CN105640739B - 一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼 - Google Patents

一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼 Download PDF

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Abstract

一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，它涉及一种上肢康复外骨骼。本发明为了解决现有的利用重力平衡原理的外骨骼，结构复杂，或者并不能完全的实现重力平衡的问题。本发明的肩关节连接架一侧与肩关节上骨架连接，肩关节上骨架的另一端与外骨骼大臂的一端连接，大臂调节螺母与大臂调节电机连接，一个调节组件安装在外骨骼大臂上，小臂电机座安装在肩关节下骨架上，小臂调节螺母安装在小臂调节电机的输出端，平衡连杆平行于外骨骼大臂设置，另一个调节组件安装在平衡连杆上，外骨骼旋转大臂与外骨骼大臂的另一端之间通过大臂轴向旋转件连接，多个捆绑机构分别固定安装在外骨骼大臂和外骨骼小臂上。本发明用于上肢康复。

Description

一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼
技术领域
本发明涉及一种上肢康复外骨骼，具体涉及一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼。
背景技术
外骨骼机器人是一种复杂的人机结合的技术，它融合了机械、传感、控制、信息、电子技术以及人工智能等众多科学领域知识，将人的智能和机械动力装置的机械能结合在一起，通过人机物理接触传递力和运动来实现动作辅助和姿态检测等功能，同时依靠传感器与穿戴者实现信息交互。
经过40多年的发展，外骨骼在很多领域都有了越来越普遍的应用。比如，军事上，外骨骼的辅助会使部队在野外作战的持久力增强，外骨骼为士兵提供能量，士兵身上的负重由外骨骼承担，使单兵作战能力大大提高；民用上。外骨骼可以用来搬运东西，在大型工程施工中或者在物料搬运作业中，可以使劳动者耐力更持久；医学上，外骨骼机器人可以广泛应用在康复医学中，患者通过穿戴外骨骼机器人不但可以进行有效的功能康复训练，而且可以通过穿戴者肌电信号控制帮助患者康复肌肉，促进中枢系统恢复。在构型上，外骨骼也多种多样，可以采取不同的构型方式，有完美贴合人身的，有软体的，有末端贴合的等等，各有各的优势，在原理上也有着不同，有用液压的，有用气动的，也有用电动的，有一些外骨骼还夹杂着重力平衡，欠驱动等原理。随着社会现代化、工业化进程的进一步深入，机械外骨骼的应用将会涉及到人类生活生产的各个方面，可以预见，机械外骨骼的前景是非常广大的。
在外骨骼设计方面，结构拟人化是它的一个重要特性，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，如果想完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人需要完整地复现该运动，上肢外骨骼机器人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(前后摆)，内收/外展(左右摆)，内旋/外旋(大臂自转)；肘部屈/伸；腕部内旋/外旋、内收/外展、屈/伸。由于肩部内旋/外旋自由度既可以看作在肩关节完成也可以看作在肘关节完成，所以，肩关节和肘关节通常有两种布置办法，第一种是肩关节三个完整自由度加上肘关节单自由度，第二种是肩关节屈/伸，内收/外展自由度加上肘关节屈/伸，绕大臂内旋/外旋自由度。
