一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼的制作方法

本發明涉及上肢外骨骼領域，特別是一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼。

背景技術：

我國共有中風、偏癱患者上千萬人，每年新發病中風患者都超過200萬人，還有逐年遞增趨勢，每12秒就有一人中風，每21秒就有一人死于中風；隨著中國人口的老齡化的加劇，2020年以后，我國老年人口將達到3億；以及肢體殘疾人員、骨骼肌肉損傷及少肌癥的患者、關節受損運動員等，醫療康復及助殘領域的目標群體十分巨大。醫用外骨骼機器人的研制發展將會給各種肢體障礙患者帶來福音。

人體的上肢非常靈活，能夠做出各種動作，效率非常高，但是，一些人群由于天災人禍，上肢運動能力受到損傷，肌肉已經不能正常處理或者長時間運作，或者需要進行康復訓練才能恢復正常，或者身體上肢存在殘疾及運動缺陷。針對這類人群，在他們運動能力存在損傷的情況下，需要一款能夠輔助其正常生活的外骨骼，幫助其生活。隨著中國人口的老齡化的加劇，人口健康問題迎來了新的挑戰，尤其是肢體功能障礙，如中風、偏癱所帶來的醫療康復領域。功能障礙患者與理療師的數量比日漸增大，所導致的結果必然是醫療康復器械的井噴。以功能訓練與功能代償為目的研發的醫用外骨骼機器人在這種形勢下將會有很大的發展。

上肢外骨骼肩部結構最復雜，人機協同運動設計難度最大，為降低設計難度，目前國內外上肢外骨骼肩部結構多采用二自由度和三自由度設計，但簡化機構設計難度的同時卻犧牲了與人體肩部骨骼自由度運動相適應的動作，相關自由度運動角度也達不到人體實際需要，難以與人體各個關節運動實現一一匹配，從而人體功能適應性低，穿戴舒適性差，不能完成人體骨骼運動的所需的運動功能要求，降低了外骨骼人機協同的效果。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，與傳統的二自由度或三自由度上肢肩部結構相比,具有更好的人體骨骼運動的協同性、多自由度運動的一致性、人體穿戴的舒適性以及肩部復雜動作的集成性。

