一種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域，涉及一種穿戴上肢外骨骼機(jī)構(gòu)，可用于檢測(cè)人體上肢運(yùn)動(dòng)過程中肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息。
【背景技術(shù)】
[0002]近二十年來，國(guó)內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)相繼開展了上肢康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)的研究，研制出多種功能各異的上肢康復(fù)機(jī)器人和康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，研制的部分康復(fù)訓(xùn)練外骨骼系統(tǒng)已開始進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。人體上肢的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息是規(guī)劃康復(fù)訓(xùn)練外骨骼系統(tǒng)導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，對(duì)患肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，需要參照相關(guān)信息設(shè)計(jì)外骨骼系統(tǒng)的導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息對(duì)于保證患肢的康復(fù)訓(xùn)練效果具有實(shí)際意義。
[0003]根據(jù)人體解剖學(xué)可知，人體肩部關(guān)節(jié)圖1、圖2所示錯(cuò)綜復(fù)雜，它由肱骨、肩胛骨、鎖骨、胸骨及其間的盂肱關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)、胸鎖關(guān)節(jié)和肩胛胸壁關(guān)節(jié)連接而成，其中胸鎖關(guān)節(jié)和肩胛胸壁關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)尚且不清楚，根據(jù)人體骨骼模型運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，肩部關(guān)節(jié)中的盂肱關(guān)節(jié)(傳統(tǒng)意義上的肩關(guān)節(jié))在完成外展/內(nèi)收，前屈/后伸的運(yùn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)中心在人體肩部關(guān)節(jié)相對(duì)于人體胸骨的運(yùn)動(dòng)過程中，是漂移的，并且漂移軌跡并不是線性的，而是有多段低曲率弧線構(gòu)成，并且肩部中心的漂移也不僅限于矢狀面內(nèi)，這使研究肩部盂肱關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，為了獲得盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)。在人體上肢帶動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)過程中，通過安置于外骨骼機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌移動(dòng)副的位移傳感器和安置于外骨骼機(jī)構(gòu)盂肱關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)處的光電編碼器直接測(cè)得人體上肢盂肱關(guān)節(jié)出的運(yùn)動(dòng)信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種能檢測(cè)盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，占用體積小，制造成本低的一種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)。其設(shè)計(jì)理念是:在人體肩部結(jié)構(gòu)的研究中，模型化處理是一切工作的開始，根據(jù)人體解剖學(xué)知識(shí)，并在參考人體骨骼學(xué)、人體骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上從人體中抽出胸骨(等價(jià)于剛體)，上肢帶骨(根據(jù)人體骨骼學(xué)，上肢帶骨包括鎖骨和肩胛骨，可視為與鎖骨和肩胛骨綜合運(yùn)動(dòng)等效的虛擬骨骼，其長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于胸鎖關(guān)節(jié)和盂肱關(guān)節(jié)中心點(diǎn)間的距離)，肱骨(等價(jià)于剛體)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖3所示。該運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)等價(jià)于理論力學(xué)中一般剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)理論力學(xué)中剛體的一般運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)得知，上肢肩部胸骨的胸鎖關(guān)節(jié)處相當(dāng)于基礎(chǔ)件，肱骨相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)的剛體，在肱骨的轉(zhuǎn)動(dòng)中心中取一個(gè)基點(diǎn)，再以基點(diǎn)為原點(diǎn)設(shè)立一個(gè)平移參考系和固定連接與剛體的隨體參考系，如圖4所示。