手臂辅助装置
技术领域
本发明涉及康复器械技术领域，尤其是涉及一种手臂辅助装置。
背景技术
随着我国经济的高速发展，产品更新换代变得越来越快，为了满足国内市场需要，所以缩短设计到产品生产的周期开发出更多的产品变得至关重要，与此同时提高生产的质量和设计创新思路，高速高效制造变成当今社会制造业的热点。
康复机器人是医学机器人的一个重要分支。康复医学、生物力学、力学、机械力学、电子、材料科学、计算机科学，如机器人，已成为许多领域的国际机器人领域之一。研究热点。在生物医学工程中，传统的机械、传感技术、生物制药、智能控制技术、新技术，如计算机技术、医疗机器人等，医疗设备的快速发展带来的快速发展机遇在现场得到了推广。自动化和机器人技术。该医疗机器人结合了许多领域的最新研究，并将其应用于医疗和康复领域。其中，人工假体、支架等康复机器人占相当大的比例，康复身体残疾和医疗设备。康复机器人可细分为辅助和治疗型。辅助康复机器人主要用于促进老年人和残疾人的生活和工作，部分弥补了身体功能的退化。许多国家已经开始老化。根据世界卫生组织(WHO)的数据，在未来50年里，60岁以上的人口数量将翻一番。疾病和灾害也会造成许多障碍。我们需要很多的照顾。康复机器人不仅能维持日常生活，还能恢复独立和自尊，从而回归社会。目前，康复机器人不仅能促进康复服务的发展，还能促进新技术和相关领域新理论的发展。
授权公告号为CN 204394934 U的实用新型专利介绍了名为“一种外骨骼式手臂康复训练装置。该实用新型的目的在于提供一种外骨骼式手臂康复训练装置，包括移动机架、肩关节驱动单元、大臂长微调机构、肘关节驱动单元、前臂长微调机构，腕关节驱动单元。肩关节及驱动单元主要由肩回转电机、回转横肩杆、摆动竖肩杆、肩摆动电机构成，在两组电机的控制下可以实现肩关节的水平回转和上下摆动；大臂和前臂的微调机构可根据不同训练者的实际臂长进行调整，在可满足不同人群使用需求的同时，长度微调机构尽量靠近机架端布置，最大程度的降低机械手臂末端的负载；肘关节和腕关节采用柔性的同步带驱动方案，降低手臂康复装置末端负载，并有效的保护训练者以避免二次伤害。本实用新型降低了机械臂末端的负载，手臂康复装置可操控好。上述实用新型(有相同发明专利)有很高的自由度和运动精度，且可以根据用户的身体尺寸特点进行调节。但是上述设计为减少大重量对用户的负担，设计的支架会限制用户活动的自由性，不方便在日常生活中使用。
申请公布号为CN 107374907 A的发明专利介绍了名为“穿戴式上肢外骨骼康复装置”的机械装置。该发明提供了一种穿戴式上肢外骨骼康复装置，包括:固定背板，作为基座；驱动模块，通过鲍登线将扭力传递至各个关节绞盘；肘关节外骨骼模块，用于上臂与外骨骼的藕合康复运动、肘部的康复训练、前臂与外骨骼的藕合康复运动；关节机械硬限位装置，对前臂连杆与上臂连杆进行机械硬限位保护；三向可调适应模块，通过调节肩内收外展关节绞盘的位置以适应不同体型的患者；肩关节模块，实现肩部内收外展自由度的康复训练、肩部前屈后伸自由度的康复训练。本发明利用穿戴式的结构来实现患者进行康复训练时的活动自。上述发明专利提供的结构具有较好的便携性，但其在小臂上自由度较少，仅能较好的还原小臂和大臂之间的弯曲运动。无法较好地还原小臂本身所具有的能够相对于肘关节进行旋转的特点。且其背包部分的设计会使手臂的重量产生的弯矩转移至背部，对用户的背部和脊椎产生弯矩，影响使用者的使用体验。
