CN217697231U - 一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，包括前臂组件、上臂组件、肩部组件、背部组件、腰部组件；前臂组件和上臂组件形成肘关节旋转连接结构，由肘关节屈伸电机驱动实现肘关节屈伸运动；上臂组件和肩部组件形成肩关节旋转连接结构，由肩关节屈伸电机驱动实现肩关节屈伸运动；肩部组件和背部组件形成肩关节旋转连接结构，由肩关节内收外展电机驱动实现肩关节内收外展。本装置具有四个自由度，肘部屈伸、肩部屈伸、肩部内收外展三个主动自由度以及背部一个被动自由度。在三个主动自由度处设置驱动电机，在背部的被动自由度则是减小了装置对人体的约束，满足人体的基本运动自由度需求，同时减轻其体力损耗。

Description

一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置

技术领域

本实用新型涉及助力器械人体辅助领域，具体是一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置。

背景技术

外骨骼机器人技术是机械、医学、电气、智能、材料以及传感器等学科交叉的产物，它以增强使用者机体功能为主要目的，融合传感、运动辅助、计算控制和生命维持等技术，为使用者提供一种可穿戴的柔性机械装置。该技术在康复训练、日常生活助力、工人作业助力及军事士兵体能增强等领域逐步受到研究者的关注。目前，老龄化日益严重，由于意外事故、疾病等原因，上肢运动功能障碍患者也逐渐增多。虽然经过治疗和康复训练后，病情好转，但其肌肉力量也难以恢复到正常人水平，这就需要穿戴式设备对其身体进行力量增强辅助。

现阶段，可穿戴式上肢外骨骼主要采取刚性结构，由驱动电机将多个刚性杆件连接在一起，再使用绑带将杆件与人体固定在一起，整个过程繁琐笨重，而且穿戴过程繁琐，不易在日常生活中使用。申请号为201811118650.0的文献公开了一种绳索驱动外骨骼式上肢康复训练机器人，其固定于地面，无法实现便携性，仅适合用于康复训练；并且也存在驱动绳索外露、驱动效率低、体积庞大及美观性差等缺点。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，该装置包括前臂组件、上臂组件、肩部组件、背部组件、腰部组件、电气***、肘关节屈伸电机、肩关节屈伸电机和肩关节内收外展电机；

前臂组件的一端与肘关节屈伸电机的壳体和输出轴中的一个固定连接，长度可调的上臂组件的一端与肘关节屈伸电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；前臂组件和上臂组件形成肘关节旋转连接结构，由肘关节屈伸电机驱动实现肘关节屈伸运动；

上臂组件的另一端与肩关节屈伸电机的壳体和输出轴中的一个固定连接，长度可调的肩部组件的一端与肩关节屈伸电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；上臂组件和肩部组件形成肩关节旋转连接结构，由肩关节屈伸电机驱动实现肩关节屈伸运动；

肩部组件的另一端与肩关节内收外展电机的壳体和输出轴中的一个固定连接，可调角度的背部组件的上部一端与肩关节内收外展电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；肩部组件和背部组件形成肩关节旋转连接结构，由肩关节内收外展电机驱动实现肩关节内收外展；

背部组件的下端设置有可伸缩的腰部组件；

前臂组件和上臂组件处设置有压力传感器，分别用于检测使用者前臂和上臂的运动趋势信号；电气***分别与所有压力传感器、肘关节屈伸电机、肩关节屈伸电机和肩关节内收外展电机通讯连接，采集压力传感器的数据并控制肘关节屈伸电机、肩关节屈伸电机和肩关节内收外展电机的启停和转速。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

(1)本装置具有四个自由度，肘部屈伸、肩部屈伸、肩部内收外展三个主动自由度以及背部一个被动自由度。在三个主动自由度处设置驱动电机，在背部的被动自由度则是减小了装置对人体的约束，满足人体的基本运动自由度需求，同时减轻其体力损耗。

(2)本实用新型中使用的驱动电机集电机、减速器、编码器和驱动器于一体，减小了驱动模块的体积占比，避免了冗余结构和齿轮结构的使用，同时背部支撑板使用碳纤维板材进行制造，对芯片、电源等零器件进行集成安装，这些措施一定程度上满足了轻便和坚固的要求并且避免了冗余结构，更有利于使用者在日常生活中的使用。

(3)本实用新型中的前臂、上臂、肩部以及背部等结构，相对于传统的连杆机械结构，其采用镂空设计，此设计减轻了机械结构的质量并且满足刚性要求；镂空的部分还可以进行信号线、电源线的排布以达到一定的美观性。