本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：

一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，包括背部支撐架、鎖骨前后擺動支架、平行四邊形鎖骨上下擺動機構、肩關節左右擺動支架、肩胛骨支撐架、肩關節前后擺動支架、肩關節水平旋轉機構、大臂前后擺動驅動減速電機系統、大臂結構、小臂前后擺動驅動減速電機系統和小臂結構；其中，背部支撐架為豎直放置的板狀結構，固定在人體脊柱處；鎖骨前后擺動支架固定安裝在背部支撐架上部的一側；平行四邊形鎖骨上下擺動機構的一端固定安裝在鎖骨前后擺動支架的一側；肩胛骨支撐架固定安裝在平行四邊形鎖骨上下擺動機構的另一端；肩關節左右擺動支架與肩胛骨支撐架固定連接；肩關節水平旋轉機構水平放置且與肩關節左右擺動支架固定連接；肩關節前后擺動支架豎直放置且固定安裝在肩關節水平旋轉機構的一端；肩關節前后擺動支架與大臂結構的一端固定連接，且肩關節前后擺動支架與大臂結構的連接處固定安裝有大臂前后擺動驅動減速電機系統；小臂結構固定安裝在大臂結構的一端，且小臂結構和大臂結構的連接處設置有小臂前后擺動驅動減速電機系統。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述的鎖骨前后擺動支架以合頁形式固定安裝在背部支撐架的一側，繞著背部支撐架的窄邊實現旋轉運動。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述的平行四邊形鎖骨上下擺動機構包括兩條直板；兩條直板的一端分別固定在鎖骨前后擺動支架的一側；兩條直板的另一端分別固定安裝在肩胛骨支撐架上，實現兩條直板保持平行；平行四邊形鎖骨上下擺動機構與鎖骨前后擺動支架旋轉連接，實現平行四邊形鎖骨上下擺動機構帶動肩胛骨支撐架沿著固定在鎖骨前后擺動支架的一端上下轉動。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述的肩關節水平旋轉機構包括三鉸接點短連桿、二鉸接點短連桿、三鉸接點長連桿和二鉸接點長連桿；其中，三鉸接點短連桿、二鉸接點短連桿、三鉸接點長連桿和二鉸接點長連桿均為圓弧桿裝結構；二鉸接點長連桿的一端與肩關節左右擺動支架固定連接，二鉸接點長連桿的另一端與三鉸接點短連桿的一端固定連接；三鉸接點短連桿的另一端與肩關節前后擺動支架固定連接；所述三鉸接點長連桿位于二鉸接點長連桿的下部，且三鉸接點長連桿的一端與肩關節左右擺動支架固定連接，三鉸接點長連桿的另一端與二鉸接點短連桿固定連接；二鉸接點短連桿位于三鉸接點短連桿的下部，且二鉸接點短連桿的另一端與肩關節前后擺動支架固定連接。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述三鉸接點長連桿和二鉸接點長連桿保持平行，且三鉸接點長連桿和二鉸接點長連桿實現繞著與肩關節左右擺動支架的固定端水平旋轉。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述三鉸接點短連桿和二鉸接點短連桿保持平行，且三鉸接點短連桿實現繞著與二鉸接點長連桿的固定端水平旋轉；二鉸接點短連桿實現繞著與三鉸接點長連桿的固定端水平旋轉。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述三鉸接點短連桿長l1為70～110mm；二鉸接點短連桿長l2為50～90mm；三鉸接點長連桿長l3為100～140mm；二鉸接點長連桿長l4為80～120mm。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述肩關節左右擺動支架的水平運動軸線j3、三鉸接點長連桿和二鉸接點長連桿的水平運動軸線j7、三鉸接點短連桿和二鉸接點短連桿的水平運動軸線j6和肩關節前后擺動支架的水平運動軸線j1的延長線，相交于人體的肩關節旋轉點j2。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述三鉸接點長連桿和肩關節左右擺動支架的連接點，與二鉸接點長連桿與肩關節左右擺動支架連接點的連線，與平行四邊形鎖骨上下擺動機構水平面的夾角θ2為60～80°；三鉸接點短連桿與肩關節前后擺動支架的連接點，與二鉸接點短連桿與肩關節前后擺動支架連接點的連線，與大臂結構水平面的夾角θ1為60～80°。

在上述的一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，所述大臂結構繞肩關節前后擺動支架的旋轉軸j1的擺動角度θ3為0～210°；肩關節左右擺動支架繞肩胛骨支撐架的旋轉軸j3的旋轉角度θ4為0～90°；大臂結構繞人體的肩關節旋轉點j2的旋轉角度θ5為0～120°；平行四邊形鎖骨上下擺動機構繞鎖骨前后擺動支架的旋轉軸j4的擺動角度θ6為0～35°；鎖骨前后擺動支架繞背部支撐架的旋轉軸j5的旋轉角度θ7為0～20°。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

(1)本發明采用高度擬人化的五自由度肩關節設計，五個自由度分別對應人體肩部結構中的肩胛骨隨鎖骨前后擺動、肩胛骨隨鎖骨上下俯仰、大臂左右擺動、大臂前后俯仰和大臂水平擺動，所述外骨骼肩關節結構能與鎖骨、肩胛骨、大臂等人體關節運動高度協同，動作一致，有利于穿戴者肢體各個運動的恢復及輔助；

(2)本發明肩關節左右擺動支架、雙平行四邊形肩關節水平旋轉機構、肩關節前后擺動支架的運動軸線相交于人體的肩關節旋轉點上，鎖骨前后擺動支架、平行四邊形鎖骨上下擺動機構與人體鎖骨關節運動軸線相一致，實現真正意義上的人機協同，人體肩部執行各運動時，外骨骼肩部結構均能實現協同動作，提高了人體穿戴舒適度，降低了機構運動阻力，提高了外骨骼肩部結構恢復人體機能和輔助人體運動的效率；

(3)本發明所述雙平行四邊形肩關節水平旋轉機構采用長度不同的四個連桿機構，有效錯開了肩關節左右擺動支架和肩關節前后擺動支架運動平面，避免了運動過程中干涉現象產生，提高了外骨骼肩部關節大臂結構水平面擺動角度，提高了外骨骼人機協同適應角度范圍；