授权公告号为CN 204618765 U的实用新型专利提供了名为“上肢康复训练装置”的设计。该上肢康复训练装置，涉及医疗康复设备。设有手环、前臂、前臂滑块、弹簧固定销、前臂弹簧、轴承端盖、端盖螺丝、上臂滑块、上臂弹簧、肩托轴、肩托轴轴承、上臂、连接轴、连接轴轴承；所述手环设在前臂的前端，前臂的后端通过连接轴轴承与上臂的下端转动连接，前臂滑块设在前臂的一侧，弹簧固定销设在前臂滑块上，前臂弹簧的一端固定在弹簧固定销上，前臂弹簧的另一端固定在上臂的下端，连接轴设在连接轴轴承上，轴承端盖通过端盖螺丝安装在连接轴轴承上，用于对连接轴轴承的密封；上臂弹簧的下端通过销固定在上臂滑块上，上臂弹簧的上端通过销固定在上臂的上部，肩托轴的一端与肩托轴轴承过盈配合并安装在上臂的上端，肩托轴的另一端为自由端。上述设计结构简单、便携性好，但是无法较好的还原小臂相对于手关节的旋转运动，且与用户的接触面不能较好地与用户手臂相贴合。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种手臂辅助装置，可以通过3D打印技术低成本且快速地获得，且有较强的灵活性和易操作性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种手臂辅助装置，包括大臂机构、小臂机构和腕部机构，所述大臂机构包括两根大臂和两个固定套，两个固定套安装在两根大臂之间；
所述小臂机构包括两根小臂、两个小臂套和小臂驱动机构，所述两个小臂套安装在两根小臂之间，两根小臂的后端分别与两根大臂的前端铰接，所述小臂机构包括压杆和电推杆，小臂套的底部设有压杆孔，所述压杆穿过两个小臂套的压杆孔并且过渡配合，所述压杆的后端通过压杆套与电推杆的一端铰接，两个固定套的底部均设有电推杆圆弧倒角，位于后侧的固定套的底部上还设有电推杆安装支架，所述电推杆限位与电推杆圆弧倒角内，并且其另一端与电推杆安装支架铰接；
所述腕部机构包括两根腕部、腕套、支撑圆环、旋转齿轮、输出齿轮和电机，两根腕部上分别设有槽口，腕套的左右两端分别通过螺丝安装在相应槽口上，并且可前后滑动，支撑圆环固定安装在两根小臂的前端之间，所述旋转齿轮可转动的安装在支撑圆环上，旋转齿轮的左右两侧分别设有一个连接杆，两根腕部的后端与两个连接杆铰接，所述电机通过电机支撑架安装在右侧小臂上，电机的转轴上设有输出齿轮，所述输出齿轮与旋转齿轮啮合；
两根大臂、两根小臂均设有用于安装弹性带的弹性带安装孔。
进一步，所述小臂的后端外侧设有凸台，所述大臂的前端设有安装孔，所述凸台自内向外穿过该安装孔并与大臂上轴承套过盈配合，凸台与大臂上的安装孔间隙配合。
再进一步，所述固定套、小臂套均包括用于附着透气弹性材料的弧形内托和U型底座，小臂套通过其上的U型底座固定安装在两根小臂之间，固定套通过其上的U型底座固定安装在两根大臂之间。
再进一步，所述大臂上的弹性带安装孔设置有五个，分别是一个宽槽口形弹性带安装孔、两个槽口形弹性带安装孔和两个窄槽口形弹性带安装孔。
更进一步，所述小臂上的弹性带安装孔设置有三个，位于右侧的小臂上设有一个圆形弹性带安装孔和两个槽口形弹性带安装孔，位于左侧的小臂上设有一个宽槽口形弹性带安装孔和两个窄槽口形弹性带安装孔。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)模拟手腕的旋转运动，带动小臂两条骨骼运动，结合运动刺激帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复；(2)模拟大臂和小臂间的伸展和回缩运动，刺激肱二头肌和肱三头肌，帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复；(3)本发明提供的手臂辅助装置可通过3D打印技术快速、低成本制造；(4)本发明的结构较为简单，穿戴方便，维护难度较低，适合中低端消费市场；(5)本发明所设计的手臂辅助装置与用户的交互面为弧面设计，有较好的舒适度；(6)本发明的主体材料主要为树脂，在在保证必要的强度的前提下，有着更小的比重，更加轻便，对用户更为友好。
