基于正压阻塞和间歇啮合机构的二自由度上肢姿态保持外骨骼的制作方法

1.本发明涉及外骨骼机器技术领域，特别是涉及基于正压阻塞和间歇啮合机构的二自由度上肢姿态保持外骨骼。


背景技术：

2.甲状腺穿刺活检术是辅助医生判断甲状腺结节良、恶性的一种成熟外科技术，在甲状腺疾病的检查和诊断上经常被使用。然而，细针穿刺检查的过程需要医生双手持有检查工具，双臂抬起一定角度，上肢的肩关节至肘关节保持不动，持续十几分钟，直至完成检查任务。显然，长期的、多次执行该任务将会给医生带来肩部酸痛，甚至存在患病风险。
3.外骨骼机器人是一种可穿戴设备，具备增强穿戴者能力，辅助人体运动、减少身体疲劳等功能。因为具有可穿戴性强、柔顺性高、辅助支撑效果明显等优势，外骨骼技术被广泛应用在医疗康复、工业物流和军事救援等领域。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对长期操作甲状腺穿刺活检术的医生出现肩部疲劳或存在患病隐患的问题，而提供一种基于正压阻塞和间歇啮合机构的上肢姿态保持外骨骼机器人，为医生的双臂提供支撑，减缓上肢疲劳，降低患病风险。
5.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
6.一种基于正压阻塞和间歇啮合机构的上肢姿态保持外骨骼，包括正压阻塞机构以及与所述正压阻塞机构转动连接的间歇啮合机构；
7.所述正压阻塞机构包括一个外套筒、保持充气口外露而同轴心置于所述外套筒中的管状气囊，所述管状气囊与外套筒之间设置一个c形管，所述c形管包在所述管状气囊的外壁上且所述c形管的外壁在初始状态下与所述外套筒之间保留预定间隙；所述外套筒的两端分别布置止推轴承，所述c形管内两端设置挡板以对所述管状气囊在两端限位，所述c形管自所述止推轴承中穿过后向外伸出；所述外套筒与用于连接人体胳膊的胳膊连杆连接；
8.所述间歇啮合机构包括底部带环形状布置的上啮合齿的连接板，所述连接板与所述c形管由所述止推轴承穿过后显示在外部的露出部用螺钉连接；所述上啮合齿的下方布置有顶部带有与所述上啮合齿配合的下啮合齿的垂直旋转连杆；所述垂直旋转连杆上通过与所述下啮合齿同轴的安装孔可转动地设置有弹簧连杆；所述弹簧连杆的上端伸出所述安装孔外与所述连接板用杆状连接件连接、下端外露于所述安装孔外且下端扩径形成限位部对套装于所述弹簧连杆上的弹簧限位；所述垂直旋转连杆与用于连接人体腰部的腰部连杆连接。
9.优选的，所述弹簧连杆与所述安装孔之间设置有滚动轴承以形成转动连接。
10.优选的，所述弹簧的上端与所述的滚动轴承的下端面之间布置有定位套筒，所述
定位套筒套装在所述的弹簧连杆上。
11.优选的，所述连接板的底部形成外凸部，所述上啮合齿形成在所述外凸部的底部。
12.优选的，所述垂直旋转连杆通过自其安装所述弹簧连杆的基础部的一侧向下延伸形成的板状连接部与用于连接人体腰部的腰部连杆固定连接。
13.优选的，所述板状连接部包括自上而下依次连接的第一竖直部、水平部以及第二竖直部，所述第二竖直部与用于连接人体腰部的腰部连杆固定连接。
14.优选的，所述外套筒通过其侧壁上沿切线方向向外延伸的连接部与用于连接人体胳膊的胳膊连杆连接。
15.优选的，初始状态下，所述胳膊连杆的轴线与腰部连杆的轴线在相交呈预定的锐角角度。