对于目前有的外骨骼，大多是均是采取主动驱动，但是在人体的运动过程中，有一些能量比如重力势能是往复变化的，但是在主动驱动的过程中，重力势能在升高和降低的过程中，驱动元件均做正功，浪费了重力势能，同时还浪费了驱动元件的出力。而且目前的已有的上肢外骨骼结构均比较复杂，能量利用率极低，并不具有间接性和美观性。有一些利用重力平衡原理的外骨骼，结构却比较复杂，或者并不能完全的实现重力平衡，基于此，本发明设计一种新型的基于空间重力平衡的上肢康复训练外骨骼。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的利用重力平衡原理的外骨骼，结构复杂，或者并不能完全的实现重力平衡的问题。进而提供一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼。
本发明的技术方案是：一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼包括大臂调节电机、大臂电机座、小臂调节电机、小臂电机座、大臂调节螺母、小臂调节螺母、肩关节上骨架、肩关节连接架、肩关节下骨架、外骨骼大臂、平衡连杆、两个调节组件、大臂轴向旋转件、辅助连杆、外骨骼旋转大臂、外骨骼小臂和多个捆绑机构，
大臂电机座安装在肩关节上骨架的一端上，肩关节连接架的一侧与肩关节上骨架连接，肩关节连接架的另一侧与穿戴者的身体连接，肩关节上骨架的另一端与外骨骼大臂的一端可转动连接，大臂调节电机安装在大臂电机座上，大臂调节螺母与大臂调节电机的输出端连接，其中一个调节组件安装在外骨骼大臂上并与大臂调节螺母连接，
肩关节下骨架与穿戴者的身体连接，小臂电机座安装在肩关节下骨架上，小臂调节电机安装在小臂电机座上，小臂调节螺母安装在小臂调节电机的输出端，平衡连杆平行于外骨骼大臂设置，另一个调节组件安装在平衡连杆上并与小臂调节螺母连接，
外骨骼旋转大臂与外骨骼大臂的另一端之间通过大臂轴向旋转件连接，外骨骼大臂和外骨骼旋转大臂的中心线在同一条直线上并与平衡连杆平行，外骨骼小臂和辅助连杆由左至右依次平行设置，且外骨骼小臂和辅助连杆由左至右分别与外骨骼旋转大臂和平衡连杆可转动连接，多个捆绑机构分别固定安装在外骨骼大臂和外骨骼小臂上。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
一、本发明的结构，使得外骨骼既能满足穿戴者上肢的运动自由度，又不会与穿戴者发生干涉。
二、利用平行四边形原理使得外骨骼上臂与外骨骼肩关节竖直轴的夹角等于穿戴者上臂与竖直轴的角度，肩关节旋转中心到小臂弹簧挂点的连线与小臂平行，小臂与竖直轴的夹角即为连线与竖直轴的夹角。
三、利用弹簧的弹性势能的改变平衡掉上肢重力势能的改变，利用完全被动的方法平衡掉重力势能，消除上肢运动过程中克服重力势能做功。
四、由于弹簧平衡的作用，使得穿戴者穿上外骨骼以后上肢在任何姿态下均处于平衡位置，所以不需要出力维持姿态。
五、具有调节功能，能够感知穿戴者的上肢的重量，自动调节弹簧挂点，以适应不同的负载，实现实时重力平衡，也可根据需要实时调节，以实现不同程度的平衡程度。
六、本发明结构简单，当穿戴者穿上该外骨骼以后，上肢的重量均被外骨骼上的弹簧所平衡，使得外骨骼的重力势能和弹簧的弹性势能保持恒定，当穿戴者上肢往上运动时，重力势能增大，上肢与竖直轴角度变小，相应的弹簧的伸长量变小，弹簧弹性势能减小，减小的弹性势能正好补偿的重力势能，使整体的势能保持很定，从而达到在运动过程中不需要穿戴者克服重力做功，从而实现重力平衡。
