CN107175652A - 一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，该重力平衡机构包括钢丝绳、弹簧、滑轮组、直线运动单元及可调固定单元，钢丝绳一端固定，另一端连接旋转臂，钢丝绳缠绕在滑轮组上，滑轮组中的动滑轮安装在直线运动单元的滑块附件上，动滑轮随滑块附件一起做直线运动。弹簧一端连接滑块附件，另一端连接可调固定单元。通过引入重力平衡机构，大幅减小上肢康复外骨骼的第二关节驱动扭矩，采用滑轮组的方式，降低弹簧的拉伸变形量，将弹簧的拉伸变形量降低至原来的一半。同时，通过增加可调固定单元，能够控制弹簧的初始拉伸变形量，使得该重力平衡机构平衡具有较大的平衡范围，同时，解决了弹簧安装不方便的问题。

Description

一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构

技术领域

本发明涉及一种重力平衡机构，具体说，涉及一种用于上肢康复外骨骼机构的重力平衡机构。

背景技术

为弥补传统人工康复训练的不足，降低医师繁重的工作强度并为患者提供准确、有效的康复医疗服务，国内外一些院校的实验室和康复医疗机构相继开展了穿戴型上肢康复外骨骼的相关研究。从运动解剖学、生物力学和人因工程学的角度出发，根据人体上肢的形态构造和功能，对人体上肢的自由度进行分析，得出上肢(不含手掌)具有5个自由度(5-DOF)：肩关节前屈/后伸、内收/外展、旋内/旋外，肘关节屈/伸，前臂旋内/旋外。针对人体上肢各关节的活动范围和自由度要求，设计和综合上肢康复机器人的本体构型和驱动方式，实现对患者上肢的精确康复训练、柔性训练，并且实时准确地调整施加在患肢上的运动参数和力/矩参数。

上肢康复外骨骼在康复训练过程中处于一种低速的工作状态，由其自身构件重力产生的力矩占主导作用，采用被动重力平衡技术可明显消除关节的重力矩，进而减小驱动装置重量。被动重力平衡按其平衡效果可分为两类：完全重力平衡与部分重力平衡。完全重力平衡可通过配重、零初长弹簧平衡装置实现；部分重力平衡可通过非零初长弹簧结合优化算法实现，但对多自由度机构平衡时弹簧使用数目较多。由于配重法会明显增加系统质量，故优先选用弹簧法对机构进行重力平衡。本发明采用零初长弹簧单元(Zero-free-length Spring)作为外骨骼系统的重力平衡机构，其原理如图1所示，关节杆J绕转心O转动角度θ，由能量守恒原理可知，关节杆J的重力势能和弹簧S的弹性势能之和保持恒定，弹簧S被拉伸，钢丝绳W缩短，缩短的距离转化为钢丝绳CD的长度，弹簧S产生的弹簧力F₁经滑轮导R向转换为钢丝绳CD的拉力F₂，利用拉力F₂抵消关节杆的重力G，实现对关节杆的完全重力平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，以解决上述问题。

本发明的实施例提供了一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，该重力平衡机构包括钢丝绳、弹簧、滑轮组、直线运动单元及可调固定单元，钢丝绳一端固定，另一端连接旋转臂，钢丝绳缠绕在滑轮组上。滑轮组中的动滑轮安装在直线运动单元的滑块附件上，动滑轮随滑块附件一起直线运动。

进一步，弹簧一端连接滑块附件，另一端连接可调固定单元。

进一步，滑轮组包括动滑轮、导向轮，钢丝绳缠绕在动滑轮上，经两个导向轮导向，固定于旋转臂。

进一步，直线运动单元主要包括直线导轨、滑块、滑块附件，直线导轨固定在上肢康复外骨骼的竖板上，滑块附件安装并固定在滑块上，滑块附件及动滑轮在弹簧及钢丝绳的共同作用下沿直线导轨运动。

进一步，可调固定单元主要包括丝杠、螺母副及固定座组成，丝杠的上端为六边形，螺母副与丝杠配合，使用含有内六边形凹槽的专用工具，转动丝杠，调整螺母副在可调固定单元上的位置。弹簧一端连接滑块附件，另一端挂靠在螺母副的凸台上，通过调整螺母副的位置，控制弹簧的初始长度。