16.进一步的设置有控制系统，所述控制系统包括接收控制指令用的单片机；单片机与与便携式气泵、气压表、两位三通电磁阀连接，气压表与储气罐连接，储气罐连接两位三通电磁阀，两位三通电磁阀连接至管状气囊前端的充气接头，便携式气泵连接储气罐。
17.优选的，所述单片机连接语音识别模块，以使人可以进行语音输入控制指令。
18.本发明的肩关节支撑结构，可独立在肩关节的屈伸运动方向和外展内收方向提供固定上肢的力矩。其中，外展、内收方向的力矩是基于正压阻塞原理实现的，而屈伸运动方向的固定力矩是基于间隙啮合机构实现的。
19.另外，通过控制系统，可以实现采用语音指令控制外展内收方向的力矩大小，利用人体肩关节的移动控制间隙啮合机构实现屈伸运动方向的力矩调节，这样的话，医生可根据实际情况，在双手持有检查工具的情况的下，控制外骨骼在肩关节任意位置的保持上肢稳定。
20.通过语音控制的引入，一方面能降低了医生的上至疲劳感，另一方面，在检查过程，能更加保障医生手部的稳定操作性。因此，本发明能够有效解决执行甲状腺穿刺任务的医生当前所面临的问题，具有很高的实用推广价值。
21.本发明能使执行甲状腺穿刺检查的医生实现肩关节的放松效果，能有效降低医生肩关节处的疲劳感和患病风险。除此之外，还具备结构简单、设计巧妙并且操作便捷、容易控制的优点。
附图说明
22.图1-图6依次为上肢姿态保持外骨骼的主视图、a-a剖面图、俯视图、e-e剖面图、以及图4中ⅱ部分、ⅰ部分的局部放大图。
23.图7-图10分别为外骨骼在外展、内收运方向上的工作原理图以及对应运动状态下ⅱ部分部分的状态变化图。
24.图11-图12分别为主视以及侧视下的外骨骼在屈伸运动方向上的工作原理图。
25.图13为外骨骼在屈伸运动下对应的状态变换下的垂直旋转连杆与带齿的连接板的啮合分离示意图。
26.图14为本发明的为语音控制系统原理图。
27.图15-图16为上肢姿态保持外骨骼穿戴下的主视图示意以及侧视示意图。
28.图7-图12中，
“×”
表示无法移动，“√”表示可移动。
29.图中附图标记：
30.胳膊连杆1、第一螺钉2、第二螺钉4、第三螺钉5、第四螺钉8、第五螺钉13、第六螺钉19、外套筒3、管状气囊6、止推轴承7、c形管9、挡板10、螺母11、连接板12、弹簧连杆14、垂直旋转连杆15、滚动轴承16、定位套筒17、弹簧18、腰部连杆20、上啮合齿121、下啮合齿151；
31.固定支撑21、人体22、电源23、语音识别模块24、单片机25、便携式气泵26、储气罐27、气压表28、两位三通电磁阀29、气管接头30、上肢姿态保持外骨骼31、绑带32。
具体实施方式
32.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.如图1-图6所示，本发明是基于正压阻塞和间歇啮合原理设计的上肢姿态保持外骨骼，包括正压阻塞机构以及与所述正压阻塞机构转动连接的间歇啮合机构；所述正压阻塞机构包括一个外套筒3、保持充气口外露而同轴心置于所述外套筒中的管状气囊6，所述管状气囊与外套筒之间设置有一个c形管9，所述c形管包在所述管状气囊的外壁上，且所述c形管的外壁在初始状态下与所述外套筒之间保留预定间隙；所述外套筒的两端分别布置有止推轴承7，所述c形管9内两端设置挡板10以对所述管状气囊在两端限位，所述c形管自所述止推轴承穿过后向外伸出；所述外套筒与用于连接人体胳膊的胳膊连杆1连接；
