CN106891323B - 一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼 - Google Patents

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Abstract

一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼，为解决现有重力平衡外骨骼不能针对不同负载自动进行调节的问题。本发明的大臂与小臂的结构相同，大臂包括前关节、大臂上部连杆、重力平衡弹簧、第一钢丝绳、第二钢丝绳、反向力弹簧、大臂下部连杆、电机、减速器、滑轨、丝杠螺母、后关节、丝杠、重力平衡弹簧固定座、反向力弹簧固定座、第一凸轮、第二凸轮、两个上转轴、两个下转轴、两个丝杠轴承座和四个轴承；大臂、小臂和依次布置，大臂上的后关节与小臂上的前关节通过肘部转轴铰接，小臂上的后关节通过手部转轴与手部前关节铰接。本发明用于助力搬运较重的货物或帮助随身携带某些物品，本发明可以平衡掉由于货物重量产生的重力，减轻人体上肢的负重。

Description

一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼
技术领域
本发明涉及一种上肢助力外骨骼，具体涉及一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼。
背景技术
目前，上肢外骨骼机器人从控制方法上可分为主动控制和被动控制两种。现有的利用弹簧进行重力平衡上肢外骨骼当面对不同负载的场合时大多需要人工进行手动调节，这类设计在面对负载需要频繁变化的场合是由于调节工作的繁琐使其的应用受到了极大的限制。
本发明属于其中的被动控制，该方法利用弹簧储存的能量与负载的重力势能进行平衡，从而实现助力效果。
发明内容
本发明为解决现有重力平衡外骨骼不能针对不同负载自动进行调节的问题，而提出一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼。
本发明的一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼，其组成包括大臂、小臂、手部、肘部转轴和手部转轴，大臂与小臂的结构相同，大臂包括前关节、大臂上部连杆、重力平衡弹簧、第一钢丝绳、第二钢丝绳、反向力弹簧、大臂下部连杆、电机、减速器、滑轨、丝杠螺母、后关节、丝杠、重力平衡弹簧固定座、反向力弹簧固定座、第一凸轮、第二凸轮、两个上转轴、两个下转轴、两个丝杠轴承座和四个轴承，两个上转轴与两个下转轴呈矩形布置，前关节与左侧的上转轴和下转轴通过轴承铰接，后关节与右侧的上转轴和下转轴通过轴承铰接，大臂上部连杆与大臂下部连杆上下设置，大臂上部连杆的左端与前关节上的上转轴铰接，大臂上部连杆的右端与后关节上的上转轴铰接，大臂下部连杆的左端与前关节上的下转轴铰接，大臂下部连杆的右端与后关节上的下转轴铰接，大臂上部连杆、大臂下部连杆、前关节和后关节构成平行四边形连杆结构，重力平衡弹簧固定座固定在大臂上部连杆的内侧壁上，重力平衡弹簧的一端与重力平衡弹簧固定座固定，重力平衡弹簧的另一端与第一钢丝绳连接，第一钢丝绳绕过后关节上的上转轴连接到丝杠螺母上，反向力弹簧固定座固定在大臂下部连杆的内侧壁上，反向力弹簧的一端与反向力弹簧固定座固定，反向力弹簧的另一端与第二钢丝绳连接，第二钢丝绳绕过第一凸轮和第二凸轮后连接到丝杠螺母上，第一凸轮和第二凸轮均与前关节上的下转轴铰接，丝杠螺母与丝杠螺纹连接，丝杠通过减速器与电机连接，丝杠螺母与滑轨滑动连接，滑轨连接到大臂下部连杆上，两个丝杠轴承座支撑在丝杠的两端，丝杠轴承座连接到大臂下部连杆上，大臂和小臂依次布置，大臂上的后关节与小臂上的前关节通过肘部转轴铰接，小臂上的后关节通过手部转轴与手部前关节铰接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明设计了反向力平衡调节机构，使得在面对较大负载调整的场合都可以使用较小的力进行调节。与现有的重力平衡上肢外骨骼相比，本发明本结构可以实现针对不同负载情况的自动调节，大大增加了实用性。