這樣，確定剛體在空間的位置就歸結(jié)為確定隨體參考系在空間的位置。在胸骨上建立定坐標(biāo)系，設(shè)為ο xyz，平移參考系或基點(diǎn)的位置可以用它在固定坐標(biāo)系一組坐標(biāo)數(shù)值來確定;隨動(dòng)參考系相對(duì)于平移參考系的姿態(tài)就可以用三個(gè)獨(dú)立的角度值來確定，這樣用六個(gè)獨(dú)立的參數(shù)就可以確定肩部盂肱關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)，即準(zhǔn)確獲得肩部盂肱關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，基于該運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出了一種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)，該外骨骼機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能是:在人體上肢上臂緊致穿戴該外骨骼，并做運(yùn)動(dòng)的情況下，外骨骼機(jī)構(gòu)做隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)的功能是準(zhǔn)確檢測(cè)到上肢上臂運(yùn)動(dòng)盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的位置和盂肱關(guān)節(jié)對(duì)于該位置時(shí)的姿態(tài)，即獲得準(zhǔn)確的人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的方案是:
[0006]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)，由三移動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、T型連接板和三轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，三移動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括的支撐支架、第一導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置、第二導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置和第三導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置，三轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括盂肱關(guān)節(jié)收展關(guān)節(jié)裝置、連接彎板、盂肱關(guān)節(jié)屈伸關(guān)節(jié)裝置和盂肱關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)裝置。
[0007]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)支撐支架，由蹄腳、蹄腳支撐件、支架第一型材、角件、支架第二型材、支架第三型材、端蓋、支架第四型材和支架第五型材構(gòu)成，其中四根蹄腳支撐件連接四個(gè)蹄腳支撐于地面，四根蹄腳支撐件、三根支架第一型材、四根支架第二型材、兩根支架第三型材、支架第四型材和支架第五型材通過22套角件互相拼接成一體，并把兩根支架第三型材、支架第四型材和支架第五型材兩端端面用8個(gè)端蓋蓋上，構(gòu)成支撐支架，該支撐支架用于支撐肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)，是肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。
[0008]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)第一導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置，由導(dǎo)軌右一、滑塊右一、滑塊右二、第一位移傳感器、位移傳感器壓板、位移傳感器壓板固定板、位移傳感器安全限位裝置、滑塊鎖死裝置、導(dǎo)軌左一、滑塊左一和滑塊左二構(gòu)成；導(dǎo)軌右一、滑塊右一和滑塊右二構(gòu)成右導(dǎo)軌移動(dòng)副，導(dǎo)軌左一、滑塊左一和滑塊左二構(gòu)成左導(dǎo)軌移動(dòng)副，右導(dǎo)軌移動(dòng)副和左導(dǎo)軌移動(dòng)副底面在一個(gè)平面內(nèi)，兩端端面互相對(duì)齊，間隔距離以安置的支撐支架距離而定，在第一位移傳感器導(dǎo)桿伸出長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度時(shí)，第一位移傳感器導(dǎo)桿一端端面和導(dǎo)軌右一端面平齊，第一位移傳感器導(dǎo)桿另一端端面和滑塊右二接觸，第一位移傳感器通過位移傳感器壓板連接在位移傳感器壓板固定板上，其中位移傳感器壓板固定板和導(dǎo)軌右一上部移動(dòng)面貼合，位移傳感器安全限位裝置在和導(dǎo)軌右一上部移動(dòng)面貼合并緊貼位移傳感器側(cè)面，滑塊鎖死裝置在保持位移傳感器導(dǎo)桿伸出長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的情況下，可鎖死滑塊右二，從而構(gòu)成第一導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置。
