子近端通过螺钉和所述近端底盖固结，所述定子远端通过定子轴承定位固定；所述腕部近体组件活动部件相对于所述定子旋转。

6.如权利要求4所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述定子的所述中心通道可设置多条电缆，所述电路板的引线通过所述电路板出线孔进入所述中心通道连接至插头的接线柱，所述残肢接受腔内电源线和电极线可通过所述近端底盖的穿线孔经过所述中心通道连接至所述插头的接线柱进行电气连接。

7.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述行星齿轮传动系统包括一级行星齿轮传动和二级行星齿轮传动；所述一级行星齿轮传动包括一级行星齿轮、一级太阳轮、一级齿轮座、双联齿轮和齿圈；所述二级行星齿轮传动包括二级行星齿轮、二级太阳轮、二级齿轮座和齿圈；所述一级行星齿轮安装在一级齿轮座上，所述一级齿轮座上还安装有所述二级太阳轮；所述二级行星齿轮安装在二级齿轮座上，所述二级齿轮座与所述耦合器耦合；所述齿圈固定在所述套筒上，与所述套筒相对静止。

8.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述套筒构成所述腕部近体组件的外壳，所述套筒近部内壁上设有沿周向均布的四个定位槽，所述套筒远部内壁上设有沿轴向的两个环槽和一个滚动体卡槽。

9.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述旋转体通过所述法兰与所述末端执行器相连，所述旋转体可以绕所述支撑座的远端旋转。

10.如权利要求1所述的肌电信号控制的单自由度假肢快旋式手腕，其特征在于，所述滚动体设置在所述支撑座上的滚动体定位槽内。

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