附图说明
图1是外骨骼屈臂状态下的主视图；图2是图1的侧视图；图3是外骨骼伸至90°时的主视图；图4是图3的侧视图；图5是本发明的轴测图；图6是平衡连杆6结构图；图7是大臂旋转机构8的原理图；图8是外骨骼机构图；图9是外骨骼原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式包括大臂调节电机1-1、大臂电机座1-1-1、小臂调节电机1-2、小臂电机座1-2-1、大臂调节螺母2-1、小臂调节螺母2-2、肩关节上骨架3、肩关节连接架17、肩关节下骨架5、外骨骼大臂4、平衡连杆6、两个调节组件、大臂轴向旋转件8、辅助连杆11、外骨骼旋转大臂12、外骨骼小臂10和多个捆绑机构13，
大臂电机座1-1-1安装在肩关节上骨架3的一端上，肩关节连接架17的一侧与肩关节上骨架3连接，肩关节连接架17的另一侧与穿戴者的身体连接，肩关节上骨架3的另一端与外骨骼大臂4的一端可转动连接，大臂调节电机1-1安装在大臂电机座1-1-1上，大臂调节螺母2-1与大臂调节电机1-1的输出端连接，其中一个调节组件安装在外骨骼大臂4上并与大臂调节螺母2-1连接，
肩关节下骨架5与穿戴者的身体连接，小臂电机座1-2-1安装在肩关节下骨架5上，小臂调节电机1-2安装在小臂电机座1-2-1上，小臂调节螺母2-2安装在小臂调节电机1-2的输出端，平衡连杆6平行于外骨骼大臂4设置，另一个调节组件安装在平衡连杆6上并与小臂调节螺母2-2连接，
外骨骼旋转大臂12与外骨骼大臂4的另一端之间通过大臂轴向旋转件8连接，外骨骼大臂4和外骨骼旋转大臂12的中心线在同一条直线上并与平衡连杆6平行，外骨骼小臂10和辅助连杆11由左至右依次平行设置，且外骨骼小臂10和辅助连杆11由左至右分别与外骨骼旋转大臂12和平衡连杆6可转动连接，多个捆绑机构13分别固定安装在外骨骼大臂4和外骨骼小臂10上。
具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的调节组件包括钢丝绳16、弹簧固定扣15、连接座50和弹簧7，弹簧7的一端通过弹簧固定扣15固定安装在平衡连杆6或外骨骼大臂4上，连接座50安装在靠近小臂调节螺母2-2一侧的平衡连杆6上，或者连接座50安装在靠近大臂调节螺母2-1一侧的外骨骼大臂4上，钢丝绳16的一端与小臂调节螺母2-2固定连接，钢丝绳16的另一端穿过平衡连杆6上的连接座50与弹簧7的另一端连接，或者钢丝绳16的一端与大臂调节螺母2-1固定连接，钢丝绳16的另一端穿过外骨骼大臂4上的连接座50与弹簧7的另一端连接。如此设置，结构简单，便于实现外骨骼的伸展，为外骨骼的伸展提供弹性力。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的钢丝绳16的一端与小臂调节螺母2-2固定连接，钢丝绳16的另一端穿过平衡连杆6上的连接座50与弹簧7的另一端连接，且弹簧7的另一端在小臂调节螺母2-2和钢丝绳16的带动下实现伸缩；
或者钢丝绳16的一端与大臂调节螺母2-1固定连接，钢丝绳16的另一端穿过外骨骼大臂4上的连接座50与弹簧7的另一端连接，且弹簧7的另一端在大臂调节螺母2-1和钢丝绳16的带动下实现伸缩。如此设置，便于实现外骨骼的伸屈。其它组成和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、图3和图5说明本实施方式，本实施方式的连接座50为二分之一半圆环座。如此设置，为钢丝绳的运动提供导向。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式的大臂轴向旋转件8包括第一连杆8-1、第二连杆8-2、第三连杆8-3、第四连杆8-4、第五连杆8-5、第六连杆8-6和穿戴绕大臂旋转电机8-7，