[0009]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)第二導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置，由第二導(dǎo)軌支撐件一、第二導(dǎo)軌固定板一、第二導(dǎo)軌一、第二滑塊一、位移傳感器壓板、第二位移傳感器壓板固定板、位移傳感器安全限位裝置、滑塊鎖死裝置一、滑塊鎖死裝置二、第二位移傳感器、第二導(dǎo)軌支撐件二、第二導(dǎo)軌二、第二滑塊二、第二導(dǎo)軌固定板二、第二導(dǎo)軌固定板三和第二導(dǎo)軌固定板四構(gòu)成，第二導(dǎo)軌支撐件一和第二導(dǎo)軌支撐件二通過螺栓組連接第二導(dǎo)軌固定板一、第二導(dǎo)軌固定板二、第二導(dǎo)軌固定板三、第二導(dǎo)軌固定板四，第二導(dǎo)軌一和第二導(dǎo)軌二通過螺栓組連接于第二導(dǎo)軌固定板一、第二導(dǎo)軌固定板二、第二導(dǎo)軌固定板三和第二導(dǎo)軌固定板四上，第二導(dǎo)軌一和第二滑塊一組成移動(dòng)副，第二導(dǎo)軌二、第二滑塊二也組成移動(dòng)副，在第二位移傳感器導(dǎo)桿伸出長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度時(shí)，第二位移傳感器導(dǎo)桿一端端面和滑塊二接觸，第二位移傳感器導(dǎo)桿另一端端面和導(dǎo)軌端面對(duì)齊，在滿足上述條件下通過位移傳感器壓板把第二位移傳感器固定在第二位移傳感器壓板固定板上，其中第二位移傳感器壓板固定板通過螺釘安裝于第二導(dǎo)軌固定板一上，位移傳感器安全限位裝置在一面緊貼第二位移傳感器側(cè)面的情況下，通過螺釘連接于第二導(dǎo)軌固定板一上，滑塊鎖死裝置一通過螺栓組連接與第二導(dǎo)軌一上，滑塊鎖死裝置二在卡住第二滑塊一的情況下，可通過螺釘固連在滑塊鎖死裝置一上，從而構(gòu)成了第二導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置。
[0010]一種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)第三導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置，由第三導(dǎo)軌型材固定板、第三導(dǎo)軌型材、第三導(dǎo)軌、第三導(dǎo)軌滑塊一、第三導(dǎo)軌滑塊二、第三位移傳感器、第三位移傳感器固定板、第三滑塊鎖死裝置一、第三滑塊鎖死裝置二、第一轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)固定板一支撐板、平衡裝置一、平衡鋼絲繩、平衡裝置二、平衡裝置三、平衡塊和第三位移傳感壓板構(gòu)成，第三導(dǎo)軌型材通過螺栓組固定在第三導(dǎo)軌型材固定板上，長(zhǎng)度可以在松開第三導(dǎo)軌型材連接螺栓的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同身高和臂長(zhǎng)人體進(jìn)行右端上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的測(cè)量，第三導(dǎo)軌通過螺栓組固定在第三導(dǎo)軌型材上，第三導(dǎo)軌滑塊一和第三導(dǎo)軌滑塊二通過螺釘和第一轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)固定板一支撐板固連，在第三位移傳感器導(dǎo)桿伸出長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度且第三位移傳感器導(dǎo)桿端面和第三導(dǎo)軌滑塊一接觸的情況下，第三位移傳感器通過第三位移傳感器壓板以螺釘連接的形式固定在第三位移傳感器固定板上，第三滑塊鎖死裝置一卡住第三導(dǎo)軌滑塊一和第三滑塊鎖死裝置二通過螺栓組固連，第三滑塊鎖死裝置二通過螺釘?shù)男问焦踢B在第三位移傳感器固定板上，且第三滑塊鎖死裝置一螺釘連接處是槽孔連接，以利于在第三位移傳感器導(dǎo)桿伸出長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度時(shí)，第三滑塊鎖死裝置一和第三滑塊鎖死裝置二能通過螺栓組固定，平衡鋼絲繩一端通過螺栓組連接的形式固連在第一轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)固定板一支撐板上，另一端經(jīng)過平衡裝置一、平衡裝置二和平衡裝置三連接平衡塊，其中平衡裝置一、平衡裝置二和平衡裝置三分別通過螺栓組固定連接在第三導(dǎo)軌型材上，平衡塊平衡轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等的重量，使其在整體外骨骼裝配完成的情況下，能在自然狀態(tài)下保持平衡，從而構(gòu)成第三導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置。
