[发明专利]一种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构

摘要

本发明涉及一种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构，包括六自由度依次串联的三移动检测机构、T型连接板和三转动检测机构构成。三移动检测机构包括支撑支架、第一导轨移动副装置、第二导轨移动副装置和第三导轨移动副装置；三转动检测机构包括盂肱关节收展关节装置、连接弯板、盂肱关节屈伸关节装置和盂肱关节旋转转动关节装置。在人体上臂正确紧致穿戴外骨骼机构并做相应运动的情况下，通过三移动检测机构处的位移传感器和三转动检测机构处的光电编码器可直接获得更为准确的人体肩部盂肱关节旋转中心的位置信息及在该位置信息时盂肱关节的姿态信息，即盂肱关节运动信息。

主权项

一种用于检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的穿戴外骨骼机构，其特征在于：由三移动检测机构、T型连接板(5)和三转动检测机构构成，三移动检测机构包括支撑支架(1)、第一导轨移动副装置(2)、第二导轨移动副装置(3)和第三导轨移动副装置(4)，三转动检测机构包括盂肱关节收展关节装置(6)、连接弯板(7)、盂肱关节屈伸关节装置(8)和盂肱关节旋转转动关节装置(9)；支撑支架(1)，由蹄脚(51)、蹄脚支撑件(52)、支架第一型材(53)、角件(54)、支架第二型材(55)、支架第三型材(56)、端盖(57)、支架第四型材(58)和支架第五型材(59)构成，其中四根蹄脚支撑件(52)连接四个蹄脚(51)支撑于地面，四根蹄脚支撑件(52)、三根支架第一型材(53)、四根支架第二型材(55)、两根支架第三型材(56)、支架第四型材(58)和支架第五型材(59)通过角件(54)互相拼接成一体，并把两根支架第三型材(56)、支架第四型材(58)和支架第五型材(59)两端端面用端盖(57)盖上，构成支撑支架；第一导轨移动副装置(2)，由导轨右一(601)、滑块右一(602)、滑块右二(603)、第一位移传感器(604)、位移传感器压板(605)、位移传感器压板固定板(606)、位移传感器安全限位装置(607)、滑块锁死装置(608)、导轨左一(609)、滑块左一(610)和滑块左二(611)构成，导轨右一(601)、滑块右一(602)和滑块右二(603)构成右导轨移动副，导轨左一(609)、滑块左一(610)和滑块左二(611)构成左导轨移动副，右导轨移动副和左导轨移动副底面在一个平面内，两端端面互相对齐，间隔距离以安置的支撑支架距离而定，在第一位移传感器(604)导杆伸出长度为标准长度时，第一位移传感器(604)导杆一端端面和导轨右一(601)端面平齐，第一位移传感器(604)导杆另一端端面和滑块右二(603)接触，第一位移传感器(604)通过位移传感器压板(605)连接在位移传感器压板固定板(606)上，其中位移传感器压板固定板(606)和导轨右一(601)上部移动面贴合，位移传感器安全限位装置(607)在和导轨右一(601)上部移动面贴合并紧贴第一位移传感器(604)侧面，滑块锁死装置(608)在保持第一位移传感器(604)导杆伸出长度为标准长度的情况下，可锁死滑块右二(603)，从而构成第一导轨移动副装置；第二导轨移动副装置(3)，由第二导轨支撑件一(701)、第二导轨固定板一(702)、第二导轨一(703)、第二滑块一(704)、位移传感器压板(705)、第二位移传感器压板固定板(706)、位移传感器安全限位装置(707)、滑块锁死装置一(708)、滑块锁死装置二(709)、第二位移传感器(710)、第二导轨支撑件二(711)、第二导轨二(712)、第二滑块二(713)、第二导轨固定板二(714)、第二导轨固定板三(715)和第二导轨固定板