CN104666050A - 一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于康复机器人领域的一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，包括悬臂、悬臂重力支撑装置和支架；采用气弹簧和普通弹簧组成的双弹簧结构，由于预压力的作用对钢丝绳产生一定的拉力，拉力通过钢丝绳传至滑块，并对滑块产生一向上的拉力，滑块通过连杆，将拉力分解传递到悬臂上，进而对悬臂产生一转矩，该转矩与重力对悬臂部件所造成的阻力矩方向相反，起到平衡抵消阻力矩的作用；本发明可有效平衡上臂、前臂等因重力造成的阻力矩，所需驱动电机功率及最大转矩要求大大降低，使上肢康复机器人特别是肩部竖直转动关节的安全性和舒适性得到有效提高。

Description

一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，尤其涉及一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置。

背景技术

为了高效、低成本地解决由脑卒中、脑外伤等病因造成的人体上肢中枢神经性运动障碍患者的康复治疗这一社会难题，上肢康复机器人的研究受到了国内外学者的重视。由于上肢康复机器人系统的应用对象主要是脑卒中引起上肢运动功能丧失的患者，其自身丧失或者部分丧志运动能力，对其进行康复训练时，必须保证训练的安全性。目前控制上肢康复机器人安全性的方法主要是通过软件控制完成，机械方面的安全措施较少。由于人体上肢结构复杂、自由度较多且构件强度和刚度的要求，上肢康复机器人往往体型较大，笨重的外形需要驱动电机有较高的功率，因为驱动电机除了提供部件转动所需力矩，还有相当部分功率用来克服部件自身重力形成的阻力矩，特别是在串联康复机器人中多数是费力杠杆往往需要较大的驱动力矩，一点的力量变化就需要驱动电机付出多倍的功率输出。同时大功率电机尺寸和质量也比较粗重，成本也较高，这进一步使康复机械更加笨重。在安全方面，如果控制程序错误或者操作不当等，大功率驱动电机在康复训练过程中容易对患者造成肌肉拉伤、脱臼等二次伤害，因此适当控制驱动电机功率可以有效提高康复机器人的安全性和轻便性，并可降低成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种上肢康复机器人重力支撑装置，采用气弹簧和普通弹簧相结合为辅助动力源，减小功率损耗和驱动电机的最大输出力矩，以平衡大部分重力矩，有效降低康复机械对驱动电机的功率需求，进而保证了康复机械的安全性。

本发明通过以下技术方案实现：一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，包括悬臂、悬臂重力支撑装置和支架；所述悬臂重力支撑装置包括气弹簧、导向槽轮、钢丝绳、滑块、连杆、导轴和主轴；所述主轴的一端与所述悬臂通过C型平键连接，另一端与所述支架通过滚动轴承连接；所述导轴固定在所述支架的前侧；所述滑块与所述导轴通过直线轴承连接；所述连杆一端与所述滑块铰接，另一端与所述悬臂铰接；所述导向槽轮通过导向槽轮支架安装在所述支架顶部；所述气弹簧包括套筒和活塞杆；所述套筒固定在所述支架的后侧；所述钢丝绳一端与所述滑块固定连接；另一端通过所述导向槽轮与所述活塞杆固定连接。

上述方案中，还包括普通弹簧，所述普通弹簧嵌套在所述气弹簧的下端，所述普通弹簧一端与所述套筒固定连接，另一端与所述活塞杆固定连接；

上述方案中，所述连杆与所述悬臂通过连杆销轴铰接。

上述方案中，所述导轴通过末端的导轴座固定在所述支架上。

上述方案中，所述悬臂重力支撑装置安装在上肢康复机器人上，所述支架为所述上肢康复机器人上肩部T板。

进一步的，还包括轴端槽轮，所述轴端槽轮通过支架连接在所述活塞杆上，所述钢丝绳的一端与所述所述滑块固定连接，另一端依次通过所述导向槽轮和所述轴端槽轮固定在所述气弹簧一侧的肩部T板的横板上。

有益效果：本发明与现有技术相比，所述气弹簧和所述普通弹簧组成的双弹簧结构由于预压力的作用对所述钢丝绳产生一定的拉力，拉力通过所述钢丝绳传至所述滑块，并对所述滑块产生一向上的拉力，所述滑块通过所述连杆，将拉力分解传递到所述悬臂上，进而对所述悬臂产生一转矩，该转矩与重力对所述悬臂部件所造成的阻力矩方向相反，起到平衡抵消阻力矩的作用；采用所述气弹簧和所述普通弹簧相结合为辅助动力源，减小功率损耗和驱动电机的最大输出力矩，以平衡大部分重力矩，有效降低康复机械对驱动电机的功率需求，进而保证了康复机械的安全性；所述轴端槽轮可有效节省所述气弹簧和所述普通弹簧的行程；所述悬臂重力支撑装置整体安装于所述肩部T型板上，使结构更加简单紧凑轻便稳定，本发明可有效平衡上臂、前臂等因重力造成的阻力矩，所需驱动电机功率及最大转矩要求大大降低，使上肢康复机器人特别是肩部竖直转动关节的安全性和舒适性得到有效提高。

