專利名稱：用于檢測人體下肢髖關節運動信息的穿戴型外骨骼機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種穿戴型下肢外骨骼機構，可用于檢測人體直立行走運動過程中的下肢髖關節運動信息。
背景技術：
自二十世紀九十年代以來，國內外的一些研究機構相繼開展了穿戴型下肢康復外骨骼系統的研制與實驗研究工作，研制的部分康復訓練外骨骼系統(如L0K0MAT系統等)已開始進入臨床應用階段。在對患肢進行康復訓練時，需要參照人體下肢髖、膝關節的運動信息設計康復訓練外骨骼系統的導引運動規律。因此，獲得相對準確的人體下肢髖、膝關節運動信息對于保證患肢的康復訓練效果具有實際意義。目前下肢髖關節運動信息的檢測主要是通過運動圖像采集、標志點提取與運動分析相結合的技術方法來實現，由攝像機采集人體直立行走過程中的髖運動圖象，通過對標志點的提取，以及基于不同肢體段連體坐標系之間的相對位姿關系分析得到下肢髖關節的運動信息。由于受到圖象畸變、參數提取精度等因素的影響，獲得的關節運動檢測信息與人體下肢髖關節運動存在一定的偏差。根據人體解剖學可知，下肢髖關節為圖I所示的三自由度杵白關節，能夠實現繞冠狀軸的前屈/后伸運動、繞矢狀軸的內收/外展運動和繞垂直軸的旋內/旋外運動。為了直接檢測下肢髖關節的運動信息，本發明設計了一種穿戴型外骨骼機構。當人體下肢穿戴外骨骼機構并作直立行走運動時，可以通過安置于外骨骼機構髖轉動關節處的傳感器直接測得人體下肢髖關節的運動信息。

發明內容
圖2所示為本發明用于檢測下肢髖關節運動信息的外骨骼機構的機構原理簡圖，主要由髖彎板I、大腿板2、髖收展轉動關節3、髖屈伸轉動關節4、大腿穿戴具5和髖旋轉轉動關節6組成。所述的髖彎板I和大腿板2分別如圖3和圖4所示。髖彎板I的一端開有第一通孔7和第二通孔8，另一端開有第三通孔9和第四通孔10。大腿板2的一端開有髖屈伸通孔11，另一端開有螺栓組第一通孔12和螺栓組第二通孔13。所述的髖收展轉動關節3如圖5所示。該轉動關節由一端開有第一通孔7和第二通孔8的髖彎板1，一端開有髖收展轉軸第一通孔14及另一端開有螺栓組第三通孔15、螺栓組第四通孔16的第一側板17，一端開有髖收展轉軸第二通孔18及另一端開有螺栓組第 五通孔19、螺栓組第六通孔20的第二側板21，第一螺栓組22和第二螺栓組23以及髖收展階梯軸24組成。各組成部分的連接關系是第一側板17與髖收展階梯軸24的軸段通過髖收展轉軸第一通孔14過盈聯接，第二側板21與髖收展階梯軸24的軸段通過髖收展轉軸第二通孔18過盈聯接。第一側板17、第二側板21及髖彎板I通過螺栓組第三通孔15、螺栓組第四通孔16、螺栓組第五通孔19、螺栓組第六通孔20、第一通孔7和第二通孔8由第一螺栓組22及第二螺栓組23聯接。所述的髖屈伸轉動關節4如圖6所示。該轉動關節由一端開有第三通孔9和第四通孔10的髖彎板1，一端開有髖屈伸通孔11的大腿板2，一端開有髖屈伸轉軸第一通孔25及另一端開有螺栓組第七通孔26、螺栓組第八通孔27的第三側板28，一端開有髖屈伸轉軸第二通孔29及另一端開有螺栓組第九通孔30、螺栓組第十通孔31的第四側板32，第三螺栓組33和第四螺栓組34以及髖屈伸階梯軸35組成。各組成部分的連接關系是第三側板28與髖屈伸階梯軸35的軸段通過髖屈伸轉軸第一通孔25過盈聯接，第四側板32與髖屈伸階梯軸35的軸段通過髖屈伸轉軸第二通孔29過盈聯接。第三側板28、第四側板32及髖彎板I通過螺栓組第七通孔26、螺栓組第八通孔27、螺栓組第九通孔30、螺栓組第十通孔31、第三通孔9和第四通孔10由第三螺栓組33及第四螺栓組34聯接。所述的大腿穿戴具5如圖7所示。