一种肩关节保持外骨骼及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种肩关节保持外骨骼及其应用，属于上肢外骨骼机器人领域，肩关节保持外骨骼包括：右臂外骨骼、左臂外骨骼和承力腰带，右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，右臂外骨骼和左臂外骨骼的结构相同；右臂外骨骼包括：支撑机构和锁定机构，支撑机构中的支撑杆中部设置卡齿和滑槽，锁定机构包括：第一固定板、上挡块、下挡块、第二固定板和卡爪，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动，上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，卡爪与卡齿分离或者啮合。本发明专利技术将肩关节的旋转运动转换为往复运动，采用卡爪、卡齿结构，实现肩关节任意角度保持，结构简洁轻便，不受控制算法和续航时间限制，可以实现完全卸载。

A shoulder joint keeping exoskeleton and its application

【技术实现步骤摘要】
一种肩关节保持外骨骼及其应用
本专利技术属于上肢外骨骼机器人领域，更具体地，涉及一种肩关节保持外骨骼及其应用。
技术介绍
在建筑、机场、组装线、仓储、物流等应用环境中，工人需要对货物进行抬举、搬运、下蹲等重复性劳动，或是长时间的持械操作。重复且繁重的工作对人体背部及肩关节损伤极大，易造成肌肉疲劳甚至骨骼损伤。外骨骼机器人可通过主、被动元件及优化设计算法，实现人体作业过程中的有效助力，预防劳动损伤，延长工人职业生涯。目前肩关节外骨骼根据是否配备外部动力源可分为主动式和被动式外骨骼。其中主动式外骨骼常用于医疗康复、人体增强等应用环境，但其为满足人体运动自由度往往结构复杂、感知与控制难度较大且不够便携。被动式外骨骼采用弹性元件，优化人体运动过程中的能量流动，结构更为简洁轻便，自由度更高，不存在能耗续航等问题，更适合于工人对象的应用。专利CN107984461A提出了一种气动上肢助力外骨骼机器人，针对物流行业的搬运工作，通过气动肌肉来实现大臂与小臂的助力，但其结构笨重，需要额外的供气系统，且对控制算法要求较高。专利CN108789382A提出了一种上肢助力无源外骨骼机器人，其通过关节角度变化，实现助力与非助力两种状态的自由切换，但其非助力状态虽助力力臂较小，但储能元件仍出力较大，不能实现完全的卸载。由此可见，现有技术存在对控制算法要求较高、不能完全卸载的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种肩关节保持外骨骼及其应用，由此解决现有技术存在对控制算法要求较高、不能完全卸载的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种肩关节保持外骨骼，包括：右臂外骨骼、左臂外骨骼和承力腰带，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼的结构相同；所述右臂外骨骼包括：支撑机构和锁定机构，所述支撑机构包括：手臂绑带、大臂杆和支撑杆，大臂杆的一端与支撑杆连接，另一端固定手臂绑带，支撑杆与承力腰带连接；所述支撑杆中部设置卡齿和滑槽，所述锁定机构包括：第一固定板、上挡块、下挡块、第二固定板和卡爪，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动，上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，卡爪与卡齿分离或者啮合。进一步地，支撑机构还包括：导向绳和平衡弹性元件，所述导向绳一端固定于大臂杆，另一端固定于锁定机构；所述平衡弹性元件一端固定于锁定机构，另一端固定于承力腰带。进一步地，锁定机构还包括：限位弹性元件和摆杆，所述限位弹性元件与卡爪及第二固定板的固定轴连接，所述摆杆与卡爪同轴固定。进一步地，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动时，当上移触动上挡块时，卡爪与卡齿啮合；当下移触动下挡块时，卡爪与卡齿分离。进一步地，上挡块和下挡块组成可调节挡块，所述可调节挡块为无源式或者有源式。进一步地，可调节挡块为无源式时，可调节挡块通过螺钉锁定在支撑杆的滑槽。进一步地，肩关节保持外骨骼还包括：第一电机、第一减速器、丝杆、第二电机、第二减速器，第一电机和第二电机分别位于丝杆的上端和下端，第一减速器位于第一电机与上挡块之间，第二减速器位于第二电机与下挡块之间，通过第一电机、第一减速器、第二电机与第二减速器驱动丝杆，带动可调节挡块直线运动并自锁。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种肩关节保持外骨骼的应用，所述肩关节保持外骨骼应用于肩关节保持任务和肩关节自由运动。进一步地，肩关节保持外骨骼应用于肩关节保持任务时，包括：大臂杆下移至最低角度，此时第一固定板和第二固定板位于支撑杆的最上方，且触动上挡块，带动卡爪旋转，卡爪与卡齿啮合；此状态下第一固定板和第二固定板只能向下运动，大臂杆只能向上运动。进一步地，肩关节保持外骨骼应用于肩关节自由运动时，包括：大臂杆向上移动到最大角度，此时第一固定板和第二固定板位于支撑杆的最下方，且触动下挡块，带动卡爪旋转，卡爪与卡齿分离；此状态下第一固定板和第二固定板沿支撑杆上下运动，大臂杆自由旋转。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供了一种肩关节保持外骨骼，右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，将肩关节的旋转运动转换为往复运动，采用卡爪、卡齿结构，实现肩关节任意角度保持，将手臂负载载荷有效传递至腰部；结构简洁轻便，不受控制算法和续航时间限制，可以实现完全卸载。(2)本专利技术中上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动时，当上移触动上挡块时，卡爪与卡齿啮合；当下移触动下挡块时，卡爪与卡齿分离。通过卡爪与卡齿分离或者啮合实现卡爪解锁与锁定两种工作状态的切换。进而可实现肩关节工作状态任意角度保持与非工作状态自由活动的功能，不会对人体造成额外负担。(3)本专利技术中支撑机构具有平衡弹性元件，在应用时可以平衡手臂重力，本专利技术中上挡块和下挡块组成可调节挡块，可调节挡块为无源式或者有源式，当调节挡块为无源式时，无需其他的控制算法、电机和电源即可使用，当可调节挡块为有源式时，可以通过电机和减速器带动可调节挡块直线运动并自锁，以简化人工调节方式，提高外骨骼的使用灵活度。这说明本专利技术的适应性强。(4)本专利技术在应用时，通过控制卡爪与卡齿啮合；此状态下第一固定板和第二固定板只能向下运动，大臂杆只能向上运动，实现肩关节保持功能。通过控制卡爪与卡齿分离；此状态下第一固定板和第二固定板沿支撑杆上下运动，大臂杆自由旋转，实现肩关节自由运动。这说明本专利技术既可以执行肩关节保持任务，也可以进行肩关节自由运动。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种肩关节保持外骨骼的穿戴示意图；图2是本专利技术实施例提供的外骨骼装配图；图3(a)是本专利技术实施例提供的右臂外骨骼结构的后侧示意图；图3(b)是本专利技术实施例提供的右臂外骨骼结构的前侧示意图；图4(a)是本专利技术实施例提供的锁定机构的后侧示意图；图4(b)是本专利技术实施例提供的锁定机构的前侧示意图；图5是本专利技术实施例提供的锁定机构装配图；图6(a)是本专利技术实施例提供的锁定机构的卡爪啮合前示意图；图6(b)是本专利技术实施例提供的锁定机构的卡爪啮合状态示意图；图7(a)是本专利技术实施例提供的锁定机构的卡爪分离前示意图；图7(b)是本专利技术实施例提供的锁定机构的卡爪分离状态示意图；图8是本专利技术实施例提供的有源式外骨骼调节机构的示意图；图9(a)是本专利技术实施例提供的有源式外骨骼整体布置的后侧示意图；图9(b)是本专利技术实施例提供的有源式外骨骼整体布置的前侧示意图；图10是本专利技术实施例提供的外骨骼工作流程图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100为右臂外骨骼，110为支撑机构，111为手臂绑带，112为大臂杆，113为支撑杆，114为导向绳，115为平衡弹性元件，120为锁定机构，121为第一固定板，122为上挡块，123为限位弹性元件，124为下挡块，125为第二固定板，126为摆杆，127为限位杆，128为卡爪，200为左臂外骨骼，300为承力腰带，400为主动调节机构，401为电机，402为减速器，403为丝杆，500为电源及控制模块，600为控制旋钮。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，包括：右臂外骨骼、左臂外骨骼和承力腰带，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼的结构相同；所述右臂外骨骼包括：支撑机构和锁定机构，所述支撑机构包括：手臂绑带、大臂杆和支撑杆，大臂杆的一端与支撑杆连接，另一端固定手臂绑带，支撑杆与承力腰带连接；所述支撑杆中部设置卡齿和滑槽，所述锁定机构包括：第一固定板、上挡块、下挡块、第二固定板和卡爪，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动，上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，卡爪与卡齿分离或者啮合。

