CN107349080B - 一种康复机器人旋转关节永磁助力机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，它涉及医疗保健领域。包括定子单元，转子单元，调整单元，锁定单元，磁屏蔽圈，中心轴。定子单元包括外壳，定子永磁体；转子单元包括转动基体，永磁体托槽，转子永磁体；调整单元包括旋钮连接柱，滑块单元，拉杆，调整旋钮；锁定单元包括锁定针单元，锁定针固定座。定子机构上均匀排布着两两一组同极相对的四组永磁体，转子机构上均匀排布着与定子永磁体组数相等的N极S极相间的永磁体，当定子机构转动一个角度时，因同性磁极相斥，异性磁极相吸，产生的切向力驱动转子转动。通过改变定子永磁体与转子永磁体之间气隙的大小，进而改变输出助力的大小，能适应不同阶段的患者对康复助力的需求。

Description

一种康复机器人旋转关节永磁助力机构

技术领域

本发明涉及一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，属于医疗保健领域。

背景技术

随着我国科技水平以及人民物质生活水平的提高，康复机器人的研究越来越受到人们的重视，康复机器人助力机构的研究更是康复机器人研究中的重要一环。磁能作为一种清洁能源已广泛应用于机械、电子、航天、化工、交通等领域，目前已经发展出磁力轴承、磁力齿轮、磁力吸盘、磁力联轴器、磁力泵、磁力弹簧，以及磁力能量收获装置等多种类型的磁力机械，这些磁力机械所应用的基本原理，就是同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引的基本性质,我国有着丰富的永磁材料矿藏，其中应用最广泛的磁性材料是铷铁硼材料，每平方厘米的铷铁硼材料可以产生2kg-5kg的斥力，然而市面上还没一种康复机器人旋转关节助力机构利用磁性材料的优良特性，多是利用气动驱动，液压驱动，以及电机驱动，气动驱动助力结构多伴随着噪音，液压驱动助力机构常伴随着泄漏，电机驱动助力机构多不易于穿戴。

针对上述问题，国内也提交了相关专利，一种磁力助力装置（专利号CN104038105），提出了一种永磁助力机构，包括转轴，第一永磁体，第二永磁体，通过改变永久磁体间距离和倾角设置的磁场方向，使永久磁体间产生切割磁场，进而产生磁场力，这种方案在技术上是有效的，但是它存在一些技术缺陷，该装置永磁体的布置方式为径向充磁、磁方向斜向排列，该种排列方向易产生较大的轴向力，影响装置的可靠性，该装置通过改变永磁体间倾角大小进而改变磁场方向，要求安装精度高，且该装置的输出助力大小不能调节，应用范围小。

磁力助动机（专利号CN201393190Y）,提出了一种永磁助力装置，包括外壳，转子，阻磁圈，磁钢，拨杆，拉簧，通过磁钢同名磁极产生的斥力驱动转子转动，阻磁圈对应磁钢处设有与之相配合的开口，通过开口相对于磁钢的定期打开，实现对转子周期性的助动效果，这种方案在技术上是有效的，但是它存在一些技术缺陷，首先，该装置只有当阻磁圈的开口与磁钢位置相对时才能提供助力，助力期助力输出不均衡，有效助力时间短，其次，该装置通过拉簧拉动拨杆，进而拨动阻磁圈上的凸起实现通开口相对于磁钢周期打开，进而实现周期性助动，拉簧在使用过程中会发生形变，反复使用后很难保证阻磁圈开口能准确地周期性打开，进而大大影响助力效果，可靠性低，再次，该装置输出助力大小不能调节，应用范围小。

永磁助力器（专利号CN2493778Y）,提出了一种永磁助力机构，包括主轴，转轮，助力臂，大齿轮，小齿轮，工作时对小齿轮施加外力带动主轴以及固装在主轴上的转轮同时转动，转轮与助力臂上的同极磁体相遇产生斥力，通过主轴将斥力变为输出的动力，这种方案在技术上是有效的，但是它存在一些技术缺陷，该机构采用同极磁极倾斜对置的布置方式，在同名磁极相靠近的过程中会产生阻碍机构运动的斥力，影响机构正常输出，降低助力效果，且该装置输出助力大小不能调节，应用范围小。

