CN105437219B - 基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼，它发明涉及一种变负载上肢助力外骨骼，具体涉及一种基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼。本发明为了解决本发明为解决现有上肢外骨骼采用电机直接驱动实现助力，导致体积和质量较大，电路复杂，可靠性降低，能耗较大的问题。本发明包括两个弹簧储能机构、背部、背带、两个手臂、两个手腕、两个转盘和多个磁力传感器，每个手臂的一端分别通过一个转盘与背部相对应一侧的上部连接，每个手臂的另一端分别与一个手腕连接，背带设置在背部的正面，多个磁力传感器由上至下依次设置在背部的背面，两个弹簧储能机构安装在背部上，每个弹簧储能机构与相对应的一个手臂连接。本发明属于医疗器械领域。

Description

基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼

技术领域

本发明涉及一种变负载上肢助力外骨骼，具体涉及一种基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼，属于医疗器械领域。

背景技术

目前，外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，如助老助残，医疗康复，工业生产，地震救援，单兵作战等领域。一般的助力外骨骼具有以下特点：可以检测人体的运动意图；和人体类似的关节自由度和关节转动空间；具有必要的关节主动驱动以辅助出力；自带控制系统和能源系统；具有一定的安全防护机制。

助力外骨骼按照动力传递的目的，可分为两种情况:外骨骼带动人体运动，和人体带动外骨骼运动。其主要区别体现在“人-机”连接信息交互装置的设计和系统控制策略的制定上。

对于助老助残或医疗康复领域，外骨骼的目的是辅助人体自身肌肉的运动，以达到帮助老人抬腿，或帮助病人做肌肉功能恢复训练等目的。需要外骨骼设定好各关节的运动规划，或检测人体的肌电信号、肢体运动方向等判断人体的运动意图，带动穿戴者运动，此时人体和外骨骼之间需要动力的传递，因此“人-机”之间是紧密的固连关系；

对于工业生产，地震救援或单兵作战等应用领域，面对的是正常的健康工人或消防战士，外骨骼的目的不是辅助人体自身肌肉的运动，而是增强放大人体的出力效果，此时，人机连接机制的设计中，“人-机”之间需要传递的不是动力，而仅仅是检测到的人体运动信息。此时，“人-机”之间的捆绑连接是一种弹性连接，传递的是微小的交互力信息。

结构拟人化是外骨骼机器人的一个重要特性，也是安全性和舒适性的保障，人体上肢主要包括肩部、肘部和腕部3个生理关节，其能够完成极其复杂精细的运动，如果上肢外骨骼机想要完整地复现该运动，则需要数目众多的自由度，但这会导致机构笨重和控制冗余等问题。因此，需要分析人体上肢生理运动形式并作适度简化，获取外骨骼设计可用的运动学模型，同时保证良好的人机运动链相容性。现有的上肢外骨骼机器人大多采用七自由度串联运动学模型，即肩部屈/伸，内收/外展，内旋/外旋；肘部屈/伸；腕部内旋/外旋、内收/外展、屈/伸。但对于这些自由度，大多数上肢外骨骼都是采用电机直接驱动来实现助力，这样会造成体积和质量较大，电路复杂，可靠性降低，能耗较大。

发明内容

本发明为解决现有上肢外骨骼采用电机直接驱动实现助力，导致体积和质量较大，电路复杂，可靠性降低，能耗较大的问题，进而提出基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括两个弹簧储能机构、背部、背带、两个手臂、两个手腕、两个转盘和多个磁力传感器，每个手臂的一端分别通过一个转盘与背部相对应一侧的上部连接，每个手臂的另一端分别与一个手腕连接，背带设置在背部的正面，多个磁力传感器由上至下依次设置在背部的背面，两个弹簧储能机构安装在背部上，每个弹簧储能机构与相对应的一个手臂连接。

进一步的，每个弹簧储能机构包括螺钉、第一钢丝绳压套、第一连接板、右滑块、第一钢丝绳、右丝杆、左丝杆、外接钢丝绳、左滑块、电机、第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、第一轴、第二轴、轴承座、第一安装板、第二安装板和三个弹簧，

