CN102764188B - 一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人，主要包括穿戴式外骨骼机构、非线性驱动机构。所述的穿戴式外骨骼机构有一个自由度，用以模拟肘关节的运动，其结构主要包括大臂、小臂、驱动轮和支撑架；非线性驱动机构包括电机丝杆和连杆-弹簧非线性机构；连杆-弹簧非线性机构由Robert直线机构和线性弹簧组成，其输出力与钢丝绳长度变化为二次非线性关系。康复机器人采用两个非线性驱动系统驱动，该结构与人体关节相似。由于驱动系统的柔顺性，患者在康复训练过程中具有较高的安全性。由于连杆-弹簧非线性机构输出力与钢丝绳长度变化为二次多项式，可以将关节刚度和关节角度分开控制，使整个系统在保持柔性的同时不会影响对关节位置的控制精度。

Description

一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人

技术领域

本发明属于医疗康复训练设备技术领域，涉及一种康复训练连机器人，具体为一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人，该机器人能直接作用于患者进行康复训练。

背景技术

随着科学技术的进步、医疗水平的提高和居民生活水平的改善，我国正步入老龄化社会，年长人口规模逐年增大。在老龄人群中有大量的脑血管疾病、肌肉萎缩肌无力或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫症状。由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年龄上呈现年轻化趋势。同时，由于交通运输工具数量的迅速增长，因交通事故而造成肢体损伤的人数也越来越多。临床医学和医学理论证明，这类患者除了前期手术治疗和药物治疗外，正确、科学、合理的康复训练对于肢体运动功能的恢复起到十分重要的作用。然而如果采用人工辅助患者进行康复训练，则需要几个护理人员同时协调工作，而且极易由于疲劳产生运动不准确而达不到训练效果。因此采用康复训练机器人来辅助病人进行康复训练十分必要。康复机器人是一种穿戴式的辅助人们运动的人机系统，是近年来发展起来的一种新的运动神经康复治疗技术。它可辅助或者替代医师完成患肢康复训练，其出现为偏瘫康复开辟了新的技术途径，弥补了临床运动治疗的诸多不足。

人体关节的运动来自于骨骼肌的伸张/收缩，在康复机器人领域关节的驱动主要采用气缸、液压缸、电动缸和气动肌肉。前三者驱动方式使机器人系统在结构上呈刚性，若要在通过控制实现一定的柔顺性会使控制变得复杂；气动肌肉的力/长度输出特性与生物肌肉的力/长度特性很相似，国内外对其应用在柔性关节上研究较多，但也存在一些缺点：气动人工肌肉与传统气动执行元件相比行程小（气动人工肌肉空载时可达20%；有载时只可达到10%；而有的传统气缸可达到40%)；气动人工肌肉的变形为非线性环节，具有时变性,使准确控制其位移十分困难。

发明内容

本发明的目的在针对已有技术存在的缺陷，提供一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人，其执行器为柔性驱动器，使患者在康复训练时有较好的舒适性和安全性，并且康复机器人关节的刚度控制和位置控制可以分开，以降低控制难度，实现良好的柔顺性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人，包括穿戴式外骨骼机构和非线性驱动器，非线性驱动器包括连杆-弹簧非线性机构和电机丝杆直线驱动机构；其特征在于：

1). 所述穿戴式外骨骼机构包括大臂、大臂支撑架、大臂调节轴、大臂支撑架底座、肘关节连接块、关节连接销轴、肘关节驱动轮、编码器安装弹簧片、编码器、小臂、小臂支撑架、小臂调节轴和小臂支撑底座，所述大臂支撑架为U型支架，U字形支架底端与大臂调节轴固连，大臂调节轴通过螺钉与大臂支撑架底座相连，大臂支撑架底座与大臂固连，肘关节连接块分别与肘关节驱动轮、小臂固连，大臂通过关节连接销轴与肘关节连接块转动连接，构成转动副，编码器安装弹簧片将编码器与肘关节驱动轮相连，小臂与小臂支撑底座固连，小臂调节轴通过螺钉与小臂支撑底座相连，小臂支撑底座与小臂支撑架U字型底部固连；

2). 所述连杆-弹簧非线性机构包括机架、从动摇杆底座、从动摇杆转动轴、从动摇杆弹簧、摇杆-连杆连接轴、连杆、主动摇杆、滚筒、主动摇杆转动轴和主动摇杆底座，所述从动摇杆底座固连在机架上，通过从动摇杆转动轴与从动摇杆转动相连，从动摇杆与连杆由摇杆-连杆连接轴转动相连，弹簧一端与从动摇杆转动轴相连，另一端与连杆下端通过销轴相连，摇杆-连杆连接轴将连杆与主动摇杆转动相连，主动摇杆固连在滚筒上，滚筒与前后2个主动摇杆底座由主动摇杆转动轴转动相连构成转动副；

