[发明专利]一种用于康复外骨骼机构的旋内旋外关节

说明书

本发明涉及一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，该旋内旋外关节包含上臂旋内旋外关节和前臂旋内旋外关节，两者采用相似的传动原理和组成，两关节采用紧致连接的方式分别与人体上肢的上臂和前臂连接，在人机连接界面处各增加一个被动滑动副。上臂旋内旋外关节采用同步带传动的方式绕自身轴线做旋内旋外运动，上臂外环带动上臂内环和上臂一同运动。上臂外环由支撑轴承固定和支撑，上臂外环与相关零件滚动接触；用于张紧同步带的张紧轮采用深沟球轴承组合的方式，使得同步带与张紧轮之间为滚动接触；带轮轴安装在上臂箱体和上臂盖板上，两端由滚动轴承支撑；通过采用滚动接触的方式，大幅降低上臂外环在转动过程中的运动阻力。

技术领域

本发明涉及一种旋内旋外关节，具体说，涉及用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节。

背景技术

为弥补传统人工康复训练的不足，降低医师繁重的工作强度并为患者提供准确、有效的康复医疗服务，国内外一些院校的实验室和康复医疗机构相继开展了穿戴型上肢康复外骨骼机构的相关研究。从运动解剖学、生物力学和人因工程学的角度出发，根据人体上肢的形态构造和功能，对人体上肢的自由度进行分析，得出上肢(不含手掌)具有5个自由度(5-DOF)：肩关节前屈/后伸、内收/外展、旋内/旋外，肘关节屈/伸，前臂旋内/旋外。针对人体上肢各关节的活动范围和自由度要求，设计和综合上肢康复机器人的本体构型和驱动方式，实现对患者上肢的精确康复训练、柔性训练，并且实时准确地调整施加在患肢上的运动参数和力/矩参数。

当前外骨骼机构的肩关节主要由二或三个轴线彼此正交于定转心的转动副复合而成，肘关节为定轴线单自由度转动副，肩、肘关节拟人体上肢对应关节的分布特征布置，构件尺度则参照人体上肢的体征参数来确定。在人机连接方式上，固联于外骨骼的穿戴具以紧致穿戴的方式与上臂、前臂的中下部连接。这类外骨骼机构设计的优点是借鉴了人体上肢的运动解剖结构特征，人机关节之间对应性好，获得构型简约的外骨骼机构。

该类型康复外骨骼机构的不足之处是要求人机对应关节的轴线(或转心)在康复训练过程中始终保持对齐(或重合)，否则人机闭链将转化为人机运动不相容的“超定”系统。在刚体模型假设下，“超定”的人机闭链不能够运动，而事实上由于人机连接界面处肢体组织的弹性变形，当外骨骼关节驱动力/矩足够大时人机闭链可以运动，但会在人机连接界面产生与康复训练任务无关的附加约束力/矩。在机构学意义上，这种属性的约束力/矩属于人机闭链欠自由度(或冗余驱动)导致的内部作用力/矩，与人机闭链的组成如外骨骼机构构型、人机连接位置等因素有关，并随人机闭链运动位形的变化而改变。当这种内部约束力/矩与完成康复训练任务需要的有效约束力/矩相叠加时，会显著增大人机之间的约束强度，并导致舒适性变差、康复训练难以进行或出现安全性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，以解决上述问题。

本发明的实施例提供了一种用于上肢康复外骨骼机构的旋内旋外关节，其特征在于，该旋内旋外关节包含上臂旋内旋外关节和前臂旋内旋外关节，两关节采用紧致连接的方式分别与人体上肢的上臂和前臂连接，在人机连接界面处各增加一个被动滑动副。上臂旋内旋外关节通过上臂内环与上臂绑缚连接，上臂外环在同步带的驱动下绕自身轴线做旋内旋外运动，上臂外环带动上臂内环和上臂一同运动。前臂旋内旋外关节通过前臂内环与前臂绑缚连接，前臂外环与上臂外环保持同步运动，前臂内环通过转接环与前臂箱体连接，前臂内环与前臂箱体一起绕前臂外环轴线转动，前臂内环带动前臂做旋内旋外运动。

进一步，上臂旋内旋外关节与前臂旋内旋外关节具有相同的传动原理和组成。

进一步，上臂旋内旋外关节主要包含上臂箱体、同步带、同步带轮、上臂外环、支撑轴承。

进一步，上臂旋内旋外关节采用同步带的传动方式，上臂电机将动力传递至同步带轮，同步带轮与同步带啮合，同步带两端分别固定在上臂外环的两端，同步带驱动上臂外环绕自身轴线转动。上臂外环的内侧沿自身轴线方向对称设置了两个沟槽。