CN105877972B - 一种外骨骼康复机器臂旋转关节 - Google Patents

Abstract

一种外骨骼康复机器臂旋转关节，包括手臂固定机构、驱动电机机构和导轨齿轮旋转机构三个部分，其中手部固定机构为整个旋转关节的固定部分，可以与康复外骨骼机器人的肩关节部分固定连接，同时固定人体手臂，保证外骨骼机器人带动人体手臂共同康复运动；驱动电机机构固定在手臂固定机构外侧，不占用人体手臂的空间，用以提供关节旋转所需要的动力；导轨齿轮旋转机构采用导轨齿轮结构，利用三点的方式来固定导轨的同时，利用齿轮啮合驱动导轨旋转，实现外骨骼康复机器人的旋转动作。该外骨骼康复机器臂旋转关节基于人体工程学设计原理，具有结构简单、运动同轴、适用面广等优点。

Description

一种外骨骼康复机器臂旋转关节

技术领域

本发明涉及一种用于外骨骼康复机器臂的旋转关节，包括大臂旋转以及前臂旋转关节，属于医疗康复训练器械技术领域。

背景技术

近些年来，偏瘫等疾病引起的运动功能障碍患者越来越多，医师一对一的人工康复的已经不能满足广大患者的要求，因而用于协作医师进行训练的康复机器人得到了迅猛的发展，特别是与人体结构类似的外骨骼康复机器人。

人体手臂的旋转运动是一项重要的运动形式，包括大臂旋转和前臂旋转两部分。然而，由于外骨骼机器人自身穿戴式的特点，其内部的空间不应该被占用，因此导致外骨骼机器人的旋转轴为一个假想的虚轴；此外，在日常生活中的大多数动作中，人体手臂与人体躯干保持接触，因而外骨骼机械手臂的结构只能设计在手臂外侧。

以上种种原因导致了外骨骼康复机器臂的旋转关节不仅其力学结构难以保证，而且机器人旋转关节与人体手臂旋转关节的同轴性设计也是一大难题。

鉴于上述情况，有必要在本领域开发一种新型的旋转关节结构。

发明内容

本发明针对现有外骨骼康复机器臂的旋转关节技术存在的问题，提供一种力学性能优良且人机旋转关节同轴的外骨骼康复机器臂旋转关节。

为解决上述技术问题，本发明的外骨骼康复机器臂旋转关节，采用以下技术方案：

该旋转关节，包括手臂固定架、驱动机构和导轨转动机构；驱动机构固定连接在手臂固定架上，导轨转动机构与驱动机构的动力输出端连接；所述导轨转动机构包括转动固定板、导轮固定底板、半圆导轨、导轮和机器人旋转板，转动固定板连接在驱动机构上，导轮固定底板连接在转动固定板上，半圆导轨的里圈设置有连接在导轮固定底板上的导轮，半圆导轨的外圈通过齿轮传动与驱动机构的动力输出端连接。

所述手臂固定架包括机器人手臂板和人体手臂固定板，机器人手臂板和人体手臂固定板通过调节螺栓上下连接在一起。

所述驱动机构，包括电机、电机输入法兰、谐波减速器和电机输出法兰，电机通过电机架固定连接在手臂固定架上，电机输入法兰连接在电机前端，谐波减速器固定连接在电机输入法兰上，电机谐波减速器的输出端设置有电机输出法兰，电机输出法兰上安装有输出齿轮。

驱动机构通过齿轮传动带动半圆导轨的转动，半圆导轨再带动机器人旋转板运动，从而实现了电机带动机器人旋转板运动。

本发明基于人机工程学原理与机器人外骨骼式结构，通过导轮及齿轮啮合实现了导轨的三点固定；利用齿轮传动的方式完成了旋转关节机构的设计，实现了人机旋转关节的同轴运动。与传统外骨骼式康复机器人中的旋转关节相比，本发明具有如下特点：