二、本发明增加的反向力调节机构大大减小了电机在调节过程中所需的输出力，降低了成本，节约了能源。
三、第一凸轮和第二凸轮的作用是使反向力调节弹簧的输出与弹簧的最大伸长量与实际伸长量的差值成正比。第一凸轮和第二凸轮使得平衡机构在不同的挂点位置均能较好的实现反向平衡效果。
附图说明
图1是本发明的整体结构俯视图；
图2是大臂A的俯视图；
图3是大臂A的剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式包括大臂A、小臂B、手部C、肘部转轴D和手部转轴E，大臂A与小臂B的结构相同，大臂A包括前关节3、大臂上部连杆4、重力平衡弹簧5、第一钢丝绳6、第二钢丝绳7、反向力弹簧8、大臂下部连杆9、电机10、减速器11、滑轨13、丝杠螺母14、后关节15、丝杠16、重力平衡弹簧固定座17、反向力弹簧固定座20、第一凸轮21、第二凸轮22、两个上转轴1、两个下转轴2、两个丝杠轴承座19和四个轴承12，两个上转轴1与两个下转轴2呈矩形布置，前关节3与左侧的上转轴1和下转轴2通过轴承12铰接，后关节15与右侧的上转轴1和下转轴2通过轴承12铰接，大臂上部连杆4与大臂下部连杆9上下设置，大臂上部连杆4的左端与前关节3上的上转轴1铰接，大臂上部连杆4的右端与后关节15上的上转轴1铰接，大臂下部连杆9的左端与前关节3上的下转轴2铰接，大臂下部连杆9的右端与后关节15上的下转轴2铰接，大臂上部连杆4、大臂下部连杆9、前关节3和后关节15构成平行四边形连杆结构，重力平衡弹簧固定座17固定在大臂上部连杆4的内侧壁上，重力平衡弹簧5的一端与重力平衡弹簧固定座17固定，重力平衡弹簧5的另一端与第一钢丝绳6连接，第一钢丝绳6绕过后关节15上的上转轴1连接到丝杠螺母14上，实现正向的平衡；反向力弹簧固定座20固定在大臂下部连杆9的内侧壁上，反向力弹簧8的一端与反向力弹簧固定座20固定，反向力弹簧8的另一端与第二钢丝绳7连接，第二钢丝绳7绕过第一凸轮21和第二凸轮22后连接到丝杠螺母14上，实现反向的平衡；第一凸轮21和第二凸轮22均与前关节3上的下转轴2铰接，丝杠螺母14与丝杠16螺纹连接，丝杠16通过减速器11与电机10连接，电机10与大臂上部连杆4固接，丝杠螺母14与滑轨13滑动连接，滑轨13连接到大臂下部连杆9上，两个丝杠轴承座19支撑在丝杠16的两端，丝杠轴承座19连接到大臂下部连杆9上；
大臂A和小臂B依次布置，大臂A上的后关节15与小臂B上的前关节3通过肘部转轴D铰接，小臂B上的后关节15通过手部转轴E与手部C前关节3铰接。
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的第一凸轮21和第二凸轮22的结构形状、大小尺寸相同。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3说明本实施方式，本实施方式的重力平衡弹簧固定座17和反向力弹簧固定座20均为直角板。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3说明本实施方式，本实施方式与的具体实施方式三不同的是它还增加有滚轮18，滚轮18套装在后关节15上的上转轴1上，且第一钢丝绳6绕过滚轮18。这样设计可以减少第一钢丝绳6的摩擦力。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
本发明的具体原理及运转过程：
当大臂A实现俯仰方向的转动时，在负载不变的情况下，保持丝杠螺母14位置不动，大臂俯仰的不同角度对应重力平衡弹簧5的不同伸长量，从而实现大臂A在不同姿态时均能保持垂直方向上的平衡状态。
当负载重量发生变化时，通过电机10带动丝杠16转动，丝杠螺母14沿滑轨13移动，通过第一钢丝绳6调节重力平衡弹簧5的伸长量，实现机构在新负载下的平衡。丝杠螺母14沿滑轨13移动的同时，通过第二钢丝绳7调节反向力弹簧8的伸长量，以部分平衡重力平衡弹簧5在实现重力平衡效果时产生的沿丝杠16轴向的力，使得电机10在针对不同负载调节弹簧挂点时，能够以较小的输出实现调节作用。

