CN106038169B - 一种绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构，通过臂杆下端(2)沿着滑轨(3)相对臂杆上端(1)运动调节臂杆的长度，同时调节蜗轮蜗杆张紧模块(8)保证钢丝绳的张紧。本发明旨在解决绳驱动外骨骼机械臂调节臂长同时保证钢丝绳张紧困难、张紧度难保证等问题。

Description

一种绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构
技术领域
本发明涉及一种外骨骼机械臂，属于康复医疗技术领域。
背景技术
当上肢由于各种原因受伤，为了更快、更好的恢复肢体机能，康复治疗就显得尤为重要。但是病人特别是严重伤残病人接受治疗时，需要治疗师长期一对一陪同、指导下进行反复训练。该疗法训练过程简单，但工作强度高且要求治疗师有高度熟练的技巧。
随着机器人技术的发展，机器人在简单重复工作上体现的优势，国内外开始了机械臂辅助病人康复的研究，不少国家已经取得了相应的成果。华盛顿大学CADEN-7康复机械臂是通过采集人手臂肌电型号反馈控制机械臂运动的7自由度绳驱动外骨骼，LIMPACT外骨骼通过传感器信息选择康复方案的4自由度外骨骼机械臂，日本筑波大学研发了面向高龄护理、残疾人辅助及危险作业的全身外骨骼机器人系统HAL-5。国内也有不少学校在康复机械臂上取得了成果。上海交通大学研制没有添加任何外部驱动装置与控制电路的上肢康复机器人，哈尔滨工业大学机器人研究所研制了一款集单关节训练、多关节训练和日常生活行为动作训练于一体的综合性偏瘫上肢康复训练机器人系统。但是，现有技术中的绳驱动机器人系统存在绳驱动外骨骼机械臂调节臂长同时保证钢丝绳张紧困难、张紧度难保证等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构，
本发明的技术方案是：
一种绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构，包括：臂杆上端、臂杆下端、滑轨、直线轴承、第一螺钉、第二螺钉、第三螺钉、蜗轮蜗杆张紧模块；其中，
所述臂杆上端与滑轨通过第一螺钉固定，所述臂杆下端与直线轴承通过第二螺钉固定，所述滑轨穿过直线轴承，所述臂杆上端与臂杆下端通过第三螺钉固定。
优选地，所述蜗轮蜗杆张紧模块包括：支座、电机、绕线轮b、绕线轮a、蜗杆、蜗轮、第一轴承、第二轴承、第三轴承、轴承座、第一端盖、第二端盖、键、第一绳、第二绳；
所述支座和电机固定，所述绕线轮a和电机连接在一起，所述轴承座与蜗轮与轴承与绕线轮a过盈配合，蜗轮与绕线轮a通过键固定在一起，所述蜗杆通过第四轴承安装在绕线轮a中，并用第二端盖卡住，所述第一轴承设置在支座和轴承座之间，并用第二端盖卡住，所述第二轴承设置在绕线轮b与轴承座之间，所述蜗杆与蜗轮啮合，所述第一绳、第二绳反向缠绕并分别固定在绕线轮a和绕线轮b上。
优选地，松开所述第三螺钉，能够实现臂杆下端连同直线轴承沿着滑轨上下运动，以实现臂杆长度的调节。
优选地，转动蜗杆，在蜗轮蜗杆传动下，能够实现绕线轮a与绕线轮b的相对转动，以实现缠绕在绕线轮a和绕线轮b上的第一绳、第二绳的张紧与放松。
优选地，所述臂长调节机构通过臂长调节模块与涡轮蜗杆张紧模块共同实现臂长的调节与绳的张紧。
本发明还提供了一种绳驱动外骨骼机械臂，包括驱动机构，以及以上技术方案中任一项所述的臂长调节机构。
优选地，所述驱动机构包括绳驱动机构和电机直接驱动机构。
本发明还提供了一种外骨骼，所述外骨骼包括根据以上技术方案中任一项所述的绳驱动外骨骼机械臂。
通过以上技术方案，本发明解决了绳驱动外骨骼机械臂调节臂长同时保证钢丝绳张紧困难、张紧度难保证的问题。
附图说明
图1是本发明的绳驱动外骨骼机械臂示意图
图2是图1中的臂长调节机构示意图
图3是蜗轮蜗杆张紧模块外部示意图
图4是本发明的臂长调节机构主视图
图5是本发明的臂长调节机构左视图
图6是本发明的长距离弧线传动机构结构示意图
图7是本发明的小型绳传动滑轮结构示意图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
图1所示的是一种根据本发明的绳驱动外骨骼的机械臂，其可以用作病人的综合性康复训练，并且特别优选地，可以用于上肢的康复训练。在伤残病人接受康复治疗时，本发明的机械臂穿戴于病人身上，能够代替康复治疗师对病人进行长期、稳定且准确的康复训练。