第一连杆8-1的首端与外骨骼大臂4固连，第二连杆8-2与第一连杆8-1末端铰接，第三连杆8-3与第二连杆8-2铰接，第四连杆8-4同时与第二连杆8-2及第三连杆8-3铰接，第一连杆8-1、第二连杆8-2、第三连杆8-3和第四连杆8-4组成平行四边形，第五连杆8-5与第三连杆8-3铰接，第六连杆8-6与第四连杆8-4及第五连杆8-5铰接，第三连杆8-3、第四连杆8-4、第五连杆8-5和第六连杆8-6组成平行四边形，穿戴绕大臂旋转电机8-7与第一连杆8-1末端连接，大臂轴向旋转件8为双平行四边形机构。如此设置，使外骨骼在大臂旋转机构另一端的部分可以绕着穿戴者大臂轴旋转，进而实现穿戴者绕着大臂旋转自由度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式的还包括屈伸电机51，屈伸电机51与外骨骼旋转大臂12和外骨骼小臂10交汇处连接。如此设置，为外骨骼中小臂的伸屈提供驱动力。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的捆绑机构13为捆绑环。如此设置，宽松的捆绑环穿戴方便，同时与人体大臂和小臂的外轮廓形状相匹配。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的捆绑机构13的数量为4个。如此设置，在满足捆绑效果的同时尽量减轻穿戴负担。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的外骨骼大臂4和外骨骼小臂10上分别固定安装有2个捆绑机构13。如此设置，捆绑位置均匀。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
外骨骼肩关节17与穿戴者的后背连接固定机构相固定(图中并未画出，主要发明内容为图中部分，剩余连接部分可以设计为穿戴式或固定式等，根据具体需要进行设计)，肩关节骨架3与外骨骼肩关节17铰接，其转动关节为肩关节外展自由度，大臂调节电机1-1与肩关节骨架3固连，大臂调节电机1-1为丝杠电机(也可采取其他方式，主要用于调节弹簧挂点，改变重力平衡的负载，也可不用)，大臂调节螺母2-1与大臂调节电机1-1的丝杠相连，可以实现电机1-1调节大臂调节螺母2-1，使得大臂调节螺母2-1可以沿着肩关节外展自由度方向移动，肩关节下骨架5与肩关节17固连，小臂调节电机1-2与肩关节下骨架5固连，小臂调节电机1-2也为丝杠电机(也可采取其他方式，主要用于调节弹簧挂点，改变重力平衡的负载，也可不用)，小臂调节螺母2-2与小臂调节电机1-2的丝杠相连，可以实现电机1-2调节小臂调节螺母2-2，使得小臂调节螺母2-2可以沿着肩关节外展自由度方向移动，并且保证钢丝绳19挂点的位置位于肩关节外展自由度轴线上。
外骨骼大臂4与肩关节骨架3铰接，该自由度即为大臂前后摆动自由度(屈伸自由度)，捆绑机构13(大臂捆绑机构)与外骨骼大臂4固连，可以调节捆绑机构13连接的位置，外骨骼大臂4通过捆绑机构13与穿戴者大臂相连，传递运动和转矩，使外骨骼大臂4与穿戴者大臂保持同一角度，弹簧固定扣15(大臂的那一对)与外骨骼大臂4固连，大臂上的弹簧7的一端与弹簧固定扣15相固连，钢丝绳16(大臂的那一根)的一端与大臂调节螺母2-1固连，另一端通过外骨骼大臂4上的弹簧固定扣15内部的小孔与大臂上的弹簧7的另一端相连，形成闭合弹性系统，由于钢丝绳16的一端与大臂调节螺母2-1相连，大臂调节螺母2-1可以调节位置，则钢丝绳16的挂点位置则可调节，进而调节了上臂平衡弹簧7的初始位置，当穿戴者上臂运动时，由于外骨骼上臂4与之捆绑，则肩关节骨架3与上臂的夹角A1角度发生改变，则弹簧7的长度再一次发生变化，改变了弹性势能以补偿重力势能的改变。