附图说明
图1为本发明的外观效果图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为腕部示意图。
图4为图3的侧视图。
图5为图3的俯视图。
图6为腕套向前调整示意图。
图7为图6的侧视图。
图8为图6的俯视图。
图9为腕套向后调整示意图。
图10为图9的侧视图。
图11为图9的俯视图。
图12为手腕向下自由摆动示意图。
图13为图12的侧视图。
图14为图12的俯视图。
图15为手腕向上自由摆动示意图。
图16为图15的侧视图。
图17为图15的俯视图。
图18为腕套示意图。
图19为图18的侧视图。
图20为图18的俯视图。
图21为支撑圆环示意图。
图22为图21的侧视图。
图23为图21的俯视图。
图24为输出齿轮示意图。
图25为图24的侧视图。
图26为图24的俯视图。
图27为手腕的旋转运动示意图。
图28为图27的侧视图。
图29为图27的俯视图。
图30为图27手腕向右旋转运动示意图。
图31为图30的侧视图。
图32为图30的俯视图。
图33为电机支撑架示意图.
图34为图33的主视图。
图35为图33的右视图。
图36为旋转齿轮示意图。
图37为图36的主视图。
图38为图36的俯视图。
图39为图36的左视图。
图40为小臂B示意图。
图41为图40的主视图。
图42为图40的俯视图。
图43为大臂与小臂相对运动伸展状态图。
图44为图43的主视图。
图45为图43的俯视图。
图46为大臂与小臂相对运动回缩状态图。
图47为图46的侧视图。
图48为图46的俯视图。
图49为小臂套示意图。
图50为图49的主视图。
图51为图49的侧视图。
图52为小臂A示意图。
图53为图52的侧视图。
图54为图52的俯视图。
图55为大臂上轴承套示意图。
图56为图55的侧视图。
图57为固定套A示意图。
图58为图57的主视图。
图59为图57的侧视图。
图60为死点位置机械臂状态示意图。
图61为机构异变状态示意图。
图62为图61的侧视图。
图63为图61的俯视图。
图64为固定套B示意图。
图65为图64的主视图。
图66为图64的侧视图。
图67为大臂示意图。
图68为图67的侧视图。
图69为压杆示意图。
图70为图69的剖视图。
图71为压杆套示意图。
图72为图71的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图72，一种手臂辅助装置，包括大臂机构、小臂机构和腕部机构，所述大臂机构包括两根大臂14和两个固定套，两个固定套安装在两根大臂14之间；
所述小臂机构包括两根小臂、两个小臂套和小臂驱动机构，所述两个小臂套9安装在两根小臂之间，两根小臂的后端分别与两根大臂14的前端铰接，所述小臂机构包括压杆15和电推杆17，小臂套9的底部设有压杆孔9.2，所述压杆15穿过两个小臂套的压杆孔并且过渡配合，所述压杆15的后端通过压杆套16与电推杆17的一端铰接，两个固定套的底部均设有电推杆圆弧倒角，位于后侧的固定套的底部上还设有电推杆安装支架13.4，所述电推杆17限位与电推杆圆弧倒角内，并且其另一端与电推杆安装支架13.4铰接；
所述腕部机构包括两根腕部1、腕套2、支撑圆环3、旋转齿轮6、输出齿轮4和电机7，两根腕部1上分别设有槽口1.1，腕套2的左右两端分别通过螺丝安装在相应槽口上，并且可前后滑动，支撑圆环3固定安装在两根小臂的前端之间，所述旋转齿轮6可转动的安装在支撑圆环3上，旋转齿轮6的左右两侧分别设有一个连接杆，两根腕部的后端与两个连接杆铰接，所述电机7通过电机支撑架5安装在右侧小臂上，电机7的转轴上设有输出齿轮4，所述输出齿轮4与旋转齿轮6啮合；