电机、第一安装板、第二安装板由左至右依次设置，多个弹簧并排平行设置，每个弹簧的下端均与第二安装板的下端固定连接，每个弹簧的上端均与第一连接板连接，第一连接板的上端与第一钢丝绳的一端连接，第一钢丝绳的另一端依次绕过第二安装板上端的滑轮、右滑块上的滑轮、左滑块上的滑轮与设置在第二安装板下端的第一钢丝绳压套连接，用于调节第一钢丝绳的螺钉插装在第一钢丝绳压套内，右滑块安装在第二安装板上，且右滑块能沿第二安装板竖直上下移动，右丝杆设置在第二安装板上，且右丝杆的上端通过轴承与第二安装板的上端连接，右丝杆的下端与第二轴的上端连接，右滑块与套装在右丝杆上的螺母连接，左丝杆设置在第一安装板上，且左丝杆的上端通过轴承与第一安装板的上端连接，第一安装板的下端与轴承座铰接，第一轴的上端穿过轴承座与设置在左丝杆下端的万向节连接，左滑块安装在第一安装板上，且左滑块能沿第一安装板直线运动，左滑块与套装在左丝杆上的螺母连接，外接钢丝的一端与第一安装板的上端连接，第一带轮套装在电机的转动轴上，第二带轮、第三带轮由下至上依次套装在第一轴上，第四带轮套装在第二轴上，第一带轮通过同步带与第二带轮连接，第三带轮通过同步带与第四带轮连接。

进一步的，手臂包括第二连接板、第一连接杆、第二连接杆、第三连接板、第四连接杆、第五连接杆、第四连接板、第五连接板、第二钢丝绳、第二钢丝绳压套、第三钢丝绳压套和第三钢丝绳，

第一连接杆、第二连接杆、第二连接板、第五连接板组成上平行四边形机构，第三连接杆、第四连接杆、第三连接板、第四连接板组成下平行四边形机构，第四连接板通过转轴与第五连接板转动连接，第二连接板与手腕连接，第三连接板与转盘连接，第二钢丝绳压套安装在第二连接板上，第三钢丝绳压套安装在第四连接板上，第二钢丝绳的一端与第二钢丝绳压套连接，第二钢丝绳的另一端依次绕过第二连接杆上的滑轮、第五连接板上的滑轮、第三连接杆上的滑轮、第三连接板上的滑轮后与第一安装板的上端连接，第三钢丝绳的一端与第三钢丝绳压套连接，第三钢丝绳的另一端依次绕过第四连接杆上的滑轮、第三连接板上的滑轮后与第一安装板连接。

进一步的，手腕包括第一角度传感器、挂钩、第二角度传感器、转动块和把手，挂钩的一端通过转动块与第二连接板连接，把手安装在挂钩的内侧，第一角度传感器和第二角度传感器依次安装在挂钩上。

本发明的有益效果是：1、本发明利用机械方式替代电机驱动给上肢外骨骼提供助力，本发明结构简单、稳定性高，并且更加节能等优点；2、本发明采用弹簧储能机构与手臂上的平行四边形结构为上肢外骨骼提供竖直方向的助力，用于平衡重力，在手腕部分安装力传感器与角度传感器，通过检测人手出力大小，来对控制系统输出力进行修正，以减小误差；3、本发明结构轻便，体积质量小，便于穿戴；4、本发明以机械结构为主，电机数量少，能耗较低。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明的俯视图，图3是弹簧储能机构的结构示意图，图4是手臂的结构示意图，图5是平行四边形机构的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼包括两个弹簧储能机构1、背部6、背带7、两个手臂2、两个手腕3、两个转盘5和多个磁力传感器4，每个手臂2的一端分别通过一个转盘5与背部6相对应一侧的上部连接，每个手臂2的另一端分别与一个手腕3连接，背带7设置在背部6的正面，多个磁力传感器4由上至下依次设置在背部6的背面，两个弹簧储能机构1安装在背部6上，每个弹簧储能机构1与相对应的一个手臂2连接。

本实施方式中的磁力传感器是Whistle磁力传感器D，它能够通过它感应磁场变化，算出偏转了多少度。然后再根据传感器传出的信息，控制电机转动，电机转动引起与电机相连的钢丝绳长度发生变化，最后钢丝绳再带动转盘5转动相应的角度。

由于存在误差和各种摩擦，所以最后调节出的弹簧刚度不一定能够满足需要。因而本发明中又在把手3-5那里设置了很多H型槽，用于贴应变片。这样，可以用应变片测量人手出力多少，然后据此来调节连续变刚度的弹簧储能机构1，当测量出来的竖直方向的托举力为零时，此时弹簧刚度刚好。又因为手腕处有三个自由度，把手的位置不一定竖直，因此应变片测量出的力的三个参考方向与实际竖直水平的方向有一定角度，需要经过换算才能最后得到人手在竖直方向所用的力。所以，又在手腕部分安装了两个角度传感器，用于检测人手腕内旋/外旋、内收/外展的角度，由于屈/伸对竖直方向的力无影响，无需布置角度传感器。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼的每个弹簧储能机构1包括螺钉1-1、第一钢丝绳压套1-2、第一连接板1-4、右滑块1-5、第一钢丝绳1-6、右丝杆1-7、左丝杆1-8、外接钢丝绳1-9、左滑块1-10、电机1-11、第一带轮1-12、第二带轮1-13、第三带轮1-14、第四带轮1-15、第一轴1-16、第二轴1-17、轴承座1-18、第一安装板1-19、第二安装板1-20和三个弹簧1-3，