①采用三点固定方式有效地实现了导轨固定，通过齿轮传动方式完成关节的旋转运动；

②外骨骼结构全部处于手臂外侧，不会对手臂姿态产生干扰。

附图说明

图1为本发明外骨骼康复机器臂旋转关节的结构示意图。

图2为本发明中手臂固定机构的结构示意图。

图3为本发明中驱动电机机构的结构示意图。

图4为图3中去掉电机输出法兰(208)后的结构示意图。

图5为本发明中导轨齿轮旋转机构的结构示意图。

图中：1、手臂固定机构，2、驱动机构，3、导轨齿轮旋转机构；

101、机器人手臂板，102、人体手臂固定板，103、第一人体手臂固定板螺栓，104、第二人体手臂固定板螺栓，105、第三人体手臂固定板螺栓，106、第四人体手臂固定板螺栓，107、第一人体手臂固定板螺母，108、第一机器人手臂板内螺母，109、第一机器人手臂板外螺母，110、第二人体手臂固定板螺母，111、第二机器人手臂板内螺母，112、第二机器人手臂板外螺母，113、第三人体手臂固定板螺母，114、第三机器人手臂板内螺母，115、第三机器人手臂板外螺母，116、第四人体手臂固定板螺母，117、第四机器人手臂板内螺母，118、第四机器人手臂板外螺母；

201、旋转电机，202、第一旋转电机固定架，203、第二旋转电机固定架，204、电机输入法兰，205、电机谐波减速器，206、谐波减速器端盖，207谐波减速器固定圈，208、电机输出法兰；

301、输出齿轮，302、转动固定板，303、导轮固定底板，304、半圆导轨，305、第一导轮，306第二导轮，307、机器人旋转板。

具体实施方式

如图1所示，本发明的外骨骼康复机器臂旋转关节，包括依次连接的手臂固定架1、驱动机构2和导轨齿轮旋转机构3。驱动机构2固定在手臂固定架1上，导轨齿轮旋转机构3固定在驱动电机机构2的前端，且由驱动机构2提供旋转的动力。

如图2所示，手臂固定架包括机器人手臂板101和人体手臂固定板102。机器人手臂板101和人体手臂固定板102均为长条形薄板，它们的四个边角上设置有四个相对应的螺栓孔。机器人手臂板101可以与外骨骼式康复机器人的上端固定配合，人体手臂固定板102与机器人手臂板101通过第一手臂固定板螺栓103、第二手臂固定板螺栓104、第三手臂固定板螺栓105和第四手臂固定板螺栓106进行固定与位置调节，四组螺钉固定方式相同。第一手臂固定板螺栓103依次穿过人体手臂固定板102、第一人体手臂固定板螺母107、第一机器人手臂板内螺母108、机器人手臂板101和第一机器人手臂板外螺母109；第二手臂固定板螺栓104依次穿过人体手臂固定板102、第一人体手臂固定板螺母110、第一机器人手臂板内螺母111、机器人手臂板101和第一机器人手臂板外螺母112；第三手臂固定板螺栓105依次穿过人体手臂固定板102、第一人体手臂固定板螺母113、第一机器人手臂板内螺母114、机器人手臂板101和第一机器人手臂板外螺母115；第四手臂固定板螺栓106依次穿过人体手臂固定板102、第一人体手臂固定板螺母116、第一机器人手臂板内螺母117、机器人手臂板101和第一机器人手臂板外螺母118。每个螺栓上通过调节三个螺母的位置，实现机器人手臂板101和人体手臂固定板102两个板件之间的位置调节。