两根大臂14、两根小臂均设有用于安装弹性带的弹性带安装孔。
进一步，所述小臂的后端外侧设有凸台，所述大臂14的前端设有安装孔14.1，所述凸台自内向外穿过该安装孔并与大臂上轴承套11过盈配合，凸台与大臂14上的安装孔14.1间隙配合。
再进一步，所述固定套、小臂套9均包括用于附着透气弹性材料的弧形内托和U型底座，小臂套9通过其上的U型底座固定安装在两根小臂之间，固定套通过其上的U型底座固定安装在两根大臂之间。
再进一步，所述大臂上的弹性带安装孔设置有五个，分别是一个宽槽口形弹性带安装孔、两个槽口形弹性带安装孔和两个窄槽口形弹性带安装孔。
更进一步，所述小臂上的弹性带安装孔设置有三个，位于右侧的小臂上设有一个圆形弹性带安装孔和两个槽口形弹性带安装孔，位于左侧的小臂上设有一个宽槽口形弹性带安装孔和两个窄槽口形弹性带安装孔。
本发明的目的在于提供手臂辅助装置，其外观效果图如图1所示，可以辅助中风患者进行相应的康复训练，对肌肉进行运动刺激，帮助反射的重新建立；电机7和电推杆17为现存商品，已普及于市场，主要用于提供动力；其余部分，即腕部1、腕套2、支撑圆环3、齿轮4、电机支撑架5、旋转齿轮6、小臂B8、小臂套9、小臂A10、大臂上轴承套11、固定套A12、固定套B13、大臂14、压杆15、压杆套16均可通过3D打印技术制的，且每个结构均具备一定的特征。
腕部1，共两根，如图3所示：槽口1.1，与腕套中2的特征安装孔2.1(共计2个)通过螺丝进行连接，两根腕部上1的槽口1.1分别与两个安装孔2.1连接，使得腕套2沿着槽口1.1滑动调整，以适应使用者的手掌长度，其工作效果如图6和图12所示；凸台1.2，可与旋转齿轮6中的特征安装孔6.1(共计2个)进行配合安装，两根腕部1上的凸台1.2分别与两个安装孔6.1配合，以满足使用者手腕的自由摆动(此处自由摆动不在本手臂辅助装置的辅助运动范围内)，其工作效果如图12和图15所示。
腕套2，如图18所示：安装孔2.1(共计2个)，可与腕部1(共两根)中的特征槽口1.1通过螺丝进行连接，两根腕部1上的槽口1.1分别与2个安装孔2.1连接，使得腕套2沿着1.1槽口滑动调整，腕套2通过弹性带绑定手掌，以适应使用者的手掌长度，其工作效果如图6和图12所示。
支撑圆环3，如图21所示：支撑环面3.1，与旋转齿轮6中的特征旋转环6.3面进行配合安装，使旋转齿轮6可以在支撑圆环3一端定轴转动；安装孔3.2(左右各1组，共2组；每组4个，共计8个)，右侧1组(4个)安装孔3.2通过螺丝与电机支撑架5中特征安装孔5.1(共1组4个)及小臂B8中特征安装孔8.4(共1组4个)进行连接固定；左侧1组(4个)安装孔3.2通过螺丝与小臂A10中特征安装孔10.4(共1组4个)进行连接固定。
输出齿轮4，如图24所示：轴孔4.1，与电机7的转轴过盈配合，以传递电机7的旋转运动到旋转齿轮6；齿面4.2，模数2mm，共26齿，压力角20°，齿高4.5mm，齿顶高2mm，齿根高2.5mm，精度要求7dGB/T 2363-1990，齿面4.2与旋转齿轮6中的特征齿面6.2配合，以传递电机7的旋转运动到旋转齿轮6，以模拟手腕的旋转运动，带动小臂两条骨骼运动，结合运动刺激帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复，其工作效果如图27和图30所示。
电机支撑架5，如图33所示：安装孔5.1(共1组4个)通过螺丝与支撑圆环3特征中的安装孔3.2(左右各1组，共2组，每组4个，共计8个)中右侧1组(4个)安装孔3.2及小臂B8中特征安装孔8.4(共1组4个)进行连接固定；固定孔5.2，与电机7的轴套配合固定电机的位置。