基于现有技术存在的缺陷，本发明所需要解决的技术问题为提供能够适应不同病情患者输出助力可调节、调节机构能够锁死、助力期助力输出均衡、周期性助力准确可靠、施加轴向力低的康复机器人旋转关节永磁助力机构。

发明内容

针对上述问题，本发明专利要解决的技术问题是提供一种康复机器人旋转关节永磁助力机构。

本发明专利的一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，它包括外壳，定子永磁，转子永磁体，转盘基体，中心轴，永磁体托槽，拉杆，调整旋钮，棘轮，锁定针固定座,锁定针单元,滑块连接柱，旋钮连接柱，滑轨，滑块单元，连接轴，条形滑块，限位块，锁定旋钮，锁定杆，弹簧，上挡圈，下挡圈，磁屏蔽圈轨道，磁屏蔽圈，定子连接座，磁屏蔽圈连接座，磁屏蔽圈滑块，磁屏蔽片，复位弹簧，助力段，推程段，回程段，过渡段，切面，调整单元。其特征在于：外壳套装在中心轴上，外壳内部安装有定子永磁体，转盘基体与中心轴通过平键连接，转盘基体的外圈上安装有磁屏蔽圈轨道，磁屏蔽轨道与磁屏蔽圈滑块配合，磁屏蔽圈滑块等距地安装在磁屏蔽圈上，磁屏蔽圈滑块的数量为四个，磁屏蔽圈上安有磁屏蔽圈连接座，磁屏蔽圈连接座与外壳上的定子连接座连接，磁屏蔽圈连接座与定子连接座中间安有复位弹簧，转盘基体侧面上安装有滑轨，滑轨与滑块单元配合，滑块单元安装在永磁体托槽上，永磁体托槽上安装有转子永磁体，调整旋钮套装在中心轴上，锁定针固定座安装在调整旋钮上，锁定针单元安装在锁定针固定座内，棘轮与中心轴通过平键连接，锁定针单元的末端与棘轮配合。

作为优选，所述的康复机器人旋转关节永磁助力机构的滑块单元由连接轴，条形滑块，限位块，滑块连接柱组成。所述的滑块连接柱固连在限位块上，连接轴的两端攻有螺纹，连接轴的一端与永磁体托槽连接，另一端与限位块连接，条形滑块装在连接轴上。

作为优选，所述的康复机器人旋转关节永磁助力机构的锁定针单元由锁定旋钮，锁定杆，弹簧，上挡圈，下挡圈和切面组成。所述的锁定杆的上端与锁定旋钮连接，下挡圈与锁定杆的下端固连，上挡圈套装在锁定杆上，弹簧安装在上挡圈与下挡圈之间；所述的上挡圈与锁定针固定座的上沿配合，下挡圈与锁定针固定座上沿配合；所述的锁定针单元末端有与轴向成30度角的切面，且锁定针单元能在锁定针固定座内转动。

作为优选，所述的康复机器人旋转关节永磁助力机构的定子永磁体采用铷铁硼扇形永磁体，永磁体两两一组，组内永磁体同极相对，同组的定子永磁体中间安有磁屏蔽片。

作为优选，所述的康复机器人旋转关节永磁助力机构的转子永磁体采用铷铁硼扇形永磁体，转子永磁体按照N极，S极相间的方式排布。

作为优选，所述的康复机器人旋转关节永磁助力机构的磁屏蔽圈滑块数量为四个，并均匀排布在磁屏蔽圈内侧。

作为优选，所述的康复机器人旋转关节永磁助力机构的磁屏蔽圈轨道是由助力段、推程段、回程段，过渡段组成的。

作为优选，所述的康复机器人旋转关节永磁助力机构的调整单元是由旋钮连接柱、滑块单元、拉杆、调整旋钮组成。所述的旋钮连接柱安装在调整旋钮上，拉杆的一端与旋钮连接柱铰接，拉杆的另一端与滑块单元上的滑块连接柱铰接。