附图说明

图1、2为悬臂重力支撑装置原理图。

图3为悬臂重力支撑装置受力分析图。

图4为悬臂重力支撑装置应用示意图。

图5、6为实施例转动悬臂重力支撑结构图。

图中：101、底座；102、可调支架；201、肩部竖直电机；202、肩部水平电机；203、肘部电机；204、腕部竖直电机；205、腕部水平电机；300、肩部T板；301、肩水平转向孔；400、悬臂；401、上臂；402、上臂内旋装置；403、前臂、404前臂内旋装置；405、腕L板；406、把手；500、悬臂重力支撑装置；501、气弹簧；5011、套筒；5012、活塞杆；502、普通弹簧；503、轴端槽轮；504、导向槽轮支架；505、导向槽轮；506、钢丝绳；507、滑块；508、连杆；509、导轴；510、导轴座；511、主轴；512、连杆销轴；600、支架；601、滚动轴承。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施给，出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明的原理结构如图1和2所示，一种上肢康复机器人重力支撑装置包括400、悬臂；500、悬臂重力支撑装置；501、气弹簧；502、普通弹簧；503、轴端槽轮；505、导向槽轮；506、钢丝绳；507、滑块；508、连杆；509、导轴；511、主轴；600、支架。

所述悬臂400与所述主轴511通过C型平键连接，所述主轴511与所述支架600通过滚动轴承601连接，所述悬臂400通过所述主轴511旋转。所述连杆508一端与所述滑块507铰接，另一端与所述悬臂400通过连杆销轴512铰接，所述连杆508长度可调。所述滑块507内嵌直线轴承，所述滑块507与所述导轴509通过直线轴承连接，所述滑块507可自由在所述导轴509上下滑动并通过所述连杆508带动所述悬臂400运动。所述导轴509通过两末端的导轴座510固定，所述导轴座510通过内六角螺栓固定在所述支架600的前侧。所述导向槽轮505通过导向槽轮支架504安装在所述支架600上部顶端。

所述气弹簧501包括套筒5011和活塞杆5012；所述气弹簧501的套筒固定在所述支架600的后侧，所述普通弹簧502嵌套在所述气弹簧501的下端构成双弹簧结构，所述普通弹簧502一端与所述气套筒5011固定连接，另一端与所述活塞杆5012固定连接。所述钢丝绳506一端与所述滑块507固定连接，另一端向上绕过所述导向槽轮505，转而向下与所述活塞杆5012连接，从而实现了所述双弹簧结构和所述悬臂400的连接。

本发明工作时，所述气弹簧501和所述普通弹簧502组成的双弹簧结构由于预压力的作用对所述钢丝绳506产生一定的拉力，拉力通过所述钢丝绳506传至所述滑块507，并对所述滑块507产生一向上的拉力，所述滑块507通过所述连杆508，将拉力分解传递到所述悬臂400上，进而对所述悬臂400产生一转矩，该转矩与重力对所述悬臂400部件所造成的阻力矩方向相反，确定合适的所述气弹簧501的额定值F和所述普通弹簧502的刚度K可尽量大的平衡抵消阻力矩。

所述气弹簧501的额定值F和所述普通弹簧502的刚度K的确定由所述悬臂400所受重力矩曲线以及所述双弹簧结构对所述悬臂400等效转矩曲线拟合求得，使两条曲线尽量对称或两曲线和值尽量接近于零。

下面为一种确定方法：

对所述悬臂重力支撑装置500受力分析如图3所示，取所述悬臂400水平位置为平衡位置计算出保持平衡所需辅助力，弹簧的弹性系数为悬臂由水平位置运动到竖直向上过程中保持平衡所需动力的最大值与最小值差值与滑块运动距离的商，所述气弹簧的额定值F为水平位置完全平衡所需辅助力与该位置普通弹簧力之和。

设所述悬臂400的质量为m，质心为O₂，转动中心为O，质心O₂距转动中心O的距离为L，所述连杆销轴512与所述悬臂400接触的中心为O₁，O₁距转动中心O的距离为L₁，所述滑块507的行程为2L₁。

根据力矩平衡和几何关系得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{mgL}\cos {\mathrm{\θ}}_1=F_1{L}_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+F_2{L}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1=2L_1\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ F_1\tan {\mathrm{\θ}}_2=F_2\end{array}\right.$

最终可得：

$F_1=\frac{\mathrm{mgL}}{L_1}\·\frac{\sqrt{3+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}{\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sqrt{3+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}}=\frac{\mathrm{mgL}}{L_1}(1-\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sin {\mathrm{\θ}}_1+\sqrt{3+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}})$

令：当θ₁∈[0，π/2]时，a_max＝1/3

a是单增的，在该定义域内所述滑块31高度的变化值

取所述普通弹簧61的初始拉力所述气弹簧501的额定值为 $F=\frac{4}{3}\·\frac{\mathrm{mgL}}{L_1}.$

如图4所示，本发明实施应用于一上肢康复机器人，所述上肢康复机器人包括：底座101、可调支架102、肩部T板300和悬臂400；所述支架600为所述肩部T板300。