人体上肢包括肩部、上臂、前臂和手四部分，包括肩关节、肘关节、腕关节和指关节。机械臂主要涉及肩关节、肘关节、腕关节三个关节的运动。与人上肢关节一一对应，绳驱动机械臂自由度按3-1-3配置共有七个自由度，为了提高机械臂的性能，各关节都安装有力传感器。如图1所示：大臂3个自由度(关节一(1)、关节二(2)2个摆动自由度和关节三(3)周转自由度)、肘部1个摆动自由度(关节四(4))和小臂3个自由度(关节五(5)周转自由度和关节六(6)、关节七(7)2个摆动自由度)。
肘部的弯曲、大臂的旋转以及2个摆动，这四个关节由安装在底部基座上的四个电机进行驱动。电机通过绳以及滑轮，将力矩传输给上肢4个关节。
小臂的旋转、手腕的2个摆动，这三个关节由安装在小臂各关节处的电机直接驱动。
本发明的绳驱动外骨骼的机械臂包括臂长调节机构、驱动机构。其中臂长调节机构能够对外骨骼的机械臂长度进行调整，以适应使用者的身体；驱动机构为绳驱动外骨骼的关节运动提供动力。
驱动机构
为了在减轻外骨骼机械臂质量的同时最大程度的保证臂结构的简单稳定，本发明的绳驱动外骨骼采用混合驱动的方式。关节1、2、3、4采用绳驱动并将电机等安置于基座中，关节5采用绳驱动，关节6、7采用电机直驱。
以上所述的驱动机构还可以包括现有技术中的任何适用的驱动类型，其中的电机可以使用例如交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机、变频电机；其中的绳驱动可以使用现有技术中的任意类型，例如棉绳索、麻绳索、涤纶绳索、钢丝绳索等。
臂长调节机构
如图2所示，绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构包括：臂杆上端(201)、臂杆下端(202)、滑轨(203)、直线轴承(204)、第一螺钉(205)、第二螺钉(206)、第三螺钉(207)、蜗轮蜗杆张紧模块(308)；其特征在于，
臂杆上端(201)与滑轨(203)通过第一螺钉(205)固定，所述臂杆下端(202)与直线轴承(204)通过第二螺钉(206)固定，所述滑轨(203)穿过直线轴承(204)，所述臂杆上端(201)与臂杆下端(202)通过第三螺钉(207)固定。
蜗轮蜗杆张紧模块包括：支座(409)、电机(410)、绕线轮b(411)、绕线轮a(412)、蜗杆(413)、蜗轮(414)、第一轴承(415)、第二轴承(416)、第三轴承(417)、轴承座(418)、第一端盖(419)、第二端盖(421)、键(422)、第一绳(323)、第二绳(324)；
支座(409)和电机(410)固定，所述绕线轮a(412)和电机(410)连接在一起，所述轴承座(418)与蜗轮(414)与轴承(411)与绕线轮a(412)过盈配合，蜗轮(414)与绕线轮a(412)通过键(422)固定在一起，所述蜗杆(413)通过第四轴承(420)安装在绕线轮a(411)中，并用第二端盖(421)卡住，所述第一轴承(415)设置在支座(409)和轴承座(418)之间，并用第二端盖(419)卡住，所述第二轴承(416)设置在绕线轮b(411)与轴承座(418)之间，所述蜗杆(413)与蜗轮(414)啮合，所述第一绳(323)、第二绳(324)反向缠绕并分别固定在绕线轮a(412)和绕线轮b(411)上。
松开第三螺钉(207)，能够实现臂杆下端(202)连同直线轴承(204)沿着滑轨(203)上下运动，以实现臂杆长度的调节。
转动蜗杆(413)，在蜗轮蜗杆传动下，能够实现绕线轮a(412)与绕线轮b(411)的相对转动，以实现缠绕在绕线轮a(412)和绕线轮b(413)上的第一绳(323)、第二绳(324)的张紧与放松。
通过臂长调节机构与蜗轮蜗杆张紧模块共同实现臂长的调节与绳的张紧。
长距离弧线传动机构
长距离弧线传动机构使用长条聚四氟乙烯代替多个滑轮解决绳传动绳长陡变。臂杆转动关节半圆导轨外侧采用长条聚四氟乙烯代替使用多组滑轮传动，可以避免关节转动时由于换轮导致的绳长陡变。
长距离弧线传动机构包括臂杆上端(601)、臂杆下端(602)、滑轨(603)、滑块(604)、聚四氟乙烯滑道(605)、轴承(606)、螺钉(607)、绳(608)、轴承座(609)和滑轮(610)；
