本發明涉及一種主被融合關節，具體說，涉及用于上肢康復外骨骼機構的主被融合關節。

背景技術：

為彌補傳統人工康復訓練的不足，降低醫師繁重的工作強度并為患者提供準確、有效的康復醫療服務，國內外一些院校的實驗室和康復醫療機構相繼開展了穿戴型上肢康復外骨骼機構的相關研究。從運動解剖學、生物力學和人因工程學的角度出發，根據人體上肢的形態構造和功能，對人體上肢的自由度進行分析，得出上肢(不含手掌)具有5個自由度(5-dof)：肩關節前屈/后伸、內收/外展、旋內/旋外，肘關節屈/伸，前臂旋內/旋外。針對人體上肢各關節的活動范圍和自由度要求，設計和綜合上肢康復機器人的本體構型和驅動方式，實現對患者上肢的精確康復訓練、柔性訓練，并且實時準確地調整施加在患肢上的運動參數和力/矩參數。

當前外骨骼機構的肩關節主要由二或三個軸線彼此正交于定轉心的轉動副復合而成，肘關節為定軸線單自由度轉動副，肩、肘關節擬人體上肢對應關節的分布特征布置，構件尺度則參照人體上肢的體征參數來確定。在人機連接方式上，固聯于外骨骼的穿戴具以緊致穿戴的方式與上臂、前臂的中下部連接。這類外骨骼機構設計的優點是借鑒了人體上肢的運動解剖結構特征，人機關節之間對應性好，獲得構型簡約的外骨骼機構。

該類型康復外骨骼機構的不足之處是要求人機對應關節的軸線(或轉心)在康復訓練過程中始終保持對齊(或重合)，否則人機閉鏈將轉化為人機運動不相容的“超定”系統。在剛體模型假設下，“超定”的人機閉鏈不能夠運動，而事實上由于人機連接界面處肢體組織的彈性變形，當外骨骼關節驅動力/矩足夠大時人機閉鏈可以運動，但會在人機連接界面產生與康復訓練任務無關的附加約束力/矩。在機構學意義上，這種屬性的約束力/矩屬于人機閉鏈欠自由度(或冗余驅動)導致的內部作用力/矩，與人機閉鏈的組成如外骨骼機構構型、人機連接位置等因素有關，并隨人機閉鏈運動位形的變化而改變。當這種內部約束力/矩與完成康復訓練任務需要的有效約束力/矩相疊加時，會顯著增大人機之間的約束強度，并導致舒適性變差、康復訓練難以進行或出現安全性問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種用于上肢康復外骨骼機構的主被融合關節，以解決上述問題。

本發明的實施例提供了一種用于上肢康復外骨骼機構的主被融合關節，其特征在于，該上肢康復外骨骼機構采用緊致連接的方式與人體上肢的上臂和前臂連接，在人機連接界面處將主動關節和被動滑動副融合在一起，形成上臂主被融合關節和前臂主被融合關節。上臂主被融合關節通過二級半環與上臂綁縛連接，二級半環繞自身軸線帶動上臂轉動，前臂主被融合關節通過五級半環與前臂綁縛連接，五級半環隨箱體一起帶動前臂繞自身軸線轉動。

進一步，上臂主被融合關節主要包含上臂箱體、一級同步帶、一級同步帶輪、一級半環、一級支撐滾輪、上臂被動滑動副；上臂主被融合關節采用一級同步帶的傳動方式，上臂電機將動力傳遞至一級同步帶輪，一級同步帶兩端固定在一級半環的兩端，一級同步帶驅動一級半環繞自身軸線轉動。

進一步，一級半環的內側安裝了上臂被動滑動副，上臂被動滑動副包括一級導軌、一級滑塊、二級半環、一級導桿、一級壓簧；兩個一級導軌安裝在一級半環內側的兩個溝槽內，一級滑塊與一級導軌滑動配合；二級半環上下兩側設計了兩個凸臺，凸臺中部設置了沿二級半環軸線的通孔，上下兩個凸臺與相應的兩個一級滑塊連接在一起，二級半環能夠沿一級導軌滑動。

進一步，前臂主被融合關節主要包含前臂箱體、二級同步帶、二級同步帶輪、三級半環、四級半環、五級半環、二級支撐滾輪、前臂被動滑動副；三級半環與上肢康復外骨骼機構的肘關節連接，三級半環相對肘關節固定，前臂主被融合關節整體相對于三級半環轉動。前臂主被融合關節采用同步帶的傳動方式，前臂電機將動力傳遞至二級同步帶輪，二級同步帶兩端固定在三級半環的兩端，二級同步帶驅動前臂主被融合關節繞三級半環的軸線轉動；