本发明专利的有益效果为：

1.本发明专利采用扇形永磁体，相较于条形永磁体能更好的适应旋转关节的运动，也可以使助力机构的结构更加紧凑。

2.本发明专利的转子永磁体与定子永磁体间气隙的大小可以通过调整旋钮调节，进而调节输出助力的大小，以满足患者不同阶段的康复需求。

3.本发明专利的锁定针单元与棘轮构成了一套双向棘轮机构，能够锁定调整旋钮的位置。

4.本发明专利的磁屏蔽圈滑块在磁屏蔽圈轨道上滑动，实现了磁屏蔽圈准确地周期性开合，进而避免了永磁体间吸死情况的发生。

5.本发明专利的转子永磁体在助力期既能受到定子永磁体同名磁极的斥力，又能受到定子永磁体异名磁极的吸力，吸力与斥力作用方向相同，吸力与斥力共同组成助力，助力期助力输出均衡。

6.本发明专利的永磁体冲磁方向与运动的方向一致，不会产生多余的轴向力。

附图说明：

为了易于说明，本发明专利由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明专利结构示意图；

图2为永磁体布局示意图；

图3为磁屏蔽圈轨道示意图；

图4为滑块单元结构示意图；

图5为锁定针单元结构示意图；

图6为磁屏蔽圈与外壳连接处结构示意图；

图中：1-外壳，2-定子永磁体，3-转子永磁体，4-转盘基体，5-中心轴，6-永磁体托槽，7-拉杆，8-调整旋钮，9-棘轮，10-锁定针固定座,11-锁定针单元,12-滑块连接柱，13-旋钮连接柱，14-滑轨，15-滑块单元,16-连接轴，17-条形滑块，18-限位块，19-锁定旋钮，20锁定杆，21-弹簧，22-上挡圈，23-下挡圈，24-磁屏蔽圈轨道，25-磁屏蔽圈，26-定子连接座，27-磁屏蔽圈连接座，28-磁屏蔽圈滑块，29-磁屏蔽片，30-复位弹簧，31-助力段，32-推程段，33-回程段，34-过渡段,35-切面，36-调整单元。

具体实施方式：

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明专利，但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明专利的范围，此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明专利的概念。

如图所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，它包括外壳1，定子永磁体2，转子永磁体3，转盘基体4，中心轴5，永磁体托槽6，拉杆7，调整旋钮8，棘轮9，锁定针固定座10,锁定针单元11,滑块连接柱12，旋钮连接柱13，滑轨14，滑块单元15，连接轴16，条形滑块17，限位块18，锁定旋钮19，锁定杆20，弹簧21，上挡圈22，下挡圈23，磁屏蔽圈轨道24，磁屏蔽圈25，定子连接座26，磁屏蔽圈连接座27，磁屏蔽圈滑块28，磁屏蔽片29，复位弹簧30，助力段31，推程段32，回程段33，过渡段34，切面35，调整单元36。其特征在于：外壳1套装在中心轴5上，外壳1内部安装有定子永磁体2，转盘基体4与中心轴5通过平键连接，转盘基体4的外圈上安装有磁屏蔽圈轨道24，磁屏蔽轨道24与磁屏蔽圈滑块28配合，磁屏蔽圈滑块28等距安装在磁屏蔽圈25上，磁屏蔽圈滑块28的数量为四个，磁屏蔽圈25上安有磁屏蔽圈连接座27，磁屏蔽圈连接座27与外壳1上的定子连接座26连接，磁屏蔽圈连接座27与定子连接座26中间安有复位弹簧30，转盘基体4侧面上安装有滑轨14，滑轨14与滑块单元15配合，滑块单元15安装在永磁体托槽6上，永磁体托槽6上安装有转子永磁体3，调整旋钮8套装在中心轴5上，锁定针固定座10安装在调整旋钮8上，锁定针单元11安装在锁定针固定座10内，棘轮9与中心轴5通过平键连接，锁定针单元11的末端与棘轮9配合。