滑轨(603)固定在臂杆上端(601)上，所述滑块(604)固定在臂杆下端(602)上，所述轴承(606)安置在轴承座(609)上，所述轴承座(609)与臂杆下端(602)固定在一起，所述聚四氟乙烯滑道(605)通过螺钉(607)固定在臂杆上端(601)上，所述绳(608)在聚四氟乙烯滑道(605)上并通过轴承(606)换向。
输入端绳绕过滑轮(610)后再绕过弧形滑轨(603)外侧的聚四氟乙烯滑道(605)，最后通过固定在轴承座(609)上的轴承(606)往下连接到下一个关节。
所述臂杆下端(602)通过滑块(604)在滑轨(603)上的运动实现相对于臂杆上端(601)的转动，导致绳(608)的长度不断变化，聚四氟乙烯滑道的使用使绳(608)长度不会出现陡变。
传动滑轮
小型绳传动滑轮由于绳上力矩较大，使用双轴承，轴采用螺钉的形式，更方便。
小型绳传动滑轮包括轴承(701、702)、滑轮(703)、特制螺钉(704)、底座(705)、套筒(706、707、708)、轴承挡圈(709)；
轴承(701、702)和套筒(706、707、708)按顺序安置在特制螺钉(704)上，滑轮(703)安置在轴承(701、702)上并用轴承挡圈(706)卡住，特制螺钉(704)固定在底座(705)上。特制螺钉(704)下端为正常螺纹，中间部分有一段有公差要求的定位面与底座(705)接触以保证底座(705)与特制螺钉(704)的同轴度。
以上应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种绳驱动外骨骼机械臂的臂长调节机构，包括：臂杆上端(201)、臂杆下端(202)、滑轨(203)、直线轴承(204)、第一螺钉(205)、第二螺钉(206)、第三螺钉(207)、蜗轮蜗杆张紧模块(308)；其特征在于，
所述臂杆上端(201)与滑轨(203)通过第一螺钉(205)固定，所述臂杆下端(202)与直线轴承(204)通过第二螺钉(206)固定，所述滑轨(203)穿过直线轴承(204)，所述臂杆上端(201)与臂杆下端(202)通过第三螺钉(207)固定；
所述蜗轮蜗杆张紧模块包括：支座(409)、电机(410)、绕线轮b(411)、绕线轮a(412)、蜗杆(413)、蜗轮(414)、第一轴承(415)、第二轴承(416)、第三轴承(417)、轴承座(418)、第一端盖(419)、第二端盖(521)、键(522)、第一绳(323)、第二绳(324)；
所述支座(409)和电机(410)固定，所述绕线轮a(412)和电机(410)连接在一起，所述轴承座(418)、蜗轮(414)分别与轴承(415、416、417)、绕线轮a(412)过盈配合，蜗轮(414)与绕线轮a(412)通过键(522)固定在一起，所述蜗杆(413)通过第四轴承(520)安装在绕线轮a(412)中，并用第二端盖(521)卡住，所述第一轴承(415)设置在支座(409)和轴承座(418)之间，并用第二端盖(521)卡住，所述第二轴承(416)设置在绕线轮b(411)与轴承座(418)之间，所述蜗杆(413)与蜗轮(414)啮合，所述第一绳(323)、第二绳(324)反向缠绕并分别固定在绕线轮a(412)和绕线轮b(411)上。
2.根据权利要求1所述的臂长调节机构，其特征在于，松开所述第三螺钉(207)，能够实现臂杆下端(202)连同直线轴承(204)沿着滑轨(203)上下运动，以实现臂杆长度的调节。
3.根据权利要求1所述的臂长调节机构，其特征在于，转动蜗杆(413)，在蜗轮蜗杆传动下，能够实现绕线轮a(412)与绕线轮b(411)的相对转动，以实现缠绕在绕线轮a(412)和绕线轮b(411)上的第一绳(323)、第二绳(324)的张紧与放松。
4.根据权利要求1所述的臂长调节机构，其特征在于，所述臂长调节机构通过臂长调节模块与涡轮蜗杆张紧模块共同实现臂长的调节与绳的张紧。
5.一种绳驱动外骨骼机械臂，包括驱动机构，以及根据权利要求1-4中任一项所述的臂长调节机构。
6.根据权利要求5所述的绳驱动外骨骼机械臂，其特征在于，所述驱动机构包括绳驱动机构和电机直接驱动机构。
7.一种外骨骼，其特征在于，所述外骨骼包括根据权利要求5-6中任一项所述的绳驱动外骨骼机械臂。
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