[发明专利]一种盂肱关节仿生机构及盂肱关节角度识别方法

权利要求书

1.一种盂肱关节仿生机构，其特征在于：包括肩部前伸后缩固定架(E)、外展内收固定架(F)及位于该肩部前伸后缩固定架(E)与外展内收固定架(F)之间的两个球面菱形机构，其中每个球面菱形机构的四条边均为弧形，且相邻边均通过转轴转动连接，一个所述球面菱形机构的一个端点处的转轴安装于肩部前伸后缩固定架(E)上，相对的端点与另一个所述球面菱形机构的一个端点共用一根转轴，另一个所述球面菱形机构上相对的端点处的转轴安装于外展内收固定架(F)上；所述肩部前伸后缩固定架(E)连接于人体大臂，所述外展内收固定架(F)与人体背部连接。

2.根据权利要求1所述的盂肱关节仿生机构，其特征在于：所述两个球面菱形机构包括第一肩部短杆(A1)、第二肩部短杆(A2)、第三肩部短杆(B1)、第四肩部短杆(B2)、第一肩部长杆(C)及第二肩部长杆(D)，该第一肩部长杆(C)与第二肩部长杆(D)呈“X”形，中间通过肩部中心轴(H)转动连接；所述第一肩部短杆(A1)的一端与第一肩部长杆(C)的一端通过第一肩部共用转轴(G1)连接，该第一肩部短杆(A1)的另一端与所述第三肩部短杆(B1)的一端通过前伸后缩转轴(J)连接，所述第三肩部短杆(B1)的另一端与所述第二肩部长杆(D)的一端通过第三肩部共用转轴(G3)连接，所述第二肩部短杆(A2)的一端与第一肩部长杆(C)的另一端通过第二肩部共用转轴(G2)连接，该第二肩部短杆(A2)的另一端与第四肩部短杆(B2)的一端通过外展内收转轴(K)连接，所述第四肩部短杆(B2)的另一端与所述第二肩部长杆(D)的另一端通过第四肩部共用转轴(G4)连接；所述第一肩部长杆(C)及第二肩部长杆(D)为两个球面菱形机构的共用杆，所述前伸后缩转轴(J)与外展内收转轴(K)分别安装于肩部前伸后缩固定架(E)及外展内收固定架(F)上。

3.根据权利要求2所述的盂肱关节仿生机构，其特征在于：所述肩部中心轴(H)、前伸后缩转轴(J)及外展内收转轴(K)上分别安装有记录球面菱形机构各连杆在运动过程之中相对角度的编码器。

4.根据权利要求2所述的盂肱关节仿生机构，其特征在于：所述第一肩部长杆(C)、第二肩部长杆(D)的弧度相等，第一肩部短杆(A1)、第二肩部短杆(A2)、第三肩部短杆(B1)及第四肩部自短杆(B2)的弧度相等，该第一肩部长杆(C)与第二肩部长杆(D)的弧度是第一肩部短杆(A1)、第二肩部短杆(A2)、第三肩部短杆(B1)及第四肩部自短杆(B2)弧度的两倍。

5.根据权利要求2所述的盂肱关节仿生机构，其特征在于：所述第一肩部长杆(C)与第三肩部短杆(B1)、第四肩部短杆(B2)的曲率半径相同，所述第二肩部长杆(D)与第一肩部短杆(A1)、第二肩部短杆(A2)的曲率半径相同。

6.根据权利要求2所述的盂肱关节仿生机构，其特征在于：所述第一肩部共用转轴(G1)、第二肩部共用转轴(G2)、第三肩部共用转轴(G3)、第四肩部共用转轴(G4)、肩部中心轴(H)、前伸后缩转轴(J)及外展内收转轴(K)的回转轴线交汇于球心(O)。

7.根据权利要求6所述的盂肱关节仿生机构，其特征在于：所述孟肱关节仿生机构在穿戴后，所述前伸后缩转轴(J)的前伸后缩转轴回转轴线(J1)与人体盂肱关节前伸后缩关节轴线重合，外展内收转轴(K)的外展内收转轴回转轴线(K1)与人体前伸后缩关节轴线重合，盂肱关节仿生机构在内旋外旋过程中的虚拟回转轴线(L1)与人体盂肱关节内旋外旋关节轴线重合，且前伸后缩转轴回转轴线(J1)、外展内收转轴回转轴线(K1)及虚拟回转轴线(L1)在初始状态相互垂直相交于球心(O)，该球心(O)始终与人体盂肱关节运动中心重合。

8.根据权利要求2所述的盂肱关节仿生机构，其特征在于：所述肩部中心轴(H)、前伸后缩转轴(J)及外展内收转轴(K)上分别设有用于确定盂肱关节仿生机构初始姿态的初始定位基准(N)。

9.一种盂肱关节角度识别方法，其特征在于：在人体盂肱关节处穿戴上权利要求2所述的盂肱关节仿生机构，并在所述外展内收转轴(K)上安装第一编码器(M1)，在肩部中心轴(H)上安装第二编码器(M2)，在前伸后缩转轴(J)上安装第三编码器(M3)；所述第二编码器(M2)记录的角度φ₂为第一肩部长杆(C)与第二肩部长杆(D)之间的夹角，所述第一编码器(M1)记录的角度φ₁为第二编码器(M2)检测角度的一半与球面菱形机构整体外展内收角度之和，所述第三编码器(M3)记录的角度φ₃为第二编码器(M2)检测角度的一半与球面菱形机构整体前伸后缩角度之和；根据所述球面菱形机构中肩部短杆、肩部长杆的弧度α、球面菱形机构对称性及球面三角余弦定理得到关节角度：

肩部内旋外旋角度为

肩部外展内收角度为

肩部前伸后缩角度为