四(716)构成，第二导轨支撑件一(701)和第二导轨支撑件二(711)通过螺栓组连接第二导轨固定板一(702)、第二导轨固定板二(714)、第二导轨固定板三(715)、第二导轨固定板四(716)，第二导轨一(703)和第二导轨二(712)通过螺栓组连接于第二导轨固定板一(702)、第二导轨固定板二(714)、第二导轨固定板三(715)和第二导轨固定板四(716)上，第二导轨一(703)和第二滑块一(704)组成移动副，第二导轨二(712)、第二滑块二(713)也组成移动副，在第二位移传感器(710)导杆伸出长度为标准长度时，第二位移传感器(710)导杆一端端面和第二滑块二(713)接触，第二位移传感器(710)导杆另一端端面和第二导轨一(703)端面对齐，在满足上述条件下通过位移传感器压板(705)把第二位移传感器(710)固定在第二位移传感器压板固定板(706)上，其中第二位移传感器压板固定板(706)通过螺钉安装于第二导轨固定板一(702)上，位移传感器安全限位装置(707)在一面紧贴第二位移传感器(710)侧面的情况下，通过螺钉连接于第二导轨固定板一(702)上，滑块锁死装置一(708)通过螺栓组连接于第二导轨一(703)上，滑块锁死装置二(709)在卡住第二滑块一(704)的情况下，可通过螺钉固连在滑块锁死装置一(708)上，从而构成了第二导轨移动副装置；第三导轨移动副装置(4)，由第三导轨型材固定板(801)、第三导轨型材(802)、第三导轨(803)、第三导轨滑块一(804)、第三导轨滑块二(805)、第三位移传感器(806)、第三位移传感器固定板(807)、第三滑块锁死装置一(808)、第三滑块锁死装置二(809)、第一转动关节固定板一支撑板(810)、平衡装置一(811)、平衡钢丝绳(812)、平衡装置二(813)、平衡装置三(814)、平衡块(815)和第三位移传感压板(816)构成，第三导轨型材(802)通过螺栓组固定在第三导轨型材固定板(801)上，长度能在松开第三导轨型材(802)连接螺栓的情况下进行调节，以适应不同身高和臂长人体进行上肢肩部盂肱关节运动信息的测量，第三导轨(803)通过螺栓组固定在第三导轨型材(802)上，第三导轨滑块一(804)和第三导轨滑块二(805)通过螺钉和第一转动关节固定板一支撑板(810)固连，在第三位移传感器(806)导杆伸出长度为标准长度且第三位移传感器(806)导杆端面和第三导轨滑块一(804)接触的情况下，第三位移传感器(806)通过第三位移传感器压板(816)以螺钉连接的形式固定在第三位移传感器固定板(807)上，第三滑块锁死装置一(808)卡住第三导轨滑块一(804)和第三滑块锁死装置二(809)通过螺栓组固连，第三滑块锁死装置二(809)通过螺钉连接的形式固连在第三位移传感器固定板(807)上，且第三滑块锁死装置一(808)螺钉连接处是槽孔连接，以利于在第三位移传感器(806)导杆伸出长度为标准长度时，第三滑块锁死装置一(808)和第三滑块锁死装置二(809)能通过螺栓组固定，平衡钢丝绳(812)一端通过螺栓组连接的形式固连在第一转动关节固定板一支撑板(810)上，另一端经过平衡装置一(811)、平衡装置二(813)和平衡装置三(814)连接平衡块(815)，其中平衡装置一(811)、平衡装置二(813)和平衡装置三(814)分别通过螺栓组固定连接在第三导轨型材(802)上，使第三导轨型材(802)在整体外骨骼装配完成的情况下，能在自然状态下保持平衡，从而构成第三导轨移动副装置；三移动检测机构，由支撑支架(1)、第一导轨移动副装置(2)、第二导轨移动副装置(3)和第三导轨移动副装置(4)构成，导轨右一(601)和导轨左一(609)通过螺栓组连接于支架第四型材(58)、支架第五型材(59)上，并且导轨右一(601)、导轨左一(609)两端和支架第四型材(58)、支架第五型材(59