(4)本实用新型中的柔性固定组件，包括腕部柔性固定组件、前臂柔性固定组件、上臂柔性固定组件以及腰部柔性固定组件，其按照支撑件、垫块、环形绑带固定件、海绵和柔性绑带的顺序通过螺丝进行固定。

(5)上臂组件、肩部组件的长度可调，并且通过设置不同数量的垫块实现了装置与人体接触部分的水平距离可调。

(6)凸台与斜支撑件二的末端平台形成三角形稳定结构，达到支撑整个右臂的目的，进而防止被动自由度的轴处结构发生形变，达到减轻人体胳膊上的压力。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构立体图；

图2为本实用新型另一角度的整体结构立体图；

图3为本实用新型的前臂组件立体图；

图4为本实用新型的上臂组件立体图；

图5为本实用新型的上臂组件另一角度的立体图；

图6为本实用新型的肩部组件的立体图；

图7为本实用新型的背部组件及腰部组件的立体图；

图8为本实用新型的背部组件及腰部组件另一角度的立体图。

图中：1、前臂组件；2、上臂组件；3、肩部组件；4、背部组件；5、腰部组件；6、电气***；7、肘关节屈伸电机；8、肩关节屈伸电机；9、肩关节内收外展电机；

101、前臂垫块；102、前臂主板；103、腕部柔性绑带固定件；104、腕部柔性绑带；105、前臂柔性绑带固定件；106、前臂柔性绑带；107、肘关节屈伸连接件一；

201、上臂主板一；202、上臂主板二；203、肘关节屈伸连接件二；204、肩关节屈伸连接件一；205、垫块滑槽；206、上臂垫块；207、上臂柔性绑带固定件；208、上臂柔性绑带；209、上臂垫块固定件；210、三角形限位凹槽；211、弧形阻位器；

301、肩关节内收外展连接件一；302、肩部主板一；303、肩部主板二；304、肩关节屈伸连接件二；

401、主支撑件；402、背部柔性绑带；403、斜支撑件一；404、斜支撑件二；405、凸台；406、肩关节内收外展连接件二；407、背部支撑板；408、背部柔性绑带固定件；409、电气***安装盒；

501、腰部伸缩件；502、腰部柔性绑带；503、腰部连接件；504、腰部柔性绑带固定件。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置(简称装置)，其特征在于，该装置包括前臂组件1、上臂组件2、肩部组件3、背部组件4、腰部组件5、电气***6、肘关节屈伸电机7、肩关节屈伸电机8和肩关节内收外展电机9；

前臂组件1的一端与肘关节屈伸电机7的壳体和输出轴中的一个通过螺钉固定连接，长度可调的上臂组件2的一端与肘关节屈伸电机7的壳体和输出轴中的另一个固定连接；前臂组件1和上臂组件2形成肘关节旋转连接结构，由肘关节屈伸电机7驱动实现肘关节屈伸运动；

上臂组件2的另一端与肩关节屈伸电机8的壳体和输出轴中的一个固定连接，长度可调的肩部组件3的一端与肩关节屈伸电机8的壳体和输出轴中的另一个固定连接；上臂组件2 和肩部组件3形成肩关节旋转连接结构，由肩关节屈伸电机8驱动实现肩关节屈伸运动；

肩部组件3的另一端与肩关节内收外展电机9的壳体和输出轴中的一个固定连接，可调角度的背部组件4的上部一端与肩关节内收外展电机9的壳体和输出轴中的另一个固定连接；肩部组件3和背部组件4形成肩关节旋转连接结构，由肩关节内收外展电机9驱动实现肩关节内收外展；

背部组件4的下端设置有可伸缩的腰部组件5；

前臂组件1和上臂组件2处设置有压力传感器，分别用于检测使用者前臂和上臂的运动趋势信号；电气***6分别与所有压力传感器、肘关节屈伸电机7、肩关节屈伸电机8和肩关节内收外展电机9通讯连接，采集压力传感器的数据并控制肘关节屈伸电机7、肩关节屈伸电机8和肩关节内收外展电机9的启停和转速。

优选地，所述前臂组件1包括前臂主板102、腕部柔性绑带固定件103、腕部柔性绑带 104、前臂柔性绑带固定件105、前臂柔性绑带106和肘关节屈伸连接件一107；