Claims (4)

1.一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼，其特征在于：所述上肢外骨骼包括大臂
(A)、小臂(B)、手部(C)、肘部转轴(D)和手部转轴(E)，大臂(A)与小臂(B)的结构相同，大臂(A)包括前关节(3)、大臂上部连杆(4)、重力平衡弹簧(5)、第一钢丝绳(6)、第二钢丝绳(7)、反向力弹簧(8)、大臂下部连杆(9)、电机(10)、减速器(11)、滑轨(13)、丝杠螺母(14)、后关节(15)、丝杠(16)、重力平衡弹簧固定座(17)、反向力弹簧固定座(20)、第一凸轮(21)、第二凸轮(22)、两个上转轴(1)、两个下转轴(2)、两个丝杠轴承座(19)和四个轴承(12)，两个上转轴(1)与两个下转轴(2)呈矩形布置，前关节(3)与左侧的上转轴(1)和下转轴(2)通过轴承(12)铰接，后关节(15)与右侧的上转轴(1)和下转轴(2)通过轴承(12)铰接，大臂上部连杆(4)与大臂下部连杆(9)上下设置，大臂上部连杆(4)的左端与前关节(3)上的上转轴(1)铰接，大臂上部连杆(4)的右端与后关节(15)上的上转轴(1)铰接，大臂下部连杆(9)的左端与前关节(3)上的下转轴(2)铰接，大臂下部连杆(9)的右端与后关节(15)上的下转轴(2)铰接，大臂上部连杆(4)、大臂下部连杆(9)、前关节(3)和后关节(15)构成平行四边形连杆结构，重力平衡弹簧固定座(17)固定在大臂上部连杆(4)的内侧壁上，重力平衡弹簧(5)的一端与重力平衡弹簧固定座(17)固定，重力平衡弹簧(5)的另一端与第一钢丝绳(6)连接，第一钢丝绳(6)绕过后关节(15)上的上转轴(1)连接到丝杠螺母(14)上，反向力弹簧固定座(20)固定在大臂下部连杆(9)的内侧壁上，反向力弹簧(8)的一端与反向力弹簧固定座(20)固定，反向力弹簧(8)的另一端与第二钢丝绳(7)连接，第二钢丝绳(7)绕过第一凸轮(21)和第二凸轮(22)后连接到丝杠螺母(14)上，第一凸轮(21)和第二凸轮(22)均与前关节(3)上的下转轴(2)铰接，丝杠螺母(14)与丝杠(16)螺纹连接，丝杠(16)通过减速器(11)与电机(10)连接，丝杠螺母(14)与滑轨(13)滑动连接，滑轨(13)连接到大臂下部连杆(9)上，两个丝杠轴承座(19)支撑在丝杠(16)的两端，丝杠轴承座(19)连接到大臂下部连杆(9)上，大臂(A)和小臂(B)依次布置，大臂(A)上的后关节(15)与小臂(B)上的前关节(3)通过肘部转轴(D)铰接，小臂(B)上的后关节(15)通过手部转轴(E)与手部(C)前关节(3)铰接。
2.根据权利要求1所述的一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼，其特征在于：所述第一凸轮(21)和第二凸轮(22)的结构形状、大小尺寸相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼，其特征在于：所述重力平衡弹簧固定座(17)和反向力弹簧固定座(20)均为直角板。
4.根据权利要求3所述的一种可调负载线性弹簧储能上肢外骨骼，其特征在于：所述上肢外骨骼还包括滚轮(18)，滚轮(18)套装在后关节(15)上的上转轴(1)上，且第一钢丝绳(6)绕过滚轮(18)。
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