進一步，前臂被動滑動副包括二級導軌、二級滑塊、五級半環、二級導桿、二級壓簧，兩個二級導軌安裝在四級半環內側的兩個溝槽內，二級滑塊與二級導軌滑動配合，五級半環上下兩側設計了兩個凸臺，同時在五級半環的外側設計了兩個突出的導向孔，五級半環的上下兩個凸臺與相應的兩個二級滑塊連接在一起，五級半環能夠沿二級導軌滑動。

與現有技術相比本發明的有益效果是：通過在人機連接環節引入被動滑動副使人機閉鏈轉化為運動學恰約束系統，在康復訓練過程中不需要保持人機對應關節軸線(轉心)對齊，便可實現人體上肢與外骨骼機構之間的運動相容性。同時，由于外骨骼主機構直接與懸臂梁相連，外骨骼重力與被動滑動副中的摩擦力/矩主要由懸臂梁和驅動器承受，可有效降低患肢的負載和附加約束力/矩。

附圖說明

圖1是本發明一種上肢康復外骨骼機構的軸測視圖；

圖2是本發明一種上肢康復外骨骼機構的局部視圖；

圖3是上臂主被融合關節的軸側視圖；

圖4是上臂主被融合關節的剖視圖；

圖5是上臂被動滑動副的剖視圖；

圖6是前臂主被融合關節的軸測視圖；

圖7是前臂主被融合關節的剖視圖；

圖8是前臂被動滑動副的剖視圖；

圖9是前臂被動滑動副的軸測視圖。

具體實施方式

下面結合附圖所示的各實施方式對本發明進行詳細說明，但應當說明的是，這些實施方式并非對本發明的限制，本領域普通技術人員根據這些實施方式所做的功能、方法、或者結構上的等效變換或替代，均屬于本發明的保護范圍之內。

參圖1至圖9所示，圖1是本發明一種上肢康復外骨骼機構的軸測視圖，圖2是本發明一種上肢康復外骨骼機構的局部視圖，圖3是上臂主被融合關節的軸側視圖，圖4是上臂主被融合關節的剖視圖，圖5是上臂被動滑動副的剖視圖，圖6是前臂主被融合關節的軸測視圖，圖7是前臂主被融合關節的剖視圖，圖8是前臂被動滑動副的剖視圖，圖9是前臂被動滑動副的軸測視圖。

本實施例提供了一種用于上肢康復外骨骼機構的主被融合關節，參圖1～圖9所示，該上肢康復外骨骼機構包括5個主動關節、4個被動滑動副及3個調整單元，主動關節包括第一關節3、第二關節4、第三關節6、第四關節7及第五關節8，被動滑動副包括第一被動滑動副、第二被動滑動副、第三被動滑動副10及第四被動滑動副11，調整單元包括可調轉盤1、絲杠調整單元5及導桿調整單元9。該上肢康復外骨骼機構的五個主動關節呈串聯排列，由直流電機經諧波減速器驅動。上肢康復外骨骼的主機構通過可調轉盤1安裝在升降柱102的頂端，所述升降柱102的下部連接裝置底板101，患者104坐靠在專用座椅103上，調整所述升降柱102的高度以適應不同患者104的身高尺寸。所述可調轉盤1分別連接懸臂梁12與主動關節、被動滑動副，主動關節及被動滑動副安裝在所述懸臂梁12的末端，通過轉動所述可調轉盤1，調整所述懸臂梁12及主動關節偏離中心面的距離。第一被動滑動副及第二被動滑動副水平垂直安裝在所述懸臂梁12末端下部，兩滑動副被外罩2包裹，且在各滑動副中設置了兩個拉伸彈簧，以提高滑動副的彈性和對主動關節的支撐作用。第一關節3豎直地安裝在第二被動滑動副的下部，所述第一關節3的軸線指向所述患者104的盂肱關節中心。第二關節4通過側立板13連接所述第一關節3，所述第二關節4垂直地安裝在所述側立板13上，所述第二關節4的軸線水平地指向所述患者104的盂肱關節中心。上臂主被融合關節6安裝在所述第二關節4的旋轉臂上，所述上臂主被融合關節6的軸線沿所述患者104的上臂指向其盂肱關節中心。絲杠調整單元5安裝在所述旋轉臂與所述上臂主被融合關節6之間，調整所述上臂主被融合關節6沿自身軸線方向的位置，以適應不同患者的上臂尺寸。上臂被動滑動副10設置在所述上臂主被融合關節6的一級半環18內，所述上臂被動滑動副10的二級半環19與所述患者104的上臂綁縛連接，采用導軌和滑塊組合的方式，使得所述二級半環19能夠沿所述一級半環18相對滑動，且兩者之間設置了四個一級壓簧29，所述上臂被動滑動副10用于補償及適應人體上肢在抬升過程中上臂與所述上臂主被融合關節6的位移偏離。第四關節7與所述患者104的肘關節相對應，所述第四關節7連接所述上臂主被融合關節6與前臂主被融合關節8。所述前臂主被融合關節8的四級半環36上安裝了前臂被動滑動副11，在所述前臂被動滑動副11內設置了四個二級壓簧44，五級半環37能夠沿四級半環36滑動，所述五級半環37與所述患者104的前臂綁縛連接，以補償及適應前臂相對于所述前臂主被融合關節8的位移變化。導桿調整單元9安裝在所述前臂主被融合關節8的前臂箱體31上，手柄安裝在兩根導桿上，能夠沿所述導桿移動，以適應不同所述患者104的前臂尺寸。

