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专利号: 2020109006757
申请人: 重庆理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 医学或兽医学;卫生学
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,包括竖向设置的支撑块,在所述支撑块的轴向两侧对称设有外骨骼执行结构,所述外骨骼执行结构包括背部运动机构、肩关节运动机构、大臂运动机构、小臂运动机构、腕关节运动机构和驱动模块,所述驱动模块包括分别用于对背部运动机构、肩关节运动机构、大臂运动机构、小臂运动机构和腕关节运动机构进行驱动的多个驱动电机;

所述背部运动机构包括轴向设置且与所述支撑块固定连接的第一背板,所述第一背板远离其连接所述支撑块的一端通过第一竖向转动件转动连接有第二背板,以与人体肩胛骨的内收和外展运动相适应;

所述肩关节运动机构包括第一肩部组件、第二肩部组件和第三肩部组件,所述第二背板远离其连接所述第一背板的一端通过第一纵向转动件与所述第一肩部组件转动连接,以与人体肩胛骨的抬升和下降运动相适应,所述第一肩部组件远离其连接所述第二背板的一端通过第二纵向转动件与所述第二肩部组件转动连接,以与人体肩关节的外摆和内收运动相适应,所述第二肩部组件远离其连接所述第一肩部组件的一端通过第二竖向转动件与所述第三肩部组件转动连接,以与人体肩关节的内旋和外旋运动相适应;

所述大臂运动机构包括大臂杆和大臂绑缚机构,所述大臂绑缚机构固定在所述大臂杆上,并用于缠绕在人体大臂,所述第三肩部组件远离其连接所述第二肩部组件的一端通过第一轴向转动件与所述大臂杆转动连接,以与人体肩关节的前屈和后伸运动相适应;

所述小臂运动机构包括小臂杆和小臂滑动绑缚机构,所述小臂滑动绑缚机构滑动连接在所述小臂杆上,用于缠绕在人体小臂并与人体小臂的内旋和外旋运动相适应,所述大臂杆远离其连接所述第三肩部组件的一端通过第二轴向转动件与所述小臂杆转动连接,以与人体肘关节的前屈和后伸运动相适应;

所述腕关节运动机构包括腕关节组件、腕关节连杆和手握把,所述小臂杆远离其连接所述大臂杆的一端通过第三竖向转动件与所述腕关节组件转动连接,以与人体腕关节的内收和外展运动相适应,所述腕关节组件远离其连接所述小臂杆的一端通过第三轴向转动件与所述腕关节连杆转动连接,以与人体腕关节的前屈和后展运动相适应,所述腕关节连杆远离其连接所述腕关节组件的一端通过第三纵向转动件与所述手握把连接,以使得人体手部能够被动适应小臂的内旋和外旋运动;

所述第一肩部组件包括第一前肩部件和第一后肩部件,所述第一前肩部件与所述第二背板转动连接,所述第一后肩部件与所述第二肩部组件转动连接,所述第一前肩部件和第一后肩部件之间通过四连杆机构进行连接,所述四连杆机构包括依次首尾相连的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆,且所述第一连杆与所述第二连杆的连接处通过第一固定螺钉固定在所述第一前肩部件上,所述第二连杆与所述第三连杆的连接处通过第二转动件进行转动连接,所述第三连杆与所述第四连杆的连接处通过第二固定螺钉固定连接在第一后肩部件上,所述第四连杆与所述第一连杆的连接处通过第一转动件进行转动连接,且所述第一固定螺钉和所述第二固定螺钉还通过拉绳进行连接;

所述第二肩部组件包括第二前肩部件和第二后肩部件,所述第二前肩部件与所述第一后肩部件连接,所述第二后肩部件与所述第三肩部组件连接,所述第二前肩部件上远离其连接所述第一后肩部件的一端沿纵向方向开设有多个第二安装孔,所述第二后肩部件上远离其连接所述第三肩部组件的一端沿纵向方向开设有多个第二连接孔,所述第二连接孔能够与不同位置的第二安装孔对应,且所述第二连接孔与对应位置的第二安装孔通过第二螺钉进行连接;

所述第三肩部组件包括第三前肩部件和第三后肩部件,所述第三前肩部件与所述第二后肩部件连接,所述第三后肩部件与所述大臂杆连接,所述第三前肩部件上远离其连接所述第二后肩部件的一端沿轴向方向开设有多个第三安装孔,所述第三后肩部件上远离其连接所述大臂杆的一端沿轴向方向开设有多个第三连接孔,所述第三连接孔能够与不同位置的第三安装孔对应,且所述第三连接孔与对应位置的第三安装孔通过第三螺钉进行连接;

所述大臂杆包括大臂上杆和大臂下杆,所述大臂上杆与所述第三后肩部件连接,所述大臂下杆与所述小臂杆连接,所述大臂上杆远离其连接所述第三后肩部件的一端沿竖向方向开设有多个大臂安装孔,所述大臂下杆远离其连接所述小臂杆的一端沿竖向方向开设有多个大臂连接孔,所述大臂连接孔能够与不同位置的大臂安装孔对应,且所述大臂连接孔与对应位置的大臂安装孔通过大臂螺钉进行连接;