)的两端对齐，其中位移传感器压板固定板(606)通过螺栓组连接于支架第四型材(58)上，位移传感器安全限位装置(607)通过螺栓组连接于支架第四型材(58)上，滑块锁死装置(608)一面紧贴支架第四型材(58)并通过螺栓组连接于支架第四型材(58)上，第二导轨支撑件一(701)和第二导轨支撑件二(711)通过螺钉连接于第一导轨移动副装置的滑块右一(602)、滑块右二(603)和滑块左一(610)、滑块左二(611)上，第三导轨型材固定板(801)通过连接螺钉固定在第二滑块一(704)、第二滑块二(713)上，从而构成了能在三维空间检测人体上肢肩部盂肱关节运动信息的三移动检测机构，该三移动检测机构在三维空间的移动方向两两互相垂直；T型连接板(5)和连接弯板(7)，T型连接板(5)的一端开有通孔(1101)，另一端开有通孔(1102)、槽孔(1103)，连接弯板(7)一端开有通孔(1201)，另一端开有槽孔(1202)；盂肱关节收展关节装置(6)，由肩收展关节固定板(1301)、肩收展关节第一侧板(1302)、肩收展关节锁死螺钉(1303)、肩收展关节端盖(1304)、第一编码器支撑板(1305)、第一光电编码器(1306)、第一联轴器(1307)、肩收展关节第二侧板(1308)、肩收展关节关节轴(1309)、关节轴支撑轴承一(1310)、关节轴支撑轴承二(1311)和关节卡簧(1312)构成，其中第一光电编码器(1306)通过螺钉固定在第一编码器支撑板(1305)上，第一编码器支撑板(1305)通过螺钉固定在肩收展关节第二侧板(1308)上，肩收展关节第一侧板(1302)、肩收展关节端盖(1304)、肩收展关节第二侧板(1308)、关节轴支撑轴承一(1310)、关节轴支撑轴承二(1311)、关节卡簧(1312)及通过螺钉固定连接在肩收展关节固定板(1301)上的肩收展关节关节轴(1309)共同构成了肩收展关节，其中关节轴支撑轴承一(1310)、关节轴支撑轴承二(1311)分别和肩收展关节第一侧板(1302)、肩收展关节第二侧板(1308)相应轴承配合段的孔为过盈配合，关节轴支撑轴承一(1310)、关节轴支撑轴承二(1311)共同支撑肩收展关节关节轴(1309)，和肩收展关节关节轴(1309)相应轴段为过盈配合，支撑肩收展关节关节轴(1309)的旋转，肩收展关节端盖(1304)和关节卡簧(1312)分别对肩收展关节关节轴支撑轴承一(1310)、关节轴支撑轴承二(1311)予以轴向限位，其中第一联轴器(1307)通过螺钉连接肩收展关节关节轴(1309)伸出轴和第一光电编码器(1306)伸出轴，能用肩收展关节锁死螺钉(1303)锁定肩关节收展运动在标准位置，当不锁定肩关节收展关节在标准位置时，在人体上肢运动过程中，人体上肢带动编码器旋转，以检测人体肩关节收展的运动学信息，从而构成盂肱关节收展关节装置；盂肱关节屈伸关节装置(8)，由屈伸关节侧板一(1401)、屈伸关节侧板二(1402)、屈伸关节端盖(1403)、第二联轴器(1404)、第二编码器支撑板(1405)、第二光电编码器(1406)、屈伸关节板(1407)、关节轴(1408)、关节轴承一(1409)、关节轴承二(1410)、关节卡簧(1411)和肩关节屈伸关节标准位置锁定螺钉(1412)构成，第二光电编码器(1406)通过螺钉固定在第二编码器支撑板(1405)上，第二编码器支撑板(1405)通过螺钉固定在屈伸关节侧板一(1401)，屈伸关节侧板一(1401)、屈伸关节侧板二(1402)、屈伸关节端盖(1403)、关节轴承一(1409)、关节轴承二(1410)、关节卡簧(1411)及通过螺钉固定连接在屈伸关节板(1407)上的关节轴(1408)共同组成了肩关节屈伸关节机构，其中关节轴承一(1409)、关节轴承二(1410)分别和屈伸关节第一侧板(1401)、屈伸关节第二侧板(1402)相应轴承配合段的