旋转齿轮6，如图36所示：安装孔6.1(共2个)，可与腕部1中的特征凸台1.2进行配合安装，两根腕部1上的凸台1.2分别与2个安装孔6.1配合，以满足使用者手腕的自由摆动(此处自由摆动不在本手臂辅助装置的辅助运动范围内)，其工作效果如图6和图7所示；齿面6.2，模数2mm，共30齿，压力角20°，齿高4.5mm，齿顶高2mm，齿根高2.5mm，精度要求7dGB/T2363-1990，输出齿轮4与旋转齿轮6中的特征齿面4.2配合，将电机7的旋转运动传递到旋转齿轮6，以模拟手腕的旋转运动，带动小臂两条骨骼运动，结合运动刺激帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复，其工作效果如图11和图12所示；旋转环面6.3，与支撑圆环3中的特征支撑环面3.1进行配合安装，使旋转齿轮6可以在支撑圆环3一端定轴转动。
电机7，现存商品，已普及于市场，主要用于提供动力。
小臂B8，如图40所示：凸台8.1，与大臂14(共2根)其中一根的特征14.1安装孔形成间隙配合，与大臂上轴承套11(共2个)其中一个的特征11.1安装孔形成过盈配合，使得小臂B8能与14大臂产生角度变化，如图43和46所示，以模拟大臂和小臂间的伸展和回缩运动，刺激肱二头肌和肱三头肌，帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复；安装孔8.2(2组，每组2个，共计4个)，每组(2个)安装孔8.2通过螺丝与1个小臂套9(共2个)中的1组特征安装孔9.3(每只2组，1组2个，每只共4个，共计8个)进行连接固定；弹性带安装孔8.3(2种，3个)，包括一个圆形弹性带安装孔和两个槽口形弹性带安装孔，与小臂A10中的特征弹性带安装孔10.3(宽槽口形弹性带安装孔和窄槽口形弹性带安装孔2种，共3个)配合使用，用于安装弹性带，并将机械臂固定于使用者小臂；安装孔8.4(共1组4个)，与支撑圆环3中特征安装孔3.2(左右各1组，共2组，每组4个，共计8个)的右侧1组(4个)安装孔3.2及电机支撑架5中特征安装孔5.1(共1组4个)通过螺丝进行连接固定。
小臂套9(共2个)，如图49所示:弧形内托9.1(每只1个)，用于附着透气弹性材料，与使用者小臂接触，提供支持力；压杆孔9.2(每只1个)，与压杆15中的特征压杆圆柱面15.1构成过渡配合，压杆15中的特征压杆圆柱面15.1同时穿过两个小臂套9中的特征压杆孔9.2，用于将电推杆17产生的动力通过压杆传递到使用者的小臂，以模拟手腕的旋转运动，带动小臂两条骨骼运动，结合运动刺激帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复，其工作效果如图11和图12所示；安装孔9.3(每只2组，1组2个，每只共4个，共计8个)，每个小臂套9中的1组特征安装孔9.3与小臂B8中的1组特征安装孔8.2通过螺丝进行连接固定，另1组特征安装孔9.3与小臂A10中的1组特征安装孔10.2通过螺丝进行连接固定。