外骨骼上臂4的另一端与大臂旋转机构8相连，大臂旋转机构8的作用是使外骨骼在大臂旋转机构另一端的部分可以绕着穿戴者大臂轴旋转，进而实现穿戴者绕着大臂旋转自由度。外骨骼旋转大臂12与大臂旋转机构8的另一端固连，外骨骼小臂10与外骨骼旋转大臂12铰接，该自由度即为肘关节的屈伸自由度，捆绑机构13(小臂的那一对)与外骨骼小臂10固连，穿戴者小臂通过捆绑机构13与外骨骼小臂捆绑在一起，传递运动和转矩，使外骨骼小臂10与穿戴者小臂保持同一角度，辅助连杆11与外骨骼旋转大臂12末端铰接，平衡连杆6与外骨骼小臂10末端和辅助连杆11的末端铰接，平衡连杆6、辅助连杆11、外骨骼小臂10和外骨骼旋转大臂12组成平行四边形，使得辅助连杆11与外骨骼小臂10平行，平衡连杆6的末端与穿戴者大臂旋转中心的连线A-3与辅助连杆11平行，即A-3始终与穿戴者小臂14平行。弹簧固定扣15(小臂的那一对)与平衡连杆6固连，小臂上的弹簧7的一端与弹簧固定扣15相固连，钢丝绳16(小臂的那一根)的一端与小臂调节螺母2-2固连，另一端通过平衡连杆6上的弹簧固定扣15内部的小孔与弹簧7的另一端相连，形成闭合弹性系统，由于钢丝绳16的一端与小臂调节螺母2-2相连，小臂调节螺母2-2可以调节位置，则钢丝绳16的挂点位置则可调节，进而调节了小臂平衡弹簧7的初始位置，当穿戴者小臂14运动时，由于外骨骼小臂10与之捆绑，小臂10与竖直轴的角度发生变化，则弹簧7的长度再一次发生变化，改变了弹性势能以补偿重力势能的改变。
具体原理：
图1-8中的A-1轴为通过穿戴者大臂旋转中心的竖直轴，A-2为外骨骼大臂4的中心线，A-3为外骨骼平衡连杆6的末端钢丝绳出绳点与大臂旋转中心的连线，A-4为通过外骨骼上臂4与肩关节骨架3铰接旋转中心的竖直线。C-1为穿戴者大臂9轴线，通过大臂旋转中心，C-2为穿戴者小臂14轴线，通过肘关节旋转中心，A1为外骨骼大臂轴线A-2与A-4的夹角，A2为A-3与竖直轴A-4的夹角。由于穿戴者大臂9与外骨骼上臂4平行，所以穿戴者大臂9与竖直轴的夹角A-1等于外骨骼上臂4与竖直轴A-4的夹角A1，由之前的阐述中有A-3始终与穿戴者小臂14平行，穿戴者小臂14与竖直轴A-1的夹角即为A-3与竖直轴A-1的夹角A2(之后也会给予说明)。
大臂轴向旋转机构8包括第一连杆8-1，第二连杆8-2，第三连杆8-3，第四连杆8-4，第五连杆8-5和第六连杆8-6组成，第一连杆8-1与外骨骼大臂4固连，第二连杆8-2与第一连杆8-1末端铰接，第三连杆8-3与第二连杆8-2铰接，第四连杆8-4同时与第二连杆8-2及第三连杆8-3铰接，第一连杆8-1，第二连杆8-2，第三连杆8-3和第四连杆8-4组成平行四边形，第五连杆8-5与第三连杆8-3铰接，第六连杆8-6与第四连杆8-4及第五连杆8-5铰接，第三连杆8-3，第四连杆8-4，第五连杆8-5和第六连杆8-6组成平行四边形，所以大臂轴向旋转机构即为双平行四边形机构，B-1为第一连杆8-1的旋转中心连线，B-2为第二连杆8-2的旋转中心连线，B-3为第三连杆8-3的旋转中心连线，B-4为第四连杆8-4的旋转中心连线，B-5为第五连杆8-5的旋转中心连线，B-6为第六连杆8-6的旋转中心连线，其原理图如图7所示，B-1和B-6的延长线交于大臂轴C-1上的一点，大臂轴向旋转机构位于与大臂轴C-1相垂直的平面，当B-1固定时，整个机构只有一个自由度，转动该机构，不难得出B-6会绕着轴C-1转动，则使得外骨骼大臂轴向旋转机构8末端连接的部分能够避开穿戴者的大臂9同时又能偶绕着穿戴者大臂轴旋转，使之满足上肢运动自由度的同时还能与穿戴者贴合。