孔为过盈配合，关节轴承一(1409)、关节轴承二(1410)支撑关节轴(1408)，和关节轴(1408)为过盈配合，支撑关节轴的旋转，屈伸关节端盖(1403)和关节卡簧(1411)分别对关节轴承一(1409)、关节轴承二(1410)予以限位，其中第二联轴器(1404)连接第二光电编码器(1406)伸出轴和关节轴(1408)，能用肩关节屈伸关节标准位置锁定螺钉(1412)锁定肩部关节屈伸关节在标准位置，当不锁定锁定肩关节屈伸关节在标准位置时，上肢外骨骼跟随人体上肢上臂的运动，编码器显示人体肩部盂肱关节屈伸的运动信息，从而构成了盂肱关节屈伸关节装置；盂肱关节旋转转动关节装置(9)，由薄壁轴承座(1501)、薄壁轴承压板(1502)、薄壁轴承(1503)、F型支架(1504)、I型支架(1505)、套筒(1506)、大齿轮齿圈(1507)、穿戴机构固定板(1508)、小齿轮轴支撑座(1509)、小齿轮轴轴承座(1510)、小齿轮轴(1511)、薄壁轴承座连接板(1512)、第三光电编码器(1513)、第三联轴器(1514)、小齿轮支撑轴承(1515)和气囊(1516)构成，薄壁轴承(1503)放在薄壁轴承座(1501)内，通过薄壁轴承压板(1502)，把薄壁轴承(1503)压在薄壁轴承座内，F型支架(1504)卡在薄壁轴承(1503)内圈上，并用螺钉穿过F型支架(1504)，插在薄壁轴承(1503)内圈和薄壁轴承(1503)外圈之间，防止F型支架(1504)脱离薄壁轴承(1503)，四个I型支架(1505)，套筒(1506)，大齿轮齿圈(1507)分别通过螺栓组连接为一体，并最终和四套F型支架(1504)通过螺栓组固连，使大齿轮齿圈(1507)相对薄壁轴承(1503)外圈做相对转动，第三光电编码器(1513)通过螺钉连接在薄壁轴承座(1501)上，薄壁轴承座连接板(1512)通过螺钉连接薄壁轴承座(1501)和小齿轮轴支撑座(1509)，使小齿轮轴支撑座(1509)，薄壁轴承座(1501)，薄壁轴承座连接板(1512)固为一体，在第三联轴器(1514)通过螺钉固连第三光电编码器(1513)输入轴和小齿轮轴(1511)，使第三联轴器(1514)、第三光电编码器(1513)输入轴和小齿轮轴(1511)固为一体，小齿轮轴(1511)插在小齿轮支撑轴承(1515)内，并且在小齿轮轴(1511)中小齿轮齿圈和大齿轮齿圈(1507)正确啮合的条件，待人体穿戴上后，通过气囊(1516)加压，使人体带动套筒(1506)运动的同时，第三光电编码器(1513)能检测出人体肩部盂肱关节的旋内/旋外的运动信息，从而构成了盂肱关节旋转转动关节装置；三转动检测机构，由盂肱关节收展关节装置(6)、连接弯板(7)、盂肱关节屈伸关节装置(8)和盂肱关节旋转转动关节装置(9)构成，连接弯板(7)通孔(1201)通过螺栓组连接盂肱关节收展关节装置(6)的肩收展关节第一侧板(1302)、肩收展关节第二侧板(1308)上，连接弯板(7)槽孔(1202)通过螺栓组连接盂肱关节屈伸关节装置(8)的屈伸关节侧板一(1401)、屈伸关节侧板二(1402)上，盂肱关节屈伸关节装置(8)和盂肱关节旋转转动关节装置(9)通过盂肱关节屈伸关节装置(8)的屈伸关节板(1407)和盂肱关节旋转转动关节装置(9)的穿戴机构固定板(1508)用螺栓组相连接，屈伸关节板(1407)上打有通孔，能方便调节穿戴机构的位置，从而构成了三转动检测机构，该三转动检测机构中盂肱关节收展关节装置、盂肱关节屈伸关节装置和盂肱关节旋转转动关节装置的三转动副轴线在空间交与一点，对应于人体上肢盂肱关节内收/外展,前屈/后伸，旋内/旋外的三个旋转运动，并且在三转动检测机构中，在盂肱关节收展关节装置(6)和盂肱关节屈伸关节装置(8)锁定在标准位置时，盂肱关节收展关节装置(6)、盂肱关节屈伸关节装置(8)和盂肱关节旋转转动关节装置能两两相互垂直。