所述小臂杆包括小臂前杆和小臂后杆,所述小臂后杆与所述大臂下杆连接,所述小臂前杆与所述腕关节组件连接,所述小臂后杆远离其连接所述大臂下杆的一端沿纵向方向开设有多个小臂安装孔,所述小臂前杆远离其连接所述腕关节组件的一端沿纵向方向开设有多个小臂连接孔,所述小臂连接孔能够与不同位置的小臂安装孔对应,且所述小臂连接孔与对应位置的小臂安装孔通过小臂螺钉进行连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述第二纵向转动件的旋转中心线、所述第二竖向转动件的旋转中心线和所述第一轴向转动件的旋转中心线相交于对应于人体肩关节的轴心处,所述第三竖向转动件的旋转中心线和所述第三轴向转动件的旋转中心线相交于对应于人体腕关节和小臂的旋转中心处。

3.根据权利要求1所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述第二纵向转动件与所述第二肩部组件固定连接,且所述第二纵向转动件上设有第二纵向限位凸起,所述第一肩部组件上与所述第二纵向限位凸起对应的位置开设有沿所述第二纵向转动 件的圆周方向设置的第二纵向限位凹槽,所述第二纵向限位凸起在所述第一肩部组件和所述第二肩部组件相对转动到与人体肩关节180°的外摆运动相适应的位置时将与所述第二纵向限位凹槽的一个侧壁相抵,所述第二纵向限位凸起在所述第一肩部组件和所述第二肩部组件相对转动到与人体肩关节50°的内收运动相适应的位置时将与所述第二纵向限位凹槽的另一个侧壁相抵;

所述第二竖向转动件与所述第三肩部组件固定连接,且所述第二竖向转动件上设有第二竖向限位凸起,所述第二肩部组件上与所述第二竖向限位凸起对应的位置开设有沿所述第二竖向转动 件的圆周方向设置的第二竖向限位凹槽,所述第二竖向限位凸起在所述第二肩部组件和所述第三肩部组件相对转动到与人体肩关节90°的内旋运动相适应的位置时将与所述第二竖向限位凹槽的一个侧壁相抵,所述第二竖向限位凸起在所述第二肩部组件和所述第三肩部组件相对转动到与人体肩关节80°的外旋运动相适应的位置时将与所述第二竖向限位凹槽的另一个侧壁相抵;

所述第一轴向转动件与所述大臂杆固定连接,且所述第一轴向转动件上设有第一轴向限位凸起,所述第三肩部组件上与所述第一轴向限位凸起对应的位置开设有沿所述第一轴向转动 件的圆周方向设置的第一轴向限位凹槽,所述第一轴向限位凸起在所述第三肩部组件和所述大臂杆相对转动到与人体肩关节180°的前屈运动相适应的位置时将与所述第一轴向限位凹槽的一个侧壁相抵,所述第一轴向限位凸起在所述第三肩部组件和所述大臂杆相对转动到与人体肩关节60°的后伸运动相适应的位置时将与所述第一轴向限位凹槽的另一个侧壁相抵;

所述第二轴向转动件与所述小臂杆固定连接,且所述第二轴向转动件上设有第二轴向限位凸起,所述大臂杆上与所述第二轴向限位凸起对应的位置开设有沿所述第二轴向转动 件的圆周方向设置的第二轴向限位凹槽,所述第二轴向限位凸起在所述大臂杆和所述小臂杆相对转动到与人体肘关节150°的前屈运动相适应的位置时将与所述第二轴向限位凹槽的一个侧壁相抵,所述第二轴向限位凸起在所述大臂杆和所述小臂杆相对转动到与人体肘关节20°的后伸运动相适应的位置时将与所述第二轴向限位凹槽的另一个侧壁相抵;

所述第三竖向转动件与所述腕关节组件固定连接,且所述第三竖向转动件上设有第三竖向限位凸起,所述小臂杆上与所述第三竖向限位凸起对应的位置开设有沿所述第三竖向转动 件的圆周方向设置的第三竖向限位凹槽,所述第三竖向限位凸起在所述小臂杆和所述腕关节组件相对转动到与人体腕关节35°的内收运动相适应的位置时将与所述第三竖向限位凹槽的一个侧壁相抵,所述第三竖向限位凸起在所述小臂杆和所述腕关节组件相对转动到与人体腕关节20°的外展运动相适应的位置时将与所述第三竖向限位凹槽的另一个侧壁相抵;

所述第三轴向转动件与所述腕关节连杆固定连接,且所述第三轴向转动件上设有第三轴向限位凸起,所述腕关节组件上与所述第三轴向限位凸起对应的位置开设有沿所述第三轴向转动 件的圆周方向设置的第三轴向限位凹槽,所述第三轴向限位凸起在所述腕关节组件和所述腕关节连杆相对转动到与人体腕关节75°的前屈运动相适应的位置时将与所述第三轴向限位凹槽的一个侧壁相抵,所述第三轴向限位凸起在所述腕关节组件和所述腕关节连杆相对转动到与人体腕关节70°的后展运动相适应的位置时将与所述第三轴向限位凹槽的另一个侧壁相抵。