所述上臂主被融合關節6采用同步帶的傳動方式，上臂電機14安裝在上臂箱體15上，將動力傳遞至一級輸出軸20，一級同步帶輪21安裝所述一級輸出軸20上，一級同步帶17與所述同步帶輪21嚙合，所述一級同步帶17的兩端分別由一級壓板23壓緊在所述一級半環18的半環截面上。所述一級同步帶17由兩個一級張緊輪24張緊，其中一個一級張緊輪24能夠在豎直方向調整張緊強度。在上臂箱體15上安裝了四個一級支撐滾輪22，同時在上臂蓋板16上同樣安裝了四個一級支撐滾輪22，所述一級支撐滾輪22分布在所述一級半環18的外側和內側，支撐并約束所述一級半環18，所述一級同步帶17驅動所述一級半環18繞自身軸線轉動。所述一級半環18的內側沿自身軸線方向對稱設置了兩個溝槽。

一級半環18的內側安裝了所述上臂被動滑動副10，所述上臂被動滑動副10包括一級導軌25、一級滑塊26、轉接附件27、二級半環19、一級導桿28及一級壓簧29，兩個一級導軌25安裝在所述一級半環18內側的兩個溝槽內，所述一級滑塊26與所述一級導軌25滑動配合，所述二級半環19上下兩側設計了兩個凸臺，凸臺與所述一級滑塊26通過所述轉接附件27連接，轉接附件27中部設置一個通孔，所述二級半環19能夠沿所述一級導軌25滑動。所述一級導桿28安裝在所述一級半環18上，兩端由端蓋46定位并固定，且所述一級導桿28穿過所述轉接附件27上的通孔，在所述一級半環18和所述二級半環19之間沿所述一級導桿28安裝兩個一級壓簧29，兩個一級壓簧29安裝在所述附件27的兩側，共安裝四個一級壓簧29。

所述前臂主被融合關節8主要包含前臂箱體31、箱體蓋板32、二級同步帶33、二同步帶輪39、三級半環34、四級半環36、五級半環37、二級支撐滾輪40、前臂被動滑動副11。所述三級半環34與上肢康復外骨骼機構的所述第四關節7連接，因此，所述三級半環34相對所述第四關節7固定，所述前臂主被融合關節8整體相對于所述三級半環34轉動。所述前臂主被融合關節8采用同步帶的傳動方式，所述前臂電機30安裝在所述前臂箱體31上，將動力傳遞至二級輸出軸38，所述二級同步帶輪39通過平鍵安裝在所述二級輸出軸38上，所述二級同步帶33兩端固定在所述三級半環34的兩端，由二級壓板35壓緊，所述二級同步帶33驅動所述前臂主被融合關8節繞所述三級半環34的軸線轉動。所述二級同步帶33由兩個二級張緊輪41張緊，其中一個二級張緊輪41能夠在豎直方向調整張緊強度。在所述前臂箱體31上安裝了四個二級支撐滾輪40，同時在所述箱體蓋板32上的相對應的位置安裝了四個二級支撐滾輪40，兩側的八個二級支撐滾輪共同支撐所述前臂箱體31及所述前臂被動滑動副11，使得所述前臂主被融合關節8能夠整體沿所述三級半環34轉動。所述四級半環36固定在所述前臂箱體31上，所述四級半環36的內側沿自身軸線方向對稱設置了兩個溝槽。

所述四級半環36的內側安裝了所述前臂被動滑動副10，所述前臂被動滑動副10包括二級導軌42、二級滑塊43、五級半環37、二級導桿45、二級壓簧44；兩個二級導軌42采用螺釘連接的方式安裝在所述四級半環36內側的兩個溝槽內，所述二級滑塊43與所述二級導軌42滑動配合。所述五級半環37上下兩側設計了兩個凸臺，同時在所述五級半環37的外側設計了兩個突出的導向孔，所述五級半環37的上下兩個凸臺與所述二級滑塊43連接在一起，所述五級半環37能夠沿所述二級導軌42滑動。

所述二級導桿45采用過盈連接的方式插接在所述四級半環36上，且所述二級導桿45穿過所述五級半環37外側的導向孔，在所述四級半環36和所述五級半環37之間沿所述二級導桿45安裝兩個二級壓簧44，兩個二級壓簧44安裝在導向孔的兩側，共安裝四個二級壓簧44上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們并非用以限制本發明的保護范圍，凡未脫離本發明技藝精神所作的等效實施方式或變更均應包含在本發明的保護范圍之內。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。