3). 所述电机丝杆直线机构包括动滑轮、销轴、动滑轮支架、丝杆、丝杆螺母套、大带轮、同步带、小带轮、支、电机、套筒和端盖，所述动滑轮通过销轴支承在动滑轮支架上，丝杆前端有螺纹与动滑轮连接架固定相连，大带与丝杆螺母固连，同步带将小带轮与大带轮相连，电机输出轴通过键与小带轮相连，电机固定在支架上，丝杆螺母套与套筒同样固定在支架上，端盖固定在套筒；

4). 所述两个连杆-弹簧非线性机构分别安装在穿戴式外骨骼机构的大臂和小臂的下方，所述两个电机丝杆直线运动机构分别安装在两个连杆-弹簧非线性机构的下方；一根钢丝绳的的一端绕在一个连杆-弹簧非线性机构的滚筒上，然后依次绕过同侧安装的电机丝杆直线运动机构的动滑轮、穿戴式外骨骼机构的肘关节驱动轮、另一电机丝杆直线运动机构的动滑轮，最后另一端绕在另一个连杆-弹簧非线性机构的滚筒上。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

本发明机器人根据康复医学理论和人机工程学数据来设计，能对上肢肘关节进行康复训练。本发明的非线性驱动机构模拟肱二头肌和肱三头肌驱动肘关节运动，有良好的柔顺性，保证患者训练安全，非线性机构可以使施加在肘关节的力为二次非线性，这使得肘关节的刚度和位置可以分别控制，不会因为柔性而影响位置精度。下面简要介绍非线性驱动器工作原理。电机转动，通过同步带-丝杆使动滑轮移动，其移动位移是滚筒上钢丝绳长度变化和肘关节上钢丝绳长度变化之和。滚筒上钢丝绳的拉力与其滚筒转过的角度即钢丝绳长度变化为二次非线性关系。当关节处于平衡时，肘关节所受的力即为滚筒上钢丝绳的拉力，此时两个驱动器对肘关节的合力矩为0，即两滚筒上钢丝绳拉力相等，滚筒上钢丝绳长度变化也相等。因此，肘关节转动的角度与两驱动器电机转动角度之差呈正比。肘关节刚度等于所受力矩对角度求导，由于所受的力是角度的二次关系，最后求导变换得出的结果是刚度与电机转动角度之和成正比。如上所述，肘关节角度位置与 两驱动器电机转角之差成正比，肘关节刚度与两驱动器电机转角之和呈正比，故可以将位置与刚度分开控制，在对刚度进行控制时不会影响关节位置精度。

附图说明

图1为本发明可控变刚度柔性肘关节康复机器人装置的结构示意图。

图2为图1中穿戴式外骨骼机构的结构示意图。

图3为图1中连杆-弹簧非线性机构的结构示意图。

图4为图1中电机丝杆直线驱动机构的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明说下：

参见图1～图4本可控变刚度柔性肘关节康复机器人包括一个穿戴式外骨骼机构、两个连杆-弹簧非线性机构和两个电机丝杆直线运动机构；其特征在于：

1). 所述穿戴式外骨骼机构包括大臂（1）、大臂支撑架（2）、大臂调节轴（3）、大臂支撑架底座（4）、肘关节连接块（5）、关节连接销轴（6）、肘关节驱动轮（7）、编码器安装弹簧片（8）、编码器（9）、小臂（10）、小臂支撑架（11）、小臂调节轴（12）和小臂支撑底座（13），所述大臂支撑架（2）为U型支架，U字形支架底端与大臂调节轴（3）固连，大臂调节轴（3）通过螺钉与大臂支撑架底座（4）相连，大臂支撑架底座（4）与大臂（1）固连，肘关节连接块（5）分别与肘关节驱动轮（7）、小臂（10）固连，大臂（1）通过关节连接销轴（6）与肘关节连接块（5）转动连接，构成转动副，编码器安装弹簧片（8）将编码器（9）与肘关节驱动轮（7）相连，小臂（10）与小臂支撑底座（13）固连，小臂调节轴（12）通过螺钉与小臂支撑底座（13）相连，小臂支撑底座（13）与小臂支撑架（11）U字型底部固连；

2). 所述连杆-弹簧非线性机构包括机架（15）、从动摇杆底座（16）、从动摇杆转动轴（17）、从动摇杆（18）、弹簧（19）、摇杆-连杆连接轴（20）、连杆（21）、主动摇杆（22）、滚筒（23）、主动摇杆转动轴（24）和主动摇杆底座（25），所述从动摇杆底座（16）固连在机架上，通过从动摇杆转动轴（17）与从动摇杆（18）转动相连，从动摇杆（18）与连杆（21）由摇杆-连杆连接轴转动相连，弹簧（19）一端与从动摇杆转动轴（17）相连，另一端与连杆（21）下端通过销轴相连，摇杆-连杆连接轴（20）将连杆（21）与主动摇杆（22）转动相连，主动摇杆（22）固连在滚筒（23）上，滚筒（23）与前后2个主动摇杆底座（25）由主动摇杆转动轴转动（24）相连构成转动副；