35.所述间歇啮合机构包括底部带环形状布置的上啮合齿121的连接板12，所述连接板12与所述c形管由所述止推轴承7穿过后显示在外部的露出部用螺钉连接，并通过径向布置的连接的螺钉对两端的挡板10限位(如图2所示右侧采用第四螺钉8装在c形管上，连接所述的连接板12，并限位同侧的挡板10，左侧设置有第二螺钉4、第三螺钉5，图2所示的左侧即图1的主视下由于管状气囊6的充气口伸出，两个径向相对的螺钉分别装在c形管上，第三螺钉5与连接板12连接同时对左侧的挡板限位，第二螺钉4仅对同侧的挡板限位)；所述上啮合齿的底部或下方布置有顶部带有与所述上啮合齿配合的下啮合齿151的垂直旋转连杆15；所述垂直旋转连杆15上通过与所述下啮合齿同轴的安装孔可转动地设置有弹簧连杆14；所述弹簧连杆14的上端伸出所述安装孔外与所述连接板12用杆状连接件(如第五螺钉13)连接、下端外露于所述安装孔外且下端扩径形成限位部对套装于所述弹簧连杆14上的弹簧18限位；所述垂直旋转连杆与用于连接人体腰部的腰部连杆20连接。
36.其中，初始状态下，所述胳膊连杆的轴线与腰部连杆的轴线在相交呈预定的锐角角度，所述弹簧18在正常状态下被压缩，确保垂直旋转连杆15和连接板12之间的齿啮合。
37.本发明的上肢姿态保持外骨骼，可以在肩关节的两个运动方向上产生固定力矩，在外展、内收方向上采用正压阻塞原理形成正压阻塞机构，在屈伸运动方向采用间歇啮合机构，这两种运动相互独立，互不影响。
38.其中，所述的管状气囊放在c形管内腔中，c形管外间隙配合外套筒，管状气囊可以充气膨胀，从而带动c形管被撑开，使得c形管与外套筒之间的压力增大，两者之间的摩擦力
增大，从而实现在外展、内收方向的锁紧。
39.其中，所述间歇啮合机构采用带上啮合齿的连接板、弹簧连杆、带下啮合齿的垂直旋转连杆、滚动轴承、定位套筒和弹簧组成。带上啮合齿的连接板固连在c形管上，并且与弹簧连杆连接。弹簧、滚动轴承和定位套筒放置在弹簧连杆和垂直旋转连接杆之间，确保连接板的上啮合齿与垂直旋转连接杆的下啮合齿啮合，并且如果所述的上啮合齿、下啮合齿分离，所述连接板可以相对垂直旋转连接杆被动旋转。
40.其中，所述胳膊连杆可以是通过绑带连接在人体的大臂处，腰部连杆可以是通过绑带固连在人的身体上，这样的话，实现了外骨骼的穿戴。
41.作为一个可选的实施例，所述弹簧连杆与所述安装孔之间设置有滚动轴承16以形成转动连接，同时，在所述弹簧的上央与所述的滚动轴承的下端面之间布置有定位套筒17，所述定位套筒套装在所述的弹簧连杆上，从而对滚动轴承进行限位。
42.作为一个可选的实施例，所述连接板的底部形成外凸部，所述上啮合齿形成在所述外凸部的底部，所述上啮合齿为环状布置在所述的外凸部上，与下方的垂直旋转连杆上的同样为环形状布置的下啮合齿配合，
43.作为一个可选的实施例，所述垂直旋转连杆通过自其安装所述弹簧连杆的基础部的一侧向下延伸形成的板状连接部与用于连接人体腰部腰部连杆固定连接。
44.作为一个可选的实施例，所述板状连接部包括自上而下依次连接的第一竖直部、水平部以及第二竖直部，所述第二竖直部与与用于连接人体腰部腰部连杆固定连接，如采用多个第六螺钉19相连接，如图4所示。
45.作为一个可选的实施例，所述外套筒3通过其侧壁上沿切线方向向外延伸的连接部与用于连接人体胳膊的胳膊连杆连，如采用第一螺钉2连接固定，如图1所示。
46.作为一个可选的实施例，所述管状气囊是由硅橡胶制作而成，并且被放置在由c形管、挡板与外套筒所在形成的密闭空腔内。