由開有螺栓組第十一通孔36、螺栓組第十二通孔37、螺栓組第十三通孔38與螺栓組第十四通孔39的大腿連接件40，開有螺栓組第十五通孔41與螺栓組第十六通孔42、第一長孔43、第二長孔44、螺紋孔45的大腿穿戴板46，以及第五螺栓組47和第六螺栓組48組成。各組成部分的連接關系是大腿連接件40和大腿穿戴板46通過螺栓組第十三通孔38、螺栓組第十四通孔39、螺栓組第十五通孔41、螺栓組第十六通孔42，由第五螺栓組47和第六螺栓組48聯為一體。所述的髖旋轉轉動關節6如圖8所示。由大腿穿戴板46，旋轉軸49，小軸承50，小齒輪51，大墊片52，大螺母53，內壁開有大環槽54的大齒輪55，內圈內壁開有第一小環槽56和第二小環槽57的大軸承58，環形大氣囊59，第一環形小氣囊60和第二環形小氣囊61組成。各組成部分的連接關系是將旋轉軸49裝入大腿穿戴板46的螺紋孔45中，再把大墊片52和大螺母53依次裝入旋轉軸49上，然后把與小齒輪51緊配合的小軸承50與旋轉軸49的相應軸段過盈配合，接著通過對嵌于大軸承58內圈內壁第一小環槽56的第一環形小氣囊60和第二小環槽57的第二環形小氣囊61充氣使大軸承58內圈與大腿緊配合，并且用通過大腿穿戴板46的第一長孔43和第二長孔44的大腿綁縛帶62與大軸承58外圈緊綁縛，最后將對嵌于大齒輪55內壁大環槽54的環形大氣囊59充氣與大腿緊配合的大齒輪55與小齒輪51嚙合。圖9所示為本發明的外骨骼機構的結構簡圖，各部分之間的連接關系式是先將髖旋轉轉動關節6裝入大腿上，通過大腿穿戴板46的第一長孔43和第二長孔44的大腿綁縛帶62與大軸承58緊綁縛，將與大腿緊配合的大齒輪55與小齒輪51嚙合。再把大腿穿戴具5和大腿板2通過螺栓組第一通孔12、螺栓組第二通孔13、螺栓組第十一通孔36和螺栓組第十二通孔37，由第七螺栓組63、第八螺栓組64連接。髖彎板I又將髖收展轉動關節3和髖屈伸轉動關節4通過第一螺栓組22、第二螺栓組23、第三螺栓組33及第四螺栓組34連接在一起。
有益效果
本發明的工作原理是人體作直立行走運動，下肢帶動外骨骼機構作隨動運動，髖收展光電編碼器65、髖屈伸光電編碼器66和髖旋轉光電編碼器67分別檢測髖收展轉動關節3、髖屈伸轉動關節4和髖旋轉轉動關節6的運動信息。本發明帶來的有益效果是人體下肢緊致穿戴外骨骼機構后，外骨骼機構與下肢構成運動恰定的封閉運動鏈，這樣可直接獲得更為準確的人體髖關節運動信息。


圖I為下肢髖關節。圖2為檢測下肢髖關節運動信息的外骨骼機構的機構原理。圖3為髖彎板I。圖4為大腿板2。圖5為髖收展轉動關節3。圖6為髖屈伸轉動關節4。圖7為大腿穿戴具5。圖8為髖旋轉轉動關節6。圖9為外骨骼機構的結構簡圖。圖10為實施方式。圖2中，I-髖彎板，2-大腿板，3-髖收展轉動關節，4-髖屈伸轉動關節，5_大腿穿戴具，6-髖旋轉轉動關節。圖3中，7_第一通孔，8_第_■通孔，9~第二通孔，10-第四通孔。圖4中，11-髖屈伸通孔，12-螺栓組第一通孔，13-螺栓組第二通孔。圖5中，14-髖收展轉軸第一通孔，15-螺栓組第三通孔，16-螺栓組第四通孔，17-第一側板，18-髖收展轉軸第二通孔，19-螺栓組第五通孔，20-螺栓組第六通孔，21-第二側板，22-第一螺栓組，23-第二螺栓組，24-髖收展階梯軸。圖6中，25-髖屈伸轉軸第一通孔，26-螺栓組第七通孔，27-螺栓組第八通孔，28-第三側板，29-髖屈伸轉軸第二通孔，30-螺栓組第九通孔，31-螺栓組第十通孔，32-第四側板，33-第三螺栓組，34-第四螺栓組，35-髖屈伸階梯軸。