[0011]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)三移動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，包括支撐支架、第一導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置、第二導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置和第三導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置構(gòu)成，導(dǎo)軌右一和導(dǎo)軌左一通過螺栓組連接于支架第四型材、支架第五型材上，并且導(dǎo)軌右一、導(dǎo)軌左一兩端和支架第四型材、支架第五型材的兩端對(duì)齊，其中位移傳感器壓板固定板通過螺栓組連接于支架第四型材上，位移傳感器安全限位裝置通過螺栓組連接于支架第四型材上，滑塊鎖死裝置一面緊貼支架第四型材并通過螺栓組連接于支架第四型材上，第二導(dǎo)軌支撐件一和第二導(dǎo)軌支撐件二通過螺釘連接于第一導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置的滑塊右一、滑塊右二和滑塊左一、滑塊左二上，第三導(dǎo)軌型材固定板通過連接螺釘固定在第二滑塊一、第二滑塊二上。其中，這三個(gè)導(dǎo)軌移動(dòng)副裝置在空間的位置確定后，移動(dòng)方向兩兩垂直，從而構(gòu)成了能在三維空間檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的三移動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。
[0012]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)T型連接板和連接彎板，T型連接板的一端開有通孔，另一端開有通孔、槽孔，連接彎板一端開有通孔，另一端開有槽孔。
[0013]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)盂肱關(guān)節(jié)收展關(guān)節(jié)裝置，包括肩收展關(guān)節(jié)固定板、肩收展關(guān)節(jié)第一側(cè)板、肩收展關(guān)節(jié)鎖死螺釘、肩收展關(guān)節(jié)端蓋、第一編碼器支撐板、第一光電編碼器、第一聯(lián)軸器、肩收展關(guān)節(jié)第二側(cè)板、肩收展關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸、關(guān)節(jié)軸支撐軸承一、關(guān)節(jié)軸支撐軸承二和關(guān)節(jié)卡簧構(gòu)成，其中第一光電編碼器通過螺釘固定在第一編碼器支撐板上，第一編碼器支撐板通過螺釘固定在肩收展關(guān)節(jié)第二側(cè)板上，肩收展關(guān)節(jié)第一側(cè)板、肩收展關(guān)節(jié)端蓋、肩收展關(guān)節(jié)第二側(cè)板、關(guān)節(jié)軸支撐軸承一、關(guān)節(jié)軸支撐軸承二、關(guān)節(jié)卡簧及通過螺釘固定連接的肩收展關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸的肩收展關(guān)節(jié)固定板共同構(gòu)成了肩收展關(guān)節(jié)，其中關(guān)節(jié)軸支撐軸承一、關(guān)節(jié)軸支撐軸承二分別和肩收展關(guān)節(jié)第一側(cè)板、肩收展關(guān)節(jié)第二側(cè)板相應(yīng)軸承配合段的孔為過盈配合，關(guān)節(jié)軸支撐軸承一、關(guān)節(jié)軸支撐軸承二共同支撐肩收展關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸，和肩收展關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸相應(yīng)軸段為過盈配合，支撐肩收展關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)，肩收展關(guān)節(jié)端蓋和關(guān)節(jié)卡簧分別對(duì)關(guān)節(jié)軸支撐軸承一、關(guān)節(jié)軸支撐軸承二予以軸向限位，其中第一聯(lián)軸器通過螺釘連接肩收展關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸伸出軸和光電編碼器伸出軸，可以用肩收展關(guān)節(jié)鎖死螺釘鎖定肩關(guān)節(jié)收展運(yùn)動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)位置，當(dāng)不鎖定肩關(guān)節(jié)收展關(guān)節(jié)在標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí)，在人體上肢運(yùn)動(dòng)過程中，人體上肢帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，以檢測(cè)人體肩關(guān)節(jié)收展的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息，從而構(gòu)成盂肱關(guān)節(jié)收展關(guān)節(jié)裝置。
[0014]—種用于檢測(cè)人體上肢肩部盂肱關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的穿戴外骨骼機(jī)構(gòu)盂肱關(guān)節(jié)收展關(guān)節(jié)裝置，包括肩收展關(guān)節(jié)固定板、肩收展關(guān)節(jié)第一側(cè)板、肩收展關(guān)節(jié)鎖死螺釘、肩收展關(guān)節(jié)端蓋、第一編碼器支撐板、第一光電編碼器、第一聯(lián)軸器、肩收展關(guān)節(jié)第二側(cè)板、肩收展關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)