进一步的，所述的滑块单元15由连接轴16，条形滑块17，限位块18，滑块连接柱12组成，滑块连接柱12固连在限位块上，连接轴16的两端攻有螺纹，连接轴16的一端与永磁体托槽6连接，另一端与限位块18连接，条形滑块17装在连接轴上。

进一步的，所述锁定针单元11由锁定旋钮19，锁定杆20，弹簧21，上挡圈22，下挡圈23，切面35组成，锁定杆20的上端与锁定旋钮19连接，下挡圈23与锁定杆的下端固连，上挡圈22套装在锁定杆20上，弹簧21安装在上挡圈22与下挡圈23之间。

进一步的，所述的上挡圈22与锁定针固定座10的上沿配合，下挡圈23与锁定针固定座10上沿配合。

进一步的，所述的锁定针单元11末端有与轴向成30度角的切面35，且锁定针单元11能在锁定针固定座10内转动。

进一步的，所述的定子永磁体2采用铷铁硼扇形永磁体，永磁体两两一组，组内永磁体同极相对，同组的定子永磁体2中间安有磁屏蔽片。

进一步的，所述的转子永磁体3采用铷铁硼扇形永磁体，转子永磁体3按照N极，S极相间的方式排布。

进一步的，所述的磁屏蔽圈轨道是由助力段31、推程段32、回程段33，过渡段34组成的。

进一步的，所述的调整单元36是由旋钮连接柱13、滑块单元15、拉杆7、调整旋钮8组成；所述的旋钮连接柱13安装在调整旋钮8上，拉杆7的一端与旋钮连接柱13铰接，拉杆7的另一端与滑块单元15上的滑块连接柱12铰接。