【技术特征摘要】
1.一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，包括：右臂外骨骼、左臂外骨骼和承力腰带，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼均与承力腰带连接，所述右臂外骨骼和左臂外骨骼的结构相同；所述右臂外骨骼包括：支撑机构和锁定机构，所述支撑机构包括：手臂绑带、大臂杆和支撑杆，大臂杆的一端与支撑杆连接，另一端固定手臂绑带，支撑杆与承力腰带连接；所述支撑杆中部设置卡齿和滑槽，所述锁定机构包括：第一固定板、上挡块、下挡块、第二固定板和卡爪，第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动，上挡块和下挡块分别位于卡齿的上端和下端，卡爪与卡齿分离或者啮合。2.如权利要求1所述的一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，所述支撑机构还包括：导向绳和平衡弹性元件，所述导向绳一端固定于大臂杆，另一端固定于锁定机构；所述平衡弹性元件一端固定于锁定机构，另一端固定于承力腰带。3.如权利要求1或2所述的一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，所述锁定机构还包括：限位弹性元件和摆杆，所述限位弹性元件与卡爪及第二固定板的固定轴连接，所述摆杆与卡爪同轴固定。4.如权利要求1或2所述的一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，所述第一固定板和第二固定板通过导向滚轮沿滑槽滑动时，当上移触动上挡块时，卡爪与卡齿啮合；当下移触动下挡块时，卡爪与卡齿分离。5.如权利要求1或2所述的一种肩关节保持外骨骼，其特征在于，所述上挡块和下挡块组成可调节挡块，所述可调节挡块为无源式或者...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩斌，杜子豪，陈学东，黄添添，张自全，王浩，刘琪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42