可调节长度的腕部柔性绑带104通过腕部柔性绑带固定件103固定于前臂主板102的一端，用于固定使用者的腕部；肘关节屈伸连接件一107的一端固定于前臂主板102的另一端上，另一端与肘关节屈伸电机7的壳体和输出轴中的一个固定连接；前臂柔性绑带固定件105 固定于前臂主板102的中部；可调节长度的前臂柔性绑带106通过螺栓固定于前臂柔性绑带固定件105上，用于固定使用者的前臂；前臂柔性绑带106上设有压力传感器，用于检测使用者前臂的运动趋势信号；

优选地，前臂组件1还包括前臂垫块101；前臂垫块101固定于前臂主板102的一端；腕部柔性绑带104通过腕部柔性绑带固定件103固定于前臂垫块101上；前臂垫块101用于调节外骨骼前臂到使用者前臂间隔的水平距离。

优选地，前臂柔性绑带固定件105为L型，一条边固定于前臂主板102上，另一条边与使用者的前臂接触，用于支撑前臂。

优选地，前臂主板102上开有椭型槽，用于减轻前臂组件1的重量。

优选地，腕部柔性绑带104与前臂柔性绑带106的距离为10cm，使外骨骼的前臂能够更好地与使用者前臂紧密接触固定。

优选地，所述上臂组件2包括上臂主板一201、上臂主板二202、肘关节屈伸连接件二 203、肩关节屈伸连接件一204、垫块滑槽205、上臂垫块206、上臂柔性绑带固定件207、上臂柔性绑带208和上臂垫块固定件209；

上臂主板一201嵌套于上臂主板二202外，两者可相对滑动，并通过螺栓固定，实现上臂组件2的长度可调；肘关节屈伸连接件二203的一端固定于上臂主板二202的一端，另一端与肘关节屈伸电机7的壳体和输出轴中的另一个固定连接；肩关节屈伸连接件一204的一端固定于上臂主板一201的一端，另一端与肩关节屈伸电机8的壳体和输出轴中的一个固定连接；上臂垫块206通过上臂垫块固定件209固定于上臂主板一201上，其上开有垫块滑槽205；上臂柔性绑带固定件207滑动设置于上臂垫块206的垫块滑槽205中，能够沿垫块滑槽205滑动；可调节长度的上臂柔性绑带208通过螺栓固定于上臂柔性绑带固定件207上，用于固定使用者的上臂；上臂柔性绑带208上设有压力传感器，用于检测使用者上臂运动趋势信号。

优选地，肘关节屈伸连接件二203处设置有三角形限位凹槽210，与前臂主板102配合，限制前臂的运动角度；肩关节屈伸连接件一204处设置有弧形阻位器211，与肩部组件3的肩关节屈伸连接件二304配合，限制上臂的运动角度。两处物理限位，出现意外时可具有保护功能。

优选地，上臂柔性绑带固定件207为L型，一条边滑动设置于上臂垫块206中，另一条边与使用者的上臂接触，用于支撑上臂。上臂垫块固定件209为U型。

优选地，所述压力传感器采用薄膜式压力传感器，其底部填充有海绵等弹性材料。

优选地，所述肩部组件3包括肩关节内收外展连接件一301、肩部主板一302、肩部主板二303和肩关节屈伸连接件二304；

肩部主板二303为L型，一条边与肩部主板一302滑动连接，并通过螺栓固定，实现肩部组件3的长度可调；肩关节内收外展连接件一301的一端固定于肩部主板二303的另一条边的末端，另一端与肩关节内收外展电机9的壳体和输出轴中的一个固定连接；肩关节屈伸连接件二304的一端固定于肩部主板一302的一端，另一端与肩关节屈伸电机8的壳体和输出轴中的另一个固定连接。

优选地，肩部主板一302为I型板，其上开有椭型槽，用于减轻肩部组件3的重量，同时作为螺栓的固定槽。

优选地，所述背部组件4包括主支撑件401、背部柔性绑带402、斜支撑件一403、斜支撑件二404、肩关节内收外展连接件二406、背部支撑板407和背部柔性绑带固定件408；

主支撑件401可拆卸式固定连接于背部支撑板407的一面上；肩关节内收外展连接件二 406的左端通过竖直设置的轴或水平设置的滚动轴承与主支撑件401的端部转动连接，肩关节内收外展连接件二406能够沿竖直面转动；肩关节内收外展连接件二406的右端与肩关节内收外展电机9的壳体和输出轴中的另一个固定连接；斜支撑件一403的一端固定于背部支撑板407的侧面上，另一端通过竖直设置的轴或水平设置的滚动轴承与斜支撑件二404的一端转动连接；斜支撑件二404的另一端设计为平台状，与肩关节内收外展连接件二406的右端的下侧的凸台405固定连接；可调节长度的背部柔性绑带402通过背部柔性绑带固定件408 固定于背部支撑板407的另一面上；