本发明专利具体实施方式的工作原理为：本发明的外壳1与康复机器人旋转关节的一个旋转体连接，中心轴5与康复机器人旋转关节的另一旋转体连接，当外壳1转动一定角度时，定子永磁体2与转子永磁体3磁极间相互作用产生的切向力驱动转盘基体4转动，力矩通过平键由转盘基体4传递到中心轴5上，进而带动康复机器人转动关节转动，为了避免磁体吸死现象的发生，本发明特别设置了磁屏蔽圈25，由于壳体1与磁屏蔽圈25连接，当壳体1转动时，磁屏蔽圈25也会同步转动，此时磁屏蔽圈滑块28会沿磁屏蔽圈轨道24滑动，根据磁屏蔽圈滑块28的运动轨迹，磁屏蔽圈轨道24可被分为四个段：推程期、回程期、助力期、过渡期，推程期：指的是磁屏蔽圈滑块28沿着磁屏蔽圈轨道24的推程段32滑动的阶段，滑动时以推程段32与过渡段34相接的一端为起点，以推程段32与助力段31相接的一端为终点，磁屏蔽圈滑块28在沿推程段32滑动时会产生指向调整旋钮8的轴向力，进而带动磁屏蔽圈25轴向移动，在推程期的最后时刻阻隔在定子永磁体2与转子永磁体3间的磁屏蔽圈25被完全打开，磁体间能够相互作用，产生助力；助力期在推程期之后，指的是磁屏蔽圈滑块28磁屏蔽圈轨道24的助力段31滑动的阶段，滑动时以长直线段31与推程段32相接的一端为起点，以助力段31与回程段33相接的一端为终点，此阶段磁屏蔽圈滑块28沿着长助力段31滑动只能周向运动，而不能轴向滑动，所以此阶段磁屏蔽圈滑块28的轴向位置始终与推程期最终时刻磁屏蔽圈滑块28的轴向位置保持一致，故此阶段的磁屏蔽圈25始终保持完全打开的状态，磁体间能够相互作用，产生助力；回程期在助力期之后，指的是磁屏蔽圈滑块28沿着磁屏蔽圈轨道24的回程段33滑动的阶段，滑动时以回程段33与助力段31相接的一端为起点，以回程段33与过渡段34相接的一端为终点，磁屏蔽圈滑块28在沿回程段32滑动时会产生指向定子永磁体2的轴向力，进而带动磁屏蔽圈25轴向移动，在回程期的最后时刻阻隔在定子永磁体2与转子永磁体3间的磁屏蔽圈25被完全闭合，此时磁场被阻隔，磁体间不能相互作用，有效地避免了定子永磁体2与转子永磁体3吸死现象的发生；过渡期在回程期之后，占据整个运动周期较小的比例，指的是磁屏蔽圈滑块28沿着磁屏蔽圈轨道24的过渡段34滑动的阶段，滑动时以过渡段34与回程段33相接的一端为起点，以过渡段34与推程段32相接的一端为终点，此阶段磁屏蔽圈滑块28沿着过渡段34滑动只能周向运动，而不能轴向滑动，所以此阶段磁屏蔽圈滑块28的轴向位置始终与回程期最后时刻磁屏蔽圈滑块28的轴向位置保持一致，故过渡期的磁屏蔽圈25始终保持完全闭合的状态，无助力，过渡期患者可利用自身运动的惯性轻松地渡过，安装时，转子永磁体3的N极与磁屏蔽圈轨道24推程期的起点位置对齐，转子永磁体3的S极与磁屏蔽圈轨道24回程期的终点位置对齐，定子永磁体2的两端分别与磁屏蔽圈轨道24推程期的起点和终点对齐，磁屏蔽圈滑块28位于推程期起点位置，当患者抬起患肢时，患者发力带动壳体1转动，磁屏蔽圈25按磁屏蔽圈轨道24设定的轨迹实现周期运动，助力期转子永磁体3的一端受同名磁极的斥力，另一端受定子永磁体2异名磁极的吸力，前吸后推产生的切向力驱动转盘基体4转动，力矩通过平键由转子传递到中心轴5上，进而带动康复机器人转动关节转动，实现助力，当患者落下患肢时，运动方向与抬起患肢时相反，抬升患肢产生的助力此时会转变为支撑力，保护患者患肢可控地落下，避免二次伤害的发生，本发明的调整机构能够方便患者根据自身的身体状况调整助力以及支撑力的大小，旋转调整旋钮8，切向力通过拉杆7传递至滑块连接柱12，带动永磁体托槽6在滑轨14上移动，进而改变定子永磁体2与转子永磁体3间气隙的大小，气隙越小，输出助力以及支撑力越大，调整机构的锁死功能是通过由棘轮9和锁定针单元11组成的双向棘轮机构实现的，棘轮9通过平键固定在中心轴5上，调整调整旋钮8的位置时，只需将锁定针单元11的切面35朝向想要调整的方向，旋转调整旋钮8，因为锁定针单元11内安装有弹簧21，故当切面35与轮齿接触时，锁定针单元11切向力的会转化为径向力，压缩弹簧21，锁定针单元11能够通过棘轮9的轮齿，当调整到合适的位置时，将锁定针单元11旋转180°，此时锁定针单元11的非切面35与棘轮9接触，锁定针单元11运动时的切向力不会转化为径向力，弹簧21不会被压缩，锁定针单元11不能通过棘轮9的轮齿，实现调整单元的锁死。