平衡连杆6的结构如图6所示，平衡连杆6包括底连杆6-1、竖直连杆6-2和上连杆6-3三个部分，底连杆6-1和上连杆6-3上下平行设置，底连杆6-1和上连杆6-3之间通过竖直设置的竖直连杆6-2连接，外骨骼的机构简图如图8所示，直线部分为外骨骼，点画线部分为人体手臂，虚线是框架线，C-1是垂直于穿戴者小臂的线，C-2是穿戴者上臂的反向延长线，双点划线是通过上臂旋转中心的三维坐标轴线。外骨骼大臂4始终与穿戴者上臂捆绑，不发生相对运动，通过大臂轴向旋转机构可以使外骨骼旋转上臂12及小臂10绕着穿戴者上臂轴旋转，从而保证外骨骼小臂10与穿戴者小臂捆绑在一起，不发生相对运动，所以又外骨骼小臂10平行于穿戴者小臂，外骨骼旋转上臂12平行于穿戴者大臂。由于外骨骼上臂10，外骨骼旋转上臂12，辅助连杆11，平衡连杆6组成平行四边形，所以平衡连杆6平行于外骨骼旋转上臂12，进而平行于穿戴者大臂9。由于竖直连杆6-2等于C-1的长度，且平行，所以底连杆6-1处于穿戴者大臂9和小臂14的平面内，底连杆6-1平行于大臂9，C-2为小臂14的延长线，所以A-3，大臂9、底连杆6-1，C-3组成平行四边形，A-3平行于C-3，及A-3平行于小臂，且A-3过大臂旋转中心(此段论述主要为证明A-3平行于小臂14)。因此在运动过程中A-3始终平行于小臂14。
假设，(原理图参照图9)外骨骼上臂4和穿戴者大臂9的质心位于穿戴者大臂9的轴线上，质心距离穿戴者上臂旋转中心的距离为L1，上臂长度为L01，质心质量为M1，穿戴者大臂9与竖直轴A-1的角度为A1，当穿戴者肩关节进行屈伸运动的时候，A1发生变化，当肩关节内旋外旋时，A2不发生变化。外骨骼小臂10和穿戴者小臂14的质心位于穿戴者小臂14的轴线上，质心距离穿戴者肘关节转动中心的距离为L2，质心质量为M2，穿戴者小臂14与竖直轴A-1的角度为A2，当肘关节屈伸和绕着大臂旋转时，角度A2均发生改变。
所以整体的重力势能为：
G＝M1×g×L1×cos(A1)+M2×g×(L2×cos(A2)+L01×cos(A1))；
G＝(M1×g×L1+M2×g×L01)×cos(A1)+M2×g×L2×cos(A2)；
与上臂平衡弹簧7相连的钢丝在肩关节骨架3和大臂4上的挂点距大臂旋转中心的距离分别为SA1，SB1，钢丝绳挂点之间的距离为SC1，两个弹簧固定机构之间的距离为SD1，弹簧的长度为SE1，绳长SF1，弹簧的原长为S1，伸长量为X1劲度系数为K1。与小臂平衡弹簧7相连的钢丝在肩关节下骨架5和平衡连杆6上的挂点距大臂旋转中心的距离分别为SA2，SB1，钢丝绳挂点之间的距离为SC2，两个弹簧固定机构之间的距离为SD2，弹簧的长度为SE2，绳长SF2，弹簧的原长为S2，伸长量为X2。所以有：
SF1+SE1＝SD1+SC1；SF2+SE2＝SD2+SC2；
SE1＝S1+X1；SE2＝S2+X2；
SC12＝SA12+SB12-2×SA1×SB1×cos(A1)；
SC22＝SA22+SB22-2×SA2×SB2×cos(A2)；
令SF1+S1＝SD1；SF2+S2＝SD2；
则有X1＝SC1；X2＝SC2；
所以弹簧的弹性势能为：
E1＝1/2×K1×X12＝1/2×K1×(SA12+SB12)-K1×SA1×SB1×cos(A1)；
E2＝1/2×K2×X22＝1/2×K2×(SA22+SB22)-K2×SA2×SB2×cos(A2)；