电机1-11、第一安装板1-19、第二安装板1-20由左至右依次设置，多个弹簧1-3并排平行设置，每个弹簧1-3的下端均与第二安装板1-20的下端固定连接，每个弹簧1-3的上端均与第一连接板1-4连接，第一连接板1-4的上端与第一钢丝绳1-6的一端连接，第一钢丝绳1-6的另一端依次绕过第二安装板1-20上端的滑轮、右滑块1-5上的滑轮、左滑块1-10上的滑轮与设置在第二安装板1-20下端的第一钢丝绳压套1-2连接，用于调节第一钢丝绳1-6的螺钉1-1插装在第一钢丝绳压套1-2内，右滑块1-5安装在第二安装板1-20上，且右滑块1-5能沿第二安装板1-20竖直上下移动，右丝杆1-7设置在第二安装板1-20上，且右丝杆1-7的上端通过轴承与第二安装板1-20的上端连接，右丝杆1-7的下端与第二轴1-17的上端连接，右滑块1-5与套装在右丝杆1-7上的螺母连接，左丝杆1-8设置在第一安装板1-19上，且左丝杆1-8的上端通过轴承与第一安装板1-19的上端连接，第一安装板1-19的下端与轴承座1-18铰接，第一轴1-16的上端穿过轴承座1-18与设置在左丝杆1-8下端的万向节连接，左滑块1-10安装在第一安装板1-19上，且左滑块1-10能沿第一安装板1-19直线运动，左滑块1-10与套装在左丝杆1-8上的螺母连接，外接钢丝1-9的一端与第一安装板1-19的上端连接，第一带轮1-12套装在电机1-11的转动轴上，第二带轮1-13、第三带轮1-14由下至上依次套装在第一轴1-16上，第四带轮1-15套装在第二轴1-17上，第一带轮1-12通过同步带与第二带轮1-13连接，第三带轮1-14通过同步带与第四带轮1-5连接。

螺钉1-1拧入第一钢丝绳压套1-2中，可以调节钢丝绳的松紧程度。通过丝杆的转动就能带动滑块上下移动。左丝杆1-8又通过万向节与第一轴1-16相连，这样使左丝杆1-8不仅能转动，还能做摆动。电机1-12输出轴直接与第一带轮1-12相连，第一带轮1-12与第二带轮1-13通过皮带相连，第三带轮1-14与第四带轮1-15也通过皮带相连，第一带轮1-12比第二带轮1-13直径大，有减速功能，第二带轮1-13、第三带轮1-14、第四带轮1-15直径相同，保证了左、右丝杆具有相同转速。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼的手臂2包括第二连接板2-1、第一连接杆2-2、第二连接杆2-3、第三连接板2-4、第四连接杆2-5、第五连接杆2-6、第四连接板2-7、第五连接板2-8、第二钢丝绳2-9、第二钢丝绳压套2-10、第三钢丝绳压套2-11和第三钢丝绳2-12，

第一连接杆2-2、第二连接杆2-3、第二连接板2-1、第五连接板2-8组成上平行四边形机构，第三连接杆2-5、第四连接杆2-6、第三连接板2-4、第四连接板2-7组成下平行四边形机构，第四连接板2-7通过转轴与第五连接板2-8转动连接，第二连接板2-1与手腕3连接，第三连接板2-4与转盘5连接，第二钢丝绳压套2-10安装在第二连接板2-1上，第三钢丝绳压套2-11安装在第四连接板2-7上，第二钢丝绳2-9的一端与第二钢丝绳压套2-10连接，第二钢丝绳2-9的另一端依次绕过第二连接杆2-3上的滑轮、第五连接板2-8上的滑轮、第三连接杆2-5上的滑轮、第三连接板2-4上的滑轮后与第一安装板1-19的上端连接，第三钢丝绳2-12的一端与第三钢丝绳压套2-11连接，第三钢丝绳2-12的另一端依次绕过第四连接杆2-6上的滑轮、第三连接板2-4上的滑轮后与第一安装板1-19连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼的手腕3包括第一角度传感器3-1、挂钩3-2、第二角度传感器3-3、转动块3-4和把手3-5，挂钩3-2的一端通过转动块3-4与第二连接板2-1连接，把手3-5安装在挂钩3-2的内侧，第一角度传感器3-1和第二角度传感器3-3依次安装在挂钩3-2上。