(4)本發明所述雙平行四邊形肩關節水平旋轉機構的四個連桿機構分別在各自的平面內運動，互不干涉，避免了運動過程中干涉現象產生，提高了外骨骼肩部關節大臂結構水平面擺動角度，提高了外骨骼人機協同適應角度范圍；

(5)本發明所述雙平行四邊形肩關節水平旋轉機構三鉸接點長連桿與肩關節左右擺動支架的鉸接點和二鉸接點長連桿與肩關節左右擺動支架的鉸接點連線延長線與平行四邊形鎖骨上下擺動機構長度方向夾角形成銳角、三鉸接點短連桿與肩關節前后擺動支架的鉸接點和二鉸接點短連桿與肩關節前后擺動支架的鉸接點連線延長線與大臂結構長度方向夾角形成銳角，實現了雙平行四邊形肩關節水平旋轉機構的運動范圍與人體肩部結構水平擺動的范圍相一致，提高了整體結構的運動角度范圍，提高了整體結構的緊湊型、適應性和人機協同性。

附圖說明

圖1為本發明上肢外骨骼整體結構拓撲示意圖；

圖2為本發明五自由度肩部結構拓撲示意圖；

圖3為本發明上肢外骨骼整體結構人體穿戴效果示意圖；

圖4為本發明上肢外骨骼大臂結構前后擺動人體穿戴效果示意圖；

圖5為本發明上肢外骨骼大臂結構左右擺動人體穿戴效果示意圖；

圖6為本發明上肢外骨骼大臂結構橫向轉動人體穿戴效果示意圖；

圖7為本發明上肢外骨骼平行四邊形鎖骨上下擺動機構上下擺動人體穿戴效果示意圖；

圖8為本發明上肢外骨骼平行四邊形鎖骨上下擺動機構前后擺動人體穿戴效果示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述：

如圖1所示為上肢外骨骼整體結構拓撲示意圖，如圖3所示為上肢外骨骼整體結構人體穿戴效果示意圖，由圖可知，一種具有五自由度肩部結構的上肢外骨骼，包括背部支撐架1、鎖骨前后擺動支架2、平行四邊形鎖骨上下擺動機構3、肩關節左右擺動支架4、肩胛骨支撐架5、肩關節前后擺動支架6、肩關節水平旋轉機構7、大臂前后擺動驅動減速電機系統8、大臂結構9、小臂前后擺動驅動減速電機系統10和小臂結構11；其中，背部支撐架1為豎直放置的板狀結構，固定在人體脊柱處；鎖骨前后擺動支架2固定安裝在背部支撐架1上部的一側；其中，鎖骨前后擺動支架2以合頁形式固定安裝在背部支撐架1的一側，繞著背部支撐架1的窄邊實現旋轉運動。平行四邊形鎖骨上下擺動機構3的一端固定安裝在鎖骨前后擺動支架2的一側；肩胛骨支撐架5固定安裝在平行四邊形鎖骨上下擺動機構3的另一端；肩關節左右擺動支架4與肩胛骨支撐架5固定連接；肩關節水平旋轉機構7水平放置且與肩關節左右擺動支架4固定連接；肩關節前后擺動支架6豎直放置且固定安裝在肩關節水平旋轉機構7的一端；肩關節前后擺動支架6與大臂結構9的一端固定連接，且肩關節前后擺動支架6與大臂結構9的連接處固定安裝有大臂前后擺動驅動減速電機系統8；小臂結構11固定安裝在大臂結構9的一端，且小臂結構11和大臂結構9的連接處設置有小臂前后擺動驅動減速電機系統10。

其中，平行四邊形鎖骨上下擺動機構3包括兩條直板；兩條直板的一端分別固定在鎖骨前后擺動支架2的一側；兩條直板的另一端分別固定安裝在肩胛骨支撐架5上，實現兩條直板保持平行；平行四邊形鎖骨上下擺動機構3與鎖骨前后擺動支架2旋轉連接，實現平行四邊形鎖骨上下擺動機構3帶動肩胛骨支撐架5沿著固定在鎖骨前后擺動支架2的一端上下轉動。