圖7中，36-螺栓組第i^一通孔、37-螺栓組第十二通孔，38-螺栓組第十三通孔，39-螺栓組第十四通孔，40-大腿連接件，41-螺栓組第十五通孔，42-螺栓組第十六通孔，43-第一長孔，44-第二長孔，45-螺紋孔，46-大腿穿戴板，47-第五螺栓組，48-第六螺栓組。圖8中，49-旋轉軸，50-小軸承，51-小齒輪，52-大墊片，53-大螺母，54-大環槽，55-大齒輪，56-第一小環槽，57-第二小環槽，58-大軸承，59-環形大氣囊，60-第一環形小氣囊，61-第二環形小氣囊。圖9中，62-大腿綁縛帶，63-第七螺栓組，64-第八螺栓組。圖10中，65-髖收展光電編碼器,66-髖屈伸光電編碼器,67-髖旋轉光電編碼器，68-第一鍵，69-第二鍵，70-第三鍵。
具體實施例方式本發明的實施方式如圖10所示。先將髖旋轉轉動關節6裝入大腿上，接著通過對嵌于大軸承58內圈內壁第一小環槽56的第一環形小氣囊60和第二小環槽57的第二環形小氣囊61充氣使大軸承58內圈與大腿緊配合，并且用通過大腿穿戴板46的第一長孔43和第二長孔44的大腿綁縛帶62與大軸承58外圈緊綁縛，然后將對嵌于大齒輪55內壁大環槽54的環形大氣囊59充氣與大腿緊配合的大齒輪55與小齒輪51嚙合。再把大腿穿戴具5和大腿板2由第七螺栓組63、第八螺栓組64連接。髖彎板I又將髖收展轉動關節3和髖屈伸轉動關節4通過第一螺栓組22、第二螺栓組23、第三螺栓組33及第四螺栓組34連接在一起。同時，為檢測髖收展轉動關節3、髖屈伸轉動關節4和髖旋轉轉動關節6的運動 信息，在各轉動關節外側通過第一鍵68、第二鍵69、第三鍵70按常規方式安裝了髖收展光電編碼器65、髖屈伸光電編碼器66和髖旋轉光電編碼器67。
權利要求
1.一種用于檢測下肢髖關節運動信息的穿戴型外骨骼機構，由髖彎板(I)、大腿板(2)、髖收展轉動關節(3)、髖屈伸轉動關節(4)、大腿穿戴具(5)和髖旋轉轉動關節(6)組成； 其特征在于髖彎板(I)的一端開有第一通孔(7)和第二通孔(8)，另一端開有第三通孔(9)和第四通孔(10);大腿板⑵的一端開有髖屈伸通孔(11)，另一端開有螺栓組第一通孔(12)和螺栓組第二通孔(13)； 髖收展轉動關節(3)，由一端開有第一通孔(7)和第二通孔(8)的髖彎板(1)，一端開有髖收展轉軸第一通孔(14)及另一端開有螺栓組第三通孔(15)、螺栓組第四通孔(16)的第一側板(17)，一端開有髖收展轉軸第二通孔(18)及另一端開有螺栓組第五通孔(19)、螺栓組第六通孔(20)的第二側板(21)，第一螺栓組(22)和第二螺栓組(23)以及髖收展階梯軸(24)組成；各組成部分的連接關系是第一側板(17)與髖收展階梯軸(24)的軸段通過髖收展轉軸第一通孔(14)過盈聯接，第二側板(21)與髖收展階梯軸(24)的軸段通過髖收展轉軸第二通孔(18)過盈聯接；第一側板(17)、第二側板(21)及髖彎板(I)通過螺栓組第三通孔(15)、螺栓組第四通孔(16)、螺栓組第五通孔(19)、螺栓組第六通孔(20)、第一通孔(7)和第二通孔(8)由第一螺栓組(22)及第二螺栓組(23)聯接； 髖屈伸轉動關節(4)，由一端開有第三通孔(9)和第四通孔(10)的髖彎板(1)，一端開有髖屈伸通孔(11)的大腿板(2)，一端開有髖屈伸轉軸第一通孔(25)及另一端開有螺栓組第七通孔(26)、螺栓組第八通孔(27)的第三側板(28)，一端開有髖屈伸轉軸第二通孔(29)及另一端開有螺栓組第九通孔(30)、螺栓組第十通孔(31)的第四側板(32)，第三螺栓組(33)和第四螺栓組(34)以及髖屈伸階梯軸(35)組成；各組成部分的連接關系是 