挂钩3-2用于搬运、抬升重物，其与把手3-5铰接，实现手腕的内旋/外旋动作，与转动块3-4铰接，实现手腕的内收/外展动作。转动块3-4与小臂的第二连接板2-1铰接，实现手腕的屈/伸。在把手3-5中设有三个方向的H型槽，贴上应变片之后，可以测量这三个方向上人手的作用力。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

结合图2说明弹簧储能机构1的基本原理：

O点为丝杆A8与丝杆A7的交点，左滑块1-10和右滑块1-5分别在左丝杆1-8和右丝杆1-7上移动。通过控制丝杆保持相同的转速，使得左滑块1-10和右滑块1-5与O点的距离始终相等。设滑块到中心点O的距离为外接钢丝绳1-9到O点的距离的a倍，则滑块之间产生相对位移a，所以弹簧也有2a的伸长量，第一钢丝绳1-6产生6ka的拉力。对于左丝杠1-8装置在O点取矩，由力矩平衡方程可以看出整个装置相当于一个弹性系数为的弹簧，可以通过丝杠来连续调节比率a的大小，从而使整个装置的刚度也可以是连续变化的。

结合图5说明平行四边形机构的基本原理：

图5中ABCD为一平行四边形机构，AB长为a，BC长为b，BD长为l，有一钢丝绳绕过B处滑轮后，与D点连接。平行四边形机构在力G、F的作用下平衡。则取CD杆出来，则BC杆对其有一个力F₁，AD杆对其有一个力F₂，钢丝绳对其有力F，自身受一重物G作用，BC与CD的夹角为α，CD与BD的夹角为β，CB与BD的夹角为θ，

由平衡条件，对B点取矩

①，

对D点取矩

②，

水平方向力平衡

F·sinβ+F₁sinα＝F₂·sinα ③，

将F₁、F₂公式③可得

④，

在△BCD中，根据正弦定理

⑤，

公式⑤中k表示常数，

所以

⑥

因此，会有 ⑦；

从上式可以看出，当重力G不变时，钢丝绳的拉力相对于BD的长度的变化量一直保持不变。所以，若在钢丝绳的另一端接入一个刚度为的弹簧，只要调整好初拉力，则以后无论重物G处于何种位置，都能保证整个平行四边形的平衡。

本发明的手臂2如图3所示。在上肢外骨骼的大臂、小臂处分别都由平行四边形组成，中间由转轴连接在一起，两段钢丝绳最后都接入到连续变刚度的弹簧储能机构1中的第一安装板的顶部，即为外接钢丝绳1-9。

手臂2与连续变刚度的弹簧储能机构1之间的配合，能够使弹簧的刚度连续可调。这样的话，在重物G改变的时候，我们也能通过力传感器的信息，控制连续变刚度的弹簧储能机构1中丝杆运动，使得弹簧刚度变化，整体依然能保持平衡。