所以整个系统的势能总和为：
W＝E1+E2+G
＝1/2×K1×(SA12+SB12)-K1×SA1×SB1×cos(A1)
+1/2×K2×(SA22+SB22)-K2×SA2×SB2×cos(A2)
+(M1×g×L1+M2×g×L01)×cos(A1)+M2×g×L2×cos(A2)
＝1/2×(K1×(SA12+SB12)+K2×(SA22+SB22))2
+(M1×g×L1+M2×g×L01-K1×SA1×SB1)×cos(A1)
+(M2×g×L2-K2×SA2×SB2)×cos(A2)
式中1/2×(K1×(SA1+SB12)+K2×(SA22+SB))为定值，当：
M1×g×L1+M2×g×L01-K1×SA1×SB1＝0
M2×g×L2-K2×SA2×SB2＝0时，W＝1/2(K1×(SA1+SB12)+K2×(SA22+SB22))为定值，则无论角度A2怎么变化，势能总和不变，即不管上肢怎么运动，穿戴者都不会克服重力做功，实现重力平衡的效果。
所以只要满足：
K1×SA1×SB1＝M1×g×L1+M2×g×L01
K2×SA2×SB2＝M2×g×L2+M2×g×L2
即可实现上述效果，只要进行合理的结构设计，即可满足上诉公式。捆绑机构中具有传感器，能够感知穿戴者上肢的重量，当重量发生变化的时候(即M1，M2变化时)，可以自动利用电机调节螺母的位置(也可不加传感器手动调节)，进而改变SA1和SA2的值，从而使方程再一次满足，达到可以适应不同负载，实时平衡的效果。
当穿戴者穿上该外骨骼以后，上肢的重量均被外骨骼上的弹簧所平衡，使得外骨骼的重力势能和弹簧的弹性势能保持恒定，当穿戴者上肢往上运动时，重力势能增大，上肢与竖直轴角度变小，相应的弹簧的伸长量变小，弹簧弹性势能减小，减小的弹性势能正好补偿的重力势能，使整体的势能保持很定，从而达到在运动过程中不需要穿戴者克服重力做功，实现重力平衡。

Claims (8)

1.一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：它包括大臂调节电机(1-1)、大臂电机座(1-1-1)、小臂调节电机(1-2)、小臂电机座(1-2-1)、大臂调节螺母(2-1)、小臂调节螺母(2-2)、肩关节上骨架(3)、肩关节连接架(17)、肩关节下骨架(5)、外骨骼大臂(4)、平衡连杆(6)、两个调节组件、大臂轴向旋转件(8)、辅助连杆(11)、外骨骼旋转大臂(12)、外骨骼小臂(10)和多个捆绑机构(13)，
大臂电机座(1-1-1)安装在肩关节上骨架(3)的一端上，肩关节连接架(17)的一侧与肩关节上骨架(3)连接，肩关节连接架(17)的另一侧与穿戴者的身体连接，肩关节上骨架(3)的另一端与外骨骼大臂(4)的一端可转动连接，大臂调节电机(1-1)安装在大臂电机座(1-1-1)上，大臂调节螺母(2-1)与大臂调节电机(1-1)的输出端连接，其中一个调节组件安装在外骨骼大臂(4)上并与大臂调节螺母(2-1)连接，
肩关节下骨架(5)与穿戴者的身体连接，小臂电机座(1-2-1)安装在肩关节下骨架(5)上，小臂调节电机(1-2)安装在小臂电机座(1-2-1)上，小臂调节螺母(2-2)安装在小臂调节电机(1-2)的输出端，平衡连杆(6)平行于外骨骼大臂(4)设置，另一个调节组件安装在平衡连杆(6)上并与小臂调节螺母(2-2)连接，
外骨骼旋转大臂(12)与外骨骼大臂(4)的另一端之间通过大臂轴向旋转件(8)连接，外骨骼大臂(4)和外骨骼旋转大臂(12)的中心线在同一条直线上并与平衡连杆(6)平行，外骨骼小臂(10)和辅助连杆(11)由左至右依次平行设置，且外骨骼小臂(10)和辅助连杆(11)由左至右分别与外骨骼旋转大臂(12)和平衡连杆(6)可转动连接，多个捆绑机构(13)分别固定安装在外骨骼大臂(4)和外骨骼小臂(10)上，