优选地，电气***安装盒409固定于背部支撑板407的一面上，用于放置电气***6；其具有散热孔，便于电气***6散热。

优选地，背部支撑板407的材质采用碳纤维板材。

优选地，所述腰部组件5包括腰部伸缩件501、腰部柔性绑带502、腰部连接件503和腰部柔性绑带固定件504；

腰部伸缩件501的一端固定于腰部连接件503上，另一端滑动连接于背部支撑板407的底部滑槽中，腰部伸缩件501能够调整背部支撑板407和腰部连接件503之间的距离；腰部柔性绑带固定件504固定于腰部连接件503上；可调节长度的腰部柔性绑带502通过螺栓固定于腰部柔性绑带固定件504上，用于固定使用者的腰部。

优选地，腰部连接件503的下端设置有连接口，可与下肢外骨骼***相连，组合成全身外骨骼***。

优选地，所述腰部柔性绑带固定件504为弧形承托设计，以适应人体结构。

优选地，所述电气***6包括数据转换模块、急停开关、数据转换模块紧固连接件、电池、电池紧固连接件和控制芯片；肘关节屈伸电机7、肩关节屈伸电机8和肩关节内收外展电机9通过杜邦线均与控制芯片通讯连接，通过导线均与电池电连接；压力传感器通过信号线与控制芯片通讯连接；控制芯片的型号为STM32F427IIH6。

本实用新型的工作原理和工作流程是：

使用该装置时，使用者的腕部、前臂、上臂和腰部分别通过腕部柔性绑带104、前臂柔性绑带106、上臂柔性绑带208和腰部柔性绑带502进行固定，通过背部柔性绑带402将其背负在使用者身上；穿戴过程中，通过调整由上臂主板一201和上臂主板二202组成的长度可调的上臂、由肩部主板一302和肩部主板二303组成的长度可调的肩部以及由背部支撑板407腰部伸缩件501组成的长度可调的腰部结构来使本装置适应不同体型的使用者，同时分别通过对腕部、前臂、上臂和腰部柔性连接件处垫块的调整来调节装置与人体之间的水平距离进而来满足舒适性的要求，使人体穿戴自然。

使用者进行运动时，通过前臂组件1和上臂组件2处的压力传感器进行运动意图的采集，再通过电气***6的控制芯片中的算法进行分析与控制，分别控制肘关节屈伸电机7、肩关节屈伸电机8和肩关节内收外展电机9的运动，进而达到助力效果。例如实现举起重物动作时，人体握住重物，这时人体胳膊有向上运动的趋势，设置在前臂柔性绑带106处的压力传感器和上臂柔性绑带208处的压力传感器检测出人体运动趋势，通过信号线将代表人体运动趋势的信号传递到电气***6的控制芯片中，控制芯片对来自压力传感器的信号进行处理并结合控制算法进行决策，并将控制信息通过信号线分别传给肘关节屈伸电机7、肩关节屈伸电机8和肩关节内收外展电机9，控制其进行运动，进而达到助力效果；整个过程是闭环，来自压力传感器的信号是实时反馈的。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，该装置包括前臂组件、上臂组件、肩部组件、背部组件、腰部组件、电气***、肘关节屈伸电机、肩关节屈伸电机和肩关节内收外展电机；

前臂组件的一端与肘关节屈伸电机的壳体和输出轴中的一个固定连接，长度可调的上臂组件的一端与肘关节屈伸电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；前臂组件和上臂组件形成肘关节旋转连接结构，由肘关节屈伸电机驱动实现肘关节屈伸运动；

上臂组件的另一端与肩关节屈伸电机的壳体和输出轴中的一个固定连接，长度可调的肩部组件的一端与肩关节屈伸电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；上臂组件和肩部组件形成肩关节旋转连接结构，由肩关节屈伸电机驱动实现肩关节屈伸运动；

肩部组件的另一端与肩关节内收外展电机的壳体和输出轴中的一个固定连接，可调角度的背部组件的上部一端与肩关节内收外展电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；肩部组件和背部组件形成肩关节旋转连接结构，由肩关节内收外展电机驱动实现肩关节内收外展；

背部组件的下端设置有可伸缩的腰部组件；

前臂组件和上臂组件处设置有压力传感器，分别用于检测使用者前臂和上臂的运动趋势信号；电气***分别与所有压力传感器、肘关节屈伸电机、肩关节屈伸电机和肩关节内收外展电机通讯连接，采集压力传感器的数据并控制肘关节屈伸电机、肩关节屈伸电机和肩关节内收外展电机的启停和转速。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，所述前臂组件包括前臂主板、腕部柔性绑带固定件、腕部柔性绑带、前臂柔性绑带固定件、前臂柔性绑带和肘关节屈伸连接件一；