第三側板(28)與髖屈伸階梯軸(35)的軸段通過髖屈伸轉軸第一通孔(25)過盈聯接，第四側板(32)與髖屈伸階梯軸(35)的軸段通過髖屈伸轉軸第二通孔(29)過盈聯接；第三側板(28)、第四側板(32)及髖彎板(I)通過螺栓組第七通孔(26)、螺栓組第八通孔(27)、螺栓組第九通孔(30)、螺栓組第十通孔(31)、第三通孔(9)和第四通孔(10)由第三螺栓組(33)及第四螺栓組(34)聯接； 大腿穿戴具(5)，由開有螺栓組第十一通孔(36)、螺栓組第十二通孔(37)、螺栓組第十三通孔(38)與螺栓組第十四通孔(39)的大腿連接件(40)，開有螺栓組第十五通孔(41)與螺栓組第十六通孔(42)、第一長孔(43)、第二長孔(44)、螺紋孔(45)的大腿穿戴板(46)，以及第五螺栓組(47)和第六螺栓組(48)組成；各組成部分的連接關系是大腿連接件(40)和大腿穿戴板(46)通過螺栓組第十三通孔(38)、螺栓組第十四通孔(39)、螺栓組第十五通孔(41)、螺栓組第十六通孔(42)，由第五螺栓組(47)和第六螺栓組(48)聯為一體； 髖旋轉轉動關節(6)，由大腿穿戴板(46)，旋轉軸(49)，小軸承(50)，小齒輪(51)，大墊片(52)，大螺母(53)，內壁開有大環槽(54)的大齒輪(55)，內圈內壁開有第一小環槽(56)和第二小環槽(57)的大軸承(58)，環形大氣囊(59)，第一環形小氣囊(60)和第二環形小氣囊(61)組成；各組成部分的連接關系是將旋轉軸(49)裝入大腿穿戴板(46)的螺紋孔(45)中，再把大墊片(52)和大螺母(53)依次裝入旋轉軸(49)上，然后把與小齒輪(51)緊配合的小軸承(50)與旋轉軸(49)的相應軸段過盈配合，接著通過對嵌于大軸承(58)內圈內壁第一小環槽(56)的第一環形小氣囊(60)和第二小環槽(57)的第二環形小氣囊(61)充氣使大軸承(58)內圈與大腿緊配合，并且用通過大腿穿戴板(46)的第一長孔(43)和第二長孔(44)的大腿綁縛帶(62)與大軸承(58)外圈緊綁縛，最后將對嵌于大齒輪(55)內壁大環槽(54)的環形大氣囊(59)充氣與大腿緊配合的大齒輪(55)與小齒輪(51)嚙合； 各部分之間的連接關系是先將髖旋轉轉動關節(6)裝入大腿上，通過大腿穿戴板(46)的第一長孔(43)和第二長孔(44)的大腿綁縛帶(62)與大軸承(58)緊綁縛，然后將與大腿緊配合的大齒輪(55)與小齒輪(51)嚙合；再把大腿穿戴具(5)和大腿板(2)通過螺栓組第一通孔(12)、螺栓組第二通孔(13)、螺栓組第十一通孔(36)和螺栓組第十二通孔(37)，由第七螺栓組(63)、第八螺栓組(64)連接。
2.根據權利要求I所述的一種用于檢測下肢髖關節運動信息的穿戴型外骨骼機構，其特征在于在檢測髖收展轉動關節(3)、髖屈伸轉動關節(4)和髖旋轉轉動關節(6)各轉動關節外側分別通過第一鍵(68)、第二鍵(69)、第三鍵(70)按常規方式安裝髖收展光電編碼器(65)、髖屈伸光電編碼器(66)和髖旋轉光電編碼器(67)。
全文摘要
本發明涉及一種用于檢測人體下肢髖關節運動信息的穿戴型外骨骼機構，主要由髖彎板、大腿板、髖收展轉動關節、髖屈伸轉動關節、大腿穿戴具和髖旋轉轉動關節組成。在人體直立行走過程中，下肢帶動外骨骼機構作隨動運動，并通過安置于髖收展轉動關節、髖屈伸轉動關節和髖旋轉轉動關節處的髖收展光電編碼器、髖屈伸光電編碼器和髖旋轉光電編碼器檢測人體下肢髖關節的運動信息。人體下肢緊致穿戴外骨骼機構后，外骨骼機構與下肢構成運動恰定的封閉運動鏈，可直接獲得更為準確的人體髖關節運動信息。
文檔編號A61B5/11GK102613975SQ201210094719
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者張自強, 李劍鋒, 肖博, 鄧楚慧 申請人:北京工業大學