调节组件包括钢丝绳(16)、弹簧固定扣(15)、连接座(50)和弹簧(7)，弹簧(7)的一端通过弹簧固定扣(15)固定安装在平衡连杆(6)或外骨骼大臂(4)上，连接座(50)安装在靠近小臂调节螺母(2-2)一侧的平衡连杆(6)上，或者连接座(50)安装在靠近大臂调节螺母(2-1)一侧的外骨骼大臂(4)上，钢丝绳(16)的一端与小臂调节螺母(2-2)固定连接，钢丝绳(16)的另一端穿过平衡连杆(6)上的连接座(50)与弹簧(7)的另一端连接，或者钢丝绳(16)的一端与大臂调节螺母(2-1)固定连接，钢丝绳(16)的另一端穿过外骨骼大臂(4)上的连接座(50)与弹簧(7)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：钢丝绳(16)的一端与小臂调节螺母(2-2)固定连接，钢丝绳(16)的另一端穿过平衡连杆(6)上的连接座(50)与弹簧(7)的另一端连接，且弹簧(7)的另一端在小臂调节螺母(2-2)和钢丝绳(16)的带动下实现伸缩；
或者钢丝绳(16)的一端与大臂调节螺母(2-1)固定连接，钢丝绳(16)的另一端穿过外骨骼大臂(4)上的连接座(50)与弹簧(7)的另一端连接，且弹簧(7)的另一端在大臂调节螺母(2-1)和钢丝绳(16)的带动下实现伸缩。
3.根据权利要求2所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：连接座(50)为二分之一半圆环座。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：大臂轴向旋转件(8)包括第一连杆(8-1)、第二连杆(8-2)、第三连杆(8-3)、第四连杆(8-4)、第五连杆(8-5)、第六连杆(8-6)和穿戴绕大臂旋转电机(8-7)，
第一连杆(8-1)的首端与外骨骼大臂(4)固连，第二连杆(8-2)与第一连杆(8-1)末端铰接，第三连杆(8-3)与第二连杆(8-2)铰接，第四连杆(8-4)同时与第二连杆(8-2)及第三连杆(8-3)铰接，第一连杆(8-1)、第二连杆(8-2)、第三连杆(8-3)和第四连杆(8-4)组成平行四边形，第五连杆(8-5)与第三连杆(8-3)铰接，第六连杆(8-6)与第四连杆(8-4)及第五连杆(8-5)铰接，第三连杆(8-3)、第四连杆(8-4)、第五连杆(8-5)和第六连杆(8-6)组成平行四边形，穿戴绕大臂旋转电机(8-7)与第一连杆(8-1)末端连接，大臂轴向旋转件(8)为双平行四边形机构。
5.根据权利要求1所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：它还包括屈伸电机(51)，屈伸电机(51)与外骨骼旋转大臂(12)和外骨骼小臂(10)交汇处连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：捆绑机构(13)为捆绑环。
7.根据权利要求1所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：捆绑机构(13)的数量为4个。
8.根据权利要求7所述的一种基于空间重力平衡的上肢康复外骨骼，其特征在于：外骨骼大臂(4)和外骨骼小臂(10)上分别固定安装有2个捆绑机构(13)。
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