3). 所述电机丝杆直线机构包括动滑轮（26）、销轴（27）、动滑轮支架（28）、丝杆（29）、丝杆螺母套（30）、大带轮（31）、同步带（32）、小带轮（33）、支架（34）、电机（35）、套筒（36）和端盖（37），所述动滑轮（26）通过销轴（27）支承在动滑轮支架（28）上，丝杆（29）前端有螺纹与动滑轮连接架（28）固定相连，大带轮（31）与丝杆螺母固连，同步带（32）将小带轮（33）与大带轮（31）相连，电机（35）输出轴通过键与小带轮（33）相连，电机（35）固定在支架（34）上，丝杆螺母套（30）与套筒（36）同样固定在支架（34）上，端盖固定在套筒（36）；

4). 所述两个连杆-弹簧非线性机构分别安装在穿戴式外骨骼机构的大臂（1）和小臂（10）的下方，所述两个电机丝杆直线运动机构分别安装在两个连杆-弹簧非线性机构的下方；一根钢丝绳（14）的的一端绕在一个连杆-弹簧非线性机构的滚筒（23）上，然后依次绕过同侧安装的电机丝杆直线运动机构的动滑轮（26）、穿戴式外骨骼机构的肘关节驱动轮（7）、另一电机丝杆直线运动机构的动滑轮（26），最后另一端绕在另一个连杆-弹簧非线性机构的滚筒（23）上。

本实施例的具体使用过程如下：该康复机器人包含一个肘关节自由度，可以对肘关节进行康复运动。两个对称的非线性驱动器模拟人体肱二头肌和肱三头肌带动肘关节实现屈/伸运动，促进运动功能的恢复，避免肌肉萎缩。

Claims (1)

1.一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人，包括一个穿戴式外骨骼机构、两个连杆-弹簧非线性机构和两个电机丝杆直线运动机构；所述的穿戴式外骨骼机构包括大臂（1）、大臂支撑架（2）、大臂调节轴（3）、大臂支撑架底座（4）、肘关节连接块（5）、关节连接销轴（6）、肘关节驱动轮（7）、编码器安装弹簧片（8）、编码器（9）、小臂（10）、小臂支撑架（11）、小臂调节轴（12）和小臂支撑底座（13），所述大臂支撑架（2）为U型支架，U字形支架底端与大臂调节轴（3）固连，大臂调节轴（3）通过螺钉与大臂支撑架底座（4）相连，大臂支撑架底座（4）与大臂（1）固连，肘关节连接块（5）分别与肘关节驱动轮（7）、小臂（10）固连，大臂（1）通过关节连接销轴（6）与肘关节连接块（5）转动连接，构成转动副，编码器安装弹簧片（8）将编码器（9）与肘关节驱动轮（7）相连，小臂（10）与小臂支撑底座（13）固连，小臂调节轴（12）通过螺钉与小臂支撑底座（13）相连，小臂支撑底座（13）与小臂支撑架（11）U字型底部固连；其特征在于：

1). 所述连杆-弹簧非线性机构包括机架（15）、从动摇杆底座（16）、从动摇杆转动轴（17）、从动摇杆（18）、弹簧（19）、摇杆-连杆连接轴（20）、连杆（21）、主动摇杆（22）、滚筒（23）、主动摇杆转动轴（24）和主动摇杆底座（25），所述从动摇杆底座（16）固连在机架上，通过从动摇杆转动轴（17）与从动摇杆（18）转动相连，从动摇杆（18）与连杆（21）由摇杆-连杆连接轴转动相连，弹簧（19）一端与从动摇杆转动轴（17）相连，另一端与连杆（21）下端通过销轴相连，摇杆-连杆连接轴（20）将连杆（21）与主动摇杆（22）转动相连，主动摇杆（22）固连在滚筒（23）上，滚筒（23）与前后2个主动摇杆底座（25）由主动摇杆转动轴（24）转动相连构成转动副；

2). 所述电机丝杆直线机构包括动滑轮（26）、销轴（27）、动滑轮支架（28）、丝杆（29）、丝杆螺母套（30）、大带轮（31）、同步带（32）、小带轮（33）、支架（34）、电机（35）、套筒（36）和端盖（37），所述动滑轮（26）通过销轴（27）支承在动滑轮支架（28）上，丝杆（29）前端有螺纹与动滑轮连接架（28）固定相连，大带轮（31）与丝杆螺母固连，同步带（32）将小带轮（33）与大带轮（31）相连，电机（35）输出轴通过键与小带轮（33）相连，电机（35）固定在支架（34）上，丝杆螺母套（30）与套筒（36）同样固定在支架（34）上，端盖固定在套筒（36）；

3). 所述两个连杆-弹簧非线性机构分别安装在穿戴式外骨骼机构的大臂（1）和小臂（10）的下方，所述两个电机丝杆直线运动机构分别安装在两个连杆-弹簧非线性机构的下方；一根钢丝绳（14）的一端绕在一个连杆-弹簧非线性机构的滚筒（23）上，然后依次绕过同侧安装的电机丝杆直线运动机构的动滑轮（26）、穿戴式外骨骼机构的肘关节驱动轮（7）、另一电机丝杆直线运动机构的动滑轮（26），最后另一端绕在另一个连杆-弹簧非线性机构的滚筒（23）上。

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