以上显示和描述了本发明专利的基本原理和主要特征和本发明专利的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明专利不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明专利的原理，在不脱离本发明专利精神和范围的前提下，本发明专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明专利范围内。本发明专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，它包括外壳（1），定子永磁体（2），转子永磁体（3），转盘基体（4），中心轴（5），永磁体托槽（6），拉杆（7)，调整旋钮（8），棘轮（9），锁定针固定座（10），锁定针单元（11），滑块连接柱（12），旋钮连接柱（13），滑轨（14），滑块单元（15），连接轴（16），条形滑块（17），限位块（18），锁定旋钮（19），锁定杆（20），弹簧（21），上挡圈（22），下挡圈（23），磁屏蔽圈轨道（24），磁屏蔽圈（25），定子连接座（26），磁屏蔽圈连接座（27），磁屏蔽圈滑块（28），磁屏蔽片（29），复位弹簧（30），助力段（31），推程段（32），回程段（33），过渡段（34），切面（35）,调整单元(36)；其特征在于：外壳（1）套装在中心轴（5）上，外壳（1）内部安装有定子永磁体（2），转盘基体（4）与中心轴（5）通过平键连接，转盘基体（4）的外圈上安装有磁屏蔽圈轨道（24），磁屏蔽轨道（24）与磁屏蔽圈滑块（28）配合，磁屏蔽圈滑块（28）等距安装在磁屏蔽圈（25）上，磁屏蔽圈滑块（28）的数量为四个，磁屏蔽圈（25）上安有磁屏蔽圈连接座（27），磁屏蔽圈连接座（27）与外壳（1）上的定子连接座（26）连接，磁屏蔽圈连接座（27）与定子连接座（26）中间安有复位弹簧（30），转盘基体（4）侧面上安装有滑轨（14），滑轨（14）与滑块单元（15）配合，滑块单元（15）安装在永磁体托槽（6）上，永磁体托槽（6）上安装有转子永磁体（3），调整旋钮（8）套装在中心轴（5）上，锁定针固定座（10）安装在调整旋钮（8）上，锁定针单元（11)安装在锁定针固定座（10）内，棘轮（9）与中心轴（5）通过平键连接，锁定针单元（11）的末端与棘轮（9）配合。

2.根据权利要求1所述的一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，其特征在于：所述的滑块单元（15）由连接轴（16），条形滑块（17），限位块（18），滑块连接柱（12）组成；所述的滑块连接柱（12）固连在限位块（18）上，连接轴（16）的两端攻有螺纹，连接轴（16）的一端与永磁体托槽（6）连接，另一端与限位块（18）连接，条形滑块（17）装在连接轴上。

3.根据权利要求1所述的一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，其特征在于：所述的锁定针单元(11)由锁定旋钮（19）、锁定杆（20）、弹簧（21）、上挡圈（22）、下挡圈（23）、切面（35）组成；所述的锁定杆（20）的上端与锁定旋钮（19）连接，下挡圈（23）与锁定杆（20）的下端固连，上挡圈（22）套装在锁定杆（20）上，弹簧（21）安装在上挡圈（22）与下挡圈（23）之间；所述的上挡圈（22）与锁定针固定座（10）的上沿配合，下挡圈（23）与锁定针固定座（10）上沿配合；所述的锁定针单元（11）末端有与轴向成30度角的切面（35），且锁定针单元（11）能在锁定针固定座(10)内转动。

4.根据权利要求1所述的一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，其特征在于：所述的定子永磁体（2）采用铷铁硼扇形永磁体，永磁体两两一组，组内永磁体同极相对，同组的定子永磁体（2）中间安有磁屏蔽片（29）；所述的转子永磁体（3）采用铷铁硼扇形永磁体，转子永磁体（3）按照N极，S极相间的方式排布。

5.根据权利要求1所述的一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，其特征在于：所述的磁屏蔽圈轨道（24）是由助力段（31）、推程段（32）、回程段（33），过渡段（34）组成的。

6.根据权利要求1所述的一种康复机器人旋转关节永磁助力机构，其特征在于：所述的调整单元（36）是由旋钮连接柱（13）、滑块单元（15）、拉杆（7）、调整旋钮（8）组成；所述的旋钮连接柱（13）安装在调整旋钮（8）上，拉杆（7）的一端与旋钮连接柱（13）铰接，拉杆（7）的另一端与滑块单元（15）上的滑块连接柱（12）铰接。