4.根据权利要求1所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述小臂滑动绑缚机构包括绑缚滑块和套设在所述绑缚滑块上的小臂绑缚带,所述小臂杆上与所述小臂滑动绑缚机构对应的位置开设有小臂滑动槽,所述绑缚滑块通过第一滚珠滑动连接在所述小臂滑动槽处,以与人体小臂的内旋和外旋运动相适应,在所述小臂滑动槽的两端还设有限位挡块,以用于对所述绑缚滑块的滑动进行限位;

在所述小臂杆上还固定连接有用于容纳人体小臂的转动环,所述转动环包括转动外环和转动内环,所述转动外环与所述转动内环之间通过第二滚珠进行滚动连接,以与人体小臂的内旋和外旋运动相适应,所述转动内环的内圈上还安装有可充气以改变内径大小的气囊环,以与人体小臂的大小相适应;

所述大臂绑缚机构包括大臂绑带和固定在所述大臂杆上的大臂连接块,所述大臂连接块的两端转动连接有大臂合页,所述大臂合页上开设有绑带安装孔,所述大臂绑带依次穿过两个所述大臂合页的绑带安装孔并用于容纳人体大臂。

5.根据权利要求3所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述驱动模块安装在所述支撑块上,所述驱动模块还包括与所述第二纵向转动件、所述第二竖向转动件、所述第一轴向转动件、所述第二轴向转动件、所述第三竖向转动件和所述第三轴向转动件一一对应的6个驱动组件,所述驱动组件包括与所述驱动电机的转轴连接的驱动轮,所述驱动轮上缠绕有钢丝绳,所述钢丝绳的两端引出所述驱动轮后固定在所述第二纵向转动件、所述第二竖向转动件、所述第一轴向转动件、所述第二轴向转动件、所述第三竖向转动件或所述第三轴向转动件上。

6.根据权利要求5所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述驱动组件还包括减速器、驱动安装板和两个套管,所述驱动电机的转轴与所述减速器的输入轴连接,所述减速器的输出轴与所述驱动轮连接,所述减速器固定连接在所述驱动安装板上,且所述驱动安装板固定连接在所述支撑块上,所述套管为空心结构,所述钢丝绳的两端分别穿过对应位置的套管,且所述套管靠近所述驱动安装板的一端固定连接在所述驱动安装板上,在所述第一肩部组件上与所述第二纵向转动件对应的位置、所述第二肩部组件上与所述竖向转动件对应的位置、所述第三肩部组件上与所述第一轴向转动件对应的位置、所述大臂杆上与所述第二轴向转动件对应的位置、所述小臂杆与所述第三竖向转动件对应的位置和所述腕关节组件与所述第三轴向转动件对应的位置均设有固定块,所述固定块上开设有供所述钢丝绳穿过的过孔,所述套管远离其连接所述驱动安装板的一端固定连接在对应位置的固定块上,且所述钢丝绳穿过所述套管后再经过所述过孔固定连接在对应位置的所述第二纵向转动件、所述第二竖向转动件、所述第一轴向转动件、所述第二轴向转动件、所述第三竖向转动件或所述第三轴向转动件上。

7.根据权利要求6所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述驱动组件还包括预紧挡板,所述套管 固定在对应位置的所述预紧挡板上,所述预紧挡板与对应位置的所述驱动安装板之间通过预紧螺栓进行连接,以通过调节所述预紧螺栓的旋合深度来调整所述预紧挡板与对应所述驱动安装板之间的相对位置,在所述预紧挡板与对应位置的所述驱动安装板之间还设有具有缓冲作用的第一弹簧。

8.根据权利要求7所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述钢丝绳包括钢丝一绳、钢丝二绳和钢丝三绳,所述钢丝一绳缠绕在所述驱动轮上,且所述钢丝一绳的两端伸入到对应位置的两个所述套管内,伸入到其中一个所述套管内的所述钢丝一绳通过第二弹簧与伸入到该套管内的所述钢丝二绳进行连接,伸入到另一个所述套管内的所述钢丝一绳通过第三弹簧与伸入到该套管内的所述钢丝三绳进行连接。

9.根据权利要求8所述的多自由度上肢柔性助力外骨骼,其特征在于,所述驱动安装板的外圆周上开设有一圈第一凹槽,所述第二纵向转动件、所述第二竖向转动件、所述第一轴向转动件、所述第二轴向转动件、所述第三竖向转动件和所述第三轴向转动件的外圆周上均开设有一圈第二凹槽,所述钢丝绳缠绕在所述驱动安装板的第一凹槽处,且在所述第二凹槽处固定连接有两个限位凸块,所述钢丝绳的两端分别固定在对应位置的两个限位凸块上。