47.作为一个可选的实施例，所述c形管可以是由铝合金材料加工而成，并且其外表面经过滚压工艺后形成很多小的锯齿槽，以提高表面粗糙度，增大摩擦力，提高支撑力矩。所述的连接板可以是由铝合金加工而成，所述垂直旋转连杆可以是由铝合金制成，
48.作为一个可选的实施例，所述外套筒由尼龙材料经过3d打印制成，并间隙装配在c形管外，从而可实现绕所述c形管的旋转。
49.其中，所述止推轴承可以通过内六角螺钉实现轴向固定，对称安装在c形管外。
50.如上所述，所述c形管、连接板和所有的连接杆均使用铝合金材料制成。所述管状气囊采用铸造工艺制成。所述外套筒采用尼龙材料3d打印而成。这些都易于实现制造产业化，大大降低生产成本，使设计方案具有很高的可行性。
51.通过上述说明，可以看出，本发明的所述上肢姿态保持外骨骼，能够实现对肩关节两个自由度的支撑作用，如用正压阻塞结构作用于外展、内收方向，即控制管状气囊充气膨胀后使得c形管和外套筒之间的压力增大，摩擦力增大，从而实现在外展、内收方向的锁紧，以及利用间歇啮合机构作用于屈伸运动方向，即通过齿的啮合和分离实现屈伸方向上的锁形。
52.如图14-图15所示，本发明的外骨骼穿戴由人体22来穿戴，上肢姿态保持外骨骼31穿戴在人体22上，可以由缠绕在腰间并由前胸通过肩膀延伸到后背形成有穿戴式的绑带32
进行穿戴；所述上肢姿态保持外骨骼通过绑带约束在人的身体上，为防止脱落，肩部绑带被使用。其中，所述绑带类似于书包上的背带，可以购买得到。所述绑带一端螺纹连接在外骨骼的胳膊连杆和腰部连杆上，另一端采用魔术贴粘贴方式固定在人体上。
53.作为本发明实施例的另一方面，还提出一种控制所述上肢姿态保持外骨骼动作的控制系统，其中，所述控制系统包括对正压阻塞结构的控制系统，该控制系统通过控制正压阻塞结构动作，进而也能通过控制人体肩关节的运动，而实现间歇啮合机构中齿的分离与啮合，从而达到间歇机构对人体肩关节在屈伸运动方向锁死的目的。
54.其中，所述的控制系统主要用于管状气囊的充气控制，如通过单片机控制器通过控制气路上的电磁阀开启和关闭，控制气泵动作，从而控制储气罐内的气压维持在一定范围内，这样就能使压阻塞结构产生固定力矩，支撑人体上肢。
55.作为一个优选的实施例，本发明的单片机控制器可以借助现有成熟的语音识别技术通过语音输入指令进行控制，当然也可以采用按键、开关或是其它方式输入指令来控制充气，如操作面板等方式，优选采用语音控制，方便使用，如采用语音识别芯片或模块来实现，如图13所示，控制系统包括固定支撑21、人体22、电源23、语音识别模块24、单片机25、便携式气泵26、储气罐27、气压表28、两位三通电磁阀29、气管接头30；单片机25与语音识别模块24连接，并与电源23、便携式气泵26、气压表28、两位三通电磁阀29连接，气压表28与储气罐27连接，储气罐27连接两位三通电磁阀29，两位三通电磁阀29还连接至管状气囊6前端的充气接头30，，便携式气泵26连接储气罐27；外套筒3与固定支撑21连接，人体22可以进行语音输入控制指令。当然也可以是设置在按键式控制指令的输入，而不是语音指令的输入，具体不限。上述的语音控制或识别均为现有技术，不再赘述。
56.所述控制系统目的是切换正压阻塞结构中摩擦力的有无，在上述的可选的控制系统下，所述便携式气泵可以由单片机控制向储气罐充入气压，压力表实时检测气压值并传送至单片机，这样就可以保证储气罐内的气压维持在一个设定的范围内。