双平行四边形机构要想达到上述效果是有条件的，即要保证AB杆始终竖直，但是上肢外骨骼在前/后仰的时候，会导致它也角度发生变化，不在保持竖直状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼，它包括两个弹簧储能机构(1)、背部(6)、背带(7)、两个手臂(2)、两个手腕(3)、两个转盘(5)和多个磁力传感器(4)，每个手臂(2)的一端分别通过一个转盘(5)与背部(6)相对应一侧的上部连接，每个手臂(2)的另一端分别与一个手腕(3)连接，背带(7)设置在背部(6)的正面，多个磁力传感器(4)由上至下依次设置在背部(6)的背面，两个弹簧储能机构(1)安装在背部(6)上，每个弹簧储能机构(1)与相对应的一个手臂(2)连接；其特征在于：每个弹簧储能机构(1)包括螺钉(1-1)、第一钢丝绳压套(1-2)、第一连接板(1-4)、右滑块(1-5)、第一钢丝绳(1-6)、右丝杆(1-7)、左丝杆(1-8)、外接钢丝绳(1-9)、左滑块(1-10)、电机(1-11)、第一带轮(1-12)、第二带轮(1-13)、第三带轮(1-14)、第四带轮(1-15)、第一轴(1-16)、第二轴(1-17)、轴承座(1-18)、第一安装板(1-19)、第二安装板(1-20)和三个弹簧(1-3)，电机(1-11)、第一安装板(1-19)、第二安装板(1-20)由左至右依次设置，多个弹簧(1-3)并排平行设置，每个弹簧(1-3)的下端均与第二安装板(1-20)的下端固定连接，每个弹簧(1-3)的上端均与第一连接板(1-4)连接，第一连接板(1-4)的上端与第一钢丝绳(1-6)的一端连接，第一钢丝绳(1-6)的另一端依次绕过第二安装板(1-20)上端的滑轮、右滑块(1-5)上的滑轮、左滑块(1-10)上的滑轮与设置在第二安装板(1-20)下端的第一钢丝绳压套(1-2)连接，用于调节第一钢丝绳(1-6)的螺钉(1-1)插装在第一钢丝绳压套(1-2)内，右滑块(1-5)安装在第二安装板(1-20)上，且右滑块(1-5)能沿第二安装板(1-20)竖直上下移动，右丝杆(1-7)设置在第二安装板(1-20)上，且右丝杆(1-7)的上端通过轴承与第二安装板(1-20)的上端连接，右丝杆(1-7)的下端与第二轴(1-17)的上端连接，右滑块(1-5)与套装在右丝杆(1-7)上的螺母连接，左丝杆(1-8)设置在第一安装板(1-19)上，且左丝杆(1-8)的上端通过轴承与第一安装板(1-19)的上端连接，第一安装板(1-19)的下端与轴承座(1-18)铰接，第一轴(1-16)的上端穿过轴承座(1-18)与设置在左丝杆(1-8)下端的万向节连接，左滑块(1-10)安装在第一安装板(1-19)上，且左滑块(1-10)能沿第一安装板(1-19)直线运动，左滑块(1-10)与套装在左丝杆(1-8)上的螺母连接，外接钢丝绳(1-9)的一端与第一安装板(1-19)的上端连接，第一带轮(1-12)套装在电机(1-11)的转动轴上，第二带轮(1-13)、第三带轮(1-14)由下至上依次套装在第一轴(1-16)上，第四带轮(1-15)套装在第二轴(1-17)上，第一带轮(1-12)通过同步带与第二带轮(1-13)连接，第三带轮(1-14)通过同步带与第四带轮(1-15)连接。

2.根据权利要求1所述基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼，其特征在于：手臂(2)包括第二连接板(2-1)、第一连接杆(2-2)、第二连接杆(2-3)、第三连接板(2-4)、第四连接杆(2-5)、第五连接杆(2-6)、第四连接板(2-7)、第五连接板(2-8)、第二钢丝绳(2-9)、第二钢丝绳压套(2-10)、第三钢丝绳压套(2-11)和第三钢丝绳(2-12)，第一连接杆(2-2)、第二连接杆(2-3)、第二连接板(2-1)、第五连接板(2-8)组成上平行四边形机构，第三连接杆(2-5)、第四连接杆(2-6)、第三连接板(2-4)、第四连接板(2-7)组成下平行四边形机构，第四连接板(2-7)通过转轴与第五连接板(2-8)转动连接，第二连接板(2-1)与手腕(3)连接，第三连接板(2-4)与转盘(5)连接，第二钢丝绳压套(2-10)安装在第二连接板(2-1)上，第三钢丝绳压套(2-11)安装在第四连接板(2-7)上，第二钢丝绳(2-9)的一端与第二钢丝绳压套(2-10)连接，第二钢丝绳(2-9)的另一端依次绕过第二连接杆(2-3)上的滑轮、第五连接板(2-8)上的滑轮、第三连接杆(2-5)上的滑轮、第三连接板(2-4)上的滑轮后与第一安装板(1-19)的上端连接，第三钢丝绳(2-12)的一端与第三钢丝绳压套(2-11)连接，第三钢丝绳(2-12)的另一端依次绕过第四连接杆(2-6)上的滑轮、第三连接板(2-4)上的滑轮后与第一安装板(1-19)连接。

3.根据权利要求2所述基于双四边形重力平衡原理的变负载上肢助力外骨骼，其特征在于：手腕(3)包括第一角度传感器(3-1)、挂钩(3-2)、第二角度传感器(3-3)、转动块(3-4)和把手(3-5)，挂钩(3-2)的一端通过转动块(3-4)与第二连接板(2-1)连接，把手(3-5)安装在挂钩(3-2)的内侧，第一角度传感器(3-1)和第二角度传感器(3-3)依次安装在挂钩(3-2)上。