与现有技术相比本发明的有益效果是：通过在上肢康复外骨骼中引入重力平衡机构，大幅降低关节驱动力矩，减小了驱动电机的功率、体积，提高了外骨骼的关节动力学性能。

附图说明

图1是本发明重力平衡机构原理图；

图2是本发明一种上肢康复外骨骼的轴测视图；

图3是本发明一种上肢康复外骨骼的局部视图；

图4是重力平衡机构的正视图；

图5是重力平衡机构的剖视图；

图6是可调固定单元的轴侧视图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图5所示，图1是本发明重力平衡机构原理图，图2是本发明一种上肢康复外骨骼的轴测视图，图3是本发明一种上肢康复外骨骼的局部视图，图4是重力平衡机构的正视图，图5是重力平衡机构的剖视图，图6是可调固定单元的轴侧视图。

本实施例提供了一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，参图2～图6所示，该上肢康复外骨骼机构包括5个主动关节、4个被动滑动副及3个调整单元，主动关节包括第一关节3、第二关节4、第三关节6、第四关节7及第五关节8，被动滑动副包括第一被动滑动副、第二被动滑动副、第三被动滑动副10及第四被动滑动副11，调整单元包括可调转盘1、丝杠调整单元5及导杆调整单元9。该上肢康复外骨骼机构的五个主动关节呈串联排列，由直流电机经谐波减速器驱动。上肢康复外骨骼的主机构通过可调转盘1安装在升降柱102的顶端，所述升降柱102的下部连接装置底板101，患者104坐靠在专用座椅103上，调整所述升降柱102的高度以适应不同患者104的身高尺寸。所述可调转盘1分别连接悬臂梁11与主动关节、被动滑动副，主动关节及被动滑动副安装在所述悬臂梁11的末端，通过转动所述可调转盘1，调整所述悬臂梁11及主动关节偏离中心面的距离。第一被动滑动副及第二被动滑动副水平垂直安装在所述悬臂梁11末端下部，两滑动副被外罩2包裹，且在各滑动副中设置了两个拉伸弹簧，以提高滑动副的弹性和对主动关节的支撑作用。第一关节3竖直地安装在第二被动滑动副的下部，所述第一关节3的轴线指向所述患者104的盂肱关节中心。第二关节4通过竖板12连接所述第一关节3，所述第二关节4垂直地安装在所述竖板12上，所述第二关节4的轴线水平地指向所述患者104的盂肱关节中心。上臂主被融合关节6安装在所述第二关节4的旋转臂上，所述上臂主被融合关节6的轴线沿所述患者104的上臂指向其盂肱关节中心。丝杠调整单元5安装在所述旋转臂与所述上臂主被融合关节6之间，调整所述上臂主被融合关节6沿自身轴线方向的位置，以适应不同患者的上臂尺寸。上臂被动滑动副10设置在所述上臂主被融合关节6的一级半环内，所述上臂被动滑动副10的二级半环与所述患者104的上臂绑缚连接，采用导轨和滑块组合的方式，使得所述二级半环能够沿所述一级半环相对滑动，且两者之间设置了四个一级压簧，所述上臂被动滑动副10用于补偿及适应人体上肢在抬升过程中上臂与所述上臂主被融合关节6的位移偏离。第四关节7与所述患者104的肘关节相对应，所述第四关节7连接所述上臂主被融合关节6与前臂主被融合关节8。所述前臂主被融合关节8的四级半环上安装了前臂被动滑动副11，在所述前臂被动滑动副11内设置了四个二级压簧，所述前臂被动滑动副11与所述患者104的前臂绑缚连接，以补偿及适应前臂相对于所述前臂主被融合关节8的位移变化。导杆调整单元9安装在所述前臂主被融合关节8的前臂箱体上，手柄安装在两根导杆上，能够沿所述导杆移动，以适应不同所述患者104的前臂尺寸。