57.其中，所述语音识别模块可以在识别到特定的来自人的指令后，传递命令至单片机，由单片机控制两位三通电磁阀的通断，从而改变管状气囊内的气压。所述电源可以为单片机和便携式气泵供电。所述语音控制系统使用的硬件均可购买得到，技术成熟，成本低，容易获得，方便生产实现或实施。
58.所述语音控制系统可以在不干扰医生双手检查的情况下，切换外骨骼的工作的状态，有效地辅助医生进行检查。所述语音控制系统可以被集成在背包并穿戴在人的身体上，实现便携性，也可以被放置在地面上。这个根据使用条件所确定。
59.本发明上肢姿态外骨骼能够被穿戴在人体上，控制系统可放在距离医生较近的地面上或是由使用者背负。由于人体肩关节的对称性，图7-13仅展示单个肩关节在该外骨骼作用下的运动示意，分别叙述如下：
60.一、外骨骼在外展、内收方向上的工作原理
61.如图7-10及图4所示，未充入气压的管状气囊与c形管间无作用力产生，由于c形管和外套筒之间存在一定间隙，所以c形管可以相对外套筒实现自由转动，例如处于自由状态的位置1。在控制系统启动状态下，便携式气泵向储气罐充入气压并维持气压恒定。以语音输入控制为例，当人发出充气语音指令后，语音识别模块传递信息至单片机，单片机控制电磁阀打开，储气罐内的气体通入管状气囊内使其膨胀，从而带动c形管膨胀挤压外套筒内
壁，在它们的接触区域20形成摩擦力，从而产生一定的阻力矩，保持在外展、内收方向的固定，为人的双臂提供支撑，此状态正如锁紧状态的位置2所示。当人发出泄气的语音指令后，单片机控制电磁阀断开，储气罐内的气体被阻断，管状气囊恢复至常压状态，c形管恢复原始状态，与外套筒之间恢复间隙，两者又能相对自由转动。此时，医生的手臂就可以在外展、内收方向上任意转动。
62.二、外骨骼在屈伸运动方向上的工作原理
63.如图11-13所示，上肢姿态保持外骨骼在屈伸运动方向上的锁紧采用间歇啮合机构实现。所述间歇机构的锁紧在于齿的啮合。在锁紧状态的位置3，也就是初始状态下，间歇机构的齿在弹簧力的作用下处于啮合状态，上肢外骨骼锁紧，肩关节在屈伸方向上无法移动。若想要移动到另一位置后再锁紧，需要人的大臂先克服弹簧力略微抬起，使得间歇机构的齿分离，然后大臂就可以自由转动，正如自由状态的位置4所示。当转动到锁紧状态位置5想要让外骨骼再次锁紧时，大臂只需略微落下，间歇机构中的齿在弹簧力的作用下再次啮合，肩关节再次无法移动。
64.结合外骨骼在外展、内收方向上的工作原理，人的大臂可以转动到任意设定的位置下通过外骨骼实现姿态保持。该外骨骼可以为医生的双臂提供稳定可靠的支撑力矩。
65.本发明所述基于正压阻塞和间歇啮合机构的上肢姿态保持外骨骼，结构设计和控制策略简单容易，可以实现支撑固定人体双臂的作用，而且该设备的体积小、重量轻，可穿戴性和便携性强，具有很高的应用价值。
66.所述上肢姿态保持外骨骼能够固定人体肩关节，为人的双臂提供稳定的支撑力，有效缓解长时间或重复多次执行甲状腺穿刺检查的医生双臂、肩关节以及身体上肢背部酸痛的问题。除此之外，该外骨骼也可用在其他适合场景下。
67.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
68.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。