可调节长度的腕部柔性绑带通过腕部柔性绑带固定件固定于前臂主板的一端；肘关节屈伸连接件一的一端固定于前臂主板的另一端上，另一端与肘关节屈伸电机的壳体和输出轴中的一个固定连接；前臂柔性绑带固定件固定于前臂主板的中部；可调节长度的前臂柔性绑带固定于前臂柔性绑带固定件上；前臂柔性绑带上设有压力传感器，用于检测使用者前臂的运动趋势信号。

3.根据权利要求2所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，前臂组件还包括前臂垫块；前臂垫块固定于前臂主板的一端；可调节长度的腕部柔性绑带通过腕部柔性绑带固定件固定于前臂垫块上；前臂垫块用于调节外骨骼前臂到使用者前臂间隔的水平距离。

4.根据权利要求1所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，所述上臂组件包括上臂主板一、上臂主板二、肘关节屈伸连接件二、肩关节屈伸连接件一、垫块滑槽、上臂垫块、上臂柔性绑带固定件、上臂柔性绑带和上臂垫块固定件；

上臂主板一与上臂主板二滑动连接，实现上臂组件的长度可调；肘关节屈伸连接件二的一端固定于上臂主板二的一端，另一端与肘关节屈伸电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；肩关节屈伸连接件一的一端固定于上臂主板一的一端，另一端与肩关节屈伸电机的壳体和输出轴中的一个固定连接；上臂垫块通过上臂垫块固定件固定于上臂主板一上，其上开有垫块滑槽；上臂柔性绑带固定件滑动设置于垫块滑槽中，能够沿垫块滑槽滑动；可调节长度的上臂柔性绑带固定于上臂柔性绑带固定件上；上臂柔性绑带上设有压力传感器，用于检测使用者上臂的运动趋势信号。

5.根据权利要求4所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，肘关节屈伸连接件二处设置有三角形限位凹槽，与前臂主板配合，限制前臂的运动角度；肩关节屈伸连接件一处设置有弧形阻位器，与肩部组件的肩关节屈伸连接件二配合，限制上臂的运动角度。

6.根据权利要求1所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，所述肩部组件包括肩关节内收外展连接件一、肩部主板一、肩部主板二和肩关节屈伸连接件二；

肩部主板二为L型，一条边与肩部主板一滑动连接，实现肩部组件的长度可调；肩关节内收外展连接件一的一端固定于肩部主板二的另一条边的末端，另一端与肩关节内收外展电机的壳体和输出轴中的一个固定连接；肩关节屈伸连接件二的一端固定于肩部主板一的一端，另一端与肩关节屈伸电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接。

7.根据权利要求1所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，所述背部组件包括主支撑件、背部柔性绑带、斜支撑件一、斜支撑件二、肩关节内收外展连接件二、背部支撑板和背部柔性绑带固定件；

主支撑件固定连接于背部支撑板的一面上；肩关节内收外展连接件二的左端通过竖直设置的轴或水平设置的滚动轴承与主支撑件的端部转动连接，右端与肩关节内收外展电机的壳体和输出轴中的另一个固定连接；斜支撑件一的一端固定于背部支撑板的侧面上，另一端通过竖直设置的轴或水平设置的滚动轴承与斜支撑件二的一端转动连接；斜支撑件二的另一端与肩关节内收外展连接件二的右端的下侧的凸台固定连接；可调节长度的背部柔性绑带通过背部柔性绑带固定件固定于背部支撑板的另一面上。

8.根据权利要求7所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，电气***安装盒固定于背部支撑板的一面上，用于放置电气***。

9.根据权利要求1所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，所述腰部组件包括腰部伸缩件、腰部柔性绑带、腰部连接件和腰部柔性绑带固定件；

腰部伸缩件的一端固定于腰部连接件上，另一端滑动连接于背部支撑板的底部滑槽中；腰部柔性绑带固定件固定于腰部连接件上；可调节长度的腰部柔性绑带通过螺栓固定于腰部柔性绑带固定件上，用于固定使用者的腰部。

10.根据权利要求1所述的可穿戴式上肢助力型外骨骼装置，其特征在于，所述电气***包括数据转换模块、急停开关、电池和控制芯片；肘关节屈伸电机、肩关节屈伸电机和肩关节内收外展电机均与控制芯片通讯连接，均与电池电连接；压力传感器与控制芯片通讯连接。

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