该重力平衡机构包括弹簧13、钢丝绳14、滑轮组、直线运动单元及可调固定单元，所述钢丝绳14一端固定于一级螺柱15，一级螺柱15安装在所述竖板12上，所述钢丝绳14的另一端连接二级螺柱16，所述二级螺柱16安装所述旋转臂32上，所述钢丝绳14缠绕在滑轮组上。滑轮组包括动滑轮17、左导向轮18、右导向轮19，所述钢丝绳14缠绕在所述动滑轮17上，所述动滑轮17固定在直线运动单元上，所述钢丝绳14经所述左导向轮18和右导向轮19约束和导向，固定于所述二级螺柱16。滑轮组中的所述动滑轮17安装在直线运动单元的滑块附件20上，所述动滑轮17随所述滑块附件20沿直线导轨22一起做直线运动。

直线运动单元主要包括直线导轨22、滑块21、滑块附件20，所述竖板12下部设计有矩形沉槽，所述直线导轨22通过螺钉安装矩形沉槽内，所述滑块21与所述直线导轨22滑动配合，所述滑块附件20安装并固定在所述滑块21上。在所述滑块附件20上设计了长圆柱凸台和短圆柱凸台，所述弹簧13的下端挂在长圆柱凸台上，一级轴端挡圈29用于防止所述弹簧13从长圆柱凸台上滑脱；所述动滑轮17安装在短圆柱凸台上且能够自由转动，二级轴端挡圈30用于轴向固定所述动滑轮17。因此，所述滑块附件20安装并固定在所述滑块21上，所述滑块附件20及所述动滑轮17在所述弹簧13及所述钢丝绳14的共同作用下沿所述直线导轨22运动。

可调固定单元主要由丝杠25、螺母副24及固定座23组成，所述竖板12上部设计了开口槽，可调固定单元通过螺钉安装在开口槽内，所述丝杠25安装在所述固定座23上，两端由上滑动轴承27和下滑动轴承26支撑并定位，所述螺母副24与所述丝杠25配合，所述螺母副24具有矩形外形，中部设计有与所述丝杠25配合的螺纹，同时侧面设计有凸台，所述弹簧13的上端挂靠在凸台上，三级轴端挡圈28用于防止所述弹簧13从凸台上滑脱。所述丝杠25上端设计有六边形凸台，工具31含有与六边形凸台配合的凹槽，通过所述专用工具31转动所述丝杠25，调整所述螺母副24在可调固定单元的位置。由于弹簧一端连接所述滑块附件20，另一端挂靠在所述螺母副24的凸台上，通过调整所述螺母副24的位置，控制所述弹簧13的初始长度。

本发明提供一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，具有如下有益效果：

1)通过引入重力平衡机构，大幅减小上肢康复外骨骼的第二关节驱动扭矩，同时，提高第二关节动力学性能。

2)采用动滑轮组方式，降低弹簧的拉伸变形量，将弹簧的拉伸变形量降低至原来的一半。

3)通过增加可调固定单元，能够控制弹簧的初始拉伸变形量，使得该重力平衡机构平衡具有较大的平衡范围，同时，解决了弹簧安装不方便的问题。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，该重力平衡机构包括钢丝绳、弹簧、滑轮组、直线运动单元及可调固定单元，钢丝绳一端固定，另一端连接旋转臂，钢丝绳缠绕在滑轮组上；

滑轮组中的动滑轮安装在直线运动单元的滑块附件上，动滑轮随滑块附件一起做直线运动；

弹簧一端连接滑块附件，另一端连接可调固定单元。

2.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，滑轮组包括动滑轮、导向轮，钢丝绳缠绕在动滑轮上，经两个导向轮导向，固定于旋转臂。

3.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，直线运动单元包括直线导轨、滑块、滑块附件，直线导轨固定在上肢康复外骨骼的竖板上，滑块附件安装并固定在滑块上，滑块附件及动滑轮在弹簧及钢丝绳的共同作用下沿直线导轨运动。

4.根据权利要求1所述的一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，其特征在于，可调固定单元包括丝杠、螺母副及固定座组成，丝杠的上端为六边形，螺母副与丝杠配合，螺母副具有矩形外形，中部设计有与丝杠配合的螺纹，螺母副侧面设计有凸台；使用含有呈六边形凹槽的专用工具，转动丝杠，调整螺母副在可调固定单元上的位置；弹簧一端挂靠在滑块附件上，另一端挂靠在螺母副的凸台上，通过调整螺母副的位置，控制弹簧的初始长度。