所述可调支架102固定在所述底座101上；所述肩部T板300的横板与所述可调支架102连接，所述肩部T板300的竖板与所述悬臂400连接。

所述悬臂400包括上臂401、上臂内旋装置402、前臂403、前臂内旋装置404、腕L板405和把手406；所述上臂内旋装置402和前臂内旋装置404含电机和角度传感器。

所述肩部T板300上开有肩水平转向孔301，所述肩部T板300与所述可调支架102的连接处安装有肩部竖直电机201；所述肩部T板300的竖板与所述上臂401的连接处安装有肩部水平电机202；所述上臂401与所述前臂403的连接处安装有肘部电机203；所述前臂403与所述腕L板405的连接处安装有腕部竖直电机204；所述腕L板405与所述把手406的连接处安装有腕部水平电机205；所述肩部竖直电机204、肩部水平电机202和肘部电机203内含传感器。

所述悬臂重力支撑装置500安装在所述上肢康复机器人上，通过所述连杆508与所述悬臂400连接。

所述上肢康复机器人可辅助患者实现上肢肩关节的屈/伸、内/外旋、外摆/内收，肘关节的屈/伸，前臂的内/外旋；腕关节的屈/伸、外展/内收七个自由度的基本运动。

如图5和6所示，所述套筒5011固定连接在所述T板300的横板远离所述肩水平转向孔301的一侧，所述活塞杆5012上套有所述普通弹簧502，所述普通弹簧502一端与所述套筒5011固定连接，另一端与所述所述活塞杆5012固定连接，所述轴端槽轮503通过支架连接在所述气弹簧501的轴端并可自由转动。两个所述导向槽轮505安装在所述导向槽轮支架504上，所述导向槽轮支架504与所述T板300的横板固接。所述导轴509通过所述导轴座510固定，所述导轴座510通过螺栓安装在所述T板300的竖板与所述气弹簧501相反的一侧。所述滑块507与所述导轴509通过直线轴承连接，可在所述导轴509上自由滑动，所述连杆508的一端与所述滑块507铰接，另一端通过所述连杆销轴512与所述上臂401铰接。所述钢丝绳506一端与所述滑块507连接，向上通过所述T板300的通孔，经所述导向槽轮505，导到所述气弹簧501一侧并绕过所述轴端槽轮503，最终与所述气弹簧501一侧的T板300的横板固定连接。

所述轴端槽轮503可有效节省所述气弹簧501和所述普通弹簧502的行程，所述悬臂重力支撑装置500整体安装于所述肩部T型板300上，使结构更加简单紧凑轻便稳定，本发明可有效平衡上臂、前臂等因重力造成的阻力矩，所需驱动电机功率及最大转矩要求大大降低，使上肢康复机器人特别是肩部竖直转动关节的安全性和舒适性得到有效提高。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，其特征在于，包括悬臂(400)、悬臂重力支撑装置(500)和支架(600)；

所述悬臂重力支撑装置(500)包括气弹簧(501)、导向槽轮(505)、钢丝绳(506)、滑块(507)、连杆(508)、导轴(509)和主轴(511)；

所述主轴(511)的一端与所述悬臂(400)通过C型平键连接，另一端与所述支架(600)通过滚动轴承(601)连接；

所述导轴(509)固定在所述支架(600)的前侧；

所述滑块(507)与所述导轴(509)通过直线轴承连接；

所述连杆(508)一端与所述滑块(507)铰接，另一端与所述悬臂(400)铰接；

所述导向槽轮(505)通过导向槽轮支架(504)安装在所述支架(600)顶部；

所述气弹簧(501)包括套筒(5011)和活塞杆(5012)；所述套筒(5011)固定在所述支架(600)的后侧；

所述钢丝绳(506)一端与所述滑块(507)固定连接；另一端通过所述导向槽轮(505)与所述活塞杆(5012)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，其特征在于，还包括普通弹簧(502)，所述普通弹簧(502)嵌套在所述气弹簧(501)的下端，所述普通弹簧(502)一端与所述套筒(5011)固定连接，另一端与所述活塞杆(5012)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，其特征在于，所述连杆(508)与所述悬臂(400)通过连杆销轴(512)铰接。

4.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，其特征在于，所述导轴(509)通过末端的导轴座(510)固定在所述支架(600)上。

5.根据权利要求1所述的一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，其特征在于，所述悬臂重力支撑装置(500)安装在上肢康复机器人上，所述支架(600)为所述上肢康复机器人上的肩部T板(300)。

6.根据权利要求5所述的一种上肢康复机器人悬臂重力支撑装置，其特征在于，还包括轴端槽轮(503)，所述轴端槽轮(503)通过支架连接在所述活塞杆(5012)上，所述钢丝绳(506)的一端与所述所述滑块(507)固定连接，另一端依次通过所述导向槽轮(505)和所述轴端槽轮(503)固定在所述气弹簧(501)一侧的肩部T板(300)的横板上。