如图3所示，驱动机构2包括电机201、电机输入法兰204、谐波减速器205和电机输出法兰208。电机201通过第一旋转电机固定架202和第二旋转电机固定架203固定在手臂固定架1中的机器人手臂板101上。第一旋转电机固定架202和第二旋转电机固定架203均为与旋转电机201相匹配的U形凹槽结构，且两端有螺纹孔，通过螺栓将旋转电机201固定在机器人手臂板101上。旋转电机201的前端固定有电机输入法兰204，电机输入法兰204为带有凸台的圆形法兰。电机谐波减速器205的输入端通过螺钉固定在电机输入法兰204的圆形法兰上，电机谐波减速器205的输入端固定连接有谐波减速器端盖206(参见图4)，电机谐波减速器205上还设置有谐波减速器固定圈207。旋转电机201的电机输出轴与谐波减速器端盖206连接。电机谐波减速器205的输出端外侧设置有电机输出法兰208，电机谐波减速器205的输出端和电机输出法兰208一起通过螺钉固定在谐波减速器固定圈207上，实现电机输出法兰208与谐波减速器205输出端的固定。电机输出法兰208上安装有输出齿轮301。工作时，旋转电机201带动谐波减速器端盖206转动，通过谐波减速器205内部传动结构带动其输出端和电机输出法兰208转动，完成电机力矩的放大。

如图5所示，导轨齿轮旋转机构3包括输出齿轮301、转动固定板302、导轮固定底板303、半圆导轨304、第一导轮305、第二导轮306和机器人旋转板307。转动固定板302为长条形薄板，导轮固定底板303为“凸”形薄板，转动固定板302的一端通过螺钉固定在电机输入法兰204的凸台上，另一端通过螺钉与导轮固定底板303的凸出端固定。第一导轮305和第二导轮306固定在一个滑轮架上，该滑轮架固定在导轮固定底板303上，两个导轮上都设置有与半圆导轨304的内圈相匹配的槽，可沿半圆导轨304的内圈转动。半圆导轨304的外圈加工有与输出齿轮301相啮合的齿。半圆导轨304利用输出齿轮301、第一导轮305和第二导轮306三者形成的平面保持位置的固定。半圆导轨304的一端固定连接有长方形的机器人旋转板307，实现旋转运动的输出。

工作时，驱动机构通过齿轮传动带动半圆导轨304的转动，半圆导轨304再带动机器人旋转板307运动，从而实现了电机带动机器人旋转板运动。

与现有外骨骼康复机器人旋转关节相比较，本发明通过导轨齿轮的结构，利用三点固定的方式，完成了外骨骼康复机器臂旋转关节的设计，具有结构简单，运动同轴，适用面广阔的特点，非常适合用于康复治疗训练。

Claims (3)

1.一种外骨骼康复机器臂旋转关节，包括手臂固定架、驱动机构和导轨转动机构；其特征是：驱动机构固定连接在手臂固定架上，导轨转动机构与驱动机构的动力输出端连接；所述导轨转动机构包括转动固定板、导轮固定底板、半圆导轨、导轮和机器人旋转板，转动固定板连接在驱动机构上，导轮固定底板连接在转动固定板上，半圆导轨的里圈设置有连接在导轮固定底板上的导轮，半圆导轨的外圈通过齿轮传动与驱动机构的动力输出端连接；所述导轮固定底板上设置有第一导轮和第二导轮，两个导轮上都设置有与半圆导轨的内圈相匹配的槽，驱动机构的动力输出端、第一导轮和第二导轮形成平面三角形，半圆导轨利用驱动机构的动力输出端、第一导轮和第二导轮三者形成的平面保持位置的固定。

2.根据权利要求1所述的外骨骼康复机器臂旋转关节，其特征是：所述手臂固定架包括机器人手臂板和人体手臂固定板，机器人手臂板和人体手臂固定板通过调节螺栓上下连接在一起；每个螺栓上设置有三个螺母，通过调节三个螺母的位置，实现机器人手臂板和人体手臂固定板两个板件之间的位置调节。

3.根据权利要求1所述的外骨骼康复机器臂旋转关节，其特征是：所述驱动机构，包括电机、电机输入法兰、谐波减速器和电机输出法兰，电机通过电机架固定连接在手臂固定架上，电机输入法兰连接在电机前端，谐波减速器固定连接在电机输入法兰上，电机谐波减速器的输出端设置有电机输出法兰，电机输出法兰上安装有输出齿轮。