小臂A10，如图52所示：凸台10.1，与大臂14(共两根)其中一根的特征安装孔14.1形成间隙配合，与大臂上轴承套11(共2个)其中1个的特征安装孔11.1形成过盈配合，使得小臂A10能与大臂14产生角度变化，如图16和图17所示，以模拟大臂和小臂间的伸展和回缩运动，刺激肱二头肌和肱三头肌，帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复；安装孔10.2(2组，每组2个，共计4个)，每组(2个)安装孔10.2通过螺丝与1个小臂套9(共2个)中的1组特征安装孔9.3(每个2组，1组2个，每个共4个，共计8个)进行连接固定；弹性带安装孔10.3(2种，3个)，包括一个宽槽口形弹性带安装孔和两个窄槽口形弹性带安装孔，与小臂B8中的特征弹性带安装孔8.3(圆形弹性带安装孔和槽口形弹性带安装孔2种，共3个)配合使用，用于安装弹性带，并将机械臂固定于使用者小臂；安装孔10.4(共1组4个)，与支撑圆环3中特征安装孔3.2(左右各1组，共2组，每组4个，共计8个)的左侧1组(4个)3.2安装孔通过螺丝进行连接固定。
大臂上轴承套11(共2个)，如图55所示：安装孔11.1(每个1个)分别与小臂B8中的特征凸台8.1，小臂A10中的特征凸台10.1构成过盈配合，防止脱落。
固定套A12，如图57所示：弧形内托12.1，用于附着透气弹性材料，与使用者大臂接触，提供支持力；电推杆圆弧倒角12.2，用于对大小臂相对运动进行限位，防止运动过程中杆组到达死点位置，死点位置机械臂状态如图60所示，造成杆组机构发生异变，机构异变状态如图61所示；安装孔12.3(2组，每组2个，共4个)，每组分别与两根大臂14(每根1组)中的特征安装孔14.2通过螺丝进行连接固定。
固定套B13，如图64所示：弧形内托13.1，用于附着透气弹性材料，与使用者大臂接触，提供支持力；电推杆圆弧倒角13.2，是为电推杆安装预留的空间；安装孔13.3(2组，每组2个，共4个)，每组分别与两根大臂14(每根1组)中的特征安装孔14.3通过螺丝进行连接固定；电推杆安装支架13.4，用于和电推杆17形成铰接。
大臂14(共2根)，如图67所示：安装孔14.1(每根1个)，一根大臂14中的特征安装孔14.1与小臂B8中的特征凸台8.1形成间隙配合，使得小臂B8能与大臂14产生角度变化，如图16和图17所示，以模拟大臂和小臂间的伸展和回缩运动，刺激肱二头肌和肱三头肌，帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复；安装孔14.2(每只1组，每组2个，共4个)，每根大臂14中的1组特征安装孔14.2分别与固定套A12中的2组安装孔12.3通过螺丝进行连接固定；安装孔14.3(每只1组，每组2个，共4个)，每根大臂14中的1组特征安装孔14.3分别与固定套B13中的2组安装孔13.3通过螺丝进行连接固定；弹性带安装孔14.4(每只3种5个，共3种10个)，每根大臂14包括一个宽槽口形弹性带安装孔和两个槽口形弹性带安装孔以及两个窄槽口形弹性带安装孔，与另一根大臂14配合使用，用于安装弹性带，并将机械臂固定于使用者大臂；安装孔14.5，用于增加扩展的其他功能部件。
压杆15，如图69所示：压杆圆柱面15.1，与小臂套9中的特征压杆孔9.2构成过渡配合，压杆15中的特征压杆圆柱面15.1同时穿过两个小臂套9中的特征压杆孔9.2，用于将电推杆17产生的动力通过压杆传递到使用者的小臂，使得小臂B8能与大臂14产生角度变化，结合运动刺激帮助使用者重新建立反射，辅助中风患者进行康复，其工作效果如图43和图46所示，压杆圆柱面15.1还与压杆套16中的特征安装孔16.1形成间隙配合；销孔15.2，与压杆套16中的特征销孔16.2，通过销子进行连接；端孔15.3，用于较小销孔15.2，方便销的连接。
压杆套16，如图71所示：安装孔16.1，与压杆15中的特征压杆圆柱面15.1形成间隙配合；销孔16.2，与压杆15中的特征销孔15.2，通过销子进行连接；安装孔16.3，用于和电推杆的一段形成铰接，传递动力。
电推杆17，现存商品，已普及于市场，主要用于提供动力。