如圖2所示為五自由度肩部結構拓撲示意圖，由圖可知，肩關節水平旋轉機構7包括三鉸接點短連桿7-1、二鉸接點短連桿7-2、三鉸接點長連桿7-3和二鉸接點長連桿7-4；其中，三鉸接點短連桿7-1、二鉸接點短連桿7-2、三鉸接點長連桿7-3和二鉸接點長連桿7-4均為圓弧桿裝結構；二鉸接點長連桿7-4的一端與肩關節左右擺動支架4固定連接，二鉸接點長連桿7-4的另一端與三鉸接點短連桿7-1的一端固定連接；三鉸接點短連桿7-1的另一端與肩關節前后擺動支架6固定連接；所述三鉸接點長連桿7-3位于二鉸接點長連桿7-4的下部，且三鉸接點長連桿7-3的一端與肩關節左右擺動支架4固定連接，三鉸接點長連桿7-3的另一端與二鉸接點短連桿7-2固定連接；二鉸接點短連桿7-2位于三鉸接點短連桿7-1的下部，且二鉸接點短連桿7-2的另一端與肩關節前后擺動支架6固定連接。

其中，三鉸接點長連桿7-3和二鉸接點長連桿7-4保持平行，且三鉸接點長連桿7-3和二鉸接點長連桿7-4實現繞著與肩關節左右擺動支架4的固定端水平旋轉；三鉸接點短連桿7-1和二鉸接點短連桿7-2保持平行，且三鉸接點短連桿7-1實現繞著與二鉸接點長連桿7-4的固定端水平旋轉；二鉸接點短連桿7-2實現繞著與三鉸接點長連桿7-3的固定端水平旋轉；配合集成為雙平行四邊形肩關節水平旋轉機構7，該機構能有效錯開了肩關節左右擺動支架6和肩關節前后擺動支架4運動平面，避免了運動過程中干涉現象產生。

三鉸接點短連桿7-1長l1為70～110mm；二鉸接點短連桿7-2長l2為50～90mm；三鉸接點長連桿7-3長l3為100～140mm；二鉸接點長連桿7-4長l4為80～120mm。

如圖4所示為上肢外骨骼大臂結構前后擺動人體穿戴效果示意圖，如圖5所示為上肢外骨骼大臂結構左右擺動人體穿戴效果示意圖，如圖6所示為上肢外骨骼大臂結構橫向轉動人體穿戴效果示意圖，如圖7所示為上肢外骨骼平行四邊形鎖骨上下擺動機構上下擺動人體穿戴效果示意圖，如圖圖8所示為上肢外骨骼平行四邊形鎖骨上下擺動機構前后擺動人體穿戴效果示意圖，有圖可知，肩關節左右擺動支架4的水平運動軸線j3、三鉸接點長連桿7-3和二鉸接點長連桿7-4的水平運動軸線j7、三鉸接點短連桿7-1和二鉸接點短連桿7-2的水平運動軸線j6和肩關節前后擺動支架6的水平運動軸線j1的延長線，相交于人體的肩關節旋轉點j2。

其中，三鉸接點長連桿7-3和肩關節左右擺動支架4的連接點，與二鉸接點長連桿7-4與肩關節左右擺動支架4連接點的連線，與平行四邊形鎖骨上下擺動機構3水平面的夾角θ2為60～80°；三鉸接點短連桿7-1與肩關節前后擺動支架6的連接點，與二鉸接點短連桿7-2與肩關節前后擺動支架6連接點的連線，與大臂結構9水平面的夾角θ1為60～80°。

大臂結構9繞肩關節前后擺動支架6的旋轉軸j1的擺動角度θ3為0～210°；肩關節左右擺動支架4繞肩胛骨支撐架5的旋轉軸j3的旋轉角度θ4為0～90°；大臂結構9繞人體的肩關節旋轉點j2的旋轉角度θ5為0～120°；平行四邊形鎖骨上下擺動機構3繞鎖骨前后擺動支架2的旋轉軸j4的擺動角度θ6為0～35°；鎖骨前后擺動支架2繞背部支撐架1的旋轉軸j5的旋轉角度θ7為0～20°。實現了雙平行四邊形肩關節水平旋轉機構7的運動范圍與人體肩部結構水平擺動的范圍相一致，提高了整體結構的運動角度范圍，提高了整體結構的緊湊型、適應性和人機協同性。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。